魚刺型分支孔穩(wěn)斜鉆進試驗研究

趙曉明 ，畢海濤

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050000；2.河北省礦山地下水安全技術創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050000)

0 引言

礦山帷幕技術發(fā)展日趨成熟，成功治理礦山地下水患的實例越來越多。但隨著礦山資源開采強度的進一步加大，開采難度逐步提高，出現(xiàn)了深埋礦體、裂隙發(fā)育特殊條件下的帷幕注漿工程，傳統(tǒng)礦山止水帷幕鉆探施工工藝不能解決上述技術難題[1]。

在傳統(tǒng)帷幕注漿技術的基礎上，以柔性鉆桿為關鍵工具的井下組合器具及魚刺型組合鉆孔[2]的提出有效提高了地層高角度裂隙的揭露率，保證了漿液的擴散半徑；增大了井巷內(nèi)帷幕鉆孔間距，保證了鉆窩整體安全性。

隨著該項工藝應用范圍的擴大，在穩(wěn)斜階段，遇到破碎地層、軟硬不均地層、地層頻繁變化時，魚刺型分支孔的穩(wěn)斜效果大大降低，嚴重降低了成孔率，也增加了施工成本。在某注漿帷幕治水工程中，通過改進設備和調(diào)整工藝，有效保證了魚刺型分支孔穩(wěn)斜鉆進階段的鉆孔斜度穩(wěn)定性，提高了鉆孔成孔率。

1 工程概況

某礦注漿帷幕治水工程位于云南省昭通市高山峽谷地區(qū)，地層主要以泥盆系白云巖、石炭系灰?guī)r、二疊系茅口組灰?guī)r和峨眉山玄武巖為主，強烈的地質(zhì)運動造成了多條斷裂構造穿過礦區(qū)。經(jīng)過多年水文地質(zhì)研究，查清了礦床的主要充水水源和通道的位置，因此采用帷幕注漿的方式解決礦山水害問題。帷幕采用魚刺型分支孔+直孔的鉆孔結構，直孔孔距為30 m，魚刺型分支孔垂向孔距為30 m左右。

由于二疊系茅口灰?guī)r裂隙較為發(fā)育，透水性較強，受早期地質(zhì)作用，存在多條斷層破碎帶，鉆孔坍塌、掉塊現(xiàn)象時有發(fā)生，造成魚刺型分支孔在穩(wěn)斜鉆進過程中難以保持鉆進的頂角和方位角，并且鉆探設備損傷嚴重，施工效率低下，為解決以上問題，特對其進行試驗研究。

2 試驗過程

2.1 柔性鉆桿材質(zhì)和熱處理工藝

鉆桿材質(zhì)和熱處理方式以42鉻鉬+加厚滲氮處理的形式較好[3]。為進一步提高柔性鉆桿的使用壽命，降低施工成本，本次試驗將材質(zhì)更換為 20鉻錳鈦和20鉻錳4。經(jīng)過試制，發(fā)現(xiàn)用20鉻錳鈦材質(zhì)時，球頭的光潔度不能達到技術要求，同時經(jīng)加厚滲氮熱處理工藝后，硬度和耐磨性沒有明顯提高，因此20鉻錳鈦材質(zhì)無法滿足設計要求。20鉻錳4材質(zhì)在試件加工過程中表現(xiàn)較為良好，但在抗疲勞強度試驗時其抗疲勞穩(wěn)定性較差，無法滿足設計要求。

通過上述試驗，認為在 42鉻鉬材質(zhì)條件下，采用滲氮和加厚滲氮熱處理方式處理過的柔性鉆桿的使用壽命較長，性價比較高。

2.2 柔性鉆桿鎖母限位結構改進試驗

柔性鉆桿主要由球頭和球座兩個部分構成，鎖母是固定兩個部分的重要零件。球頭與球座的裝合精度完全依靠鎖母的松緊來實現(xiàn)。原設計球座限位部分絲扣較長（見圖1（a）），有足夠的行程用于鎖母的調(diào)解。但裝配過程在很大程度上受到人為因素的影響，造成裝配成型的鉆桿松緊不一，從而影響其使用。

圖1 鎖母限位設計改進[4]

針對以上情況，對鎖母安裝限位設計進行了改進。如圖1（b）所示將球頭與球座之間的接觸精度進行了多個尺寸試驗，同時進行了封閉性試壓和鉆桿活動范圍試驗，最終確定了最佳的精度。將球座的鎖母絲扣設置為固定長度，裝配過程中鎖母擰緊至底端絲扣即可，無需人為調(diào)整其松緊。

經(jīng)過改進后，2020年9月27日進場300節(jié)，共計60 m。完成魚刺型鉆孔10個，進尺325 m。目前未發(fā)生卡死現(xiàn)象，現(xiàn)有鉆桿完好。通過此次改進，有效提高了柔性鉆桿的使用壽命，降低了施工成本。

2.3 柔性鉆桿彎曲角度改進試驗

現(xiàn)有柔性鉆桿的彎曲角度均為5°，通過對柔性鉆桿在穩(wěn)斜鉆進中的受力分析，發(fā)現(xiàn)5°的柔性鉆桿彎曲角度較大，導致穿越破碎地層時其本身的自由度會隨之增加，鉆孔的保直率會進一步下降。由此，將鉆桿彎曲角度設為3°進行試驗。

3°柔性鉆桿的鉆進試驗情況見表1，由表1可以看出，3°柔性鉆桿在破碎地層中具有一定的保直作用，但由于其本身彎曲角度較小，受破碎地層影響，極易導致彎曲過大，造成部分鉆桿卡死報廢，但在完整地層中具有良好的保直效果?？紤]降低穩(wěn)斜鉆進過程中柔性鉆桿本身的自由度，以控制穩(wěn)斜鉆進過程中鉆桿的彎曲角度，提高鉆孔的保直率。

表1 3°柔性鉆桿試驗

2.4 鉆頭試驗

根據(jù)前期的研究成果，穩(wěn)斜鉆進鉆頭主要采用五翼PDC鉆頭和三牙輪鉆頭（見圖2），并未針對不同地層條件下穩(wěn)斜鉆進過程中保直率進行研究。因此，本次研究主要針對兩種鉆頭在不同地層中穩(wěn)斜鉆進的保直率進行試驗，結果見表2。

圖1是康明斯ISM440發(fā)動機制動特性曲線，制動功率隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增加，要最大限度地發(fā)揮發(fā)動機制動的效能，發(fā)動機必須保持高轉(zhuǎn)速，同時制動降速又必須將變速器放在低檔位，因此，發(fā)動機制動的低速特性突出。

圖2 兩種鉆頭形式[5]

表2 三牙輪鉆頭與PDC鉆頭鉆孔試驗成果

由表2中的12組試驗結果可以看出，五翼PDC鉆頭在較為完整的地層中，可較好地保持原有的方位和頂角，施工效率較高，為0.7 m/h。在較為破碎的地層中，鉆孔的偏差范圍在1.78°～28.41°內(nèi)，鉆孔頂角變化不大，滿足設計要求。同三牙輪鉆頭相比，鉆孔方位偏差明顯變小，具有較好的保直率。同樣，鉆孔施工效率相對較高，達到0.7～1.2 m/h。由此，可以得出如下結論：

（1）破碎地層中，兩種鉆頭的施工效率相當，但 PDC鉆頭施工的鉆孔方位偏差范圍較小，鉆孔保直率較高；

（2）由于兩種鉆頭的工作原理不同，依靠切削鉆進的 PDC鉆頭，鉆桿震動較為嚴重，對柔性鉆桿的使用壽命產(chǎn)生一定的影響，綜合考慮，認為 PDC鉆頭適用于破碎地層中鉆進，且保直效果較好。

2.5 鉆具組合形式試驗

在南部帷幕地層中對柔性鉆桿+鉆頭和柔性鉆桿+扶正器+鉆頭兩種鉆具組合形式（見圖3）進行了試驗。本次研究主要針對北部帷幕地層破碎帶、巖溶裂隙發(fā)育的特點，進行兩種鉆具組合形式試驗，確定其具體的適用性，試驗結果見表3。

圖3 鉆具組合形式

表3 鉆孔試驗成果

由表3中的13組試驗結果可以看出，柔性鉆桿+扶正器+鉆頭在較為完整地層中，可較好地保持原有的方位和頂角，但施工效率較低，僅為 0.5～0.6 m/h。在破碎的地層中，鉆孔的偏差范圍在1.8°～11.87°內(nèi)，保直率較高；施工效率在較完整地層中有所降低，為0.4～0.9 m/h。由此，可以得出結論：在破碎地層中，柔性鉆桿+扶正器+鉆頭的組合形式其施工效率明顯低于柔性鉆桿+鉆頭的組合，但是柔性鉆桿+扶正器+鉆頭的組合所施工鉆孔方位偏差范圍較小，鉆孔保直率較高，有利于保持鉆孔的方位和頂角。

2.6 鉆探參數(shù)試驗

鉆探參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速及泵量3個參數(shù)，針對北部帷幕地層經(jīng)過多個分支孔施工，總結了一套針對于現(xiàn)場的鉆探施工參數(shù)，見表4、表5。

表4 完整地層鉆探參數(shù)

表5 破碎地層鉆探參數(shù)

表6 BK80-4鉆孔測斜數(shù)據(jù)

在破碎地層坍塌后的掃孔過程中，需將鉆壓降至1.0 t左右，泵量控制在600 L/min，轉(zhuǎn)速控制在50 r/min?？刂茠呖姿俣仍?.5 m/h，并且需反復提升鉆具確認孔內(nèi)坍塌情況。

當遇地層由硬到軟突變時，降低鉆壓至 1.2～1.5 t。這樣可有效預防地層突變造成的鉆孔角度變化。

當遇地層由軟到硬突變時，需放緩鉆進速度，降低鉆壓至 1.2～1.5 t、提高轉(zhuǎn)速至 70 r/min，鉆進3 m后，可適當提高鉆壓至2.0～2.5 t。這樣可有效預防地層突變造成的鉆孔角度變化。

在鉆進過程中，發(fā)生別車現(xiàn)象時，需立即降低鉆壓至 0～0.2 t，轉(zhuǎn)速降低至 20～30 r/min，反復針對別車部位進行掃孔，直至無別車顯現(xiàn)后，方可繼續(xù)鉆進。

3 特殊地層的預防措施

北部帷幕地層較為復雜，主要以二疊系棲霞茅口灰?guī)r和石炭系灰?guī)r為主。由于早期地質(zhì)作用，造成斷層構造較為發(fā)育，使得層間存在多處破碎帶；同時，灰?guī)r地層裂隙發(fā)育，聯(lián)通性強，形成大量泥質(zhì)充填半充填的狀態(tài)，為鉆探帶來極大的困難。鉆探過程中常發(fā)生坍塌、涌砂現(xiàn)象，針對此情況，在項目研究過程中進行了相關試驗，并取得了較好的效果。

3.1 泥漿護壁

選擇適合的泥漿材料以保證泥漿性能是穿過破碎帶的必要條件，針對破碎帶的類型，綜合現(xiàn)場各工程隊的泥漿使用經(jīng)驗，選取的泥漿材料為 325目納基膨潤土、纖維素、磺化瀝青等材料[6]，根據(jù)地層坍塌程度配置相應性能的泥漿。泥漿的比重在1.14～1.16 t/m3之間可起到較好的效果。

3.2 注漿處理

針對坍塌嚴重的鉆孔，采用黏土水泥漿進行注漿處理，正常注漿后，鉆孔坍塌程度有效降低，可繼續(xù)進行剩余鉆孔施工。工程實例的 BSK3-6鉆孔施工至11.69 m處發(fā)生坍塌無法穿過，進行正常注漿處理，注漿壓力為 6.79 MPa，注漿量為 97.07 m3。掃孔后正常鉆進至終孔。BSK3-6鉆孔軌跡見圖4，注漿處理鉆孔情況見表7。

表7 注漿處理鉆孔情況統(tǒng)計

圖4 BSK3-6鉆孔軌跡

4 結論

本次試驗研究找到了合理的設備材質(zhì) 42鉻鉬鋼材和加厚滲氮的熱處理工藝，同時改進了鉆桿結構，提高了鉆桿的使用壽命；提出了破碎地層中最佳的鉆頭選用（PDC鉆頭）和鉆具組合形式，以及穩(wěn)斜鉆進的鉆探參數(shù)，有效保證了破碎地層、軟硬突變地層中魚刺型分支孔穩(wěn)斜鉆進的孔斜維持性，提高了鉆孔施工效率，同時降低了鉆探成本，取得了寶貴的施工經(jīng)驗，具有一定的推廣意義。