受控定向钻探

应用与发展

20世纪30年代，定向钻探首先用于石油钻井。50年代初开始用于地质钻探。随着新式连续造斜器和小口径螺杆钻（马达）研制成功，金刚石钻头和随钻测斜仪器的应用，使受控定向钻探发展成为现代先进的钻探技术之一。

因受控定向钻探技术能提供精确的地质资料、节省钻探现场场地和钻探工作量，而加快地质勘探速度，从而获得广泛推广和应用。

随着科技水平的进展，微型计算机和导航技术的引用；小口径孔底动力机(螺杆钻)、随钻测量系统等已达到实用的程度；地表设备配套已经完善，现已达到全方位“受控”定向钻探的高水平，特别是世界范围内侧向水平钻进很风行，也表明定向钻探技术已进入高级阶段。高级的主要标志是中靶精度高、可靠。由于微机的应用，使定向孔的设计与数据处理既直观又快速，随钻、随测、随调，并可对多种方案快速加以对比，随时选出最优的参数以控制钻孔的顶角和方位角，如此连续优化造斜，能获得钻孔轴线轨迹非常光滑的高质量钻孔，显著地提高了经济效益。由此，受控定向钻探的应用范围越来越广。除了为定向钻进的目的而进行的钻孔造斜外，在处理孔内事故时，也常采用造斜的方法，避开难以处理的事故段，使孔身偏斜而继续钻进。当矿心采取率不高或未取得矿心时，也常用造斜的方法对矿层补取矿心。

技术要素

受控定向钻探的主要技术要素有定向钻孔设计、造斜和定向器具、随钻测量和施工技术等。

定向钻孔设计

首先必须规定钻孔预定要达到目的层的中靶点和靶区，然后选择定向钻孔孔身剖面型式。型式有曲线型、直线-曲线-直线型、直线－曲线－曲线型 3种。只有顶角变化而方位角基本不变的平面弯曲型钻孔在金刚石受控定向孔中应用最广。定向钻孔的设计方法有绘图法和计算法两种，两者并无实质区别。

造斜工具

其作用是控制钻孔顶角和方位角。造斜工具主要有如下几种：

①偏心楔。用钢制楔体强制改变钻孔顶角、方位角的工具。其主要参数是楔子顶角和导斜槽直径，楔子顶角通常为 3°。楔体在孔内固定后不能回收的为固定式偏心楔，中国有JGX-56、PK-56等型号；楔体在孔内固定后，造斜完毕还能从孔内取出的称回收式偏心楔，中国有MD-76等型式。

②连续造斜器。由内转动部件和外不转动部件组成（图2）。不转动部件（包括外管3、上楔体4、滑块5、下楔体 6等）通过滑块与孔壁定位卡固以后，在轴向压力下沿钻孔轴向移动的同时，转动部件带动钻头7回转。由于楔形滑块与对孔壁的作用，使钻头产生侧向造斜力N，实现连续改变钻孔方向的目的。中国有LZ-54、LZ-73、CK-54和CK-73等型号的连续造斜器。

③有孔底动力机配合的造斜工具。其孔底动力钻具有涡轮钻、电钻和螺杆钻。用于受控定向钻探的最好工具是螺杆钻，其钻杆不转动，可随钻监测钻孔方向变化，不受地层变化的限制。与它配合使用的定向工具有弯接头、弯外壳等，可按定向孔的设计需要加以选择。中国用于受控定向钻探的螺杆钻有 YL-54、YL-65、YL-85和YL-100等型号。

定向器具

是对造斜工具进行准确定向，以便使钻孔轴线按设计方向延伸的器具。定向方法有：①直接定向法，用钻杆直接定向，可在顶角小于3°钻孔中采用;②间接定向法，在已知造斜点钻孔的倾斜平面方向上，按需要将造斜工具的对称面相对于钻孔倾斜平面实行定向，从而最终达到造斜工具相对于子午线的定向。此法适用于顶角大于3°的钻孔，常用仪器有 BD-14、DD-1和GZ-18等。

随钻测量

又称遥测系统。当采用孔底动力机造斜钻探时，装置在造斜钻具内的传感器能在钻进过程中随时测出钻具的实际轨迹，即其顶角和方位角，指示出钻头的空间位置，并根据钻孔设计靶区，计算出钻具应有的新的空间位置，并迅速校正造斜工具的方向。所有数据能及时在地表显示和记录。随钻测量仪一般包括传感器、传导系统、微型电子计算机和读出显示等组成部分。国际上广泛应用的随钻监测系统有 DOT、EYE、BJ-休斯系统等。中国的有ZS-1型、YS-1型两种。

造斜钻头

通常用“牛鼻”式和盘式金刚石钻头，在软岩层中用硬质合金钻头。造斜钻头不取岩心，为避开钻头中心的速度“零”区，中心作一个直径为6～8毫米小孔。钻头侧刃要有优良的保径金刚石并能克取岩石。

施工技术

施工时宜合理选择造斜点，计算造斜工具的安装角，用测斜仪正确给造斜工具进行定向，根据造斜强度控制造斜进尺长度，及时测量钻孔顶角和方位角。钻进分支孔时，应建好人工孔底，即在放置造斜器具处，把旧钻孔牢固堵塞，常用的办法是用水泥塞或液压金属制的孔底塞。新孔底形成后，即可按定向孔施工工艺进行。

提高造斜工具的耐用性，提高定向仪的精度是今后研究工作的重点任务。随着科学技术的发展，计算机已在受控定向钻探的设计、施工、绘图中得到广泛应用。  

参考资料