受控定向钻探技术是一种可以使钻孔轨迹按照预定方向延伸的特殊钻探技术，是利用人工造斜工具使钻孔按设计轨迹钻到预定目标的一种钻进方法。该项钻探技术可以实现在一个主孔内钻进多个分支孔，已成功用于急倾斜（陡立）矿体、深部矿体和自然造斜严重矿区勘探。同时，也已广泛用于纠正钻孔弯曲、补取岩矿心、绕过孔内复杂事故层段等作业。
8.5.1 定向孔设计及其目的
马坑铁矿本阶段勘探共设计和施工2个受控定向钻孔（图8.4）。
图8.4 定向钻孔轨迹图
（a）ZK8321孔；（b）ZK7525孔
设计的原因和目的是：
ZK8321定向分支孔为验证马坑矿区ZK8321孔见矿点偏距55～75m处的矿层厚度和避开上部复杂地层、陡峭地形、青苗赔偿谈判困难等影响而设计，设计孔深900m，见图8.4a。
ZK7525孔（孔口坐标：X=2767208；Y=39507742；H=595）设计孔深1050m。该孔位于生态林边缘，机台路要通过生态林区，林业部门不同意在该处进行施工。为了尽快完成年度工作计划并达到探求铁矿333资源量的目的，经过多次与林业部门及当地村民进行协调，历时四个多月，最终选定位于原设计孔位15°方向、平距195m处作为新孔位（孔口坐标：X=2767397；Y=39507774；H=491），并以原设计穿矿点为靶点施工受控定向孔，见图8.4b。
8.5.2 定向孔轴线轨迹设计方法
定向孔轨迹设计采用倾斜平面设计法，即在空间任意倾斜平面内设计分支孔轨迹的方法，见图8.5。它假定造斜段的钻孔轨迹为圆弧形，造斜后钻孔轴线以直线穿过靶点。按此法设计的定向孔轨迹在由分支点切线和分支孔靶点确定的倾斜平面上。
图8.5 主干孔AK与分支孔KDB空间位置图
P平面为分支孔轴线倾斜平面；H平面为过靶点B的水平面；V平面为主干孔垂直平面
（1）设计坐标系的建立
建立空间坐标系OXYZ：O为开孔点坐标（0，0，0）；X轴为正向方位αX；Y轴为正向方位αX+90°；Z轴为正向垂直向上。
（2）设计已知条件
1）主干孔分支点K的孔深LK、顶角θK、方位角为αK，坐标为（XK，YK，ZK）：由测斜及计算求得；
2）分支孔靶点B的坐标（XB，YB，ZB）：由地质部门给定；
3）弯曲强度i：依据粗径钻具能否顺利通过造斜孔段、钻柱在孔内工作的安全性和造斜机具造斜能力确定。
（3）定向孔轴线倾斜平面设计步骤与方法
1）求主干孔分支点切线与靶点B所在水平面的交点C的坐标（XC，YC，ZC）：
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2）确定造斜段的全弯曲角γ：
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式中：R为曲率半径，m，R=
3）造斜孔段长度L1：
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4）稳斜孔段长度L2（至靶点）：
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5）分支孔总长度L：
L=L1+L2 （8.5）
6）倾斜平面走向αt：
αt=αK+ω（增方位造斜时） （8.6.1）
αt=αK-ω（增方位造斜时） （8.6.2）
式中：ω=180°-arccos
图8.6 倾斜平面走向与主干孔方位的关系
（a）增方位（αt由αK顺时针旋转后得）；（b）减方位（αt由αK逆时针旋转后得）
7）第一次造斜安装角φ1（图8.5中P平面与V平面的夹角）：
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8）造斜孔段设计坐标计算：
设从分支点K开始，造斜钻进LZ至F点，则有：
（a）全弯曲角γF：
γF=iLZ （8.8）
（b）顶角θF：
θF=arccos（cosθKcosγF-sinθKsinγFcosφ1） （8.9）
（c）方位角αF：
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αF=αK+∆α（增方位造斜时） （8.11.1）
αF=αK-∆α（减方位造斜时） （8.11.2）
（d）坐标（XF，YF，ZF）：
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其中：
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9）稳斜孔段设计坐标（XW，YW，ZW）的计算：
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式中：XW，YW，ZW为稳斜孔段某一点坐标；Xd，Yd，Zd为造斜终了点坐标；LW为从造斜终了点D开始的稳斜钻进长度；θd、αd分别为造斜终了点的钻孔顶角、方位角。
（4）设计程序编写
根据倾斜平面设计法的相关计算公式和已知条件，结合计算机中Excel表格强大的计算功能设计简便的程序，输入造斜强度、分支点坐标、靶点坐标，就可得出造斜孔段长度、稳斜孔段长度、造斜安装角以及钻孔各位置的顶角、方位角和坐标值。
8.5.3 钻孔空间位置坐标的计算方法
钻孔空间位置坐标是按均角全距法计算公式，计算公式为：
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式中：X、Y、Z为下测点坐标值；X0、Y0、Z0为上测点坐标值；L为上、下测点间孔段长度，m；θ、β分别为上下测点顶角、方位角均值；βX为X轴正向方位。
根据钻孔空间位置坐标均角全距法计算公式，用Excel表格编制计算程序，根据光纤陀螺仪测的孔斜数据，输入各测点孔深、顶角、方位角数据，就可得出相关的空间位置坐标。
8.5.4 定向钻进设备
（1）主要设备
定向钻进主要设备见表8.12。
表8.12 定向钻进主要设备
（2）螺杆钻技术参数
螺杆钻具结构如图8.7所示，4 LE65-3型螺杆钻技术参数见表8.13。
图8.7 螺杆钻具结构示意图
表8.13 4LZ-65-3型螺杆钻技术参数
（3）螺杆钻造斜钻具组合
造斜采用的螺杆钻具组合为：S75绳索取心钻杆+定向接头+螺杆马达钻具（1°弯外管，出厂时配制）+容心管短节+造斜钻头。
8.5.5 造斜定向仪器与定向作业
（1）定向测量仪器
受控定向孔施工采用JTL-40GX光纤陀螺测斜仪（图8.8）进行定向。光纤陀螺仪（长寿命）属于自寻北陀螺测斜仪，使用时无需在地面进行方向校准，它可以自主寻北，得出的方位值就是钻孔倾斜真北方位角，使用非常方便。仪器顶角测量采用重力加速度传感器。
JTL-40GX光纤陀螺测斜仪能在任何地区（南北半球均可）、任何场合（磁性，非磁性，裸孔，套管孔，钻杆中）应用的测斜仪，虽然价格较贵，但具有精度高、体积小、重量轻、方位零点漂移小、寿命长、维护方便等诸多优点。主要技术指标：
顶角测量范围：0°～45°，测量精度为± 0.1°，分辨率：0.01°；
方位测量范围：0°～360°，测量精度为± 2°（顶角大于1°时）；
测量方式：点测；
寻北时间：≤2min；
测量深度：2000m。
JTL-40GX光纤陀螺测斜仪井下仪装上纠偏工具引鞋，即可用来造斜定向。安装引鞋时需保证引鞋定位键槽与仪器顶部定位线在一条母线上，安装好后把仪器下放到钻具定向工具处，钻具造斜定向工具键会落入到定位槽内，称作入键。入键后，转动钻具，测量一下顶角、终点工具方位角和终点工具垂向角，当测得终点工具方位角为设计的工具方位角时，就完成了造斜定向。
图8.8 JTL-40GX光纤陀螺测斜仪
（2）仪器终点工具方位角的确定
仪器终点工具方位角α计算公式：
α=αt+α2+α3 （8.15）
式中：αt为倾斜面走向，根据设计计算所得；α2为造斜工具组合差，增方位造斜时取正值，减方位造斜时取负值，α2=h·
（3）定向操作技术要点
1）仪器使用前，进行仪器校准工作，保证引鞋定位键槽与仪器顶部定位线在一条母线上。
2）正确连接井下仪器、电缆、操作面板等之间导线，检查各密封圈是否完好，并涂抹黄油，保证密封，仪器各连接处丝扣需上紧。
3）正确组装造斜钻具与定位装置，准确测量组合差，并通过计算消除。
4）陀螺仪引鞋安装一根细铜丝，并固定牢固，以判断定向到位（“入键”）情况。
5）仪器下井时，由专人操作绞车，控制下降速度；下至离到位3～5m时，可适当加快速度，保证有一定速度入键。为了判断是否入键，可提拉几次，测出每次到位后的工具方位角，若差值不大于3°，说明已入键。
6）绳索取心钻杆上部连接专用定向提引接头，顺时针缓慢转动钻杆，每转一次，测量一下工具方位角，使其达到所需值后即可提出仪器。检查细铜丝是否断开，若无，应重新定向。
7）提升仪器时，安排专人看守孔口，待仪器快到孔口时，停用绞车，用人力将仪器拉出孔外，以免仪器受损。
8.5.6 螺杆钻造斜钻进技术
1）造斜钻具下钻前的准备与检查工作如下：
（a）造斜前，认真清理孔底，确保“三无一平”（无残留岩心、无岩屑、无金属异物，孔底要平整），孔底岩粉不得超过0.3m。
（b）清洗冲洗液循环系统，将水泵吸水管莲蓬头提离池底0.3m以上，并用纱网包好，以防脏物被吸入高压管中。
（c）认真检查水泵吸水管、高压管连接是否牢靠，水泵各部衬垫、活阀、活阀座以及压盖是否严密，水泵排水是否均匀，有无漏气、漏水、漏油等现象。同时，检查泵压表是否灵敏可靠。
（d）细心检查造斜钻具组合是否正确，并复测钻具的装合差。
（e）在地表进行螺杆钻具空载运转试验，检验螺杆钻具在不同泵量情况下的起动泵压、正常运转泵压、运转平稳状态、溢流阀开闭等情况，并做好记录。螺杆钻经地表试验，表明工作正常后方可下入孔内，以保证孔内工作可靠。
2）钻具下到一定位置、定向完成后，用上下卡盘卡紧主动钻杆，用反扭矩器（图8.9）固紧立轴导管以防转动，并在主动钻杆上做好定向方向标志。
3）缓慢将钻具下放到孔底，再将钻具提离孔底0.3～0.5m后启动螺杆钻具。待泵压升到正常值时，再缓慢将钻具下放到孔底，逐步增加钻压至所需值后开始钻进。
4）造斜钻进过程中，均匀施加钻压，以减少（轻）钻具的振动。
图8.9 自制简易反扭转器
5）保持造斜钻进参数的恒定。安排专人看管水泵，并随时观察泵压的变化，以便正确判断分析孔内情况：如泵压突然上升，要立即提动钻具，使泵压恢复正常；如发现憋泵并处理无效时，要立即关泵、卸压，提钻检查。
6）钻进过程中，随时注意主动钻杆上标志的定向方向，如发现主动钻杆扭转，要立即停止钻进并重新调整。
7）使用较大造斜强度的造斜器时，采用造、稳结合，通过合理控制回次造斜长度，使造斜段内的平均造斜强度不超过0.5°/m。
8）每造斜钻进一次，进行修、扩孔，并及时测量造斜效果，以确定下一回次的造斜参数。根据地层情况选择修、扩孔机具及其技术参数。一般情况，如果扩孔的孔径差小于5mm，可采用锥形钻头扩孔；反之，用带导向的钻头扩孔。
9）造斜钻进时，造斜钻头内取出的小岩心，用专用岩心盒装好，写上回次、造斜长度、岩心长度、孔深等，放入岩心箱中妥善保管。
8.5.7 ZK8321定向分支孔施工
ZK8321分支孔于2011年6月19日从ZK8321孔560m处开始受控定向钻进，采用国内先进的JTL-40GX光纤陀螺测斜仪和螺杆钻具进行造斜定向、测量、钻进，2012年3月30日终孔，终孔孔深863.93m，实现了预期目的。
（1）地层情况
0～272m，砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、细砂岩、细砂岩夹泥岩等；
272～356.48m，风化辉绿闪长岩；
356.48～390.80m，压碎石英斑岩；
390.80～800m，含燧石条带灰岩，中厚层质灰岩、含泥质灰岩及溶洞；
800～805m，铁矿体；
805～863.93m，中细粒石英砂岩、中薄层粉砂岩、石英砂砾岩。
（2）ZK8321主孔钻孔结构（表8.14）
表8.14 ZK8321主孔钻孔结构
续表
（3）地质设计坐标
地质设计给定条件是孔口和分支点、靶点位置相对于“北京坐标系”的坐标值，见表8.15。
表8.15 地质给定坐标点
（4）ZK8321分支孔轨迹设计
坐标系：Z轴正向——朝上，X轴正向方位0°（正北），Y轴正向方位90°，开孔点为坐标原点。在此坐标系里，根据地质给定坐标和分支点的孔深、顶角、方位角情况，按造斜强度i=0.5°/m进行分支孔轨迹设计，结果如下：
1）分支孔长度（至靶点）251.620m，其中：造斜孔段长度L1=27.805m，稳斜孔段长度L2=223.814m；
2）倾斜平面走向αt=150.796°；
3）造斜全弯曲角γ=13.902°，为增方位造斜，第一回次造斜安装角φ1=42.398°；
4）反扭矩角ψ=7.248°；
5）光纤陀螺仪工具角β=αt+ψ=158.024°。
ZK7321分支孔设计轨迹空间位置见表8.16。
表8.16 ZK7321分支孔设计轨迹空间位置表
（5）分支孔施工情况
ZK8321分支孔于2012年5月3日于孔深560m进行定向孔的施工，经过5次的螺杆钻造斜，螺杆钻钻进14.92m，其中第3、4次造斜因钻遇溶洞群（590～603.79m见10个溶洞，604.77～660.44m见22个大小不等溶洞），造斜效果不理想，加之孔内掉块严重，灌水泥护孔后扫水泥中偏孔，后穿过溶洞地层后再进行造斜，于2012年8月8日终孔，终孔孔深839.01m，实际见矿点坐标（-65.084，81.480，-800.874），验证了深部磁异常情况。
螺杆钻造斜钻进主要技术参数和造斜效果见表8.17、表8.18。
表8.17 螺杆钻进技术参数表
表8.18 螺杆钻具造斜效果
（6）分支孔实际空间位置计算
钻孔各点空间位置计算结果如表8.19，采用的是均角全距法。
表8.19 空间位置计算结果
续表
（7）钻探技术经济指标完成情况
ZK8321分支孔进尺279.01m，钻月数3.10钻月，钻月效率90.08m/钻月；台月数2.56台月，台月效率109.18m/台月；累计台月时间1840h，其中：纯钻时间404h，辅助时间1036h，停钻及事故时间400h（孔内事故175h，设备损坏15h，其他210h）。
8.5.8 ZK7525受控定向孔施工
ZK7525设计孔深950m，于2013年6月26日开孔，至2013年12月31日终孔，终孔孔深972.49m。
（1）地层情况
0～31.98m，浮土层；
31.98～690.94m，砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、细砂岩、细砂岩夹泥岩等；
690.94～904.43m，含燧石条带灰岩，中厚层质灰岩、含泥质灰岩、石英斑岩；
904.43～938.26m，铁矿体、辉绿岩；
938.26～972.49m，流纹斑岩、中薄层粉砂岩、石英砂砾岩。
（2）钻孔结构
ZK7525钻孔结构见表8.20。
表8.20 ZK7525钻孔结构
续表
（3）地质设计坐标
地质设计按“北京坐标系”给出孔口、靶点坐标值，详见表8.21。
表8.21 地质给定坐标点
（4）ZK7525定向孔轨迹设计依据
轨迹设计采用倾斜平面设计法。设计依据：
1）坐标系：Z轴正向朝上，X轴正向方位0°（正北），Y轴正向方位90°，开孔点为坐标原点；
2）造斜强度：i=0.5°/m；
3）造斜点K：孔深95.59m，顶角1.02°，方位角83.2°，坐标（-0.27，1.36，-95.58）；
4）靶点B坐标（-189.776，-32.959，-893），由地质部门给定。
（5）定向孔施工情况
ZK7525孔2013年6月28日于孔深95.59m进行定向孔的施工，经过21次的定向造斜，其中偏心楔定向造斜5次，进尺13.09m；螺杆钻定向造斜16次，进尺43.33m，其中两次因定位不准确而灌水泥重新定向造斜；2013年12月31日终孔，终孔孔深972.49m，实际见矿坐标（-153.69，-7.33，-881.99），验证了深部矿体情况，达到了地质目的。
螺杆钻造斜钻进主要技术参数和造斜效果见表8.22、表8.23。统计表明，该孔螺杆钻造斜钻进时效较低，平均时效为0.15m/h。
表8.22 螺杆造斜钻进技术参数表
（6）定向孔实际空间位置计算
钻孔各点空间位置计算结果见表8.24，采用的是均角全距法。
表8.23 定向造斜效果
表8.24 空间位置计算结果
续表
（7）钻探技术经济指标完成情况
ZK7525定向孔进尺876.10m，钻月数6.50，钻月效率134.78m/钻月；台月数6.22，台月效率140.80m/台月；累计台月时间4480h，其中：纯钻时间1093h，辅助时间1153h，停钻及事故时间2234h（孔内事故1360h，设备损坏54h，其他820h）。
（8）ZK7525定向孔解决的技术问题
1）分段定向造斜结束，稳斜钻进时，地层自然造斜严重，方位都向小的趋势变化。解决措施：及时测斜，并选择有利的地层进行纠斜。
2）孔深497～518m，地层遇水坍塌，孔内全漏失，使用泥浆无法维持孔壁稳定。通过12次分段进行高压旋喷水泥浆护壁作业，成功解决了护壁难题。
3）因多次灌水泥，如何安全、快速扫水泥成为关键。经过多次的实践，形成了一套相对可行的方法：灌完水泥后4～6h内，采用Φ50合金冲水泥，保留15～20m的水泥柱；灌水泥后24h，采用同径单管扫水泥至所需灌水泥孔段以上5m；灌水泥48h后，再用同径钻具扫水泥。
8.5.9 认识与体会
在地质条件特别复杂的马坑矿区施工定向钻孔，由于受矿区地层条件限制，造斜段为多溶洞破碎地层，在国内属于首例。通过应用螺杆钻具、新型自寻北陀螺测斜仪器等成功完成ZK8321、ZK7525定向钻孔的施工，系统地进行了受控定向钻孔剖面形态与孔身轨迹的优化设计，开展了造斜设备与机具的选择、造斜定向方法、造斜与稳斜钻进等技术工艺方法的探讨，为采用定向钻探技术进行深部铁矿勘查积累了宝贵的经验。该技术的应用实践证明，采用定向钻探技术进行深部矿产勘探，具有显著的优越性：
1）减少设备搬迁和安装，节省机场占地、平地基和分支点以上的钻探工作量，缩短工期、节约费用。
2）分支孔可避开危害较大的上部松散破碎层、溶洞地层等复杂孔段，有利于施工安全，并可大幅度提高施工效率。
3）利用定向孔实现生态环境脆弱或保护区内的矿体勘查，保护生态环境。
我们认为，采用定向钻探技术进行深部矿产勘探，不仅可行，而且必要，非常值得推广应用。