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深孔定向钻探技术与应用 ——LZ型连续造斜器及定向孔施工技术与工艺 编 写 人：张文英 联系电话：028传 真：028E-MAIL：lizhong_iet@126.com 通讯地址：成都市一环路北二段1号 邮 编：610081 中国地质科学院探矿工艺研究所 二○○九年五月十三日 目 录 第一章 LZ型连续造斜器及使用方法 1 一、LZ型造斜器结构及工作原理 1 二、LZ型造斜器的主要用途 3 三、LZ型造斜器的主要特点 4 四、LZ型造斜器基本操作方法 5 五、影响造斜器造斜强度的主要因素 7 第二章 LZ型造斜器孔内定向方法及安装角计算 10 一、造斜器的孔内定向方法 10 二、造斜器在孔底安装角计算 13 第三章 定向孔孔身轨迹设计及钻孔空间位置计算 15 一、定向孔孔身轨迹设计 15 二、定向孔空间位置计算 18 第四章 定向钻探案例分析 22 一、易斜矿区深孔定向钻探技术 22 二、侧钻技术绕过事故钻具 25 三、用零顶角回避法施工垂直定向孔 27 四、钻孔纠方位 29 五、水下定向钻探 30 六、复杂地层深孔定向分支孔施工技术 31 第一章 LZ型连续造斜器及使用方法 随着国民经济的快速发展，能源和矿物原料需求不断增加，地质找矿任务也在加重。国内埋藏较浅的矿产资源已基本查清，找矿主要目标是深部隐伏矿体，而深部钻探有2个显著技术难点：一是对钻孔轨迹控制难度加大，特别是在易斜矿区或勘探网度较密矿区，常规防斜措施很难达到地质设计要求；二是一旦发生严重事故很难处理，这些技术难题都需要用定向钻探技术来解决。 用于受控定向钻探的造斜工具目前主要有两种，即液动螺杆钻具和机械式连续造斜器。由探矿工艺研究所研制的LZ型连续造斜器是原地矿部“六五”科技攻关成果，获得原地矿部科技成果一等奖，在大范围推广应用中取得了显著的社会、经济效益。 一、LZ型造斜器结构及工作原理 LZ型连续造斜器分为定子和转子两部分，其基本结构见图1所示。定子部分包括单动外壳、工作弹簧、定子外壳、定位套、上半楔、楔形滑块和下半楔。转子部分包括主动轴、定位接头、花键轴、被动轴、短管和钻头。造斜器工作时定子不转动，只是随钻孔沿深度方向向下滑动。 当造斜器处于自由状态时，楔形滑块处于回收位置，定位套与定位接头互锁，定子与转子不能相对转动，见图1右。 当造斜器加有钻压时，钻压P通过主轴凸肩传给单动外壳→工作弹簧→定子外壳→上半楔→滑块→下半楔→被动轴→钻头。一方面当工作弹簧被压缩时，主动轴同步下移，定位接头与定位套解锁，转子可以转动。另一方面，楔形滑块在钻压作用下产生横向位移，接触孔壁，孔壁对滑块的侧压力Q将造斜器推向孔壁另一侧，因钻头直径大于外壳直径，于是钻头先接触孔壁并对其产生一个侧压力——造斜力A。钻进过程中钻头不断在固定方向上铣削孔壁，造成孔斜，见图1左。  二、LZ型造斜器的主要用途 1、地质勘探钻孔纠斜（纠方位角和顶角）； 2、施工单底定向孔、多孔底分支定向孔； 3、在复杂孔内事故中，绕过事故钻具不留隐患； 4、补采岩矿心； 5、在矿山建设中施工特种工程孔，如坑道通风孔、竖井冻结孔、溜井导向孔和止水注浆孔等。 三、LZ型造斜器的主要特点 1、工作原理独特 造斜器的核心部件是上下半楔和滑块。滑块有2个重要作用：⑴依靠滑块施加给钻头的侧向切削力，迫使钻头连续侧向切削孔壁，钻头前进方向偏离原孔轴线，钻头运动轨迹显然是一条弧线。造斜进尺越多，弧线越长，钻孔顶角或方位角增量越大；⑵楔形滑块对孔壁有一个比较大的侧压力，通过滑块上的两个滚轮对孔壁的卡固作用,对造斜器定子产生制动扭矩，使造斜器定子在工作过程中只能向下滑动而不能转动，以稳定造斜方位。 2、工作安全可靠 造斜钻头为全面不取心钻头，为破碎岩石并保证有足够的造斜力，所需钻压比较大，而转子直径又比较小，以LZ-73造斜器为例，钻压为25KN～28KN，大大超过常规钻进所需钻压。为解决高钻压与小直径转子之间的矛盾，保障造斜器在孔内工作时的安全，采取了两点措施：⑴主动轴选用高强度合金钢制造；⑵定子、转子各司其职，定子传递钻压，转子传递扭矩，从而减轻了转子的工作负荷，提高了造斜器在孔内工作时的安全性，从1983年至今没有出现过主轴断裂的安全事故。 3、定子转子定位可靠 定子和转子之间定位的可靠性直接影响到造斜器在孔底定向的准确性。对定位机构的要求是在造斜器下入孔内过程中，一旦定子转子解锁后还能自动回复到原锁紧状态，以保持造斜器定向母线不错乱。国外同类工具采用的是锁齿——左螺旋端面机构，造斜器下入孔内后必须扭转钻杆才能定位。LZ-73、LZ-89造斜器采用的是滑键——双螺旋定位机构，螺旋角大、自动回位可靠性高，任何时候都能保证造斜器