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靶域钻孔技术在冻结凿井工程中的应用

金桥煤矿第四系表土厚383．1 m，是国内目前冻结凿井表土层最厚的井筒，地层含水丰富，主、副井筒均采用冻结法施工，冻结深度412m。该矿冻结孔钻进工程量大，主副井共设计105个孔，钻孔总进尺37 926．5m。地层0～160m段含砂礓较多，最大直径为110mm；下部有多层强膨胀性粘土层（占60％以上），膨胀量大，最大自由膨胀率达135％。这些均给冻结凿井工程的施工带来诸多技术难题，为此，在方案设计中对冻结孔
的钻进提出了一些较高的技术要求：
　　（1）钻孔位置。偏离井口为0，切向为0～25mm；
　　（2）下管深度与设计深度相差不大于0．5m；
　　（3）钻孔偏向井心距离。辅助孔小于0．6m，深孔小于0．5m；
　　（4）冲积层钻孔偏斜率0．25％，终孔间距小于等于2．8m。
　　设计钻孔偏斜率与国家规范对比见表1。

表1　设计钻孔偏斜率与国家规范对比

项目 冻结孔偏斜率/% 冻结孔终孔间距
冲积层 基层 冲积层 基层
国家规范 ≤0.3 ≤0.5 ≤3.0(合格) ≤2.8(优良) ≤5.0(合格) ≤4.5(优良)
工程设计 ≤0.25 ≤0.4 ≤2.8 ≤2.8

　　为确保金桥煤矿冻结钻孔工程的进度和质量，采用高精度靶域定向钻进技术控制钻孔偏斜率，使终孔点位于设计的靶域，为后续冻结工程实施创造有利条件。

1　靶域定向钻进特点

　　定向钻进一般是开孔点与终孔点有水平距离，终孔点及其容许范围称作靶区。钻孔选择合理的造斜点，造斜点以上是直孔段，从造斜点开始造斜直至造到预定的孔斜角，然后斜钻进，使终孔点位于靶域内。





　　定向纠偏是定向钻进的一种形式，是把钻孔垂直方向在孔底水平的投影及允许偏差值为半径的圆作为靶区，钻头当前所处位置为起始位置，B为起始造斜点，选头初始位置为参数，采用斜向器造斜和稳斜，确保终孔点位于靶域内。




　　井下动力钻具加斜向器实施定向钻进，可较好地满足靶域钻进的要求。其特点是钻进时只有钻头旋转，整个钻具系统不转；钻头动力不是通过转盘－钻杆系统传递，而是由泥浆直接给钻头提供动力进行旋转钻进。这种方式的定向钻进效率高，配合JDT－3A陀螺仪测斜，钻进中可方便地调节钻孔轨迹实施纠偏，达到钻孔终点位于靶域目的，且成孔精度高、光滑，有利于钻孔下步作业。

2　靶域钻孔的技术措施

　　针对金桥煤矿钻孔工程难度大、精度要求高、工期紧的情况，靶域钻孔采取以下技术措施：
　　（1）选用准确性较高的JDT－3A型陀螺测斜仪，配合JJX－3磁性单点仪进行钻孔测斜。
　　（2）开发1套专供纠偏用的软件，配备便携式计算机，可在得到测斜资料几分钟后提出最佳纠偏方案。
　　（3）分析研究以往定向钻孔的技术资料，提出各种纠偏应急技术方案，为定向钻成高精度的深冻结孔提供技术储备。
　　（4）采用先进的“戴纳”井下动力钻具5LZ120×7．0配备0．5°，1°，1．5°，2°斜向器及各种特殊接头的配套组件。
　　（5）钻机在160m以上采用TXB－1000A型，160m以下采用DZJ－500－1000型。钻具组合如下：160 m以上取芯钻进采用φ91mm钻头、φ89mm岩芯管、φ83mm钻铤、φ63．5mm钻杆、主动钻杆；辅助孔160m以上钻进采用φ200mm四翼钻头、φ197mm防斜器、φ177．8mm钻铤、φ63．5mm钻杆、主动钻杆，160m以下采用φ200mm三牙轮钻头（或φ200mm四翼钻头）、φ197mm防斜器、φ177．8 mm钻铤、φ127mm钻杆、主动钻杆。

3　靶域钻孔的纠偏工艺

　　采用两套5LZ120×7．0井下动力钻具配合专门的斜向器进行高精度的定向纠偏，其定向纠偏的一般工艺过程为：
　　（1）钻进一定深度后，用JDT－3A陀螺测斜仪测出顶角值、方位角、水平X和Y偏值（直角坐标系）、偏率。
　　（2）当测值超过允许值时，则需要纠偏。将初始顶角值、原点方位、新点方位、欲选用的斜向器度数、反扭矩取值作为参数，并预设几个纠偏长度进行试算比较后选定斜向器型号、反扭矩值和纠偏长度。
　　（3）将选出来的合适的纠偏长度、斜向器度数及反扭矩值作为纠偏参数进行纠偏。
　　（4）将配以斜向器的钻具送至井下并转到设计方位，井口用专门装置锁定钻杆使其不能转动，泥浆泵用规定压力启动，“戴纳”钻具开始钻进（加杆进尺时，注意不要让锁定方位变动）。
　　（5）钻至设计的纠偏长度停钻，起钻杆，再将JDT－3A陀螺测斜仪送至井下纠偏段测斜。方位、顶角均合格后开始正常钻进；不合格则将此次测得的数据作为参数，再次进行上述纠偏。

4　靶域定向纠偏的工程实例

　　金桥矿主、副井冻结孔打钻期间共有9个冻结孔采用“戴纳”钻具进行纠偏，效果较为理想。表2为这些冻结孔纠偏前后的测斜结果。

表2　冻结钻孔纠偏前后测斜结果

纠偏孔号 纠偏日期 纠偏深度／m 纠偏长度／m 纠偏前测斜数据/(°) 纠偏后测斜数据/(°)
顶角 方位 顶角 方位
1 1996-04-24 206 15 43.9 127 17.9 192
2 1996-05-13 171 17 20 301 67.4 119
3 1996-05-23 247 16 28.9 82 24.8 162
4 1996-07-10 280 48 79.6 297 41.4 131
5 1996-08-15 158 15 24.5 261 57.7 174
6 1996-08-24 309 21 68.4 214 58.6 357
7 1996-09-04 270 12.5 40.4 58 49.2 249
8 1996-10-02 280 22 48.5 98 - -
9 1996-11-05 248 18 68.9 92 195.5 56

　　下面为其中一孔的纠偏过程。
　　该孔刚开始钻进时钻孔向90°方向偏出，偏斜值偏大；起钻垫钻机后续钻，向270°方向偏斜，偏斜值也较大；再起钻垫钻机钻进，向90°方向偏斜，此时已发生严重塌孔，确定用“戴纳”钻具纠偏，绕过此段再钻到设计靶域。
　　经分析，塌孔在钻孔90～270°方向上可能已塌成1个连通空区，最大间距在70cm左右；在0～180°方向可能也略有塌孔现象，但塌得比较少。要想绕过塌空区使钻孔逐渐回至原孔方向，只有用S型孔的钻进方法才能成功，往外偏的方位宜选在0°或180°。
　　由于钻孔有塌空区，近塌空区一侧岩性比其它地方偏软，当钻孔经过其附近时，钻孔中心容易往壁软的一侧偏，因此在纠偏后可配合使用降斜钻具组合，利用钻铤重量产生的钟摆效应可使钻孔向原钻孔中心靠近，降斜效果将会更明显。再考虑钻杆的弯曲效应，则可以达到1次纠偏绕过塌空区钻1个S型孔的目的。
　　实际施工方案为：在钻孔中下入方木（方木上绑扎猪皮）至200m左右，再用水泥、粘土回填钻孔约30m，然后用“戴纳”钻具在回填段内实施纠偏。要求纠偏过程中钻孔在180°方向偏出，而后自动降斜慢慢偏回；在230～250m深处偏斜达最大值，最大值在0．65～0．73m之间，这样的降斜效果将是非常合适的。此后至终孔这一阶段，钻孔轨迹向原孔中心靠拢，使其在365m终孔时，落在以365m×0．25％＝0．9125m为半径的靶域内。纠偏后测得数据比较理想，钻孔在174°方位偏出，最大偏值为0．716m，发生在240m深处。终孔后测得终孔点的最大偏率为0．21％，偏斜值为0．776m，小于0．9125m，即终孔点在靶域内，达到了设计要求。

5　结语

　　金桥煤矿冻结孔施工于1996－03－01开钻，虽然工程量大、技术难度高，但由于采用高精度靶域定向钻进技术、使用井下动力钻具及配套机具和仪器、合理地选用钻进参数、借助计算机纠偏程序的运算，快速有效地控制了钻孔顶角和方位角的变化。同年12月31日冻结孔全部到底后，经JDT－3A型陀螺仪实测数据检验，钻孔全部满足设计要求。其后续的冻结凿井工程也于1998年3月完竣。
　　靶域定向钻进技术的实质是通过有效地控制钻孔的顶角和方位角，使钻孔终点位于
设计靶域。该技术不但可以满足高精度垂直孔的施工，还可以满足各种地下工程方案的要求，实施S型、放射型等轨迹的钻孔施工，为今后开发深厚表土层的矿井提供多种技术手段。