摘要：定向钻进是通过专用的机具及其相应的测量仪器，在打钻过程中利用定向钻进理论控制钻孔的斜度与方位，在设计深度段内钻成符合设计要求的钻孔，这种钻进技术在矿产资源勘探中应用很广。
关键词：钻孔；定向钻进；造斜
引言
在钻探施工中，有的采用自然造斜，有的采取人工造斜，或两者并用，使钻孔按照预定轨迹延深，达到钻孔设计目标的钻进过程，都称为定向钻进。定向钻进可以节约工程量、保证钻孔质量，使钻孔在特殊施工条件下达到各种工程设计的目的。
1.定向钻进的发展概况
定向钻进技术我国最早开始应刚于石油钻进，随着钻进工艺也日臻完善，定向钻进技术发展很快，普遍采用随钻测量技术，可以随钻测量井身的空间位置和造斜工具的动态，为定向钻进节省了大量辅助时间。同时还利用电子技术、微型计算机、井下电视等进行井身剖面设计以及对井身轨迹的施工控制。定向钻进技术用在煤田勘探中，开始时仅仅是采取初级定向斜孔，就是当打丢打薄煤层时，补打人工斜孔，作为补取煤心的手段。目前已能施工大位移、大斜度井，水平井和丛式井，定向钻进技术已经成为矿区建井时用于冻结造孔和定向孔钻进以及特殊地下工程中打钻的常用钻探技术之一。
2.定向钻孔的种类
2.1.按施工技术方法不同分类
一类定向钻孔。即初级定向孔（自然造斜定向孔）。指在掌握易斜岩层的钻孔弯曲规律的基础上，通过移孔位、改变开孔顶角，使钻孔达到目的层位的钻孔。这类钻孔设计要求精度低，钻孔顶角和方位角允许误差大；二类定向钻孔。即受控定向钻孔（人工造斜定向钻孔）。指采用各种人工造斜手段和工艺措施，使钻孔达到设计目的。这类钻孔设计要求严，中靶精度比较高；三类定向钻孔。即综合定向钻孔。指把自然造斜与人工造斜并用的定向钻孔。
2.2.按钻孔孔身空间位置的变化分类
直线型定向钻孔。指孔身全弯曲角小于3°至5°的钻孔；平面曲线型定向钻孔。指在某一垂直平面内只有顶角变化，而无方位角变化的钻孔（包括方位角变化不超过7°至10°的钻孔）；空间弯曲型定向钻孔。指既有顶角变化（大于5°），又有方位角变化（大于10°）的钻孔。
2.3.按钻孔孔身剖面的形状分类
“S”型定向钻孔（包括开孔直孔段—增斜—稳斜—降斜—直孔段）；“J”型定向钻孔（包括开孔直孔段—弯曲孔段—直斜孔段）；纠偏型钻孔（要求钻孔孔身偏离垂直轴线的水平距较小）；丛式钻孔（在一个主干孔下面再钻出几个定向孔（单向羽状、双向羽状、多向集束孔）。
3.定向钻进的应用范围
3.1.定向钻进在地质勘探钻孔的应用：勘探埋藏在高山、湖海、建筑物下的矿层；勘探急傾斜矿（煤）层；补救煤心采取、定向纠偏。
3.2.定向钻进在特殊工程钻孔的应用：注浆孔、冻结孔及排水孔；地下气化和瓦斯抽收孔；灭火孔、急救孔及地下爆破孔；铺设地下电缆、管道孔；井筒加固、港道施工等特殊孔。
4.设计定向钻孔的原则
设计定向钻孔要遵循以下原则：要保证实现地质目的或满足其他工程需要，按此确定选单枝定向孔或分枝定向孔。分支定向孔中选用单向羽状孔（分枝方向相同）集束孔（分枝孔朝四面八方者）或丛式孔；充分分析研究本地区岩层倾角和走向，岩石软硬情况，层理发育，松散破碎程度。弄清它们的促斜规律，并尽可能利用这些规律，减少人工造斜，加快钻进速度；设计定向钻孔的程度是自上而下，自终位置逐孔段地推开孔点。再审查按此轨迹自上而下施工是否可行。最后才确定孔身轴线空间位置；造斜点应选在比较稳定的岩层，尽可能避免在破碎易塌、膨胀缩径、裂隙溶洞等复杂层位造斜；设计只改变顶角，不改变方位角或方位角变化很小的定向钻孔时，只须作出孔身轴线垂直平面图。设计既改变顶角，又改变方位角的定向钻孔时，则作出孔身轴线的直平面图和水平投影图。
5.定向钻孔施工技术方法
5.1.初级定向钻孔的施工技术方法
5.1.1.初级定向钻孔施工条件和要求。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆初级定向钻进适用于已施工过一定数量钻孔，基本掌握施工区的岩层产状、岩性变化以及钻孔自然弯曲规律的矿区。主要条件是工程设计或地质设计允许靶或范围较大；允许移动地面设计孔位；允许采用精度比较低的测斜仪；施工前应对过去施工钻孔的测斜进行统计和分析，总结出在不同地段、不同地层倾角、不同孔深，以及使用不同钻进方法、不同钻具组合、不同钻进技术参数时的顶角及方位角的变化规律；根据统计出的自然弯曲规律，共同确定钻孔的孔位、开孔顶角及方位角；制定出在不同情况下所使用的钻进方法、钻具组合和钻进技术参数；施工中发现钻孔轴线与设计偏离较大时，应及时采取纠斜措施。
5.1.2.初级定向钻孔技术方法。根据钻孔自然弯曲规律，设计钻孔孔身轨迹，确定地面开孔位置；由于在冲积层中打斜孔时孔趋于下垂，因此要根据设备条件下好孔口定向管，并使用上飘钻具；钻孔结构力求简化，且尽可能地同已施工钻孔的结构大体一致；加密钻孔弯曲测量的次数和测点，每10m提供一对孔斜数据；根据测斜资料及时作出钻孔弯曲的实际曲线和坐标，经常与设计孔身轨迹对比，以便及时采取措施调正钻孔轨迹的空间位置。
5.2.受控定向钻进要求
5.2.1设计原则。定向钻孔应由设计和施工部门根据地质目的、地层条件、设备状况和工艺水平共同设计；应详细掌握工作区地层的倾角和走向、岩石硬度和可钻性、层理发育和松散破碎程度，在研究和分析历史资料的基础上，尽量利用地层的自然弯曲规律；确定定向钻孔的靶区范围。可以从目标点推移到开孔点，也可以从开孔点推移到目标点。
5.2.2.设计要点。选择孔身剖面和钻孔结构；确定钻孔遇层角；确定造斜点、分岔点位置；确定各孔段的曲率和曲率半径；确定目标点孔深；确定垂直孔段或直线孔段长度；计算各孔段顶角、方位角、长度、垂深；计算定向钻孔深度、开孔顶角及方位角，确定开孔位置；校核孔身曲率，检验其是否满足各种限制条件。
5.3.地质勘探定向孔的施工技术方法
5.3.1.分枝点的选择和成功建造。分枝点的选择：根据地质设计要求结合施工可能，计算出一个预想分枝点，在其上下各15至20m范围内，查看主孔岩心、井径曲线，如果孔段井径曲线平直，且岩心基本完整不破碎，层厚又大于10m时，就可将该段上界面以下1m处作为分枝点。
5.3.2.分枝点的建造和操作。用定向固定式偏心楔建造分枝点。从主孔测斜资料可知该处的方位角和顶角。采用厚壁岩心管制作楔体，顶角4°至5°，总长不小于7m。楔面要基本光滑，楔面圆弧要与造斜钻头口径一致，楔面下部最好要有能与孔壁卡固的装置。
5.3.3.造斜钻头的设计与选择。造斜钻头的设计与选择是依据造斜孔段的岩石特性。煤田地质勘探先后使用了硬质合金造斜钻头和天然表镶金刚石造斜钻头。在煤田地质勘探中，上覆岩层可钻性级别为4-6级的岩石居多，宜采用硬质合金作为造斜钻头的切削刃，钻头为无岩心钻头，其底部内凹是造斜钻头的共同特点，其主体作用是便于偏斜导向。钻头的外侧刃为工作刃其尺寸尽量保持一致，内侧刃受岩心偏磨，消耗较快，应予以加强。在煤田钻探中遇到可钻性6级以上岩石时，应采用金刚石钻头造斜钻进。
5.3.4.造斜工艺流程与钻进参数。造斜工艺流程：测孔斜，在下造斜器实施人工造斜之前，应电测造斜点的顶角的方位角，以便为定向测试提供依据；磨孔，采用带捞砂管的无岩心钻头磨孔，磨掉孔底残留岩心和碎合金；下连续造斜器；进行定向计算及调试定向仪；下定向仪给造斜器定向；实施造斜钻进；修孔延深钻进；复测孔斜。造斜钻进参数：钻压，一般钻压为15-25kN；转速，应根据钻压的大小来调整转速，正常转速一般以采用75r/rain为宜。）泵量，一般采用1.0×10-3-5×10°就够了
5.3.5.定向钻进技术要求。不论是直孔还曲线孔，钻孔精度都必须非常高。注浆孔垂直度为0.5%-1%，冻结孔为0.2%-0.3%；允许钻孔轴线偏离靶点的水平距为全孔深度的6‰；钻孔精度测量的可靠性要强并有直观可检性；在冲积层内定向造斜，由于冲积层内产生与控制定向造斜的致偏力十分困难，因而，必须落实特殊工况的技术措施；在施工井筒深井注浆孔时，可供定向造斜孔段短，而钻S型钻孔，一般要使钻孔在100—200m深度内准确地完成造斜—稳斜—降斜，横向拉出20-30m距离等定向工序，否则将无法达到设计靶域要求。
结束语
随着钻探设备和技术的不断改进和提升，定向钻进技术应用越来越广泛，技术越来越先进。本文只是对定向钻进的简单阐述，希望能给钻探工作者提供一定的帮助。
参考文献：
[1]吴翔等著.《定向钻进原理与应用》.中国地质大学出版社.2016-12-1.
[2]武世伟，煤层气定向钻进技术的应用与分析[J].施工技术，2013，11：105.
[3]蔡永乐，刘泝星.煤矿井下千米定向钻进技术及其应用[J].山西煤炭，2011，31（4）：65-66.
论文作者:张利伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/1
标签：钻孔论文; 方位角论文; 顶角论文; 钻头论文; 分枝论文; 岩心论文; 弯曲论文; 《基层建设》2019年第22期论文;