1 工程概述及地质条件描述

旗杆楼铁矿风井冻结项目位于安徽省萧县县城西南方向38km处，设计钻孔深度448.5m，总钻孔工程量11520m，工期150天，该工程设计采用TSJ-2000型水井钻机2台，TBW850/50泥浆泵2台+1台备用。根据钻孔岩心的岩石结构、构造、矿物成分和岩性组合特征，该地层主要为二叠系上统上石盒组及第三系、第四系。第四系沉积物厚度85.30m，主要由粘土、粉质粘土、粉土组成；第三系沉积物厚度40.80m，主要由半固结微晶灰岩、粘土组成；二叠系上统上石盒组揭露厚度为402.38m，占比分别为：16.5%、32.2%、34.7%、13.6%、2.8%，由泥岩、粉砂岩、细砂岩、中粒砂岩和粗砂岩组成。上部-中部多为紫红色粉砂岩、细砂岩、泥岩组成，岩心局部较破碎，裂隙局部较发育，厚度278.38m；下部为灰-深灰色泥岩、粉砂岩、细粒砂岩、中粒砂岩和粗砂岩组成，局部裂隙较发育，厚度124.00m。井筒85m以上基本属于表土段，126m以下进入稳定基岩，抗压强度在25.7- 91.2Mpa之间，岩石硬度硬，伴随着深度的加深和岩性的变化，岩层出现倾角，倾角角度在30-45°之间，并随着深度的延伸倾角逐渐加大，对于打钻极为不利。

2 冻结钻孔施工前分析

在施工开始前，项目部做了大量的准备工作，包括技术准备、人员和设备材料准备，施工人员深知这类地层的施工难度，尤其是该地区大倾角的互层硬岩更是无经验借鉴。该地层主要表现在大倾角互层硬岩在钻进过程中，岩石的倾角给钻头提供了一个倾斜面的导向，致使钻头沿着岩石倾角发展，同时由于岩石硬度较高钻头在研磨地层时不易快速形成良好的导向轨迹，加之互层影响，由软层进入硬层时钻头受力不均造成轨迹偏离，以上因素的叠加，造成钻孔轨迹控制难度加大，钻进顶角发展快，纠偏次数多、时间长的特点。

按照面临的问题，相关的规范和标准规定了对冻结矿井施工时，表土段偏斜率≤3%，基岩段≤5%。解决的方法是采用原有的钻头结构和钻具组合及纠偏方法基本能解决小倾角中-软岩均质地层，但是在大倾角硬岩互层的冻结孔中，由于岩层倾角、岩石硬度、地层岩性、水文条件等各不相同，钻孔质量和进度方面，原有方法达不到预期效果，基于上述原因，我们在总结在其他地层钻孔施工成功的基础上，通过多因素改进和现场的测试，实施一种能够提高钻孔质量和速度、抵消大倾角影响、各项钻孔指标能够达到效果的工具结构及技术，以适应大倾角硬岩互层钻孔钻进，保证钻孔施工质量合格。

（1）分析地层的倾角方向、岩层的可钻性以及钻头破岩的基本机理，通过建立钻头模型对钻头刀具的布置、保径长度、破岩角度等进行模型模拟，获取相关参数，然后对其进行进一步优化。随后利用此模拟可以进一步研究大倾角岩层对钻头破岩效果的影响以及钻机其他结构能否保证钻头的稳定性问题，从而得到钻头结构参数。

（2）咨询业内及行业打钻专家，优化钻具组合，通过优化钻具结构充分利用钻具在不同钻孔轨迹下运动的轨迹，确保钻头在钻进互层地层时能够保持破岩姿态，引导钻头按照预想轨迹发展，以达到约束钻头自由度的目的。

（3）根据地质柱状图地层的岩性描述，控制钻进参数，在不同的地层钻压和转速的配合，使钻具在孔内稳定进行自转，同时给钻头提供稳定的公转动力，减少因钻压和钻速配合不好，造成钻具在孔内做不规则圆周运动，加大了钻头离心，致使钻头破岩不均，从而达到稳定钻孔轨迹的目的。

（4）对于偏离预定轨迹的钻孔，通过修正纠长和方向，同时优化定向后稳斜的参数，以配合以上因素发挥效果，最后使用测斜仪器进行验证钻进效果。

（5）必要时更换泥浆泵等主要设备，通过新设备的投入提高纠偏和钻进的效果，达到快速钻进的目的。

3 冻结钻孔施工过程描述

根据地质柱状图提供的资料显示，126m入岩后即出现30°倾角，并随着深度的延伸倾角加大，通过矿方及周边调研了解岩石的倾角方向为东南西北走向并且向西靠近，从第一批施工的两个钻孔的偏斜和钻进情况可以验证。

（1）Z17号孔，该孔于3月8日施工，钻孔深度255米，共计定向4次，深度分别为150m、169m、195m、230m。1.0m-85m表土段钻孔施工正常钻进，钻铤配置3根，带2根扶正器，钻头类型为高、稀齿牙轮钻头，表土段进尺约1h钻进9m，地层反应和地质柱状图一致；85m-130m地层进入岩石风化带和完整基岩，钻进时有憋钻情况，进尺约1.5h钻进9m，进入126米微晶灰岩底部后憋钻情况消失，地层倾角未明显体现；150m以后该段地层为细粒砂岩，进尺约2.5h钻进9m，钻压800KN，3根钻铤，三牙轮镶齿钻头，从测斜数据分析，进尺20m顶角增加10′，方向改变，由原来的130°变为60°，岩石倾角显现。

第一次定向深度在150m，定向设计方向270-280°，纠长4m，按照原定向操作，钻孔轨迹应向270-280°发展，回头顶角应在20′，实际结果是钻孔轨迹仍按照原来的方向继续发展，钻孔方向稍有变动，同时顶角有加大的趋势。

第二次定向深度在169m，根据上次定向结果考虑地层倾角问题，进行调整参数加大纠长至6.5m，设计回头顶角在30′，但定向结果仍向井中方向发展，顶角未增加，方向逐渐发展未径向方向，继续正常进尺方向仍未有改变的趋势。

第三次定向深度在195m，设计方向210-220°，此次定向设计是直接逆着岩石倾角，纠长9m，预计回头顶角在40′，此次定向稍有效果，方向改变，随着稳斜进尺，顶角加大，20m增加20′顶角，按照此趋势分析钻孔横切入岩石，造成趋势加大。

第四次定向深度在230m，纠长6m，此次定向的设计目的是改变钻孔方向，降顶角，定向后，使用5翼复合片进行稳斜，通过加快进尺让造斜更明显，测斜后，定向效果未达到预想状态，钻孔仍沿着原方向发展，顶角下降20′。最终先后定向22次，单孔施工时间13天，完成了该孔的造孔任务。

（2）Z7号钻孔同样于3月8日开钻，钻孔深度255m，定向4次，深度分别为102m、203m，220m、230m。该段钻孔施工正常钻进，钻铤配置3根，带2根扶正器，钻头类型为高、稀齿牙轮钻头，表土段进尺约1h钻进9m，地层反应和地质柱状图一致。

1.0m-85m表土段钻孔施工正常钻进，钻铤配置4根，带3根扶正器位置分别为近钻头处一个、每两根钻铤1个，钻头类型为高、稀齿牙轮钻头，表土段进尺约1小时钻进9m，地层反应和地质柱状图一致。

85m-130m段施工至102m未发现岩石倾角的影响，由于钻孔向井中方向发展，即进行了第一次方向调整的定向，此次定向设计方向和顶角均达到效果，未出现异常情况。

进入150m以后未见异常情况，但进尺较为缓慢，最长时间9m钻进近4个小时，但同一地层并不均匀，忽快忽慢，钻进至167m时发现顶角在加大，至203m更为明显，根据计算，36m增加近30′顶角，即一根钻杆增加10′顶角，随即进行定向处理。

第二次定向深度203m，此次设计方向75-80°，纠长9m，目的是降顶角并逆岩石倾角方向钻进，通过2根钻铤+镶齿钻头稳斜后，方向改变为向井中发展，同时趋势在加大，顶角增加至88′。

第三次定向点在220m，纠长7m，此时钻孔向井中发展的趋势增加更大，为保证钻孔质量进行定向，定向目的降顶角，同时改变方向，垂直岩石倾角进入，此次为确保定向方向在过程中因岩石倾角的原因发生移动，中间重新定向一次验证，螺杆方向未发生移动，为及时取得定向结果，残尺钻进完成后即测斜，但仅顶角降低方向并未发生改变。

第四次定向236m，纠长6.5m，设计目的是扭转方向传入岩石倾角，此次定向效果显现，钻孔方向按照预想方向改变，随即使用复合片钻头进行加快进尺让其更加确定方向，通过测斜钻孔方向又沿着原轨迹方向，顶角变小，随即准备再次定向。最终先后定向20次，单孔施工时间16天，完成了该孔的造孔任务。

4 总结及成果

通过上述施工总结得出思路，我们首先从钻头结构的优化开始，使钻头的破岩稳定性和导向性能满足各类地层倾角使用，在破岩和刀具布置选择上进一步扩大使用范围，针对各类硬岩或中软岩均能达到预期的钻进效果，能够在各类地层中稳定钻孔轨迹，减少纠偏次数、减少辅助施工时间。选用中间凹周边高的PDC复合片5翼钻头结构形式，钻进时先让钻头周边先切入地层进行引导，待钻头在带有倾角的岩石表面上磨出凹槽，然后再加大钻压，调整泥浆的参数，使泥浆能降低钻具的磨损程度，同时能快速的带出岩屑，达到快速钻进的效果。

其次是优化钻具组合，确保钻头在钻进互层地层时能够保持破岩状态，适当增加扶正器的个数，引导钻头按照预想轨迹发展，以达到约束钻头自由度的目的。同时，通过此种结构能够很好稳定钻头入岩钻进，在软岩和表土段施工时，能够充分发挥钻具结构优势保证钻孔的垂直度，具体操作是使用满眼钻具，钻具组合方式为：190钻头+185mm扶正器+178mm钻铤+165mm钻铤3根，通过减少钻具与钻孔的间隙，利用钻具的刚性来稳定钻头偏斜，当钻头由软进入硬岩时，最易出现偏斜，当钻头有偏斜趋势时，通过钻具的刚性来抵抗地层倾角的偏斜力，从而稳定钻孔轨迹。

图一 黄色柱体为扶正器

第三就是精心操作，注意观察钻机滚筒的进尺速度，由快变慢时，控制钻压和钻速，进尺200~300mm，当钻齿进入稳定地层后再给压钻进。然后根据前面第一批的成孔经验认真总结定向经验，采取小纠快纠的方法，减少大纠长定向，从而节省定向时间，增加钻进的工作时间。

第四是做好钻头调整的工作，在适合的地层使用复合片钻头，通过快速切削，形成入岩台阶，从施工的过程来看，复合片钻头相比牙轮钻头效果要好得多。且在同等条件下，一个孔成孔使用钻头损耗量减少了1/3以上，大大的节约了施工成本。

第五就是及时更换泥浆泵，泥浆泵由原来的TBW850/50型泥浆泵更换成了目前国内比较先进的3NB-130型泥浆泵，该泵该泵结构先进，输出压力高、流量大、效率高、移动方便，使用方便等特点，大大节省了定向纠偏的时间，提高了钻进效率，节约了钻进工期。

最终，通过上述方法的改进，实现了单孔成孔最快6天的好成绩，仅用了110天圆满的完成了该井的钻孔任务，比原计划提前了40天，且所有钻孔的孔间距、偏斜率全部满足规范要求，达到钻孔质量优良的目标。

作者简介：刘明根（1985.4- ），男，安徽淮北人，高级工程师，中煤特殊凿井有限责任公司旗杆楼铁矿杨套楼风井井筒冻结工程项目部项目经理。

参考文献：

[1] 马锁柱、张海秋.钻探工程技术.2009年黄河水利出版社出版.

[2] 彭春雷.钻孔施工技术.2019年10月中国电力出版社.

[3] 龙芝辉.钻井工程.2010年中国石化出版社出版.

[4] 张胜利、杨杰.冻结法施工手册.应急管理出版社.

[5] 李中博、孙海松.硬岩钻进时钻头的合理选择.