小口径水平绳索取芯钻进防偏斜方法探索与实践.pdf

引用格式:张驰,吴万炯,李飞,等.小口径水平绳索取芯钻进防偏斜方法探索与实践J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊1):283.ZHANG Chi,WU Wanjiong,LI Fei,et al.Exploration and practice of deviation prevention methods for small-diameter horizontal wireline coring drillingJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):283.收稿日期:2022-11-08;修回日期:2023-04-26第一作者简介:张驰(1976),男,陕西西安人,2000 年毕业于西南交通大学,地质工程专业,本科,高级工程师,现从事岩土工程技术及勘探工作。E-mail:Zhangxiaoming 。通信作者:吴万炯,E-mail:Wuwj2008 。小口径水平绳索取芯钻进防偏斜方法探索与实践张 驰,吴万炯,李 飞,陈克霖(甘肃铁道综合工程勘察院有限公司,甘肃 兰州 730000)摘要:为避免小口径水平绳索取芯钻进时钻孔轨迹出现偏斜而不能钻进至目标地层从而失去勘探意义,解决钻进过程中钻孔偏斜导致出现断钻杆等孔内事故的问题,结合已完成各铁路项目长大隧道水平孔钻探经验,基于水平孔钻探设备在孔内的回转特征,通过分析钻具各部件,如钻杆柱、弹卡室与弹卡挡头、扩孔器、钻头等的工作状态、钻具受力后的变形程度、钻孔孔径结构以及地层产状、岩性完整性等因素,发现除操作经验影响钻孔偏斜外,钻头姿态对钻孔偏斜的影响也较大,因此进一步研制了一种小口径绳索取芯钻杆扶正器,并在某高原铁路某隧道超深水平孔勘探中进行了试验性应用。实际工程应用结果表明:小口径水平绳索取芯钻进时,使用钻杆扶正器后,有效减小了钻孔的偏斜角度,达到了较好的防偏斜效果。但钻杆扶正器的进一步合理有效使用,如扶正器安置数量、间距、距离钻头位置等还需要进一步试验研究。关键词:水平绳索取芯钻进;钻孔偏斜;钻杆扶正器;防偏斜方法DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.032中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0283-06E Ex xp pl lo or ra at ti io on n a an nd d P Pr ra ac ct ti ic ce e o of f D De ev vi ia at ti io on n P Pr re ev ve en nt ti io on n MMe et th ho od ds s f fo or r S Sm ma al ll l-D Di ia am me et te er r H Ho or ri iz zo on nt ta al l WWi ir re el li in ne e C Co or ri in ng g D Dr ri il ll li in ng gZHANG Chi,WU Wanjiong*,LI Fei,CHEN Kelin(Gansu Railway Comprehensive Engineering Survey Institute Co.,Ltd.,Lanzhou 730000,Gansu,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To avoid deviation in the drilling trajectory during small-diameter horizontal wireline coring drilling and drill pipe broken induced by deviation,the experience of horizontal hole drilling in long and large tunnels of various railway projects that have been completed and the rotation characteristics of horizontal hole drilling equipment in the hole are analyzed.After analyzing the working conditions of various components of the drilling tool,such as drill string,cartridge chamber,cartridge stopper,reamer,and the drill bit,as well as the deformation degree of the drilling tool after being stressed,the hole diameter structure,and the occurrence and integrity of the stratum,it is found that in addition to operating experience affecting the drilling deviation,the drill bit posture has a significant impact on the drilling deviation.Therefore,a small-diameter wireline coring drill pipe centralizer is further developed,which has been applied experimentally in the exploration of ultra-deep horizontal holes in a tunnel of a plateau railway.The application results in practical engineering show that the use of the drill pipe centralizer in small-diameter horizontal wireline coring drilling effectively reduces the deviation angle of the drilling hole and has a good antideviation effect.However,to further rationally and effectively use the drill pipe centralizers,further experimental research should be conducted on the number of centralizers installed,spacing,and distance from the drill bit.K Ke ey yw wo or rd ds s:horizontal wireline coring drilling;hole deviation;drill pipe centralizer;deflection prevention method隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言随着钻探设备的不断革新以及钻探技术能力的进一步提高,水平勘探孔的应用也越来越广泛1-3,尤其在铁路行业勘察阶段以及隧道工程施工过程中开始大量采用水平孔勘探技术。而水平钻孔在成孔时会不可避免地偏斜,即出现偏离钻孔设计轨迹的问题1,导致钻孔不能顺利钻进至预定目标地层,失去勘探的实际意义。故研究钻孔防偏斜的方法及总结水平孔钻探经验就显得尤为重要。石油或煤炭行业中,定向钻探设备以及钻孔定向技术已非常成熟,但成孔时均不能实现连续取芯4-8。此外,成孔孔径相对较大,可容许体型庞大、结构复杂的定向钻具设备顺利穿过。而铁路勘探中常用小口径钻孔,且需连续取芯,故无法直接采用石油、煤炭行业的相关技术。小口径定向钻探方面,目前主要依靠经验通过控制钻压、泵压、转速等参数来确保钻孔沿着设计轨迹钻进,并按钻进一定距离后进行测斜9。在小口径定向孔钻探方面,已研究制作了随钻测斜设备,并在实际工程中进行了试验性应用,还未得到全面推广。当钻孔轨迹出现较大偏斜时,借助随钻测斜设备,通过使用纠偏装置,在短距离不取芯的前提下进行纠偏10。但纠偏又导致钻孔轨迹形成不同曲率的弯曲形态,增大了后续钻进时的负荷,同步增大了钻杆的疲劳程度,最终导致很大概率发生断钻杆的孔内事故11-13。为此,需要研究小口径水平绳索取芯钻进防偏斜的方法,以确保钻孔沿着设计轨迹钻进而不出现较大幅度的偏斜,并钻进至目标层位。1 定向钻孔偏斜原因分析 定向钻孔为了连续取芯,仍采用水平绳索取芯技术和双管钻具。根据实际工程中定向孔的钻进情况,在水平向钻进时,由于地面操作人员给定不同钻压、转速、泵压等,以及遇到不同产状地层时钻孔均会出现不同程度的偏斜,初步分析认为大部分情况出现向上偏斜的问题,只有在岩层破碎的情况下出现向下偏斜的问题。1.1 定向钻孔偏斜角实例统计 根据实际工程中多条铁路在初定测阶段,分别实施不同深度的 5 个水平定向钻孔。钻孔完成后孔内测斜数据显示各孔在不同深度均出现了偏斜现象。钻孔偏斜角(实测倾角与设计倾角差值,正值为上偏,负值为下偏)统计如表 1 所示。从表 1 可以看出,破碎岩层中钻孔轨迹容易出现下偏趋势,完整岩层中则主要出现上偏趋势。孔径相对较小时更容易出现偏斜。表 1 铁路勘探项目定向孔测斜结果Table 1Inclination survey results of directional holes in railway exploration projects孔号深度L/m孔径 D/mm偏斜角/()地层描述1#96124-2.6破碎片麻岩610774.2完整片麻岩2#30098-1.2破碎片麻岩65077-2.5破碎片麻岩3#1641240.6完整片麻岩460980.7破碎花岗岩1 088771.8完整花岗岩4#2001240.7完整坚硬花岗岩5809812完整坚硬花岗岩9907717完整坚硬花岗岩1 3037721完整坚硬花岗岩5#210124-0.17破碎辉长岩45098-2.5破碎砂岩1 11877-1.8较完整板岩1.2 钻进规程因素分析 操作因素主要有:给进钻压、泥浆泵压力、动力头回转速度、泥浆黏度、相对体积质量等性能。通过分析实际工程中的水平定向钻孔的轨迹与相关操作因素的关系,如图 1 所示。图 1 操作因素与钻孔轨迹之间的关系Fig.1 Relationship between operating factors and borehole trajectory从图 1 操作因素与钻孔轨迹关系中可以看出:1)钻压越大,钻孔轨迹有上偏斜趋势;2)泵压越小,钻孔轨迹有上偏斜趋势;3)回转速度以及泥浆性能与钻孔轨迹之间暂未发现明显地变化规律。钻进时给进钻压一般是通过换算孔底压力后进行控制。正常情况下,钻压增大时,相应孔底压力增大,孔底压力越大,则钻孔轨迹就越容易出现上偏趋势。1.3 岩层产状因素分析 岩层产状对钻孔偏斜的影响主要从岩层面或节理面与钻进方向的夹角大小进行分析,不同产状夹角各482增刊 1张 驰,等:小口径水平绳索取芯钻进防偏斜方法探索与实践异。水平定向绳索取芯钻进时,由于在打捞内管时,岩心在内管中会发生旋转移位,取芯后则无法判断岩层倾向,但可以分析计算岩层面或节理面与钻孔钻进方向的夹角(岩心柱轴线与轴线在层面上的投影线之间的锐角)。分析示意图如图 2 所示。分析时排除机械破裂面(新鲜断面)后测节理斜面的倾角,再计算夹角。岩心节理面及机械破碎面如图 3 所示。图 2 夹角 计算示意图Fig.2 Calculation diagram of included angle 图 3 岩心节理面及机械破碎面Fig.3 Core joint surface and mechanical fracture surface通过计算夹角 并与相应孔深位置钻孔轨迹偏角 进行对比分析(如表 2 所示),发现夹角 越小,钻孔轨迹越容易出现偏斜问题。表 2 夹角 与钻孔轨迹偏角 统计表Table 2Statistics of included angle deviation from borehole trajectory 孔号深度 L/m夹角/()偏斜角/()5#21046-0.17449.527-2.51 116.420-1.81.4 孔内钻具及钻头姿态分析 以 HQU 钻具水平向(开孔顶角为 0)钻进为例进行分析,钻杆采用自接式钻杆。正常钻进至一定深度后,钻孔内钻具结构主要有钻头+扩孔器+外管+弹卡室与弹卡挡头+若干根钻杆。钻具各部件尺寸参数如表 3 所示。从表 3 中可以看出钻孔内钻具各部件外径并不相等,扩孔器外径最大,钻杆外径最小,也是便于泥浆冲洗液循环。HQU 钻具成孔后孔径仍大于扩孔器外径,一般情况下完整岩层中孔径约为 98 mm。故钻孔内整体结构如图 4 所示。表 3 钻具各部件尺寸参数Table 3 Dimension parameters of various parts of drilling tools名称型号长度 L/mm外径 D/mm内径 d/mm钻头HQ120.0095.5763.5PQ120.00122.0584.96扩孔器HQ140.0096.0963.5PQ140.00122.6584.96外管HQU3 44088.977.8PQU3 470114.3103.2弹卡室与弹卡挡头HQU618.088.978.2PQU620.0114.3104.4自接式钻杆HQ3 00088.977.8PQ3 000114.3103.2图 4 水平孔钻进时孔内钻具结构示意图(单位:mm)Fig.4 Schematic of drilling tool structure in horizontal hole drilling(unit:mm)从图 2 可以看出,理论情况下钻杆与孔壁间距离应为 4.5 mm,最大距离为 9.1 mm。实际工程中,当钻进一定深度后,钻杆柱由于在重力作用下必然会发生下垂弯曲。根据钻杆材质以及地面实测发现,当钻杆柱两端支撑悬空平放,长度为 7 m 时,中间下垂距离为9 mm,即在 3.5 m 长度内钻杆因自重会下垂 4.5 mm。钻杆出现倾斜状态,钻头姿态发生改变,即钻头底唇面出现逆时针偏角,如图 5 所示。图 5 钻头姿态示意图Fig.5 Schematic of bit attitude计算 的公式为:=arctan(h/l)。(1)式中:h 为钻杆倾斜垂距,采用 HQU 钻具取4.5 mm;l为倾斜段钻杆长,采用 HQU 钻具取 3 500 mm。1.5 分析小结 采用 HQU 钻具时,根据相关尺寸参数及计算公式,钻头底唇面会出现 0.1的逆时针偏角,之后连续582隧道建设(中英文)第 43 卷钻进,钻头底唇面偏角则累计增大,钻孔轨迹就会出现上偏现象。若遇到破碎岩层,成孔后碎裂岩块发生移位,钻孔会发生缩径,从而减小了钻头的偏角,故不容易出现上偏现象。此外,破碎岩块对钻头会产生挤位现象,就会导致钻孔下偏。钻头姿态出现偏斜的情况下,若增大孔底压力,钻杆弯曲趋势将进一步增大,从而继续增大了钻头底唇面的偏角,最终导致钻孔出现明显上偏现象。2 防偏斜方法研究 钻孔防斜的主要方法为控制钻头姿态,即控制钻头底唇面偏斜角度的大小,若钻头底唇面不出现偏斜角,则钻孔就会沿着设计轨迹钻进。而钻头姿态主要受钻杆弯曲变形的控制,故需减小钻杆在孔内的弯曲变形。2.1 钻孔防偏斜难点 钻孔防偏斜的难点主要有 2 方面:1)操作经验欠缺,不能通过钻压、转速以及泵压等来合理控制孔底压力;2)钻孔本身的结构特征,导致钻杆柱在孔内出现弯曲变形,最终导致定向困难。操作方面,通过实施大量定向孔,可以不断积累技术经验,从而实现定向目的。钻孔结构方面,一般情况下,为便于泥浆循环,设计成孔孔径均大于钻杆外径;对于多级成孔的情况,前一级套管内径仍大于后一级钻杆外径,仍需形成一定环状间隙,这就导致钻杆柱在孔内会因自重作用而出现下垂的弯曲变形,致使钻头底唇面出现偏角。此外,钻压增大同样导致钻孔向上偏斜,若减小钻压又会降低进尺,影响钻进效率等难题。2.2 钻孔防偏斜技术 结合钻孔防偏斜难点,操作经验方面可以通过积累经验来实现正确控制。钻孔本身结构方面,需采取一定的技术手段来减小钻杆弧度及高钻压下的弯曲变形程度,从而确保钻头姿态端正,减小钻头底唇面的偏斜角度。由于钻杆柱外径相对孔径较小,故需研究设计一种小口径绳索钻杆扶正器对钻杆按一定间距进行支撑扶正。同时还不能阻碍泥浆冲洗液循环,支撑点就需设计为单点支撑或弧形条带状,并错位排列。此外,正常钻进时扶正器随钻杆同步回转,还需要较高的抗磨强度以克服与孔壁间的摩擦。2.3 钻孔防偏斜可行性分析 钻孔防偏斜主要通过增加钻杆扶正器以减小钻杆的弯曲变形,从而减小钻头底唇面的偏斜角,使钻头沿着设计轨迹钻进。而扶正器与既有钻杆的连接以及实际工程中的适应型是防偏斜可行性的关键点。为能满足绳索取芯钻进取芯要求,扶正器需中空且与钻杆同内径,连接后内壁还需光滑平顺。扶正器两端公母扣设计与钻杆丝扣配型,并预留与钻杆同外径的卡放管钳段,便于拧、卸丝扣等操作。由于钻杆柱为单根钻杆连接,可以根据实际地层情况,在单根或间隔多根钻杆后加装扶正器,从而实现控制钻杆的弯曲变形。扶正器采用相对钻杆强度更高的材质制作,外侧错位设置弧形扶正条带,扶正条带内增设抗磨合金块,确保在连续回转钻进过程中钻杆柱不发生弯曲变形。操作方面,根据不同地层产状,结合实际操作经验,调整钻进参数和泵量,主要采用低钻压高转速大泵量等措施钻进。3 钻杆扶正器设计及加工制作3.1 扶正器构造设计 扶正器主要组成部分有扶正器管体、连接钻杆的公扣、扶正条带、合金块、泥浆冲洗液引流槽、连接钻杆的母扣(如图 6 所示)。合金块硬度较高,镶嵌在弧形扶正条带内,主要起抗磨作用。弧形条带错位斜向排列,保证了钻杆扶正器在连续回转时,始终有单点支撑在钻杆的正下方,克服钻杆在重力作用下的弯曲下垂变形。扶正器内外径尺寸、扣型、丝距、长度等设计与既有钻杆配型14。1-管体;2-公扣;3-钻杆扶正条带;4-合金块;5-母扣;6-引导槽;7-内壁。图 6 钻杆扶正器结构图Fig.6 Structural drawing of drill pipe centralizer3.2 扶正器加工制作 扶 正 器 加 工 所 用 材 质 采 用 高 强 钢 材(30CrMnSiA),并进行热处理。为了确保扶正器可与现场钻杆紧密连接,加工时委托钻杆生产厂家进行加工,加工后实物照片如图 7 所示。图 7 钻杆扶正器实物图Fig.7 Photograph of drill pipe centralizer682增刊 1张 驰,等:小口径水平绳索取芯钻进防偏斜方法探索与实践3.3 优缺点分析 1)优点:增加钻杆扶正器后不同间距对钻杆起到了单点支撑作用,避免了钻进过程中钻杆弯曲变形;水平定向钻进时,尤其在漏浆地层中,返出的泥浆冲洗液量较少,且往往分布在钻孔下半部分,导致泥浆护壁效果减弱,而扶正器回转时弧形扶正条带可搅动泥浆沿着孔壁回转,增强泥浆的护壁效果;扶正条带错位斜向排列,顺时针回转时形成螺旋效果,促进泥浆循环,更有利于排除孔内岩粉等沉渣;在破碎地层中钻进时,合金扶正条带还具有保护孔径的作用,可以避免因孔径收缩造成的孔内事故。2)缺点:钻杆扶正器长度较短,起大钻时拆卸用时较长,减低了钻探效率。此外,由于多处增设钻杆扶正器,增多了孔内薄弱连接点,一定程度增大了孔内钻杆脱扣的风险。4 实际工程应用 某铁路支线某高山隧道勘探中正在实施 Z-2#和Z-3#水平勘探孔。由于设计孔深均超过千米,且地质要求需钻进到隧道洞身位置,故在钻进过程中需确保不能出现偏斜。为此,使用了钻杆扶正器以控制定向钻探,钻探现场如图 8 所示。图 8 钻探现场Fig.8 Photograph of drilling site4.1 钻孔概况 Z-2#钻孔设计开孔顶角上倾 0.2,地层主要为完整坚硬花岗岩(岩心照片如图 9 所示),极易出现上偏现象,钻杆扶正器采取了加密增设的措施,钻进至460 m 后,测斜数据为 0.56,出现了上偏 0.36的偏角,完全满足设计要求。Z-3#钻孔设计开孔顶角上倾 0.49,地层复杂多变,局部为破碎地层,岩性主要为大理岩、砂岩、片麻岩等(岩心照片如图 10 所示)。钻杆扶正器采取了加大间距设置的措施。钻进至 800 m 时,测斜数据为 0.6,出现了上偏 0.11的偏角,完全满足设计要求。4.2 钻孔轨迹测斜结果及分析 两钻孔开孔后均按 20 m 间距采用 KXP-4QZT 型全姿态数字罗盘测斜仪进行单点测量倾角,根据测斜数据绘制钻孔轨迹如图 11 所示。(a)(b)图 9 Z-2#钻孔岩心照片Fig.9 Photograph of#Z-2 drill core(a)(b)图 10 Z-3#钻孔岩心照片Fig.10 Photographs of#Z-3 drill core(a)(b)图 11 钻孔轨迹Fig.11 Track map of two boreholes从上述实际工程中 2 孔测斜数据可以看出,钻杆扶正器的合理使用,对小口径水平绳索取芯钻进的定向起到了一定的控制作用。782隧道建设(中英文)第 43 卷5 结论与建议 1)水平绳索取芯钻进钻孔偏斜的原因除操作经验及地层产状影响外,主要为钻杆柱在自重作用下发生弯曲变形,导致钻头底唇面产生偏角,之后连续钻进时偏角累计增大,最终导致钻孔偏斜。2)操作因素导致钻孔偏斜的根本原因是由于增大了钻杆压力导致钻杆弯曲变形增大,最终导致钻孔偏斜。3)通过增设钻杆扶正器可以有效减小钻杆在孔内的弯曲变形,再结合正确的钻进操作方法,从而可防止钻孔偏斜。4)实际工程中已初步验证钻杆扶正器可以有效减小钻孔的偏斜角度,能起到一定的防偏斜作用。5)钻杆扶正器的增设间距、数量、安置位置等还需要系统试验研究,为后续推广使用提供技术依据。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 吴金生,黄晓林,蒋炳,等.水平绳索随钻定向钻进技术研究与应用J.煤田地质与勘探,2021,49(5):260.WU Jinsheng,HUANG Xiaolin,JIANG Bing,et al.Research and application of horizontal wire-line directional deviation correction while drilling J.Coal Geology&Exploration,2021,49(5):260.2 田宏亮,陈建,张杰,等.淮南矿区软煤气动定向钻进技术与装备研究及应用J.煤田地质与勘探,2022,50(10):151.TIAN Hongliang,CHEN Jian,ZHANG Jie,et al.Research and application of air-driven directional drilling technology and equipment in soft seam of Huainan mining areaJ.Coal Geology&Exploration,2022,50(10):151.3 赵建国,赵江鹏,许超,等.煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用J.煤田地质与勘探,2018,46(4):202.ZHAO Jianguo,ZHAO Jiangpeng,XU Chao,et al.Composite directional drilling technology in underground coal mineJ.Coal Geology&Exploration,2018,46(4):202.4 孙建维.定向钻孔在矿井地质方面的技术应用J.煤炭与化工,2022,45(6):89.SUN Jianwei.The technical application of directional drilling hole in mine geology J.Coal and Chemical Industry,2022,45(6):89.5 魏欢欢,殷新胜.近水平孔坑道用绳索取芯钻具J.煤田地质与勘探,2011,39(3):74.WEI Huanhuan,YIN Xinsheng.Wire-line coring drilling tool and pipe used in nearly horizontal boreholes in tunnelJ.Coal Geology&Exploration,2011,39(3):74.6 许超,石智军.煤矿井下定向钻进钻孔事故的预防及处理J.煤田地质与勘探,2014,42(3):100.XU Chao,SHI Zhijun.Prevention and treatment of drilling accident in underground coal mineJ.Coal Geology&Exploration,2014,42(3):100.7 于成凤.复杂地层顶板大直径高位定向钻孔试验J.钻探工程,2022,49(4):124.YU Chengfeng.Large diameter high-level roof directional drilling test in complex strata J.Drilling Engineering,2022,49(4):124.8 吕高磊,王志敏.松软煤层穿层定向长钻孔钻进工艺研究J.煤炭工程,2021,53(8):65.LYU Gaolei,WANG Zhimin.Drilling technology of directional cross-seam long borehole in soft coal seamJ.Coal Engineering,2021,53(8):65.9 李巨龙,马植侃.空间定向钻孔轨迹预测和控制J.煤田地质与勘探,1998,26(6):69.LI Julong,MA Zhikan.Prediction and control of space directional borehole traceJ.Coal Geology&Exploration,1998,26(6):69.10 肖长城.伊犁盆地砂岩型铀矿孔斜防控实践分析J.钻探工程,2022,49(7):99.XIAO Changcheng.Deviation prevention and control for deep holes in sandstone-type uranium mines in Yili BasinJ.Drilling Engineering,2022,49(7):99.11 吴金生,罗显梁,张统得,等.小直径随钻定向纠斜技术在地质勘探中的应用J.四川地质学报,2022,42(1):56.WU Jinsheng,LUO Xianliang,ZHANG Tongde,et al.The application of small diameter directional deviation correction technology while drilling to geological explorationJ.Acta Geologica Sichuan,2022,42(1):56.12 黄杨,孙绍平,蒋清燕,等.钻孔偏斜原因分析及纠斜技术应用J.四川地质学报,2022,42(1):159.HUANG Yang,SUN Shaoping,JIANG Qingyan,et al.Cause of hole deviation and application of deviation correction technologyJ.Acta Geologica Sichuan,2022,42(1):159.13 王达,何远信,鄢泰宁,等.地质钻探手册M.长沙:中南大学出版社,2014.WANG Da,HE Yuanxin,YAN Taining,et al.Geological drilling manual M.Changsha:Zhongnan University Press,2014.14 张驰,贺光华,陆勇翔,等.一种小口径绳索取芯钻杆扶正器:ZL202222100948.7P.2022-10-282023-03-22.ZHANG Chi,HE Guanhua,LU Yongxiang,et al.A small diameter rope cored drill pipe centralizer:ZL202222100948.7P.2022-10-28 2023-03-22.882