陀螺偏心纠斜法：准确定位、简便操作、优质纠偏效果

蒋鹏飞，唐英杰，于同超

（华北有色工程勘察院有限公司，河北石家庄050021）

摘要：结合工程实例，介绍了陀螺偏心纠斜法的机理、配套器具、操作方法及注意事项等。实践证明，陀螺偏心纠斜法定位准确，操作简便，纠偏效果好。

关键词：陀螺偏心纠斜　螺杆钻具　偏心楔

1.概述

目前冶金、有色金属探矿多采用Φ73mm孔径的金刚石钻头、绳索取心回转钻探方法，钻进中钻孔偏离是难以避免的。由于钻探目的不同，对钻孔的偏斜要求也不一样，一般要求钻探顶角的偏斜≤2°／100m。

华勘院进行的一项矿山帷幕注浆堵水工程，注浆孔孔深340.0～515.0m，为保证注浆效果，控制浆液扩散半径，要求注浆孔为Φ73mm孔径的垂直孔，而且钻孔在任何深度不得偏离设计的钻孔中心线2.0m。如果按孔深500.0m、偏斜2.0m计算，钻孔的最终偏斜度要求仅为0.573°。按照工程的要求，在钻探前和钻探中我们采取了多项防斜措施，但在钻探过程中依然出现偏斜过大的现象。经采用陀螺偏心纠斜法，简便、快捷地解决了钻孔纠偏问题。

2.矿区地质及水文地质条件

矿区为一大型隐伏型矽卡岩磁铁矿，矿床的顶板和围岩为奥陶系中统石灰岩。石灰岩的裂隙、岩溶发育，是矿区主要含水层。

2.1　地质条件

矿区西部为太行隆起带，东接华北沉降带，区内主要发育有北北东及北东向断裂构造，且以北北东向断裂构造为主。褶皱构造规模较小，岩层产状与构造方向一致，倾向东南，倾角15°～30°。主要分布地层有如下几种。

（1）第四系黏土砾石层：该层砾石以石英砂岩为主，硬度较大，磨圆度较好，分选性差，粒径大者可达50cm，小者仅有几厘米。黏土以粉质黏土为主，充填在砾石中间，平均厚度40.0m。

（2）石炭—二叠系：岩性以砂岩、页岩为主，厚度变化较大，最大厚度70.0m，平均厚度24.2m。

（3）中奥陶系：岩性以石灰岩、结晶灰岩和大理岩为主，夹有泥质灰岩，厚度224.1～589.0m，平均厚度416.17m。

（4）燕山期闪长岩：是本区的基底，块状，主要矿石成分有角闪石、正长石等。

2.2　矿区水文地质条件

矿区主要含水层为中奥陶系石灰岩，石灰岩裂隙岩溶发育，平均裂隙率7‰，岩溶裂隙发育极不均一，最大的溶洞可达9.0m。

3.陀螺偏心纠斜法的机理及配套器具

3.1　前期钻探工程

施工采用XY－4型回转钻机。由于该区地层条件复杂，既有砾石层，又有裂隙岩溶发育的石灰岩，虽然前期做了大量的防斜工作，但在井深170.0m以下均发生不同程度的偏斜，有的超出设计要求，必须进行纠斜。前期纠斜主要采用以下两种方法。

（1）螺杆钻具纠斜法。螺杆钻具在定向钻探中是非常成熟的工艺，效果也非常好。本着既然能定向，就应该可以通过定向达到纠偏目的的想法，采用了YL－65型螺杆钻具进行试验性纠斜，但效果并不好。其原因在于，螺杆钻具的优点是定向，但是适宜转盘式回转钻机，同时由于其动力较小，对较坚硬的石灰岩没有“克取”能力。

（2）直接下偏心楔。利用偏心楔改变钻孔井内方向是一种较为“古老”的方法，它的优点是速度快、成本低，但存在致命的缺点：首先是方位难以确定，其次是偏心楔易下但不易取出，三是下了偏心楔后必须缩径。

3.2　陀螺偏心纠斜法的机理

陀螺偏心纠斜是利用偏心楔的斜面产生角度和螺杆钻具的定向装置，利用陀螺侧斜仪跟踪观测钻孔的轨迹，确定钻孔纠斜的方位和角度，从而达到钻孔纠偏的目的，因此将这种纠斜法取名为陀螺偏心纠斜法。

3.3　陀螺偏心纠斜法的配套器具

（1）偏心楔：利用Φ73mm钻杆制作，斜面的长度1.8～2.0m，斜面坡度0.5°～1.2°，偏心楔的顶部连接一个Φ73mm钻杆接手，见图1。

（2）定位靴：外径小于Φ73mm钻杆内径，一般为Φ65mm外径，内径Φ55mm，材质可用钢管或硬质塑料管，见图2。

图1　偏心楔

图2　定位靴

（3）定位键：金属制作，其大小以能顺利进入定位器的槽中为适合，见图3。

（4）定位器：陀螺侧斜仪中的定向设备，见图4。

图3　定位键

图4　定位器(www.xing528.com)

（5）Φ65mm钻具一套，钻具长1.5～2.0m，配金刚石钻头。

3.4　陀螺偏心纠斜器的连接

（1）用螺钉将定位键固定在定位靴的内壁上。

（2）带有定位键的定位靴固定在偏心楔顶部的接手下端，要求定位键必须在偏心楔的中心线上。

4.钻孔纠斜的操作步骤

（1）用陀螺测斜仪采集钻孔偏斜方向和位置，设计钻孔需要纠正的方位和斜度（一般为钻孔倾斜方位的180°）。

（2）将纠斜器与Φ73mm钻杆连接在一起，准确下到孔内准备纠斜的位置，钻杆在井口。

（3）将连有定位器的测斜仪下入定位靴中，卡槽进入定位键，观测定位键的方位。在井口转动Φ73mm钻杆来改变定位键的方位直到达到设计纠斜方位，然后在井口固定好Φ73mm钻杆，升上测斜仪。

（4）在Φ73mm钻杆内下入Φ65mm钻具将定位靴取出或扫掉，钻进2～3m后升上Φ65mm钻具，再将Φ73mm钻杆和纠斜器提出。

（5）下入带有前引的Φ73mm钻具（前引口径小于Φ65mm）扩孔2.0～3.0m。

（6）去掉前引钻具用Φ73mm钻具进尺15.0～20.0m，再次下入测斜仪观测钻孔的偏斜方位和偏斜度，如钻孔轨迹方位有所改变，斜率变小，可继续钻进，否则重复上述方法再次进行纠斜。

5.纠斜成果分析

采用陀螺偏心纠斜法纠斜在施工完的29个钻孔都进行过，效果非常明显，表现在纠斜位置以下钻孔的方位、斜度有明显变化，偏距和偏斜率随着进尺逐渐减少。例如W301孔在160.0m处进行纠斜，到169.0m时各参数都发生了变化，见表1和图5。

表1　W301孔陀螺仪测斜成果

钻孔纠斜实际是随着深度改变钻孔轨迹的方向，最佳的方位改变是在纠斜处原方位改变180°（即为纠偏的设计方位），但在实际操作中很难保证达到这个角度。分析认为，如果纠斜后方位变化在纠斜设计方位的±45°内，都会出现比较好的纠斜效果，见图5。

说明：图中圆半径2.0m（工程要求的钻探偏离范围）；O－钻孔的中心点；A－钻孔偏离中心

2.0m的位置及方位；B－设计纠偏的最佳方位；C、D－设计纠偏方位左右45°的位置

在纠斜过程中，如果钻孔轨迹方位超出C、D两点，暂时也能达到纠斜的要求，但是随着钻孔深度的不断加深，钻孔的偏距又会很快从另一个方向超出设计要求。只有轨迹方位与B点在一线，纠斜效果才能达到最佳，因为由纠斜点A至理想方位点B有4.0m的距离，可以供钻探再一次偏斜而不超出设计要求。钻探轨迹方位偏离理想方位点B越远，越不利于满足钻孔在继续钻探过程中的孔斜要求。

6.纠斜过程中的注意事项

（1）钻孔井底要干净，防止纠斜器在井内时间过长而发生埋钻现象。

（2）钻孔井底岩层要有一定的强度，防止纠斜器下滑，改变方向。

（3）纠斜位置的井壁要较完整，有利于扩孔。

（4）纠斜定向完成后，要在井口固定住Φ73mm钻杆，防止钻杆转动而改变纠斜器方向。

7.结语

工程实践证明，陀螺偏心纠斜法与传统钻孔纠斜法相比较具有以下优点。

（1）定位准确，可以根据钻孔轨迹制定需要的偏斜方向。

（2）纠正角度可控制。

（3）纠斜操作简单迅速。

（4）纠斜成果可快速检测。

（5）纠斜效果明显。

因此，陀螺偏心纠斜法可运用于钻探工程中的各种口径（尤其是小口径）的钻孔纠斜工作。

（本论文发表于华勘院内部期刊）