摘要：在岩心钻探施工过程中，钻遇岩（矿）心脱落需要补取岩心，或钻具脱落、埋钻和烧钻需要绕障时，人工造斜方法是解决问题的有效手段。钻孔较浅，造斜孔段刚好在变径后的位置，且上部孔壁稳定，易于扩孔和下套管，宜选用异径偏心楔人工造斜；钻孔较深，不能改变口径，造斜孔段岩层硬度较大，宜选用同径偏心楔人工造斜；钻孔较深，造斜孔段岩层硬度不大（如煤系地层中的煤层、泥岩等），宜选用同径自然造斜。选用偏斜楔造斜时，偏斜楔长度、偏斜角大小和导斜槽直径的合理选择，偏斜楔下入钻孔过程中的正确操作；选用同径自然造斜，水泥浆灌注孔段位置确定、水泥浆凝固后达到一定的强度和造斜过程中合理的钻进参数，是造斜成功的关键。
关键词：煤田勘探；人工造斜；应用
引言
2014年，我院在黑龙江省黑河市三吉屯井田勘探项目的钻探施工过程中，发生煤层打丢采取率不足和孔内发生事故不能测井终孔的情况。为了补采煤心和绕过事故钻具，采用下入固定式偏心楔进行人工造斜的施工技术，补取煤心十分成功，满足了地质质量要求；顺利绕过事故钻具，达到终孔要求孔深；取得了较好的地质技术成果和较高的经济效益。
1人工造斜的原因
1.1补取岩（矿）心
在岩心钻探施工作业中，钻遇以下情况：（１）地层岩石破碎、含高压气体（如页岩气、煤层气）等复杂情况；（２）取心设备（单管取心、单动双管取心、双动双管取心）构建存在损坏或缺陷；（３）钻进工艺参数（如钻压、转速和泵量）选择不当；（４）在取心过程中操作不当。都可能导致岩（矿）心的脱落或损失，需要选择人工造斜的方法钻进补取岩（矿）心。
1.2绕障
在钻探施工过程中，发生孔内事故（烧钻、埋钻、卡钻、落物等）时，在无法打捞出孔内物件，消灭较为困难且不经济，又不能改变孔位移孔时，通过偏斜绕障，将是继续钻进施工工艺的不二选择。
2施工工艺
2.1固定式偏心楔的制作
偏心楔采用Φ89mm岩心管制作，全长3200mm，上部1500mm沿对角线切割开，然后把切割下来的岩心管旋转180度翻扣焊在原处，楔顶角控制在3度左右（考虑偏心楔整体性能，强度、刚度、重量、质量、稳定性等因素，楔顶角没有设计成2度），并将多出斜面的部分割掉，打磨、修理光滑。偏心楔中上部打2~3个Φ10mm的透水孔，起到排气的作用，底部切割成锯齿状，起固定作用。偏心楔结构见图1。
图1偏心楔结构简图
2.2人工架桥
首先将长度为1米，两端粗Φ80mm、中间粗Φ90mm的茅丝木塞下至煤层顶板以上5米处，ZK1900号钻孔是座在事故钻杆头上。用Φ91mm钻具内装1米长的粘土和石子（Φ20~30mm）的混合料，下到离木塞顶部2米处，开泵送浆，将粘土和石子冲出岩心管，落在木塞上；再用Φ91mm实心钻具进行捣实，直到钻具墩不动为止。
2.3下入偏心楔
用2米长的Φ75mm钻具与偏心楔上端导斜面进行点式焊接，焊口长度30~50毫米，焊接力度以能承受偏心楔重量为妥；严格保证焊接的同心度，重叠部分最大直径不超过91mm，以免下入困难。下入过程中操作要轻、稳，不能墩钻，避免发生开焊偏心楔落孔事故。下到孔底后，合上车，卡紧立轴，用油缸向下压，把偏心楔留在预定位置。
2.4偏斜钻进
钻具与偏心楔脱开后，严禁向上提动钻具，应立即开泵送浆，待孔口返浆后，采用轻压（2000-3000KN）、慢转（100转/分）、适当泵量（70-90升/分）的技术参数进行回转钻进。在每个立轴行程末时要上下反复扫孔，使造斜孔段更加光滑、通畅。Φ75导斜钻进2米后，换Φ75导正、Φ91扩孔的钻具钻进2米，最后再换Φ91钻具进行取心。
3偏斜楔的技术要求及制作
3.1偏心楔基本技术要求
3.1.1偏心楔的主要技术参数是造斜角和导斜槽直径
偏心楔的偏斜角大小，根据其造斜的目的不同而要求不同，“绕障”希望与障碍近距离偏离后角度不宜过大，尽量能使“绕障”后的钻孔轴线与原钻孔设计轴线偏离不大；“补取岩（矿）心”则希望造斜角在理论值０°～９０°内选取较大的角度，尽量能在造斜后短距离内将完整的岩（矿）心补取。但是偏心楔角度设计过大，不仅难以完成初始偏斜，而且即使初始偏斜成功了，在后续的钻进中钻具和钻杆在偏斜处也易折断；反之，偏心楔角度设计过小，则偏心楔长度增大，不仅加大材料成本，而且不便制作、运输和下入孔内。理论上，在普通硬质合金（或金刚石）钻进中，将钻具视为“刚性”，则钻孔最大自然偏斜角“进尺角变率”为：
式中：ａ———钻具在孔底的偏角“进尺角变率”，（°／ｍ）；ＤＫ———钻孔直径，ｍ；Ｄｇ———岩心管（钻具外管）直径，ｍ；Ｌ———粗径钻具长度；Δｒ———钻具在孔底的偏角“变量”，（°）；Δｓ———钻具在造斜过程中进尺长度，ｍ。在造斜孔段弯曲度能满足钻具通过的前提下，其造斜角随进尺增加而增大（见图１）。
图１钻孔造斜过程示意图
3.2偏斜楔的制作
3.2.1异径偏心楔的制作（参见图２）
图２异径偏心楔
（１）选用１根４．６ｍ长两端丝扣完好的８９ｍｍ旧套管，从距上端０．３ｍ处中心（套管断面中心），用割刀（氧、乙炔）斜切割至下端０．４ｍ处的边缘；（２）将切割下来的套管斜面块件凹槽面向上置于切槽内用电焊焊上；（３）用砂轮将焊缝打磨光滑，且两侧焊缝断面外出不大于原套管尺寸；（４）用一根２ｍ长的８９ｍｍ套管，上端与偏心楔相连，下端戴上内出刃钻头（下时遇阻可慢慢转动扫孔）。造斜角ｒ＝ｔｇ－１（Ｒ／Ｌ）≈１．３°（式中：Ｒ＝８９ｍｍ为套管直径，Ｌ＝３９００ｍｍ为斜面套管长度）。
3.2.2同径钻杆铁丝投放式偏心楔（参见图３）
图３ 同径钻杆铁丝投放式偏心楔
（１）选用一根３．６ｍ长一端丝扣完好的７１ｍｍ旧绳索取心钻杆，从距无丝扣端０．１ｍ处靠边（留少许不割），用割刀（氧、乙炔）斜切割至下端０．５ｍ处的对边缘；（２）用８９ｍｍ套管切割一块斜面块件，将凹槽面向上置于切槽内用电焊焊上；（３）用砂轮将焊缝打磨光滑，且两侧焊缝断面外出不大于原钻杆尺寸；（４）在上端０．１ｍ处用割刀割２个小孔（用于铁丝固定在钻杆上），（５）用一根２ｍ长的７１ｍｍ钻杆，上端与偏心楔相连，下端切割焊成锥形（导向）或接锥形导向钻头。偏斜角ｒ＝ｔｇ－１（Ｒ／Ｌ）≈１．３５°（式中：Ｒ＝７１ｍｍ为套管直径，Ｌ＝３０００ｍｍ为斜面套管长度）。
结语
在岩心钻探施工过程中，钻遇岩（矿）心脱落需要补取岩心，或钻具脱落、埋钻和烧钻需要绕障时，选用人工造斜方法，可以达到减少报废进尺、节约成本和缩短工期的效果。（１）选用人工造斜方法，较重新移孔施工，其减少经济损失在钻孔总价值的百分率，随着造斜孔段的深度与造斜钻孔深度比增大而增大，且钻孔越深，节约成本的量越大。（２）选用偏斜楔造斜时，偏斜楔长度、偏斜角大小和导斜槽直径的合理选择，偏斜楔下入钻孔过程中的正确操作，是造斜成功的关键。（３）选用同径自然造斜，水泥浆灌注孔段位置确定、水泥浆凝固后达到一定的强度、造斜过程中正确操作，以及选择合理的钻进参数，是造斜成功的关键。
参考文献：
[1]罗晓斌，罗凯．偏心楔钻进技术的改进与应用［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２０１２，３９（１０）：２３－２５，３１．
[2] 孙孝刚，王聪，代敏兵．高瓦斯涌水超厚煤系复杂地层的钻进施工［Ｊ］．探矿工程（岩土钻掘工程），２０１３，４１（１０）：４５－４９．
论文作者:李强
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：偏心论文; 钻孔论文; 岩心论文; 套管论文; 钻杆论文; 钻具论文; 过程中论文; 《基层建设》2019年第13期论文;