固体矿产定向钻探技术与应用.doc

固体矿产定向钻探技术与应用
——LZ型连续造斜器及定向孔施工技术与工艺

编 写 人：张文英

中国地质科学院探矿工艺研究所
二○一一年十一月一日

固体矿产定向钻探技术与应用
——LZ型连续造斜器及定向孔施工技术与工艺

编 写 人：张文英
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中国地质科学院探矿工艺研究所
二○一一年十一月一日
目 录

第一章 LZ型连续造斜器及使用方法 1
一、LZ型造斜器结构及工作原理 1
二、LZ型造斜器的重要用途 3
三、LZ型造斜器的重要特点 3
四、LZ型造斜器基本操作方法 4
五、提高造斜器造斜强度的重要途径 6
第二章 LZ型造斜器孔内定向方法及安装角计算 9
一、造斜器的孔内定向方法 9
二、造斜器在孔底安装角计算 12
第三章 定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算 14
一、定向孔孔身轨迹设计 14
二、定向孔空间位置计算 17
第四章 定向钻探案例分析 21
一、易斜矿区深孔定向钻探技术 21
二、用零顶角回避法施工垂直定向孔 24
三、水下定向钻探 26
四、复杂地层深孔定向分支孔施工技术 26
五、侧钻技术在钻孔事故解决中的应用（论文） 27

第一章 LZ型连续造斜器及使用方法

随着国民经济的快速发展，能源和矿物原料需求不断增长，地质找矿任务也在加重。国内埋藏较浅的矿产资源已基本查清，找矿重要目的是深部隐伏矿体，而深部钻探有2个显著技术难点：一是对钻孔轨迹控制难度加大，特别是在易斜矿区或勘探网度较密矿区，常规防斜措施很难达成地质设计规定；二是一旦发生严重事故很难解决，这些技术难题都需要用定向钻探技术来解决。
图1-1 LZ型造斜器结构及工作原理图
用于受控定向钻探的造斜工具目前重要有两种，即液动螺杆钻具和机械式连续造斜器。由探矿工艺研究所研制的LZ型连续造斜器是原地矿部“六五”科技攻关成果，获得原地矿部科技成果一等奖，在大范围推广应用中取得了显著的社会、经济效益。
一、LZ型造斜器结构及工作原理
LZ型连续造斜器由定子和转子两部分组成（如图1-1所示）。定子部分涉及单动外壳、工作弹簧、定子外壳、定位套、上半楔、滑块和下半楔。转子部分涉及积极轴、定位接头、花键轴、花键套、被动轴、短管和钻头。造斜器在孔底工作时，定子不转动，只是在钻压作用下沿钻孔延深方向作直线运动。所以定子部分只传递钻压，而转子部分重要传递扭矩。
当造斜器处在自由状态时（如图1-2所示），楔形滑块在回位弹簧作用下处在回收状态。转子上的定位接头与定子上的定位套通过定位键互相锁紧，以保证造斜器在下钻过程中两者之间不能产生相对角位移，为造斜器在孔底定向的准确性提供必要条图1-2 造斜器自由状态
件（见图1-1、a所示）。
图1-3 造斜器工作状态
当造斜器在钻压P作用下，钻压通过主轴凸肩传给单动外壳→工作弹簧→定子外壳→上半楔→滑块→下半楔→被动轴凸肩→钻头。由于钻压的作用，一方面工作弹簧被压缩，积极轴下移，定位键脱开，定子与转子解卡，转子恢复转动。另一方面，定子上的钻压使楔形滑块产生横向位移（图1-3所示），与孔壁接触，孔壁对滑块的侧压力Q把造斜器推向孔壁另一侧，因钻头直径大于上下半楔及滑块的直径，于是钻头对孔壁产生一个侧向切削力——造斜力A。造斜器在孔底工作时，钻头时刻侧向切削孔壁，导致孔斜（见图1-1、b所示）。
回次造斜完毕后，卸掉钻压，滑块依靠回位弹簧的张力作用自动回到原位，因而造斜器能顺利提出孔口。
二、LZ型造斜器的重要用途
1、地质勘探钻孔纠斜（纠方位角和顶角）；
2、施工单底定向孔、多孔底分支定向孔；
3、在复杂孔内事故中，绕过事故钻具不留隐患；
4、补采岩矿心；
5、在矿山建设中施工特种工程孔，如坑道通风孔、竖井冻结孔、溜井导向孔和止水注浆孔等。
三、LZ型造斜器的重要特点
1、工作原理独特
连续造斜器是运用专门机构产生偏斜力实现定向造斜的工具，其核心部件是上下半楔和滑块。滑块有两个重要作用：（1）依靠滑块施加给钻头的侧向切削力，迫使钻头连续侧向切削孔壁，钻头前进方向偏离原孔轴线，钻头运动轨迹显然是一条弧线。造斜进尺越多，弧线越长，钻孔顶角或方位角增量越大；（2）楔形滑块对孔壁有一个比较大的侧压力，通过滑块上的两个滚轮对孔壁的卡固作用,对造斜器定子产生制动扭矩，使造斜器定子在工作过程中只能向下滑动而不能转动，以稳定造斜方位。
2、工作安全可靠
造斜钻头为全面不取心钻头，为破碎岩石并保证有足够的造斜力，所需钻压比较大，而转子直径又比较小，以LZ-73造斜器为例，钻压为25KN～30KN，大大超过常规钻进所需钻压。为解决高钻压与小直径转子之间的矛盾，保障造斜器在孔内工作时的安全，采用了两点措施：（1）积极轴选用高强度合金钢制造；（2）定子、转子各司其职，定子传递钻压，转子传递扭矩，从而减轻了转子的工作负荷，提高了造斜器在孔内工作时的安全性，从1983年至今没有出现过主轴断裂的安全事故。
3、定子转子定位可靠
定子和转子之间定位的可靠性直接影响到造斜器在孔底定向的准确性。对定位机构的规定是在造斜器下入孔内过程中，一旦定子转子解锁后还能自动回复到原锁紧状态，以保持造斜器定向母线不错乱。LZ-73、LZ-89造斜器采用的是滑键——双螺旋定位机构，螺旋角大、自动回位可靠性高，任何时候都能保证造斜器定向母线不变，为在孔底准拟定向提供了前提条件。
4、滑块回位灵活
造斜回次结束，造斜器提离孔底，回位弹簧的张力转化为对楔形滑块的横向拉力，滑块自动回复到原位，钻具顺利提出地表。
5、使用方便，在不改变或增长现场设备条件下即可使用。
6、造斜强度高，根据地层情况，造斜强度可达0.5°～2°/m。
7、不受孔深限制，对冲洗液类型没有特殊规定。
8、易损零件少，使用寿命长。
9、原孔同径造斜。
10、对地层适应性强。
四、LZ型造斜器基本操作方法
造斜器的操作有严格的操作规程，不按规程操作将影响造斜效果甚至损坏造斜器，其基本操作如下：
1、造斜器下到孔内距孔底0.5m时，开泵送水，把造斜器缓慢下放到孔底，冲洗岩粉，泵压正常后，再把造斜器提离孔底0.3-0.5m，关泵定向（定向方法另述）。
2、下钻过程中若遇阻，可以上下串动钻具，但绝不能像常规钻具那样开车扫孔，若下不去，应把造斜器提出地表，将钻孔扫通后再下。
3、造斜器定向完毕，开泵通水，待冲洗液返出孔口后，再把造斜器缓慢下到孔底，孔底不能有过多的岩粉或残留岩心。
4、先加压后开车。按规程加够额定钻压（含钻具重量）后，用最低速缓慢开车，不要猛合离合器。若造斜钻进无异常情况，可把转速适当提高。
5、立轴倒杆。先关车后倒杆，有两种情况要注意：⑴孔深大于200m时可直接松卡盘倒杆；⑵孔深较浅时，要先回油后倒杆。把油缸里的油回完，依靠钻柱弹性变形和工作弹簧被压缩积聚的能量顶卡盘上行，上行停止、能量释放完毕再松卡盘倒杆，重新加压后继续造斜钻进。假如浅孔直接松卡盘，会因钻具重量轻，也许引起钻具弹跳，破坏定向方位。
6、造斜进尺长度以1.0～1.5m为宜，假如进尺太多，钻孔形成的“狗腿”弯度太大，不利于下一步安全钻进。
7、回次造斜完毕，用长约1.0m的短钻具钻进2次，然后钻具逐渐加长钻进4－5m后测斜，根据测斜数据计算钻孔空间位置。
8、必须注意：（1）造斜器不能当扫孔钻具使用；（2）任何时候不加够额定钻压都不允许开车。
9、造斜钻进开始进尺较快，然后钻进速度逐渐减少，最后基本不进尺，说明钻孔已发生弯曲，阻力较大，应当立即提钻，造斜回次结束。
图1-4 天然表镶金刚石钻头
10、造斜钻头的选择
与造斜器配套使用的是全面钻进不取心钻头，根据不同地层选用不同的钻头。建议坚硬打滑地层用孕镶金刚石钻头；中硬地层用金刚石天然表镶钻头（图1-4）；偏软地层用硬质合金钻头或复合片钻头。
11、造斜钻进过程中，假如出现不正常情况，决不允许把钻具提离孔底，必须先关车，把油门松开，分析因素，然后重新加压钻进。
12、钻孔孔径不能过大，假如因钻孔结构因素或孔壁坍塌导致孔径过大，钻杆在高钻压下将产生波浪形交变弯曲，容易出现钻杆断裂事故。
13、假如使用绳索取心钻杆或Φ60mm钻杆，造斜器上部应加长度为4.0m～5.0m的Φ50mm钻杆单根与上部钻杆连接。
14、连续造斜器重要技术指标见表1-1所示。
表1-1 LZ连续造斜器重要技术指标
技术性能
造斜器型号
LZ-73
LZ-89
合用孔径(mm)
75～88
91～110
滑块径向最大伸长(mm)
25
35
允许钻孔超径(mm)
15
20
造斜强度(°/m)
0.3～1.8
0.6～1.6
钻进规程
钻压(KN)
25～30
28～30
转速(r/min)
90～200
90～200
钻井液量(L/min)
50～70
50～70
钻具外径(mm)
73
89
钻具长度(mm)
2300
2400
钻具重量(kg)
45
50
五、提高造斜器造斜强度的重要途径
造斜强度是LZ型连续造斜器重要技术指标，提高造斜强度的途径如下：
（一）改变钻头短管长度
如图1-5所示，滑块楔角为45°，造斜力简化为：
可以看出，造斜力A（直接影响造斜强度）随钻压增长而增大。随滑块中点至钻头距离L1减小而增大。而滑块中点至外管与孔壁切点距离L2同时出现在分子分母上，对造斜力的影响情况不十分明确，通过进一步分析可以发现：造斜力A随L2的加长而增大。
图1-5 LZ-73受力状态示意图
Q为孔壁对滑块的侧压力；L1为滑块中点至钻头底部的距离；L2为滑块中点至工具外壳与孔壁切点B的距离；L3为钻头底部至B点的距离；D为钻头直径；d为B点处工具外壳直径
钻头短管
由于造斜器外壳尺寸不也许再改变，提高造斜力的途径是在允许范围内提高钻压，通过减小钻头短管长度来减少L1。造斜力随钻压及L1变化情况已在实验台上得到验证（如表1-2所示），造斜强度变化情况也已在生产实验中得到证实, 在贵州某矿区生产实验情况见表1-3。
表1-2 不同L1长度的造斜力测定值
L1=550mm
钻压(KN)
10.36
13.38
15.60
20.69
23.75
24.50

造斜力A(KN)
1.91
2.17
2.27
2.43
2.50
2.58

L1=400mm
钻压(KN)
7.51
10.07
16.97
18.00
20.32
22.88
25.00
26.36
造斜力A(KN)
2.32
3.70
4.13
4.17
4.26
4.44
4.55
4.62
L1=350mm
钻压(KN)
5.57
7.36
12.91
16.62
23.03
28.43

造斜力A(KN)
2.18
2.90
4.80
5.31
5.49
5.80

表1-3 不同L1长度的造斜强度生产实验值
L1=390mm
造斜孔深(米)
217.38
-218.40
221.86
-223.41
227.19
-228.84
232.64
-233.64
239.13
-240.63
265.17
-266.17
232.52
-325.02
328.42
-330.12
累计
进尺长度(米)
1.02
1.55
1.65
1.0
1.50
1.0
1.50
1.70
10.92
钻孔顶角增量
1.5°
2°
3°
1°
2.17°
0.67°
1.17°
1.83°
13.34°
平均造斜强度i=1.22°/m
L1=440mm
造斜孔深(米)
243.44
246.73
248.99

累计
进尺长度(米)
1.19
1.17
1.51

3.87
钻孔顶角增量
0.13°
1.17°
1.83°

3.83°
平均造斜强度i=0.99°/m
（二）提高钻头侧向切削力
缩短钻头短管长度不是提高造斜强度唯一途径，还应当提高钻头的侧向切削能力，以提高钻头侧向切削速度对轴向进尺速度比值，这将在后面进一步分析。

第二章 LZ型造斜器孔内定向方法及安装角计算

一、造斜器的孔内定向方法
与连续造斜器配套使用的定向仪重要有DX-2定向仪和SZ型水压自动定向仪，其重要技术指标见表2-1所示，根据不同情况选用不同的定向仪。
表2-1 定向仪重要技术指标
技术性能
定向仪型号
DX－2
SZ－73
合用钻孔顶角(°)
>3
>8
安装角定向精度(°)
±3
±10
一次定向所需时间(min)
>30
<10
仪器长度(mm)
680
1300
重量(kg)
0.7
20
寻找定向位置方式
孔口转钻杆
水压自动
仪器外径(mm)
15
73
1、DX-2定向仪
DX-2定向仪（如图2-1所示）属于偏重原理定向仪，必须在钻孔顶角大于3°的情况下使用。传感器用导线从钻杆中心下入孔内，孔口转动钻杆，摆锤与金属片接触，电压表指针左右摆动；当摆锤与金属片脱离，指针停在中间零的位置不动，继续转动钻杆，假如零的位置连续时间很短（又称为短零），该位置即是造斜器定向位置。
图2-1 DX-2定向仪结构
a－孔内传感器；b－地表仪器线路
1－导线；2－导线帽；3－母线接头；4－定向母线；5－安装架；6－外壳；7－二极管；8－触片；9－摆锤；10－密封圈；11－连接杆；12－调节螺母；13－斜口引鞋；14－引鞋母线；15－定位槽

2、SZ型水压自动定向仪
图2-2 SZ型水压自动定向仪
1－上缸体；2、5－纵向通水孔；3－压缩弹簧；4－上活塞；6－外壳；7－花键套；8－花键；9－轴承；10－偏重体；11－水孔；12－双螺旋套；13－定向键；14－活塞轴；15、17－侧水孔；16－钢球；18－定向标记；19－锁母；20－弹簧垫圈；21－锁接头
当钻孔顶角大、泥浆比重大时，有缆式定向仪都很难下入预定位置，这种情况下可用水压自动定向仪（如图2-2所示）。它是运用液压——螺旋自动归位原理定向，使用条件是钻孔顶角大于8°。定向仪与造斜器在地表联接好，下入孔内，开泵通水，活塞轴上行，与双螺旋套接触时拉动造斜器做上升旋转运动，泵压减少时说明水路所有打开，定向完毕，整个定向过程不超过10分钟。
4、当钻孔较浅而又不具有直孔定向仪使用条件时，可用钻杆划线定向，也能取得较好定向效果。
二、造斜器在孔底安装角计算
造斜器在孔底安装方位不同，所产生的纠、造斜效果也不同，其基本原理如下（如图2-3所示，图中的上下左右代表钻孔的上下左右侧帮）：
⑴当造斜器滑块安装在钻孔上帮时，钻孔向下弯曲，顶角下垂。
⑵当滑块安装在钻孔下帮时，钻孔向上弯曲，顶角上漂。
⑶当滑块安装在左侧帮时，钻孔顺时针弯曲，方位增大。
⑷当滑块安装在右侧帮时，钻孔逆时针弯曲，方位减小。
图2-3 造斜器孔内安装示意图
根据不同的纠、造斜目的计算出相应的安装角，造斜器的安装角与钻孔的顶角、方位角及楔顶角有关。
安装角计算事实上是球面三角问题，用球面三角公式计算较为精确，但公式过于复杂，不适合在生产现场使用，现推荐作图法，见图2-4所示。
OA为原孔实际方位,其上的5°、10°代表钻孔顶角，5mm代表1°，若钻孔顶角为8°（点C）,规定增长方位15°，而顶角不变，求安装角及楔顶角。
作图方法为：从O点用量角器量出15°夹角并画射线OB，用与OA相同的比例尺在OB上截取顶角8°点D，并连接CD，角Φ就是造斜器安装角，γ就是楔顶角，从图中可以量出Φ=100°，γ=2.5°。造斜器是无楔造斜，γ角称为相称楔顶角，相称楔顶角γ=造斜强度×造斜进尺。
图2-4 作图法计算安装角
假如规定既有方位角变化又有顶角变化，可根据变化量来拟定安装角和楔顶角。应当说明的是：安装角就是以钻孔最下帮为起点，造斜器定向母线所转动的角度。如前面所说的安装角Φ=100°，就是以钻孔最下帮为起点，定向母线顺时针旋转100°。
这种作图方法是在原钻孔所需顶角、方位角增量基础上作出的，具有简捷明快的特点。作图法事实上是把球面三角问题简化为用平面三角计算，精确度足以满足生产规定。
第三章 定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算

一、定向孔孔身轨迹设计
设计定向孔孔身轨迹的目的是便于对钻孔实际轨迹进行控制，指导施工。施工过程中，定向孔的垂直孔深、水平位移和偏离勘探线距离3个重要数据都应当基本与设计数值吻合，偏差过大则不能满足穿靶规定。
就岩心钻探而言，一般都把孔身轨迹设计在垂直平面内，即只有顶角变化而无方位变化，这也符合生产实际。孔身轨迹有多种形式，最常用的有直线——曲线型和直线——曲线——直线型两种。
（一）直线——曲线型孔身轨迹
图3-1 受控定向孔直线——曲型孔身轨迹计算图
如图3-1所示，已知开孔顶角θ0，造斜点孔深L1，靶点垂深H，水平位移S，求解曲线段顶角增量γ，平均造斜强度i，曲线段弧长L2，中靶孔深L。
1、曲线段顶角增量γ(°)(公式推导从略)
2、曲线段平均造斜强度i(°/m)
3、曲线段弧长L2（m）
4、曲率半径R(m)
5、钻孔中靶孔深L（m）
例1：某钻孔靶点垂深H=330m，孔口至靶点水平位移S=40m，开孔顶角θ0=4.6°,造斜点孔深L1=231m。求解曲线段顶角增量γ，平均造斜强度i，曲线段弧长L2及靶点孔深L。
把已知数据代入前面公式：
假如开孔顶角为0°，则上述公式变为：
图3-2 受控定向孔直线——曲线——直线型孔身轨迹计算图
（二）直线—曲线—直线型孔身轨迹
如图3-2：已知靶点垂直孔深H，水平位移S，开孔顶角θ0，曲线段平均造斜强度i，造斜点孔深L1，求解曲线段顶角增量γ，曲线段长度L2和靶点孔深L。其计算公式如下（推导从略）：
式中:
曲线段长度：
其中：
靶点孔深:
应当说明一点,在选择平均造斜强度时要考虑钻杆的安全性。用Φ50mm钻杆时,i=0.15°～0.2°/m为宜，用绳索取心钻杆时建议i=0.1°/m。
例2：某钻孔开孔顶角θ0=5°,靶点垂深H=500m，水平位移S=80m,曲线段平均造斜强度i=0.3°/m，造斜点孔深L1=300m，求解曲线段顶角增量γ，曲线段长度L2，靶点孔深L。
求γ：

靶点孔深
二、定向孔空间位置计算
定向孔施工过程中，必须随时对钻孔的空间位置进行计算或作图，以便动态掌握孔身轨迹的变化情况并和设计轨迹比照，当实际轨迹和设计轨迹相差较大时，应及时采用纠、造斜措施并最终满足中靶规定。
某控制孔段L的空间形态如图3-3所示。
β—钻孔倾角
Δа—实际方位与设计方位夹角
ΔX —L在设计方向水平投影长度
图3-3 钻孔空间状态图
ΔY —L在水平面上偏离勘探线长度
ΔZ —L的垂直投影长度
运用三角形关系可以算出以上数值。
各测斜点所得出的ΔX、ΔY、ΔZ数值分别累加就可以计算出整个钻孔空间形态并作出三维空间曲线图。
目前地质单位最常用的计算方法有均角全距法和全角半距法，这两种方法计算误差比较小，基本与钻孔的实际形态相符合。现以全角半距计算方法说明如下：
A、B、C为相邻三个测斜点，A、B二点相距L1，B、C二点相距L2，B点倾角β，方位差Δа，依据上述公式可得：
应当注意两点：
1、造斜孔段倾角、方位角变化频繁，应加密测斜，以减少钻孔空间曲线计算误差。
2、注意Δа正负值的变化，当实际方位角减设计方位角等于负值时，也应当为负值。
钻孔空间位置计算实例见表3-1。
表3-1 钻孔弯曲计算表
孔号：XXX 设计倾角：80°
设计方位：230.75°
测量深度
(m)
控制长度
(m)
实测方位角(度)
实测倾斜角(度)
钻孔实测方位角与剖面线方位角之差角
L在剖面上水
平投影长度
△X=Lcosβcos△α
水平投影结果累计长度
L在水平面上偏离勘探线长度
△Y=△Xtg△α
控制点偏离勘探线累计长度
L在剖面上垂直投影长度
△Z=Lsinβ
垂直投影累计长度
备 注
M
L
α
β
△α
△X
Σ△X
△Y
Σ△Y
△Z
Σ△Z

0
5
230.75
80.0
0
0.87
0.87
0.00
0.00
4.92
4.92

10
10
226.6
79.5
-4.15
1.82
2.69
-0.13
-0.13
9.83
14.76

20
10
230.2
79.2
-0.55
1.87
4.56
-0.02
-0.15
9.82
24.58

30
10
230.3
79.0
-0.45
1.91
6.47
-0.01
-0.16
9.82
34.40

40
10
227.6
79.1
-3.15
1.89
8.36
-0.10
-0.27
9.82
44.22

50
10
224.9
79.0
-5.85
1.90
10.25
-0.19
-0.46
9.82
54.03

60
10
223.6
778.8
-7.15
1.93
12.18
-0.24
-0.71
9.81
63.84

70
10
215.7
79.7
-15.05
1.73
13.91
-0.46
-1.17
9.84
73.68

80
10
215.5
79.6
-15.25
1.74
15.66
-0.47
-1.64
9.84
83.52

90
10
219.8
79.1
-10.95
1.86
17.51
-0.36
-2.00
9.82
93.34

100
22.5
221.4
79.9
-9.35
3.89
21.40
-0.64
-2.64
22.15
115.49

135
22.5
220.1
77.7
-10.65
4.71
26.11
-0.89
-3.53
21.98
137.47

145
10
216.8
77.4
-13.95
2.12
28.23
-0.53
-4.06
9.76
147.23

155
10
216.7
77.5
-14.05
2.10
30.33
-0.53
-4.58
9.76
156.99

165
10
217
77.3
-13.75
2.14
32.46
-0.52
-5.10
9.76
166.75

175
27.5
215.2
76.9
-15.55
6.00
38.47
-1.67
-6.77
26.78
193.53

220
27.5
216.3
76.4
-14.45
6.26
44.73
-1.61
-8.39
26.73
220.26

230
10
230.75
75
0
2.59
47.32
0
-8.39
9.66
229.92

240
10
240.75
76
10
2.38
49.7
0.42
-7.97
9.70
239.62

250

第四章 定向钻探案例分析

一、易斜矿区深孔定向钻探技术
易斜矿区深孔定向钻探重要难点在于钻孔深、靶点深，造斜器定向困难，钻孔轨迹控制困难，准确中靶难度大，不采用技术措施不能满足地质设计规定。现以山西中条山4个深孔为例，对其技术要点进行分析。
山西中条山铜矿峪是大型斑岩铜矿床，地层产状陡,软硬变化大。20世纪50年代、70年代两次进行大规模钻探，但孔斜超差、优质孔率低的问题一直没有解决。孔斜规律是顶角上漂，平均上漂幅度8°/100m以上，最大上漂幅度16°/100m以上。
图4-1 ZK1002钻孔弯曲曲线示意图
“七五”后两年，山西地矿局为向国家提交13万吨铜储量，1989年3月，在矿区布置了ZK0001、ZK1002、ZK3001和ZK5001四个深孔，平均孔深815m，以期完毕储量任务。地质设计均为顶角上漂3°/100m的斜孔。4台钻机5月中旬相继开钻，虽然采用了常规防斜措施，但收效甚微，孔斜超差严重，至8月中旬有2台钻机被迫停钻，生产任务和储量任务受到严重威胁。
1989年9月～1990年9月，山西214队与探矿工艺研究所合作，开展以LZ－73连续造斜器为主体的孔斜防治工作，获得成功。4个钻孔累计纠斜67次，均按设计靶区中靶，如期完毕了生产任务和储量任务，挽救濒于报废工作量844m。
1、造斜器深孔定向技术
以ZK1002孔为例（图4-1），设计孔深900m,靶点孔深825m,孔深500m时已纠斜10次，钻孔多处出现急弯，钻杆回转阻力很大，用缆线式定向仪孔口扭转钻杆寻找定向位置已十分困难，该孔750m才开始见矿，500m～700m孔段纠斜工作量还很大，造斜器定向问题不解决，纠斜工作无从谈起。自孔深510m开始使用SZ-73水压自动定向仪定向纠斜15次，定向准确，钻孔轨迹得到控制。全孔共纠斜23次，累计纠斜进尺47.59m,终孔孔深947.69m,靶点孔深825m,中靶误差9.68m,在设计范围内，各项指标符合规定，被评为优质孔，水压自动定向仪为ZK1002孔顺利竣工起到了关键性作用。
2、破碎易斜地层加密纠斜
铜矿峪地层另一个特点是软硬换层频繁，层间破碎带分布极广，在较软的绢英片岩及破碎带中孔斜十分突出，25m孔段可上漂9°40′，在这类孔段要加密纠斜次数。ZK1002孔490m～575m是急斜孔段，自然上漂率为16°/100m,连续纠斜7次，顶角从17°28′降至12°20′，克制了顶角大幅度上漂。
3、先期控制，留有余地
铜矿峪矿体埋藏深，矿体厚，最大厚度达200多米，钻孔靶点为矿层厚度中点（计算储量基准点），钻孔进入矿层还要再打一段较长进尺才干到达靶点，矿体围岩为花岗闪长斑岩，矿层内钻孔自然上漂率为6°～12°/100m,而矿层内又不允许纠斜，为保证准确穿靶，采用先期控制，留有余地的纠斜方案。
所谓先期控制、留有余地，就是进入矿层前钻孔实际顶角小于设计顶角，比如孔深500m，地质设计顶角应为15°，事实上应纠成10°，留有5°的上漂储备。进入矿层钻孔超量上漂与储备量互相抵消，可使钻孔落点控制在靶区范围内，储备量多少要依地层自然弯曲规律而定。铜矿峪的几个钻孔都按先期控制、留有余地方案施工，结果都准确穿靶。
4、在小顶角情况下纠斜
铜矿峪地层倾角约60°，孔斜规律顶层上漂，钻孔与地层夹角（遇层角）越大上漂幅度也越大。以Φ75mm金刚石在绢英岩地层钻进为例：
顶角<10° 钻孔平均上漂4°/100m
顶角10°～20° 钻孔平均上漂5.5°/100m
顶角>20° 钻孔平均上漂8.5°/100m
根据这个规律在纠斜孔段尽量把钻孔顶角控制在20°以内，每纠斜一次就可维持一个较长孔段不纠斜，起到事半功倍的效果。假如顶角达成20°以后再纠斜就比较困难，纠斜后又急剧上漂，费时费力，事倍功半。
5、以控制钻孔孔间位置作为基本出发点
图4-2 ZK0001钻孔弯曲曲线示意图
钻孔纠顶角、纠方位的目的是控制钻孔空间形态并最终穿靶。纠斜过程中不单纯关注顶角和方位角，而是时刻审阅钻孔曲线变化情况并与设计曲线相比照，以此来决定纠斜或不纠斜以及何时纠斜。
如图4-2所示，ZK0001孔500m时顶角19°，超过设计顶角4°，我们并没有纠斜，因上部实际顶角小于设计顶角，实际曲线落后于设计曲线。靶点孔深618m,虽然500m后没再纠斜也准确穿靶。
图4-3 ZK3001钻孔弯曲曲线示意图
如图4-3所示，ZK3001钻孔通过5次纠斜，孔深425m处顶角已降至9°，比设计顶角小3°45′，似乎不必再纠斜了，但是上部孔斜超差太多，实际曲线已超过设计曲线12m,只有进一步纠斜降顶角才干向设计曲线靠拢，于是又第6次纠斜，顶角进一步降至8°12′，满足中靶规定。
6、深孔设计建议
目前深部钻探很多钻孔都设计成直孔，勘探网度比较密，对孔斜规定也比较高，以勘探线距100m为例，地质设计允许偏离勘探线1/4～1/3，即25m～33.3m,假如孔深1000m，允许最大顶角误差为0.1°，否则钻孔脱靶影响地质评价。目前国内1000m以上的深孔很多都不能满足地质设计规定，成为影响钻探效率的重要障碍之一，假如在小顶角条件下纠斜，还存在一些技术难点：
（1）在小顶角情况下，钻孔所测得的方位值不能反映真实孔斜方位，纠斜无依据；
（2）国内现有的小直径定向仪在顶角小于3°情况下，不能解决造斜工具的孔内定向问题，纠斜工作无法进行。
针对以上技术难点，建议在勘探网度比较密的矿区把直孔设计成顶角4°～5°的斜孔，一旦发生方位漂移比较容易纠斜，最终达成地质设计规定。
二、用零顶角回避法施工垂直定向孔
在矿山工程中往往要施工一些垂直定向孔，如竖井冻结孔、坑道通风孔、溜井导向孔和止水注浆孔等。这些钻孔规定垂直度较高，施工难度较大，特别在易斜地层用常规防斜保直方法施工，很难达成设计规定。这种情况下运用零顶角回避法就可以顺利完毕施工任务。所谓零顶角是指钻孔小于2°的顶角。
垂直定向孔由于工程需要，它所允许的靶点偏离孔位的距离很小，换算成顶角一般都小于1°，目前很多测斜仪在顶角小于2°情况下所测得的孔斜方位都不准确，使纠斜工作无从下手。为了克服小顶角给施工带来的困难，在施工过程中设法避开小顶角（零顶角），在局部最大偏孔距不超过允许值的条件下故意识地把顶角增至3°左右，以满足测斜仪正常工作的最低规定。
在钻孔平面弯曲情况下，钻孔顶角增长，偏孔距也必然增大，为了限制偏孔距在某一固定方向累加，就必须不断地改变钻孔弯曲方向，把平面弯曲变为空间弯曲，原理如图4-4所示。
同心圆代表钻孔顶角，放射线代表方位。假定原钻孔顶角为2°,方位角为45°,如图中A点，第一次纠斜到B点时，顶角增至3°，方位角增至90°，第二次纠斜到C点，第三次到D点,第四次到E点，方位角纠至225°。图4-4 零顶角回避法原理图
从图可看到，从A到E的过程是迂回前进的，假如直接从A到E反向纠斜不也许一次完毕，必须通过小顶角区域过渡，给测斜、造斜器定向和钻孔空间位置计算带来不利后果。从A→B→C→D→E的纠斜过程是在顶角基本不变条件下，不断改变方位的过程，显然钻孔轨迹是一条绕钻孔垂直轴线变化的螺旋线。这种故意避开小顶角的施工方法称为零顶角回避法，这种施工方法已在工程中成功运用。
图4-5 No9孔示意图
1985年,甘肃镜铁山矿设计了No9主溜井导向孔（如图4-5所示），其垂直孔深240m，允许终孔最大偏距3.6m，换算成顶角为0.86°,矿区地层为千枚岩，倾角60°～70°，钻孔自然弯曲率平均每百米5°。甘肃探矿一队承担施工任务，开始施工时用S-75绳索取心钻具轻压慢转钻进以防止孔斜，但收效甚微，至孔深63m时，顶角达成1.6°，孔斜超差被迫停钻。
自孔深63m开始用零顶角回避法施工。第一步先增长顶角，93m时顶角增至3°，以满足测斜需要。第二步纠方位，孔深93.5m～204.25m共纠方位6次，方位平均变化率46.5°/m，纠斜成功。终孔最大偏孔距2.4m，满足设计规定。
三、水下定向钻探
图4-6 长江水下定向钻探示意图
1995年中国水勘院915队承揽了重庆长江过江隧道工程，为保证工程安全必须对江底地质情况进行勘查。假如用钻探船进行水上钻探，则面临着2个问题：一是费用高，二是正值长江枯水期航道窄，设立钻探船必然影响船舶航行，航道管理部门不允许。1996年1月915队在江心小岛安装钻机向江底打大斜度钻孔，如图4-6所示，虽然开孔顶角50°，但钻孔水平位移仍偏小不能打到目的层，需要在钻进过程中进一步增长顶角，使钻孔轨迹向上弯曲。自孔深50m开始用LZ-89造斜器造斜增顶角，取得显著效果并最终钻至目的层。重要难点是造斜器定向，因钻孔顶角大，有缆式定向仪传感器很难下到定向位置（Φ50mm外丝钻杆丝扣部分内径小有台阶，传感器在台阶处遇阻），我们采用SZ-73水压自动定向仪定向，完毕了造斜任务。
四、复杂地层深孔定向分支孔施工技术
若尔盖铀矿区是国内十大铀矿田之一，储量丰富，地层复杂，钻孔孔斜问题十分突出，严重影响了钻探生产进度和地质找矿效果，数年来，孔斜问题一直未能得到解决。
2023年，采用以LZ型连续造斜器为主体的定向钻探技术进行钻孔施工，使矿区的孔斜问题得到了有效解决。
以ZK27-6-1钻孔为例（图4-7所示），ZK27-6-1钻孔是2023年施工的钻孔，终孔孔深773.73m，设计方位190°，施工过程中钻孔方位大幅度漂移，至孔深740m时，方位达成282.3°，方位差92.3°，钻孔与矿体走向平行并顺时针上弯，未能达成穿矿目的。
图4-7 复杂地层深孔定向分支孔
ZK27-6-2钻孔是2023年施工的钻孔，在孔深270m处的水泥孔底开始造斜分支，偏出新孔，而后又连续10次纠斜、造斜，使钻孔顶角和方位角始终保持与地质设计一致。
该孔终孔深度954.58m，见矿孔深810m，见矿点偏离勘探线10.5m,约为勘探线距的1/10，是一个高水平的分支定向孔，发明了矿区定向钻探历史。
ZK27-6-2分支钻孔的成功具有重要的经济、环境意义，并为矿区下一步勘探提供了有力技术支撑。

五、侧钻技术在钻孔事故解决中的应用
钻探生产过程中，孔内事故时有发生，若是钻孔较浅或事故不太复杂，用传统方法比较容易解决，一旦钻孔较深或事故比较复杂时，用传统方法解决就很困难，费时费力，稍有不慎就会使事故进一步复杂化。因孔内事故无法解决导致钻孔报废的现象屡见不鲜，不仅延缓了工程进度也导致了经济损失。作者根据以往工作实践并结合实例,介绍侧钻技术绕过孔内事故钻具的应用，供同行参考。
1 侧钻技术原理
所谓侧钻，是在事故孔段灌注水泥建造人工孔底，然后用专业工具（如中国地质科学院探矿工艺研究所研制的LZ型连续造斜器）在水泥孔底上造斜偏出新孔转入正常钻进，达成绕过事故钻具目的。
图4-8 切削速度比示意图
如图4-8所示，LZ型连续造斜器在孔底工作时，造斜钻头在连续切削孔底同时也在侧向连续切削（铣削）孔壁，造斜器运动方向不断偏离原轴线，显然造斜器运动轨迹是一条弧线，具有如下关系：

式中：Δα——为顶角瞬时增量；
V1——孔底切削速度，m/s；
V2——侧向切削速度,m/s；
侧向切削速度V2对孔底切削速度V1比值越大，钻孔顶角增量Δα越大，造斜器造斜强度也越高，这一点对水泥