摘要
随着近年来矿产资源勘查要求的提高，岩心钻孔的深度及地层复杂性也不断加大，为能精准的钻遇靶区矿体以实现地质目的，对钻孔轨迹控制的要求越来越高。雪峰弧构造带部分工作区地层倾角大、软硬交替频繁、地层破碎，实际施工中地层造斜情况严重，随着孔深增加导致终孔轨迹与靶区矿体偏差较大，影响矿产资源勘查的精度和质量。通过对该工作区地层造斜情况的深入分析，在ZK1001钻孔绳索取心钻进施工中采用初级定向孔技术和满眼钻具工艺，大幅度提高了钻孔孔身质量，较好地实现钻孔轨迹控制。并通过试验不同的岩心钻具组合，提出了满眼钻具组合的优化意见和建议，为工作区岩心钻孔轨迹控制提供技术参考。
雪峰弧构造带地处于江南地块，是我国的重要金成矿带，其先后经历了6次地壳运动，从而形成了复杂多样而又层次分明的构造体
矿产勘查中一般采用岩心钻探来验证、追索、控制矿体在地下深部的赋存规模、厚度等状态，因此钻孔轨迹的变化影响着矿产勘查的精
本文通过雪峰弧某金矿区部署的ZK1001钻孔钻探施工，通过深入分析地层的自然造斜规律，应用初级定向钻进技术和优化绳索取心管柱组合的工艺，在满足地质勘查目的的前提下，将钻孔孔斜控制在较小的范围内，并针对钻进过程中遇到的浅部松散覆盖层对钻孔轨迹影响提出了解决措施。
在岩心钻探中，初级定向钻进技术一种是常用的控制钻孔轨迹的方法，通过提前调整钻孔开孔角度或位移以抵消钻探过程中轨迹的偏移，从而实现实钻轨迹在设计需控制的矿体靶点附近穿过，获取矿体岩心，达到矿产资源调查的目
图1 初级定向钻进原理示意
Fig.1 Principle of the primary directional drilling
当勘查深度较浅时，可通过调整开孔角度实现勘查目的，有不少学者根据勘探区块钻孔顶角上飘的规律，总结了实际开孔角度较设计角度的增加量和计算方
初级定向钻进技术主要是依靠地层自然造斜规律实现较准确地控制矿脉，并不能较好地预防或控制钻孔的孔斜变化率，如在某地层造斜严重的矿
在地质岩心钻探中，有效的预防钻孔弯曲措施为小直径孔底动力钻具，能够较好地控制钻孔轨迹，但是由于其成本高、施工工序较复杂，目前主要用于科学钻
工作区位于雪峰弧湘东北金多金属成矿带上，表层为第四系（Q）松散覆盖层，厚度较薄，主要沿北东、近南北大冲沟呈带状展布，主要赋矿层为新元古界冷家溪群地层（Pt3l），其岩性为灰—深灰色条带状板岩、条带状粉砂质板岩、变质砂岩（石英砂岩）、凝灰质石英砂岩等，岩性较稳定。
工作区内以小型的皱褶为主，地层断裂构造较发育，断层破碎带主要由构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩化板岩及石英脉等构成，其中构造角砾岩及碎裂岩局部可见黄铁矿化。
根据对该工作区的地质调查工作，矿体和地层的倾角基本较大，故部署的矿产资源勘探孔均为斜孔，钻孔方位垂直于矿体走向。
地层的不均匀和倾斜是造成钻孔孔斜的主要地质因素，一般称为地层造斜
经过前期的地面调查工作，在工作区内初步圈定含矿脉的位置范围，此次钻探工作为对Ⅰ号矿脉的深部含矿性进行控制，揭露矿脉浅深部160~800 m矿化情况。Ⅰ号矿脉走向北西西，倾向北东，倾角60°~80°，主要由破碎蚀变板岩、石英脉组成，钻孔处地层走向305°，倾角75°。
根据地层走向及倾角，ZK1001钻孔设计方位215°，倾角75°，孔深800 m，预计在720~725 m钻遇矿体，采用三级孔身结构。
表层松散覆盖层采用Ø122 mm单管取心钻具钻进，钻至基岩后下入Ø114 mm套管护壁；采用Ø96 mm绳索取心钻进至完整基岩后，下入Ø89 mm套管；然后采用Ø76 mm绳索取心钻进至终孔。
ZK1001孔的的实际结构和套管程序见
图2 ZK1001钻孔结构
Fig.2 Borehole structure of well ZK1001
由于前期勘探孔孔深大部分均在300 m以浅，孔斜增加率均符合岩心钻孔质量规范（斜孔要求增加率≯3°/100 m），由孔斜引起的控制矿体长度误差较小，满足矿产资源前期勘查的质量，因此在浅孔施工中未对钻孔轨迹进行严格要求。ZK1001钻孔设计深度为800 m，预计在孔深725 m处钻遇矿脉，深度较大，需要对钻孔孔斜及靶点进行重点分析。
ZK1001钻孔中钻头与地层的夹角约为30°，如
图3 地层倾角及节理发育情况
Fig.3 Dip angle and joint development
通过计算钻孔轨迹在不同孔斜变化率下与设计靶点的偏移情况：开孔设计顶角15°（即倾角75°）（
| 地层造斜率/[(°)·(100 m | 见矿上飘 距离/m | 见矿深度/m | 孔底孔斜/(°) |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 725.00 | 15 |
| 0.5 | 41.46 | 689.41 | 18.44 |
| 1.0 | 76.06 | 660.24 | 21.60 |
| 1.5 | 105.76 | 635.61 | 24.53 |
| 2.0 | 131.77 | 614.43 | 27.29 |
| 2.5 | 154.92 | 597.58 | 29.94 |
当按孔斜增加率为2.5°/100 m时，钻孔轨迹曲率半径为2292 m，
如采用所述的初级定向钻进技术，根据地层自然造斜强度（2.5°/100 m）调整开孔角度，按前人经
如
图4 钻孔弯曲引起的管柱磨损
Fig.4 Pipe wear caused by hole bending
通过前文对ZK1001钻孔轨迹分析，如按照设计轨迹倾角施工，即使将孔斜变化率控制在很小的范围内，钻孔见矿位置与设计的位移偏差也较大，影响矿产勘查精度和质量；而使用初级定向钻进技术时，由于钻孔孔深较大，常规绳索取心钻具钻进导致全孔的角度变化较大，不利于正常施工，易引起钻具磨损甚至事故；同时该工作区地质构造发育，深部地层产状的不确定性较大，增加了钻孔轨迹的控制难度。
岩心钻探中浅部地层通常采用单管取心钻进。雪峰弧工作区的表层为松散堆积层，主要沿北东、近南北大冲沟呈带状展布，主要为成分为碎石土，见
图5 表层松散堆积碎石
Fig.5 Loose accumulated rocks on the surface
由于松散层由块石碎石堆积而成，加之开孔直径较大，存在一定倾角，单管取心时频繁起下钻易破坏孔壁周围碎石堆积应力作
ZK1001钻孔部署在冲沟边缘，松散堆积层厚度为8~10 m，开孔采用Ø122 mm单管取心，钻遇基岩后下入Ø114 mm套管，深度为8 m，更换Ø96 mm绳索取心继续钻进，首次开孔进行多点测斜后发现孔深10 m处孔斜增加了2.51°，即为松散覆盖层与下伏基岩面交界处，导致孔斜质量超标。
通过对ZK1001钻孔轨迹控制难点分析，提出了多种关键技术相结合的施工方
绳索取心常用的孔底钻具组合：取心钻头+下扩孔器+取心钻具+上扩孔器（弹卡室）+绳索取心钻杆。由于绳索取心钻进工艺需要确保岩心内筒能够在钻杆柱内部顺畅起下，导致绳索取心管柱外径小、管壁薄、整体柔性较大，管柱结构单一，对钻孔的防斜能力较弱。岩心钻探规范中指出合理选择钻具结构与级配，尽量使用满眼钻进预防钻孔弯曲，但是对满眼钻进的钻具组合结构未做出指导，因此现场对稳定器的安装位置进行试验以取得可行的满眼钻进方案。
在ZK1001钻孔的S75钻具孔段，通过钻头、上下扩孔器和稳定器形成满眼钻具组合结构，将开孔倾角按初级定向钻进技术由设计75°调整为80°。为防止扶正器对冲洗液循环压力和管柱摩阻产生较大影响，保障深部孔段施工顺利，钻杆上稳定器设计安装1个，并对稳定器的安装位置进行试验，具体钻具组合如下：
第一种组合：Ø76 mm取心钻头+Ø76.5 mm下扩孔器+S75绳索取心钻具+Ø76.5 mm上扩孔器（弹卡室）+Ø71 mm绳索取心钻杆3 m（1根）+Ø76.5 mm稳定器1个+Ø71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆，稳定器的跨距为3 m。
第二种组合：Ø76 mm取心钻头+Ø76.5 mm下扩孔器+S75绳索取心钻具+Ø76.5 mm上扩孔器（弹卡室）+Ø71 mm绳索取心钻杆6m（2根）+Ø76.5 mm稳定器1个+Ø71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆，稳定器的跨距为6 m。
由于施工现场未配备大口径绳索取心钻具，只有单管取心钻具，为确保开孔段孔壁稳定，避免单管取心钻具多次起下钻造成松散覆盖层的孔壁变形，现场决定采用岩心钻具的跟管钻进工
开孔跟管钻进的工序为：采用Ø122 mm钻头+Ø114 mm钻杆的单管取心钻具钻进建立孔口后，将Ø114 mm钻杆下入孔底作为套管，并在孔口用卡瓦固定。在套管内部下入Ø95 mm绳索取心钻具取心钻进，完成取心后，由Ø114 mm套管使用管靴进行扩孔，跟管钻进至取心孔底。根据地层情况及时扩孔跟管，直至穿越复杂地层，避免Ø114 mm钻杆多次起下。
ZK1001钻孔采用Ø114 mm套管跟管钻进进入基岩1 m后，将套管在孔口进行固定，即完成了第一级孔段的施工，然后换S95钻具钻进，避免了钻杆柱在浅部地层频繁起下钻导致的孔壁变形、掉块等复杂情况。
ZK1001钻孔设计开孔角度75°，实际开孔角度80°，第一个孔未控制好浅部松散层引起的孔斜超标，上飘严重，孔斜变化率达到9.25°/100 m，现场研讨后决定挪孔，将孔位沿着施工方位向后挪动1 m重新开孔，钻进至832.5 m终孔。
重新开孔后全孔的结构参见
ZK1001钻孔孔斜变化情况见
| 孔段/m | 孔斜（起始~结束）/（°） | 钻具组合 及工艺 | 孔斜变化率/[(°)·(100 m |
|---|---|---|---|
| 0~15 | 10~10.12 | 跟管钻进 | 0.80 |
| 15~192 | 10.12~14.38 | S95常规绳索取心钻具 | 2.41 |
| 192~460 | 14.38~17.77 | S75满眼钻具，跨距3 m | 1.26 |
| 460~590 | 17.77~19.83 | S75满眼钻具，跨距6 m | 1.58 |
| 590~652 | 19.83~19.20 | S75满眼钻具，跨距3 m | -1.01 |
| 590~811 | 19.20~21.34 | S75满眼钻具，跨距3 m | 1.34 |
对比分析不同孔段采用的钻具组合结构可知：
（1）取心跟管钻进技术较好地克服了浅部松散层对孔斜的影响；
（2）Ø95 mm孔段采用常规绳索取心钻具结构，即使钻进时采用了低钻压钻进，但是受地层造斜力的影响，钻孔孔斜变化达到了2.41°/100 m，与该工作区其他钻孔情况相似；
（3）Ø76 mm孔段采用的满眼钻具组合预防钻孔弯曲效果有了很大提升，平均孔斜增加率为1.12°/100 m；
（4）钻杆稳定器跨距为3 m（第一种组合）时比跨距为6 m（第二种组合）时预防钻孔弯曲效果较好，当跨距由6 m更换到3 m时出现降斜现象，说明钻具增加了降斜力，现场分析为S75绳索取心钻杆柔度较大，当跨距6 m时钻杆产生屈曲效
由于满眼钻具在ZK1001钻孔的使用中对钻孔孔斜变化率起到了良好的控制，故在该工作区后期部署的钻孔中均采用该钻具组合，跨距均为1根钻杆（3 m），钻孔孔斜变化情况统计如
| 钻孔编号 | 钻孔深度/m | 钻孔倾角（起始~结束）/(°) | 全孔孔斜平均变化率/[(°)·(100 m |
|---|---|---|---|
| ZK2301 | 159.12 | 85~83.53 | 0.92 |
| ZK1301 | 403.20 | 77~72.51 | 1.11 |
| ZK1401 | 400.30 | 75~71.52 | 0.87 |
| ZK2001 | 218.6 | 71~68.9 | 0.96 |
| ZK10001 | 151 | 85~82.49 | 1.66 |
| ZK10701 | 160.2 | 89~86.73 | 1.42 |
通过在工作区多个钻孔使用满眼钻具结构发现，对比常规绳索取心钻具结构，钻孔孔斜变化率由2.5°/100 m左右降低为1°/100 m左右，较大幅度地降低了钻孔弯曲，提高了钻孔质量。
（1）对于较深的岩心钻孔，宜联合采用初级定向技术+满眼钻具工艺，在确保控制矿体的同时，可防止钻孔弯曲度过大。
（2）绳索取心满眼钻具组合能够提高孔底钻具的刚度，在雪峰弧某矿区的使用效果显示具有较好的降低钻孔弯曲效果，但是受绳索取心钻孔环空间隙限制，应合理控制安装稳定器的数量，避免循环冲洗液泵压及钻具摩阻过大。
（3）应合理设计稳定器间的安装跨距，不宜过大，最优跨距需采用管柱力学进行深入分析，试验表明S75绳索取心钻具的稳定器跨距为3 m的防斜效果好于6 m。说明跨距6 m时稳定器中间的S75绳索取心管柱已经发生屈曲，刚度降低，可见当跨距继续增加时稳定器的防斜效果将减小甚至消失。
（4）对于浅部松散层，应避免在松散层频繁起下钻引起孔壁变形和掉块，进而影响孔口管的稳定导致孔斜变化。
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