定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用_黄才启.pdf

第 33 卷第 1 期2023 年 3 月安徽地质Geology of AnhuiMar.2023Vol.33 No.1文章编号：1005-6157（2023）01-0引言铜陵是我国重要的铜工业资源基地，铜金等多金属矿藏丰富。1952年321地质队在此诞生，与之相伴了70余年，一代代地质人，以其辛勤劳动和聪明智慧，创造着一个个辉煌，为国家贡献着一处又一处矿床。地质伴生着探矿，探矿支鼎着地质。铜陵地区（包括沿江安庆至马鞍山一带，下同）地质结构复杂，复杂的地质是钻探的头号拦路虎，321地质队探矿人不畏艰难，勇于挑战，严谨治学，以技术为手段，科学打钻，钻探成果不胜枚举，特别是率先探索的定向钻探技术，在国内地质勘探界名列前茅，据不完全统计，30年来完成的定向钻探工作量达21.4万m，完成钻孔249个，当属全国第一，为地质找矿、地质研究和地质工程提供了坚强支撑。1铜陵地区开展定向钻探技术的背景1-4铜陵地区矿业开拓在全国较为领先，20世纪 80年代初钻探已近-500 m深。该地区狮子山矿区浅层矿体已近枯竭，急需后续矿山接替。当时狮子山矿区深部尚有三个矿床还没进行详查或勘探，而勘查存在着保证钻孔偏斜质量的钻探技术难题。1.1 地质因素的制约铜陵地区位于多山丘陵地带，地质特征复杂多变。不同时期、不同深度、不同方向、不同程度、不同作用的岩浆活动、褶皱断裂构造活动等造山运动纵横交错，导致原始岩层发生多次复杂的物理和化学变化，使得区域特性缺乏一致性，区域呈碎片化分布。该区域的岩石结构、岩石空间形态、区域分布等特征变异和差异很大，同一种岩石（尤其岩浆岩及受其影响的变质岩）的空间形位规律性不强，矿体也呈不规则展布。因此，在地质勘探中，找矿要求控矿钻孔分布必须均匀准确，要求钻孔所代表的切块必须规则均匀，以确保所揭示的岩层和矿体的描述真实可靠，从而保证该矿体形态等地质勘探成果的准确性。地质构造运动引起的岩石性质及空间形态的复杂变化，对钻探工程来说影响巨大，除了面临频繁的层位更替、岩层钻探的稳定性不佳外，主要问题是钻孔的偏斜，导致钻孔偏离设计位置。特别是深埋较大的矿床，钻孔偏离率随深度增长，偏离率有30%之多（如皖北煤田勘探），这么大的偏离，尤其批量无规则的偏离，极大地影响了勘探成果的准确性，尤其是对地质条件多变的金属矿床而言，影响更为严重。具体到狮子山矿区：（1）矿床埋藏深（当时年代而言，下同）。自大团山 至 冬 瓜 山 矿 体 分 别 赋 存 于 三 个 不 同 地 质 层位，-350-850 m，深度逐层递增。（2）区域地质构造复杂。“似层状”岩层产状 3570，其中三叠系下统塔山组大理岩角岩互层互夹，其软硬差别很大（角岩表现出较高的打滑性，大理岩定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用定向钻探技术在铜陵地区开发研究与成果应用黄才启1，熊青山2，庞惠龙2，黄全宜3（1.安徽工业经济职业技术学院，安徽合肥230051；2.安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽铜陵244033；3.北京多牛互动传媒股份有限公司，北京100089）摘要：定向钻探技术即钻孔轨迹可控钻进技术。铜陵地区地质复杂多变，岩石化学和物理特性及空间形态的多变，使得钻孔偏斜呈现无规律性。奋战在该地区的321地质队，经过不懈努力，不断创新，率先探索定向钻探技术成功解决钻孔偏斜问题，实现了1主多枝全方位丛式群孔，轨迹控制理论和定位精度论证有了创新突破，技术水平达到了“有限自由控制”程度。近30余年来，定向钻探工作量完成21.4万m。该项技术可广泛应用于多种钻探工程中。关键词：定向钻探；定向钻进；攻关；研究；孔斜；偏斜中图分类号：P634文献标志码：A收稿日期：2022-7-11作者简介：黄才启（1964），男，安徽怀宁人，正高级工程师，从事深孔定向钻探技术研究和岩土工程教学工作。E-mail：031-7安徽地质2023年具有较好的可钻性）且厚度百余米，各向异性明显，是该区内钻孔致斜的首要原因，钻孔不仅偏斜距离较大，而且偏斜方向无规律。1.2 勘查质量指标和采矿要求（1）大团山-花树坡-冬瓜山矿床主矿体赋存地质层位递次趋深，勘探类型分别为类和类，以钻探为手段，探求C级块段工程控制基本网度为80 m 60 m100 m 80 m，B级工程控制网度为50 m 50 m，要求钻孔穿矿中点偏移控制在 20 m 12 m 25 m 15 m（勘查网度的 1/4 且偏线越小越好，B 级10 m）范围内。按照赋矿层位深度折算，钻孔角度递增率必须控制在0.25/100 m0.5/100 m以内才能满足要求（如按 0.5/100 m控制，800 m深度偏斜距离即超出要求的一倍），这一钻孔偏斜控制要求远远超出国家标准。（2）狮子山铜矿地下已有纵横交错的坑道和设施（采矿需要充分利用），既要求地质勘查成果准确，又要求尽力避开这些地下空间体。1.3 钻孔偏斜的客观原因和钻探技术水平落后1,3-4（1）钻具钻进倾斜的不同质岩石后产生不对称的反作用力和钻速差，导致钻具与钻孔间不可避免地存在非满眼间隙，使钻具在钻压作用下产生倾斜作用。钻孔偏斜的首要原因是客观要素，其次是钻具要素。此外，工人不同的操控水平也会使钻进技术参数存在差异，进而不可避免地导致钻孔偏斜。所以钻孔偏斜是不可避免的。时年狮子山矿区已全面采用钻进工艺先进的小口径金刚石钻进技术，钻孔偏斜已大幅减小，钻孔角度递增率已达到0.6/100 m0.9/100 m的水平，但仍高于或远高于控制要求，尤其是偏斜方向没有规律，使得钻孔见矿间距及分布超出地质要求。勘探初期（大团山前期）地质专家不断调整勘探线布置，工作十分被动且效果不理想，全队上下“谈斜色变”，探矿人压力也十分巨大。（2）20世纪80年代中期，我国定向钻探技术尚处萌芽，理论上仅有教科书中几个苏式近似公式，导斜钻进工具尚处在半机械制造模仿阶段，定向仪器尚在原始“石器”时代，机具器材不成体系且互不配套，装备现状极其原始和落后，没有成套的科学机具和仪器，甚至钻孔空间轨迹理论尚未建立（只有近似的经验公式），大家都在“盲人摸象”。2定向钻探技术开发和技术成果现如今，定向钻探技术被称为可控钻孔轨迹技术，各方面已相当成熟，特别是工具和仪器的工业化、智能化程度很高。但因其高难深奥，这项技术仍没有普及，成熟掌握这项技术的人仍不多见。2.1 定向钻探技术的开发研究1985年国家已部署启动狮子山矿区地质勘查工作，大团山矿床勘探大幕先行拉开，在当时的背景和简陋的条件下，321地质队全面启动定向钻探技术探索研究，由探矿科组织技术力量，探矿分队全面配合，地质科全力支持，利用“七拼八凑”的装备，从被动防斜、减斜，到被动纠斜，再到利用孔斜自然偏斜规律+纠斜组合（专业称为“初级定向孔”），继而到钻孔轨迹全面控制，以及分枝组合孔群的实施，循序渐进地探索了一整套防斜、减斜、纠斜、控斜技术措施。冬瓜山矿床作为未来主开采矿区，埋深大于大团山矿床约200 m，地下有狮子山铜矿开拓系统，地表遍布生活、办公、生产车间等构建（筑）物设施需要避让。为节省勘探费用，实现精准勘探的目标，1987年4月安徽省地矿局组织相关专家试验攻关，进行了为期13个月的“冬瓜山铜矿床应用定向钻探技术进行深部矿体勘探的方法研究”项目并取得成效。具体开展了下列技术探索研究1-7：（1）防斜、减斜技术研究。开展主动防斜、减斜技术研究，在常规钻探生产中采用特定钻具或钻进技术方法，达到阻止或减小偏斜的效果。主要钻进工具有：扶正组合单元+钟摆钻具；满眼扶正+塔形导正+大刚度钻杆；高级偏心楔；连续造斜器；螺杆钻导斜；冲击回转钻进（高效凿钻，快速穿越坚硬岩层，弱化剋取岩石时各向异性作用，有效减小钻孔偏率）。（2）纠斜、控斜技术研究。重点是各种导斜方法研究：偏心楔（多种结构型式）、连续造斜器、单头螺杆钻导斜（安徽省地矿局研制高速螺杆钻）、多头螺杆钻导斜（最终确定为最优方案）等导斜方法使用与研究。（3）钻孔产状测量技术研究4。定向钻探技术首先要解决钻孔轨迹定位问题，钻孔轨迹定位依赖于钻孔孔斜测量的精准度。对于深孔来说，测量误差中累积偏斜误差比较大，当年仪器顶角精度（测量误差）为0.5，800 m 孔深累积偏斜误差就达7 m，已大于偏斜要求值的1/21/3，这样的测量精度失去了轨迹控制的意义。于是开展提高测量精度技术研究：首先，研究测量误差来源。误差来源主要有：仪器制造技术的误差、测量时仪器在钻孔内状态误差、测量读数视觉误差（非数显仪器）、测量点深度计量误差。其次，32第33卷第1期研究消除误差措施，制定测量实务规程：精心维护、保养仪器；按数理统计理论，进行9次重复测读数据，减小测读误差，注意每次测读前，使仪器内部测量元件处自由状态，微幅上下活动井下仪器23次，并待其停稳后测读（校准时转动校验台，孔内测量时上下活动）；整理测读数据，并将校准误差予以补偿消除。另外，还对超大径钻孔无扶正测量精度进行验证研究。（4）定向技术探索研究。定向是决定导斜目标的关键。困难的是当时国内没有专用定向仪器（现代也还没有廉价的地质专用仪器），321地质队自行开发出自己的定向仪：利用过时不用的无定向功能的测斜仪，自主设计测量电路，手工制作电测系统，并进行全角度校准。在实际下孔定向前，地表精确量测导斜钻具装合差（定向键与定向钻具弯曲方向的周向角度）、校准定向仪装合差（检查仪器与定向引鞋组合联结是否变动及仪器是否正常工作）；测读数据后按设计要求读数转动钻杆柱到目标方位，并上下活动钻杆柱（消除扭转角度的黏滞性）后读数，重复转圈12次，读数一致即可；提起定向仪，检查仪器入键印记，以确认定向可靠。此外，321地质队还进行了模糊定向技术研究并取得成功实证。（5）导斜钻进工艺研究5。导斜钻进关键在于初始时段，以下以螺杆钻导斜为例进行介绍（不同导斜工具，工艺不同）。启动泥浆泵输送动力液，驱动导斜钻具，待循环正常，轻缓下降钻具，特别是接触孔底时要避免蹩钻憋泵，钻压极其轻微，研磨孔底使钻头与岩面吻合（导斜钻头与取心钻头不同，孔底岩面与导斜钻头底唇异相，易导致蹩钻憋泵），缓慢加压，至正常钻压即进入正常钻进阶段；导杆时，密切注视并防止主动钻杆标线（启动钻进前预先标记）扭转角度。对于人工孔底分枝导斜，因人工孔底强度与围岩强度有一定差异（一般低于岩石），初始分枝导斜更是不能急躁，须极其轻缓加压，每进尺 10 cm 左右加压 5001 000N，控制钻进速度，钻速不能超过 10 cm/30 min，直到正常给压，且钻速在0.5 m/h左右即达钻头正常挂壁分叉状态。（6）其他关键工艺技术研究5-7。在实践中，根据项目的特殊性或遇到的问题，321地质队进行了一系列关键工艺研究，例如：一次性大角度导斜技术、超大