3.2　钻进工艺方法

3.2.1　斜孔钻进的特点

斜孔钻进是常规钻探的技术延伸，但斜孔钻进所发生的孔斜容易超差，这也是斜孔钻进的最主要特点之一。斜孔钻进应根据地层的具体情况，从钻进方法、技术规范等方面进行进一步研究，分析斜孔在不同地层的弯曲规律，提高钻进质量。

在硬岩层中，斜孔孔径超差且孔底携渣不畅时，轨迹易于上漂。在岩芯管长度不变的条件下，钻孔发生弯曲的可能性与孔壁环状间隙的增大成正相关关系。也就是说，孔壁环状间隙愈大，钻孔偏斜的几率越大、弯曲越严重。粗径钻具长度太短，在钻进中易于引起弯曲。正常钻进时，钻具尽可能采用长钻具，有利于防止钻孔过度偏斜，金刚石钻具必须配备金刚石扩孔器，并适时测量外径、更换，防止孔径过小夹钻。因此，采用短岩芯管钻进是不适宜的。钻进时，孔内岩屑不易排出，尤其是孔底不干净。并且，由于离心和重力作用，造成局部堆积，钻孔容易向右上方移动，如图3-3所示。预防或处理硬岩层斜孔上漂除了控制钻进规程外，可以采用合理的钻具组合，如可以采取钻铤的方式，由于钻铤使钻杆柱呈伸张状态，在一定程度上消除了对粗径钻具的造斜能力，抑制了钻孔的上漂。

在软岩层钻进时（如4级以下岩层），斜孔孔身下垂现象较为常见。地层越软或越松散，钻孔下帮越易被磨毁而成为近似椭圆形的钻孔。主要由于钻杆柱受重力作用，在钻进中不断地敲击下孔壁，从而使钻孔不断向下扩大。其是离心力作用与重力作用叠加的结果。下垂时可以采取加大钻压为主、减少粗径钻具长度来减少下垂趋势。另外，在升降钻具过程中，斜孔孔身常受到钻具的拖磨作用，使钻孔下垂。

斜孔钻进，钻具摩擦力大，所需钻压亦大，钻压不仅起保证钻头切削压力，还需要考虑孔壁的摩阻力问题。钻压一般比竖直孔大，如采用φ91金刚石单管钻进斜孔，钻压一般应比规程大100～200kg，即800～1200kg。

当然，钻头总压力应要适当控制，以避免钻杆弯曲造成的过度磨损。钻杆弯曲对钻孔轨迹影响极大。适当的钻压可防止钻孔弯曲。在钻进时，如果地层变化不大，各班组应采用相同压力，有利于保持孔斜度。

另外，压力过大，相对钻速加快，也易产生大颗粒岩屑，钻具倾斜，压力大又不易排斜。此时，钻头下半部承压较大，使岩心柱变得粗细不一，再加斜孔中岩心柱倾斜靠于一旁，相比较直孔，岩芯柱易折断，斜孔所取得的岩芯容易破碎而且长度短，岩芯极易堵塞。因此，斜孔钻进钻压一定要均匀，切忌钻压忽大忽小或随意提动钻具，以防岩心堵塞。

斜孔钻进的转速不仅影响钻速，而且与岩屑楔也相关，转速低，岩屑楔形成相对容易，也易埋钻。

对于垂直孔来说，提高流体黏度或流速可以提高岩屑运移能力。然而，从垂直段到水平段之间，斜度的增加带来了额外的挑战，比如岩屑床的形成，因为受重力作用的影响，岩屑将会回滑，岩屑多处于钻孔的下帮，大颗粒岩屑也向钻孔下帮聚集。孔斜为40°～60°时孔眼清洗是最难的。同时，钻孔中冲洗液流速分布也极不均匀，上部流速高，下部流速低，不利于岩屑排出，因此，在斜孔中为了及时排屑，可适当加大泵量，提供较大的泵排量和更高的流速；或阶段性改变泵量，使孔内流动形成串动，当然应避免盲目加大泵量排屑而造成泵压过高，冲蚀或压漏地层。

深斜孔下部井段由于地层变硬，钻速慢，井眼净化显得比较重要，加之下部孔段逐渐扩大，为达到良好的携砂效果，应在一定条件下，尽量增加其泵排量，以实际岩屑上返效果来作为确定泥浆流变参数的依据。

斜孔钻进取芯方面：完整基岩宜采用金刚石单管钻进；针对断层、破碎带钻进，可采用金刚石单动双管钻进，但回次进尺应减少，遇堵塞必须提钻，以提高岩芯采取率和岩芯完整度。分析认为，一方面，单动双管钻具的钻头壁厚较大，钻进速度比单管慢；另一方面，由于是斜孔，单动双管的内管会产生不同心下垂，单动性能变差，甚至出现单动失效，容易造成岩芯堵塞。目前双管钻具主要是提高单动性能和扶正性能，以保障取芯效果。

影响岩矿芯采取率的主要因素有：斜孔倾角、钻孔轴线与岩层层理面夹角，转头与卡簧之间的合理搭配，操作人员的操作经验和技能水平，岩层的完整或破碎程度等。

斜孔取芯工艺应注重以下方面：

（1）在单管钻具取芯时，卡取岩芯的卡石直径应大一点，保证卡牢岩芯，避免脱落。因为斜孔的岩芯全部挤在岩心管下部，上边间隙很大，如投入小的卡石根本卡不住岩芯，在选择卡石时应注意。其次，斜孔中若扫除脱落岩芯很困难，尤其当岩芯掉于换径处时，如果该段岩石较软，很可能打出另一新的斜孔。因此，换径时应尽量选择在较硬地层中变换。

（2）施工大斜度钻孔时，如果钻孔轴线与岩层的层理面夹角太小，特别是小于30°时，在岩层层理或节理发育的情况下，岩芯很容易产生楔子形或破碎，岩芯在重力作用和振动下很容易堵，钻进时磨掉岩芯，从而使岩芯采取率大大降低，因此，在设计斜孔时，要根据各岩层产状，尽量使该夹角大于30°，以提高岩芯采取率。

（3）在使用钻头和卡簧时，要注意它们之间的合理搭配，一般要求卡簧自由内径必须比钻头内径大0.3mm。在斜孔中由于岩芯磨损较大，卡簧内径要及时调整，甚至比钻头内径小，这样使用才能收到较好的效果。这也体现了操作人员的操作经验技能和判断能力。

（4）钻进时应保持恒钻速，避免钻进规程的随意变化，同时，保持斜孔孔内清洁是一个很重要的问题。因斜孔中的岩粉大多集中在钻孔井壁下帮，取粉管不易将砂粉捞干净，每次采取岩芯前要用大水冲孔，须把岩粉冲到上面来。

（5）应及时正确判断是否堵芯或者钻头不适应岩层。当在较硬的完整岩层中钻进时，如果各规程参数正常，而进尺缓慢，甚至不进尺，且孔口返浆岩屑少，则可能是钻头不适应该岩层，应提钻更换合适的钻头。如果水压力参数较大，其他参数正常，且孔口返浆相对浑浊，进尺缓慢，只可能是堵钻了，应提钻取芯；当在较软或破碎的岩层中钻进时，如果出现孔口水岩粉浓度很大，且水压力参数变动较大，进尺速度，较为缓慢，则很有可能堵钻了，此时不立即提钻取芯，继续转进，很容易磨掉岩芯。控制回次长度，缩短回次进尺是斜孔钻进保证岩芯采取率的主要手段，回次长度一般不宜超过1.5m。

3.2.2　斜孔钻进工艺的选择

钻探工艺可有效借鉴常规钻探。通常的钻进工艺方法包括：硬质合金钻进、金刚石钻进、冲击回转钻进、牙轮钻进、复合片PDC钻进以及定向钻进和绳索取心钻进等。选择钻进方法的主要依据是被钻进地层的地质条件、孔深、孔径和钻孔剖面以及施工位置的自然地理条件。还应根据已完工钻孔的统计资料分析结果。若施工地区未曾钻过一个孔，则在选择钻进方法时，应考虑相近地质条件的其他地区的经验和情况。

1.确定钻进方法的基本原则

（1）应满足地质要求和任务书（合同）确定的施工目的。

（2）在适应钻进地层特点的基础上，优先采用先进的钻进方法。

（3）以高效、低耗、安全、环保为目标，保证钻探质量、降低劳动强度，争取好的经济和社会效益。

（4）适应施工区的自然地理条件。

2.钻进方法的选择

针对主要岩层特点，依据岩石硬度、研磨性及完整程度，结合钻孔口径和深度等，选定钻进方法。

（1）一般可钻性5级及以下岩石选用硬质合金钻进方法，6级及以上岩石应以金刚石钻进方法为主；金刚石复合片及聚晶金刚石钻进适用于4～7级、部分8级岩石；坚硬致密打滑地层宜采用冲击回转钻进方法。依据岩石钻进特性选择主要钻进方法见表3-5。

（2）中深孔、深孔钻进位减少提下钻次数，宜采用金刚石绳索取芯钻进方法。

（3）高精度斜孔宜采用定向钻进方法。

（4）牙轮钻进适用于不用取芯的定向钻孔。

3.2.3　硬质合金钻头钻进

硬质合金钻头及其参数应根据钻头直径和地质特性等进行选择。

钻头体应用ZT380或ZT490地质钻探用无缝钢管制成，硬质合金镶嵌的技术参数见表3-6～表3-8。钻头镶焊合金的内、外和底出刃应对称，钻头体镶嵌合金的槽与合金之间应留的间隙为0.1～0.2mm，铜焊液应充满间隙，内、外和底出刃应对称，唇部水口高度10～15mm。钻头水口数量和大小应满足冲洗液畅通、冷却钻头和排除岩粉的需要，并能保证钻头强度，水口的总面积大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。针状硬质合金胎块镶焊在钻头上的嵌入深度应是针状硬质合金胎块长度的1/2。取芯钻头上的合金应镶嵌牢固，不允许用金属锤直接敲击合金，超出外出刃的焊料应予以清除，出刃要一致。

一般软岩用直角薄片或方柱状合金钻头，中硬岩用不同规格的八角柱状合金钻头；胶结性的砂岩、黏土、泥岩及风化岩层、遇水膨胀或缩径地层，宜选用肋骨钻头或刮刀钻头；3～5级中弱研磨性地层、铁质和钙质地层、大理石等，宜用直角薄片或单双粒“品”字形钻头；研磨性强、非均质较破碎、稍硬地层，如石灰岩等用犁式密集钻头或负前角斜镶钻头；较硬不均、破碎及强研磨性的岩层，如砾岩等宜用大八角钻头；砂岩、砾岩等也可用针状合金钻头。

硬质合金钻进工艺参数主要指钻压、转速和冲洗液量。转速和冲洗液量参照表3-9、表3-10执行。

（1）钻压。取心硬质合金钻头宜镶嵌合金型号、数量确定钻压值，一般每颗取0.5～1kN。中硬完整岩层取较大值，较软及破碎地层选用较小值。刮刀钻头钻压可稍大。

（2）转速。线速度以0.5～1.5m/s为宜，针对不同口径和岩层硬度以及产状差异，选用不同转速。中硬、完整、致密岩层可选较大值，较软破碎岩层选小值。

（3）泵量。应满足冲洗液上返速度要求，一般以0.2～0.6m/s为宜。钻速快、岩屑颗粒大的选大值，反之可减小泵量。

新钻头入孔前，要严格检查钻头的镶焊质量。按外径由大到小，内径由小到大顺序分组排队使用。

钻具下入孔内，应在钻头距离孔底大于0.5～1m以上开泵送水，采用轻压、慢转的参数扫至孔底。开始钻进时，先采用轻压、慢转和适量的冲洗液钻进3～5min，待钻头工作适应孔底情况后，可将钻进压力、转速等增加到正常值。在钻进过程中，钻遇软岩石应采取高转速、低钻进压力、大泵量的钻进参数；对研磨性较强的中硬及部分岩石，应大钻进压力、低转速、中等泵量的钻进参数。合理掌握回次提钻时间，每次提钻后，要检查钻头的磨损情况，改进下回次的钻进技术参数。要选择合适的取芯卡料或卡簧。投入卡料后应冲孔一段时间，待卡料到达钻头部位后再开车。采芯时不应频繁提动钻具。当采用干钻取芯时，干钻时间不得超过2min。在水溶性或松软地层钻进取芯，应采用单动双管取芯钻具，并控制回次进尺长度。

钻进过程中应注意保持孔内清洁，孔底有崩落的合金时，应将合金捞尽或磨灭后，再下入合金钻头进行钻进。在松软、塑性地层使用肋骨钻头或刮刀钻头钻进时，应消除孔壁上的螺旋结构或缩径现象，每钻进一段后，及时修整孔壁。合理掌握回次提钻时间，每次提钻后，要检查钻头的磨损情况，改进下回次的钻进技术参数。钻头切削器具磨钝、崩刃、水口减小时，应进行修磨。

由于复合片兼有硬质合金和金刚石的优势，随着复合片技术发展，金刚石复合片钻头目前有代替硬质合金钻头的趋势。复合片钻头PDC适用于1～6级研磨性不强的岩层钻进，其钻进参数见表3-11。

（1）复合片钻头钻进压力按每个复合片0.5～1.0kN计算，随着复合片磨钝，接触面积增加，钻压可适当增大。

（2）对于复合片钻头，泥岩、页岩等弱研磨性地层可提高转速，砂岩等研磨性强的地层应适当降低转速。

（3）采用复合片钻进时，应根据地层、设备工艺等情况合理选择金刚石复合片钻头的冠部形状、切削齿位置、数量和方向、水力结构参数等。使用金刚石复合片钻头时，应使用带扶正器钻具组合。

3.2.4　金刚石钻进

金刚石钻进适用于可钻性级别4～12级的岩石，通常采用孕镶金刚石钻进。金刚石钻头和扩孔器应根据岩石的可钻性、研磨性和完整程度进行选定，详见表3-12。应合理选择钻杆柱、钻头、卡簧、扩孔器的级配，卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3～0.4mm；扩孔器的直径应比钻头直径大0.3～0.5mm，钻硬岩石时取小值，钻软岩石时取大值。金刚石钻进技术参数见表3-12。

（1）钻压。根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度，以及钻头底唇面面积和金刚石粒度、品级、数量选择钻压。表镶和孕镶金刚石钻头按表3-13执行。同时应考虑以下因素：在软岩和弱研磨性岩层应用较小钻进压力；在完整、中硬到坚硬或强研磨性岩层钻进应适当加大钻进压力；在裂隙、破碎和非匀质岩层钻进，应视裂隙程度适当减小钻进压力。

（2）转速。根据岩石性质、钻孔结构及设备能力等选择转速，按表3-14执行，同时应考虑如下因素：

1）中硬完整岩层应采用高转速；岩层破碎，裂隙发育，软硬不均，应视破碎程度，适当降低转速。在软岩钻进效率很高时，应限制转速。

2）钻孔越深、钻具重量越大、受力情况越复杂，应合理限制转速。在浅孔段可采取较高转速。

3）钻孔结构简单，钻杆与孔壁间隙小，可用高转速；钻孔结构复杂时，则不宜开高转速。

4）表镶和孕镶粗粒钻头的转速应低于细粒钻头转速。

5）设备性能好，功率大，钻具强度高，冲洗液润滑减阻作用好，则可采用较高转速，否则应降低转速。

（3）泵量。泵量依据所要求的冲洗液上返速度确定，上返速度应大于0.3～0.7m/s，钻进不同口径的适用泵量见表3-15。同时应考虑如下因素：

1）孕镶金刚石钻头可用较大泵量；表镶钻头可以用较小泵量。

2）岩石性质、环空间隙、胎体性能、金刚石粒度、钻头水口、钻速、转速、钻进压力等，都对冲洗液及其泵量的选择有影响，确定冲洗液及其泵量时应综合考虑。

金刚石钻进一般采用单动双管取心钻具，异径接头、扩孔器、钻头、短接和卡簧座等零部件连接应同心，装配好的钻具应使卡簧座底端与钻头内台阶之间保持3～4mm的距离。钻头应排队和轮换使用，每回次提钻应测量钻头内外径尺寸，钻具丝扣处要涂丝扣油，下钻之前应做好孔底的清理和修整工作，确保孔底无异物。新钻头应进行初磨，进尺0.2～0.3m后逐渐采用正常参数钻进，下钻遇阻时不得猛墩强扭。钻具下钻距孔底1m左右应开泵送水，距孔底0.3m时缓慢下放，轻压慢转至孔底。钻进时不得随意提动钻具，倒杆时要适当调小泵压，以防钻具浮起而造成岩芯堵塞或折断。岩层变化时调整钻进技术参数，岩层由硬变软时进尺速度过快，应减小钻进压力；岩层由软变硬是钻速变慢，不得任意增大压力。在非均质岩层中钻进，应控制机械钻速。钻进时应随时观察冲洗液量大小和泵压变化，发现异常情况及时处理。钻进中发现岩芯轻微堵塞时，应调整钻压、转速。若处理无效应及时提钻。正常钻进时，应使用卡簧采取岩芯，不允许投放卡料取芯和干钻取芯。卡簧卡取岩心时，应停止回转，将钻具上提拉紧扭断岩芯。孔内残留岩芯长度较大时，应专门捞取。拧卸钻具应使用多触点钳或摩擦式内钳，并注意钳牙不得触及钻头或扩孔器胎体部位。应采用水压出心法退出岩芯，或采用橡胶棒、木锤敲打内管，不得用铁锤直接敲打内外管。

3.2.5　金刚石绳索取心钻进

绳索取心由于有孔壁间隙小、满眼钻进的特点，在深度较大的斜孔中具有一定的优势。其钻进参数如下：

（1）钻压。绳索取芯钻进的钻压比普通金刚石钻进所需钻压大25％左右。使用常规表镶和孕镶金刚石钻头时的钻进压力范围见表3-16。钻进节理发育岩层和产状陡立、松散破碎、软硬互层、强研磨性等地层及钻孔弯曲、超径的情况下，应适当减压。

（2）转速。转速范围见表3-17。钻进坚硬弱研磨性、裂隙破碎地层、软硬互层及产状陡立易斜地层时，应适当降低转速。钻杆与孔壁间隙小时，宜采用高转速，钻孔结构复杂、换径多、环空间隙大时，不宜开高转速。

（3）泵量。绳索取芯钻进表镶钻头适用泵量见表3-18。泵量应保持泥浆上返流速在0.5～1.5m/s范围内。表镶钻头采用的泵量应比孕镶钻头稍小。钻进坚硬、颗粒粗的岩层，泵量可小些。钻进软及中硬岩层，泵量应大些。钻进裂隙、有轻微漏失的地层，泵量应稍大于正常情况。钻进强研磨性岩层，泵量可增大。

绳索取芯钻具和钻杆（详见第6章）的使用和维护保养应按说明书要求，以及地层情况、钻孔结构、设备条件及质量要求，选配钻具组合，装配和拆卸绳索取芯钻具总成，并及时做好钻具、钻杆、打捞器的维护保养。使用的冲洗液应能减轻或防止钻杆内壁结垢，如发现钻杆内壁结垢应及时清除。钻进完整中硬岩层时，内管长度以3m为宜；钻进较完整松软岩层时，内管可加长至4m、5m、6m乃至9m；钻进松软破碎、易溶等难以取芯的地层及易斜地层时，内管长度应适当减小。

钻进过程中应准确掌握开始扫孔钻进的时间。内管总成从钻杆柱中投放下去，当确认已坐落到外管总成中的预定位置后，开始扫孔钻进。当岩芯充满内管后，泵压会明显上升，应将钻具提离孔底一小段距离，卡断岩芯，投放打捞器。若发生岩芯堵塞，应立即停止钻进，捞取岩芯，不得采用上下窜动钻具、加大钻进压力等方法继续钻进。打捞内管时，当打捞器到达孔底时可缓慢地提动钢丝绳，冲洗液由钻杆中溢出时，说明打捞成功，否则需再次下放打捞器。若打捞成功，则将内管提出。内管提出后，应缓慢放下摆平。当判明外管和钻杆内无岩芯时，将另一套备用内管总成从孔口下入钻杆内。在干孔中或孔内水位很低时，不得直接把内管总成投入钻杆中，应采用打捞器送入，或在钻杆柱内注入冲洗液，然后投入内管总成。

下钻时，应先下外管，再下内管总成。控制提钻、下钻速度，在复杂地层应放慢提钻、下钻速度。

斜孔绳索取芯钻进的钻孔结构、内管投放、钻进及取芯的操作等与直孔基本相同，区别是：①操作不如直孔方便，提下钻较费力；②钻压损失比直孔略大，回转和升降功率消耗较大；③内管到位时间比直孔慢，100m内约需5min，200m内需8～10min。

当斜孔（特别是水平孔段）投放内管和打捞器困难时，需使用专门的输送装置，如图3-4所示。该装置由打捞器输送器、密封接头等组成。当投放内管时，将内管塞入钻杆内孔后，再塞进输送器，然后接上密封接头，启动水泵，借助水的压力推动输送器的活塞，将内管总成送到位后，提出输送器，合上机上钻杆，进行钻进，回次终了，将卸去加重杆的打捞器接在输送器上塞入钻杆内孔，接上密封接头，启动水泵，借助水的压力推动活塞，将打捞器送达内管总成的捞矛头上，将捞矛头扣住，拉出内管总成，进行取芯。

3.2.6　液动冲击回转钻进

液动冲击回转钻进的一般规定如下：

（1）可钻性级别为5～12级岩层，可选用液动冲击回转钻进的方法。硬质合金液动冲击回转钻进适用于可钻性5～6级和部分7级岩层。金刚石液动冲击回转钻进适用于可钻性6～12级岩层，对坚硬、致密的“打滑”岩层具有较好的适应性。

（2）金刚石液动冲击回转钻进应根据岩石可钻性、研磨性和完整性选择钻头和扩孔器类型、金刚石粒度和浓度及胎体硬度。要求胎体耐磨能力强、抗冲击性能好、抗弯强度高、金刚石包镶性能好。钻头底唇形状宜采用大通水断面。扩孔器外径应比钻头外径大0.5～0.7mm，岩石坚硬时应取下限值。卡簧的自由内径应比钻头内径小0.3～0.4mm。

（3）硬质合金液动冲击回转钻进应根据钻头直径、岩石性质选择钻头类型及其切削具的数量、出刃大小、镶焊角和刃尖角。

（4）要求冲击器（详见第4章）和钻孔结构相配套。冲击器的工作性能参数与所采用的钻进方法、岩石性质及设备工具能力相适应。冲击器的结构和特点能适应孔内的工作环境和要求。

（5）液动冲击器可与绳索取芯钻具配套使用。

（6）应根据钻进方法、钻孔深度、钻孔直径、地层特性以及冲洗介质类型等合理选用液动冲击器。硬质合金液动冲击回转钻进宜选用低频高功型冲击器，金刚石液动冲击回转钻进宜选用高频低功型冲击器。

（7）液动冲击回转钻进应选择转速调节范围较大、钻压控制精度较高的岩芯钻机。硬质合金液动冲击回转钻进钻机的最低转速不高于40r/min。

（8）应选择泵压较大（4～6MPa）、泵量可调节的泥浆泵，并配抗振压力表和心轴通孔直径较大、密封性好、耐高压的水龙头，以及高压胶管。在泥浆泵输出管与水龙头高压胶管之间通常设置稳压罐。

（9）施工机台应配备旋流除砂器、离心机等固相控制设备。

（10）冲洗液量直接影响液动冲击器的冲击功和冲击频率。在稳定地层中，应以满足冲击器的额定泵量为主。

液动冲击回转钻进钻头的选择与使用应符合下列规定：冲击回转钻进宜采用硬质合金钻头和金刚石钻头。钻头切削具的抗冲击强度应大于冲击器的输出冲击力，宜进行地面试验。可增加钻头的水口、水槽、过水断面。孕镶钻头的金刚石粒度宜大于60目。

金刚石液动冲击回转钻进的钻进参数一般与金刚石钻进相近。在钻进硬度不大、弱研磨性岩石时，应采用较大钻进压力。在钻进坚硬、强研磨性岩石时，钻进压力可相对小些。转速原则上取金刚石钻进的下限。泵量原则上比金刚石钻进大10～20L/mm。

液动冲击回转钻进技术参数应符合表3-19的规定。

硬质合金液动冲击回转钻进可采用低转速、适当钻压的钻进参数。

液动冲击回转钻进宜采用清水或低固相冲洗液，并使用旋流除泥器、离心机等净化处理设备对冲洗液净化处理。送水管应采用耐压、轻型的钢丝编织胶管。水泵性能应能满足所用液动冲击器的技术参数，泵压表应精确且具备抗振功能。冲击器下孔前应检查各部件的配合安装，启用新的冲击器时，应先在孔口进行压水冲击试验，如发现工作不正常，应重新进行检查调整。启动冲击器时，应缓慢逐步增大水量。钻进时要注意观察冲洗液量和水泵压力的变化，并据此判断孔内情况。遇到异常情况应及时提钻检查。发生岩芯堵塞时应立即提钻，不应频繁窜动钻具或加压处理。

3.2.7　牙轮钻进

牙轮钻进的一般规定如下：

（1）牙轮钻进一般不用于取芯钻进。

（2）斜孔牙轮钻头一般选用单牙轮、双牙轮或三牙轮钻头。

（3）根据钻进直径和被钻岩石的特性，钻进大斜度小口径钻孔时推荐钻头+加重钻杆+钻杆；针对破碎岩层推荐钻具组合为：钻头+闭式取粉管+加重钻杆+钻杆。

（4）牙轮钻进技术参数主要有孔底轴心压力、钻头的回转速度和冲洗液量，小直径牙轮钻头的钻进技术参数见表3-20。

1）孔底轴心压力由加重钻杆的重量来建立，而钻杆处于拉伸状态，用加重钻杆的重量来调节孔底轴心压力的大小。孔底轴心压力根据岩石物理力学性质和钻头类型来选取，最小值适用于钻进塑性和裂缝性岩石。随着岩石硬度和研磨性的增大，应适当提高孔底轴心压力。

2）一般情况下，钻头回转速度不超过300r/min。钻进低研磨性岩石，推荐圆周速度在1～2m/s的范围内。而研磨性岩石回转速度不超过1m/s，否则钻头磨损增大。

3）冲洗液的上升流速：钻进软岩时应不小于0.8m/s，钻进硬岩时应不小于0.4m/s。

牙轮钻头进货时，应仔细检查和测量外径，新钻头应没有明显的缺陷——裂缝、断裂、焊缝处出现裂缝、挤坏丝扣等。新钻头牙轮的活动间隙不应超过说明中规定的最大允许值。钻头下入孔内前，应该检查钻头是否适用于该井段钻进。在换径和孔径缩小处，应降低下降速度，以避免钻头碰撞。当钻头下降困难时，应详细检查相应的孔段，用不超过规定轴心压力的1/3的压力进行孔壁检查。为防止钻头在接近孔底处被卡住，最后1.5～2m必须用较小的速度下降，最后接上主动钻杆，开动回转器和冲洗泵，慢慢下到孔底。每一个新钻头在正常钻进前，都应以较小的轴心压力（正常值的10％～20％）和最小的圆周速度下磨合10～15min，然后平稳地转入最优规程。当钻进被迫中断或回次终了时，钻孔停止加深，钻头提离孔底回转，同时继续冲洗直到孔底完全清除岩屑为止。

如出现以下情形，可判定牙轮钻头已在孔底磨损：

（1）机械钻速急剧降低，完全停止进尺，并且钻头回转不均匀（带有跳动），这表示牙轮轴承卡住或钻头已完全磨损。

（2）均质岩石中机械钻速逐渐下降，若增加轴心压力而钻速不增长，则表明牙轮已磨损。

当难以按钻头磨损确定回次终了时，可按钻头在孔底的工作时间来确定提升钻头的时刻，或按计算或参照矿区已用钻头的资料来确定钻头在孔底的工作时间。

在以下情况须及时更换或报废牙轮钻头：

（1）钻头上的硬质合金齿磨损大于80％或牙齿高度磨损2/3。硬质合金齿脱落（达10％～20％）或个别铣齿折断不能做钻头使用。

（2）对于59mm和76mm钻头，轴承活动间隙大于4mm；对于93mm钻头，为5mm；对于112mm和132mm钻头，为6mm；对于151mm钻头，为7mm。

（3）牙轮齿圈完全磨损。

（4）钻头直径磨损大于3mm。

3.2.8　定向钻进

所谓定向钻进技术是指为了钻进到一个预定的地下目标，使钻孔轨迹在特定方向偏斜的工艺技术方法。斜孔钻进是定向钻进的一种。

1.定向钻进机具

定向钻进需要采用专用定向仪或具有定向功能的测斜仪，测量或指示出造斜机具在孔内的工具面向角，并通过地表旋转钻柱等方法将工具的面向角调整到需要的角度。定向钻进通常需借助于专用机具，主要有偏心楔（又称斜向器）、机械式连续造斜器、液动螺杆钻具等。偏心楔是采用偏转一定角度的导斜槽引导钻头偏斜钻进，使钻孔轨迹自楔顶位置发生折线式弯曲，其工艺过程较为复杂，一次纠正钻孔弯曲的角度也有限，常用于较小的全弯曲角改变量钻孔纠斜、钻孔侧钻偏斜或补取岩芯等。基于连续造斜器和螺杆马达的定向钻进技术可方便用于增减钻孔顶角、方位角，使钻孔轨迹按设计方向偏斜。螺杆马达定向钻进具有随钻纠斜和控斜的优势。

造斜方法与造斜机具的选择应符合下列要求：

（1）全孔取芯定向钻孔宜采用地面动力钻杆驱动、单点造斜钻进方法进行定向孔钻进。单点造斜工具宜采用偏心楔进行。

（2）造斜段不要求取芯的定向孔，可采用连续造斜器连续造斜进行定向孔钻进。连续造斜器可由地面动力钻杆驱动，也可由螺杆马达孔底驱动。

（3）根据岩石可钻性，造斜钻头应选用专用的硬质合金、复合片或金刚石造斜钻头。

2.定向钻孔设计

在定向钻孔设计前，应充分了解钻孔地层条件，收集的资料应包括下列内容：

（1）定向钻孔所穿过的岩层结构、地质构造、岩石硬度、可钻性。

（2）现场环境条件对定向钻孔开孔位置与轨迹参数的限定条件。

（3）已有钻孔偏斜规律、防斜措施、测斜资料。

（4）造斜机具的造斜能力。

定向钻孔的设计应充分参考同一地区既有邻孔的钻进经验，在不增加钻进难度前提下，尽量减少钻进总进尺，同时要有利于安全、优质、快速钻进的作业要求。定向钻孔设计包括下列内容：

（1）定向钻孔开孔的孔位坐标及开孔顶角与方位角。

（2）定向孔结构形式，钻孔轴线轨迹参数，各孔段起始点顶角与方位角及起始点坐标值。

（3）定向钻孔设计轨迹二维投影图或三维图。

（4）定向钻孔护壁及固孔。

（5）定向钻孔方法与造斜工艺。造斜点位置宜选择在稳定的中硬岩层部位，应避开硬、脆、碎岩层以及断层带、岩溶发育区等。如果造斜点选在孔底，应先进行孔底清理；如果造斜点选在钻孔中部，应预先进行人工架桥，建立人工孔底。

3.定向方法

定向钻孔测斜仪器、定向仪应根据测斜精度要求、造斜机具、定向精度、是否有磁场干扰等因素进行选择。依据不同的定向测量原理，定向方法可分为直接定向法和间接定向法。直接测量工具面向的方位角（当采用磁性定向仪时，该角度又称磁工具面角）并将工具面向方位角定位到设计方位角度的定向方法，称为直接定向法。以原钻孔重力高边为基准，在垂直于倾斜钻孔轴线的平面上，测量工具面向与钻孔重力高边之间角度（该角度又称重力工具面角）的方位角并将工具面向方位角定位到设计方位角度的定向方法，称为直接定向法。直接定向法、间接定向法的适用条件如下：

（1）当钻孔是垂直孔时，由于无倾斜方位，所以，只能用直接定向法。

（2）原钻孔是斜孔，且钻孔顶角较大（一般要求钻孔顶角大于3°），定向仪的重力敏感元件对钻孔重力高边有精确反应，直接定向法、间接定向法均能使用。

（3）原钻孔是斜孔，但钻孔顶角较小（一般钻孔顶角小于3°）时，尽可能采用直接定向法。

（4）当使用磁性定向仪时（直接定向法），必须在造斜工具上端连接5～10m的无磁性钻杆或无磁钻铤。

4.工具面角的确定

工具面角的确定与造斜点上部孔段的顶角、方位角以及目标靶点与造斜点垂深、水平距有关，可采用作图法和计算法。

（1）作图法确定工具面角。假设已有的钻孔顶角θ1、方位角为α1，造斜后钻孔顶角θ2、方位角为α2，作图法求解重力工具面角β（造斜工具在孔内的安装角）的步骤如下：

从某O点引方向线OC、OD，使∠COD=α2-α1，在OC线上按设定比例k截取θ1的长度［通常，k的单位为（°）/cm］，得点A，在OD线上按同样比例k截取θ2的长度，得点B，连接AB，量取∠CAB即为所需要重力工具面角β，AB线段长度按设定比例k换算的角度即为达到目标顶角θ2和方位角α2所需要的造斜全弯曲角γ，如图3-5所示。

依据同样原理，已知造斜点原钻孔顶角θ1、方位角为α1、造斜目标顶角θ2、全弯曲角γ，可以作图求解出安装角β，造斜后的钻孔方位角。

确定工具面角的作图法是一种近似方法，其适用于钻孔顶角较小（一般钻孔顶角小于16°），且造斜全弯曲角γ不大的情况。

（2）计算法确定工具面角。已知造斜之前的钻孔顶角θ1、方位角为α1，造斜后的目标顶角θ2、方位角为α2，依据斜面圆弧造斜段钻孔轨迹模型，造斜目标的安装角β可采用公式（3-1）计算。

实际定向时，根据所选择的造斜工具类型的不同，计算（作图法）得出的安装角β还必须考虑造斜机具的组合差和孔底动力钻具的反扭转角的影响，并加以补偿修正。

5.造斜机具操作方法

定向作业前，定向钻进作业人员应熟悉和掌握造斜机具、造斜定向仪器的结构、原理、性能以及操作方法和维护保养技术。对造斜机具或定向仪器进行性能检查与定向精度确认。

造斜钻进前，应先计算确定造斜机具工具面角，根据造斜方法选定合适规格的造斜机具。造斜机具下入造斜点后应严格按照计算的工具面角进行孔内定向与固定。

造斜钻进时，导斜钻具组宜配置弹性钻杆或万向接头，也可用直径小一级的钻杆作为柔性钻杆。导斜钻具宜采用比原钻孔小一级的直径，钻具长度应小于1.0m。

开泵时应将导斜钻具提离导斜槽，轻压慢转进行导斜钻进，过导斜面1/2长度后，方可进入正常钻进。导斜钻进应严格控制钻进速度，钻进时应经常提动钻具，以便修正孔径，减少钻进阻力。

导斜钻进时，每回次进尺应小于钻具长度，不得使导斜钻具上端超过楔脚。导斜钻进孔段长度达到1～2m后，应进行孔内清洗与造斜孔段测斜，确认符合设计要求后再继续造斜钻进，直至分段导斜钻进结束。

定向钻孔造斜孔段应均匀造斜，采用偏心楔单点造斜或钻杆驱动连续造斜钻进时，造斜强度宜为0.2～0.5（°）/m；采用螺杆马达孔底驱动进行造斜钻进时，造斜强度宜为0.5～1.0（°）/m，并应保证钻杆组顺利通过和回转钻进工作安全。可以通过钻速变化来判断所钻地层岩性的变化，选择合理的孔底动力钻具组合，可获得可靠的造斜率，有利于轨迹控制。造斜率应尽量控制在小于2°/30m范围内，避免形成“狗腿”现象。

当造斜率偏低，达不到设计要求，应分析原因，及时采取相应的措施。若软地层钻头无法获得足够的钻压，工具增斜效果降低，则应降低排量，减少井眼冲蚀。若工具面不稳定，无法获得稳定的造斜率，则应采用均匀送钻、稳定排量等措施加强工具面控制。若钻具刚性过强，无法产生足够的侧向力，则应考虑降低钻具刚性。若采用马达造斜且以上措施无效时，可以考虑调整弯壳体马达的角度或更换弯角更大的弯接头。

造斜孔段导斜钻进完成后，进入新孔正常钻进前，应对导斜孔段进行扩孔。扩孔钻具钻头应根据偏心楔安装固定方式并结合岩石可钻性进行选择与配置，导向杆长度宜为0.5～1.0m。

扩孔完毕后，应用岩芯管长度为1.5m的金刚石钻具钻进一个回次，清除孔中岩粉后，按照钻孔结构定向要求钻进后续孔段。

6.定向钻孔测量

定向钻孔测量与轨迹计算应符合下列规定：

（1）根据定向钻孔设计要求和地层特性选择合适的测量方法和测量仪器。

（2）孔斜测量宜从孔口开始向孔底逐点测量，直线孔段测点间距可为10～20m，造斜孔段测点间距宜为5m，可根据需要缩短测点间距；同一测点至少测量两次，若两次测量读数差较大时，宜重新测量。

（3）造斜钻进应进行记录。

（4）定向钻孔轨迹测量成果可按表3-21规定的内容填写，并计算钻孔轴线上各测点的坐标值，绘制实际定向孔内轴线轨迹图。

7.造斜和纠斜

斜孔钻进的造斜和纠斜建议采用机械式连续造斜器或液动螺杆钻具。

（1）机械式连续造斜器结构工作原理。如图3-6所示，机械式连续造斜器是一种以侧向力切削井壁为主连续造斜机具，其结构由转子和定子两大部分组成，定子部分主要包括上轴承室、传压弹簧、外壳、上半楔、滑块、下半楔等，转子部分主要包括接头、上半轴、复位弹簧、花键轴套、下半轴、短管、钻头等。机械式连续造斜器造斜钻进时，回转动力由地表钻机提供，通过钻杆柱传递扭矩、钻压给孔底造斜器转子部分钻进碎岩，利用造斜器定子部分的滑块机构，使造斜器在孔内产生固定方向的侧向造斜力，并随钻进过程与钻头同步滑行，实现连续造斜。

依据机械式连续造斜器结构工作原理，孔内造斜钻进时，可推导得出滑块机构滑出对孔壁施加的卡固力Q和钻头的侧向力A计算式（3-2）、式（3-3）。

式中：P为钻压，kN；α为滑块楔角，（°）；f为钢与钢的摩擦系数；f1为钢与岩石的摩擦系数；L1为滑块轴向中截面与钻头底端面的距离，cm；L2为滑块轴向中截面与上半楔凸环的距离，cm。

机械式连续造斜器使用要点如下：

1）机械式连续造斜器主要用于钻孔纠斜、定向孔造斜分支，增、减顶角与增、减方位角均可，但以增顶角效果最好，此时，滑块位于钻孔下帮，定子卡固位置最稳定，不易产生偏转。

2）造斜钻进孔段应选择在5～8级完整中硬地层，地层太软，滑块定位卡固时，滚轮吃入孔壁岩石，不能随进尺同转子同步下行，产生“悬挂”现象。

3）造斜器连接钻杆下入孔内造斜位置上0.2～0.5m处，定向后，下放到孔底（不回转），加压使离合机构分离，滑块滑出定位后，才能开动钻机回转钻进。

4）造斜钻头一般选用全面合金或金刚石不取芯钻头（或取细小岩芯）。粗岩芯与钻头内径之间有导正作用，不利于钻具的侧向切削和不对称破碎孔底岩石。

5）造斜完毕后，一般还需用锥形钻头修扩孔。

6）机械式连续造斜器的造斜强度在一定范围内可调［0.3～2.0（°）/m］，选用不同长度的短管可实现造斜强度的调节，加长短管，造斜强度减小。

（2）螺杆马达造斜原理。螺杆马达能够用来实现定向钻进基于钻头回转碎岩而钻杆柱不回转；可连接不同定向弯外管；可随钻进行倾角和方位角测量。其原理是通过选用或调节不同的定向弯外管（见图3-7）或弯接头，来达到定向目的。

根据设计的钻孔轨迹，在钻孔施工过程中，通过随钻测斜数据来调整弯外管的工具面向角，从而使钻孔的倾角和方位基本达到预定目标。通过调节泵量可控制钻头的转速，此时依据泵压可判断孔底工况，泵压可反映扭矩的大小（即钻压的相对大小）。

螺杆马达定向钻进工艺流程如图3-8所示。

液动螺杆钻具定向钻进技术要点为：

1）螺杆钻具应用于定向钻进时需在钻具上配置造斜件，常用的造斜件主要有弯接头、外壳体等，必须根据所需要的造斜强度适当选择。

2）清水、卤水、泥浆等冲洗液都可使螺杆钻具有效地工作，但冲洗液应尽量洁净，其含砂量应低于0.5％，颗粒直径应小于0.3mm。

3）第四系松软地层造斜钻进配用2°弯接头或1.5°弯外管，同时在钻杆柱与弯接头之间接一个长1.5～2.0m、直径与钻孔直径相同的稳定器。

4）螺杆钻具工作时，螺杆马达定子会产生一个逆时针方向的反扭矩，因此，螺杆钻具在孔内的定向的工具面向角必须补偿该反扭矩所产生的反扭角。

5）在单一的稳定的地层中，造斜钻进可连续地集中完成；在软硬互层或是易斜地层，造斜钻进可分段进行；在坚硬地层中，为了减少造斜工作量，有时需加大造斜强度，可采用交替钻进法。

6）根据岩石可钻性选择造斜钻头，Ⅴ级以下的岩石可选用硬合金造斜钻头，Ⅵ级以上的岩石则选用金刚石造斜钻头。

7）螺杆钻具下钻过程中必须将钻杆接头螺纹上紧，以防止螺杆钻具工作时反扭矩上紧螺纹所造成的工具面向角误差。

8）螺杆钻具在孔内定向结束后，必须在无载荷条件下启动，缓慢扫孔到底后，逐渐加钻压直到正常工作钻压。

9）造斜钻进时，操作者应时刻观察水泵压力的变化。如泵压稳定，说明螺杆钻工作正常，孔内情况也正常。如泵压突然升高，钻杆柱上的反扭矩明显增加，应立即减小钻压或用钻机立轴提升钻具。

10）每一个造斜钻进回次结束后，必须对造斜孔段进行修孔，修磨孔壁可采用锥形硬合金钻头和锥形金刚石钻头。

3.2.9　跟管钻进

跟管钻进是一种特殊钻进方法，即一边钻进一边压入或旋转下入套管，或套管超前压入或旋转下入，然后钻具跟着钻进。这种方法可以防止钻进过程中的孔壁坍塌或流砂充塞钻孔，适用于钻进松散地层和流砂层。广义的跟管钻进方法有多种，这里主要介绍气动潜孔锤同心跟管钻进工艺和偏心跟管钻进工艺。

1.潜孔锤偏心跟管钻进法

钻具根据偏心机构原理，依靠导向钻头带动一只偏心扩孔器，在潜孔锤进行钻进的同时，导向部分带动偏心扩孔器进行扩孔钻进，钻成的孔径比套管外径稍微大一些，使套管同步随钻头下入孔内。套管无独立的驱动装置，为使套管能顺利跟进，在套管鞋和钻具上安装一种迫使套管和钻头同步跟进的装置，跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用，而且钻进、排渣和护壁3个工序同时进行，使钻孔工作得以顺利进行，这是一种既发挥了潜孔锤碎岩效率高的优点，又克服了其护壁性能差而采取的一种工艺措施。但是，由于采用单偏心的扩孔机构，钻进时钻杆和套管常常不同心，易产生孔斜，且由于钻具根部受力不均匀，容易产生断裂。由于钻进时套管无单独驱动装置，因而在紧密地层中套管的跟进深度受到限制，并且存在偏心钻头的偏心机构有时由于被岩屑卡住不能正常回收，而使钻孔报废的缺点。

潜孔锤偏心跟管钻进参数应以“低转速、低钻压、高上返气速”为原则。钻进过程中，应注意观察套管的跟进情况及孔内排粉情况，并每钻进一段距离应该强吹排粉，以保持孔内清洁。吹孔时，钻具向上提动距离严加控制。国产SP系列潜孔锤偏心跟管钻具分低气压（0.8MPa以下）和中高气压（0.8～2.5MPa），主要取决于配套使用的潜孔冲击器。目前在我国大部分地方使用的是低气压跟管钻具，使用中高气压跟管钻具是发展趋势。

钻压是潜孔锤偏心跟管钻进的关键参数。当正常钻进时，其钻压从理论上讲由钻具钻压P1和跟管钻压P2组成。对钻具钻压P1来讲，当保持足够钻压时，可防止钻具在冲击时反弹，使钻具紧密地与孔底岩石接触，对传递冲击功、提高破碎效率是十分重要的。实践证明，在一定范围内，随着钻具钻压增大，机械钻速随之增高，但过大的钻具钻压不仅会使钻头冲击刃齿过快磨损，而且容易产生事故。据实验和生产总结，用于钻进的钻压，以每厘米钻头直径0.5～0.9kN为宜。跟管钻压P2是决定潜孔锤跟管钻进跟管深度的主要因素，在设计确定潜孔锤跟管深度时，原则上应以钻具或套管允许施加的钻压为依据，对钻具来说：

式中：S为钻具组合中最弱环节杆件的断面积（通常是钻杆）；［R］为该杆件材质的许用抗压强度。

从式（3-4）中，即可求解出最大的跟管钻压P2。对套管来说：

式中：S′为套管的断面积；［R］′为套管材质的许用抗压强度。

上述可求得两个不同值的跟管钻压P2，取其小值作为施加的最大跟管钻压。在生产中，跟管的阻力是随着跟管深度的增加而增大的，因此，跟管钻压也应大致与之相适应，在设计跟管深度时，应尽可能使所用的跟管钻压达到设计跟管深度。

2.潜孔锤同心跟管钻进

潜孔锤同心跟管钻进是在破碎松散地层中采用气动潜孔锤钻进，并用套管护壁，一边钻进，套管一边随钻头下入孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口的作用，而且钻进、排渣和护壁同时进行，可以很好地解决卵砾石等复杂地层钻进中护壁难的问题。

由于潜孔锤的碎岩方法改变了传统回转方法的碎岩机理（切削、研磨、压裂），在潜孔锤做功时产生了动载和应力集中，致使可钻性、研磨性极强的卵砾石产生粗颗粒（2～3cm）的体积破碎，加之套管跟进封闭隔绝了空气在卵石层的泄漏，在套管与钻具的间隙间产生高速气流（15m/s），迅速将破碎后的岩屑排出孔外，避免了重复破碎。此外，对难以及时破碎的卵石，在回转压力作用下钻具可将它挤向孔壁，有利于向下继续破碎。

潜孔锤同心跟管钻进施加钻压、风量、风压一般比潜孔垂偏心跟管钻进小。