鉆孔彎曲的預(yù)防和糾正

汪學(xué)春

(新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊 烏魯木齊830011）

1 概述

鉆孔彎曲又稱孔斜，是鉆探施工質(zhì)量的六大指標(biāo)之一；在施工過程中受自然地質(zhì)及鉆探工藝因素的影響會造成鉆孔彎曲，使鉆孔偏離原來設(shè)計的頂角與方位角。孔斜不僅會給施工帶來困難，降低鉆探效率，易誘發(fā)孔內(nèi)事故，而且會歪曲礦體形態(tài)與產(chǎn)狀，影響勘探結(jié)果的準(zhǔn)確程度；所以按一定距離測斜和防斜在鉆探施工中是非常重要的。

2 影響鉆孔彎曲的因素

影響鉆孔彎曲的具體原因可分為地質(zhì)、技術(shù)和工藝等三個方面；鉆孔彎曲是這三個方面因素綜合作用的結(jié)果，在不同的條件下，可能其中某些原因占主導(dǎo)地位。地質(zhì)原因是客觀存在的，只能通過工藝技術(shù)措施來減弱甚至抵消其促斜作用，而技術(shù)工藝原因是主觀因素，可以采取人為措施加以限制。

2.1 地質(zhì)方面的原因（客觀因素）

主要有巖石的各向異性和軟硬互層等促使鉆孔彎曲的地質(zhì)條件，如巖層的產(chǎn)狀，物理機(jī)械性質(zhì)，以及由于構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生的劈理、片理、層理等；研究和分析由地質(zhì)條件促使鉆孔彎曲的原因，一方面是為了在技術(shù)上采取相應(yīng)預(yù)防措施來限制鉆孔彎曲，另一方面是為了合理的設(shè)計鉆孔提供依據(jù)，盡力減少地質(zhì)條件對鉆孔彎曲的影響，利用地質(zhì)條件的促斜規(guī)律來進(jìn)行初級定向鉆孔鉆進(jìn)；巖石的軟硬互層，巖層的傾角大，片理發(fā)育的巖層等是促使鉆孔彎曲的普遍原因，而且鉆孔彎曲都有一定的規(guī)律性；斷層、破碎帶、卵石、礫石層、流沙層、溶洞、老窿等，是促使鉆孔彎曲的特殊原因，而且鉆孔彎曲沒有一定的規(guī)律。

⑴鉆進(jìn)流沙層，因為流沙層具有流散性，孔徑往往較大，尤其是在斜孔、流沙層厚，鉆孔很容易下垂，直孔無此現(xiàn)象；

⑵鉆進(jìn)卵石、礫石層時，由于卵石、礫石很不規(guī)則，活動性很大，給鉆具的擠壓力及回轉(zhuǎn)阻力差異很大，鉆孔最容易彎曲，并且沒有什么規(guī)律；

⑶當(dāng)鉆孔遇到溶洞和老窿時，鉆孔嚴(yán)重超徑，窿（洞）底又不規(guī)則，鉆進(jìn)時粗徑鉆具易偏離鉆孔軸線，造成鉆孔彎曲；

⑷當(dāng)鉆孔穿過具有一定傾角的軟硬巖互層時，鉆孔的頂角和方位角均會發(fā)生變化。

巖石層理走向及傾角過大，鉆頭在克取巖石時，頂著走向打；地質(zhì)情況復(fù)雜，鉆孔地層軟硬間錯，變化性極大，致使鉆具的配合，鉆進(jìn)參數(shù)的設(shè)定出現(xiàn)偏差；

①當(dāng)鉆頭由軟層進(jìn)入硬巖層時，因孔底軟、硬巖石抵抗破碎能力不同，產(chǎn)生不均勻破碎（軟巖石破碎快、硬巖石破碎慢），促使鉆孔彎曲；鉆孔彎曲方向和程度，取決于鉆孔與巖層層面的夾角大小和軟、硬巖層的硬度差。

②鉆孔由硬層向軟層時，如巖層層面傾角較大，將使鉆孔趨向硬巖方向彎曲，但在一定情況下，因在硬巖層中鉆進(jìn)形成的孔壁間隙較小，即使孔底不均勻破碎，但粗徑鉆具受孔壁限制而不易發(fā)生偏斜，故鉆孔彎曲甚微或不發(fā)生彎曲；

③鉆孔穿過片狀巖層時，如鉆孔軸線與巖層層因呈銳角相交，因巖石的各向性，將使鉆孔趨向垂直于層面方向彎曲，同時鉆孔的方位角則因鉆具回轉(zhuǎn)方向不同而向不同方向傾斜；如外頭順時針方向回轉(zhuǎn)，則鉆孔方位向右偏斜。

2.2 技術(shù)和工藝方面的原因（主觀因素）

工藝、技術(shù)因素系指所用機(jī)械設(shè)備，安裝質(zhì)量，鉆具結(jié)構(gòu)，鉆進(jìn)方法與技術(shù)參數(shù)，操作技術(shù)等對鉆孔彎曲的影響，這些因素均系人為因素，是完全可控制。

⑴機(jī)械設(shè)備：所用的鉆機(jī)回轉(zhuǎn)給進(jìn)部件導(dǎo)向性能差，如立軸導(dǎo)管松曠，油壓鉆機(jī)滑道松曠時，鉆頭克取巖石就會形成立軸和鉆機(jī)的晃動，使鉆具回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，導(dǎo)致鉆孔彎曲。

⑵安裝質(zhì)量：安裝質(zhì)量不高對鉆孔彎曲影響很大，主要表現(xiàn)在:①地基（地盤）不堅實(shí)，填方過多，經(jīng)水浸、震動及承受載荷后下沉，使鉆塔鉆機(jī)偏斜，導(dǎo)致鉆孔彎曲；②基臺安裝不平整，鉆機(jī)不正、不穩(wěn)，立軸、孔口、天車3點(diǎn)不在一直線上等，均易造成開孔偏斜；③孔口管下的不正或固定不牢都易在開孔鉆進(jìn)時，使鉆孔彎曲。

⑶開孔不正：開孔是關(guān)鍵，開孔不正的原因有：①開孔前對安裝質(zhì)量檢查不嚴(yán)不周；②開孔時使用的鉆具不直或鉆具連接后不同心；③開孔時沒有隨鉆孔加深加長導(dǎo)向鉆具；④開孔時技術(shù)操作不當(dāng)，壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、水量等不合理。

⑷鉆具結(jié)構(gòu)不合理：合理的鉆具結(jié)構(gòu)對鉆孔彎曲影響最大，主要影響如下：①鉆桿直徑與粗徑鉆具直徑相差較大，鉆桿柱在軸心壓力、自重及離心力等作用下，呈波形彎曲，給粗徑鉆具處一個較大的偏斜力，造成鉆孔彎曲；②使用彎曲的鉆桿和巖心管，或鉆具連接后同心度差；③粗徑鉆具的導(dǎo)向性差；目前所使用的鉆頭外徑均大于巖心管和異徑接頭的直徑，尤其是采用肋骨式鉆頭時，鉆頭直徑則比巖心管和異徑鉆頭直徑大一級，這樣大大的降低了粗徑鉆具的導(dǎo)向作用。此外，粗徑鉆具過短導(dǎo)向性能差，粗徑外具過長時，易彎曲，也降低了導(dǎo)向性能。還應(yīng)指出，在換徑或擴(kuò)孔時未采用導(dǎo)向鉆具，或?qū)蜚@具結(jié)構(gòu)不合理均易造成鉆孔彎曲。

⑸鉆進(jìn)方法選擇不合理：在相同的地質(zhì)條件下，采用不同的鉆進(jìn)方法，產(chǎn)生不同的環(huán)狀間隙；粗徑鉆具的導(dǎo)向效果不同，鉆孔彎曲的程度也不同。

⑹鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)不合理：不根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)備條件，盲目采用強(qiáng)化規(guī)程（大的壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、沖洗液量）片面追求進(jìn)尺是促使鉆孔彎曲的重要原因。①鉆進(jìn)壓力過大，鉆桿柱承壓部分呈波形彎曲嚴(yán)重，迫使粗鉆具上端向孔壁一側(cè)，粗徑鉆具偏離了鉆孔軸線，造成鉆孔彎曲；這種情況在孔壁間隙過大時更為嚴(yán)重和突出；②采用彎曲的鉆具時，過高的轉(zhuǎn)速使鉆具離心力增大，從而增大了鉆具的橫向力、增大了擴(kuò)壁作用，加大了孔壁間隙，降低了粗徑鉆具的導(dǎo)向作用，造成鉆孔彎曲；③在松散易坍塌地層中鉆進(jìn)，使用不合要求的沖洗液或沖洗液量過大，會沖塌孔壁，造成鉆孔超徑，引起孔斜；④在換徑前末清除孔底殘留巖心，換徑時直接采用鉆進(jìn)時的技術(shù)參數(shù)，均易造成鉆孔彎曲。⑤鉆孔深度超過一定域值后，鉆具本身的周期性彈性振動所產(chǎn)生的俯沖壓力，改變了鉆頭的運(yùn)行軌跡，鉆頭依重力慣性，在孔底面某一較低的方位較多的克取巖石，造成孔斜或加大孔斜。

3 預(yù)防鉆孔彎曲的措施

為了保證鉆孔質(zhì)量，在鉆探施工過程中，貫徹預(yù)防為主，加強(qiáng)對鉆孔彎曲的預(yù)防工作是十分必要的。由于促使鉆孔彎曲的原因比較復(fù)雜，在不同條件下，各種因素對鉆孔彎曲的影響也不同，因此，我們必須根據(jù)每個地區(qū)和鉆孔的具條件，進(jìn)行具體分析，找出促使鉆孔彎曲的主要矛盾，有針對性地確定預(yù)防孔斜的措施。

3.1 從設(shè)計鉆孔上采取措施

在掌握了礦區(qū)內(nèi)，不同巖層，不同孔徑及不同孔段的自然彎曲規(guī)律資料的基礎(chǔ)上，設(shè)計初級定向鉆孔，是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要途徑；按設(shè)計鉆孔的傾角、方位角、根據(jù)鉆孔自然彎曲規(guī)律，按勘探線剖面圖的比例，每25 m（或50 m）孔段，定出傾角和方位角值，依各孔段的傾角值在透明方格紙上繪出鉆孔傾角標(biāo)準(zhǔn)線圖，將透明圖覆蓋在勘探線剖面圖上，使縱橫坐標(biāo)對正，曲線終點(diǎn)與設(shè)計見礦點(diǎn)重合，則曲線起點(diǎn)與地平面相交處即是鉆孔的實(shí)際孔位；

應(yīng)注意的是：⑴鉆進(jìn)過程中應(yīng)嚴(yán)格遵守有關(guān)技術(shù)操作規(guī)程;⑵按要求及時測斜，及時作圖，及時分析研究，以指導(dǎo)鉆進(jìn)工作;⑶當(dāng)鉆孔設(shè)計方向彎曲時，應(yīng)及時采取措施，加以糾正;⑷如鉆孔方位角變化時，可采用活楔子導(dǎo)斜器糾斜。

3.2 把好設(shè)備、安裝、開孔關(guān)，確保安裝、開孔質(zhì)量

⑴做到回轉(zhuǎn)器無毛病，如立軸導(dǎo)管、立軸樞紐不松動，變角機(jī)構(gòu)要牢靠，油壓鉆機(jī)在滑軌上不松不曠。

⑵安裝時確保地基堅實(shí)、平整，基臺輔設(shè)、鉆機(jī)安裝必須水平、周正、牢固；天車、立軸和孔口三點(diǎn)必須成一直線；嚴(yán)格按設(shè)計要求檢查立軸方向、角度；

⑶開孔時用的鉆具要直，粗徑鉆具要隨鉆孔加深逐次加長；最好使用短機(jī)上鉆桿，緊上下卡盤時要注意保持鉆具中心，使用鉆頭以輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；孔口管要下正，即方位和頂角完全符合設(shè)計要求，孔口管一定要下牢，上端管壁要填塞緊；上下鉆具應(yīng)防強(qiáng)力沖打孔口管，避免孔口管偏斜變形。

3.3 抓好換徑和擴(kuò)孔工作

⑴換徑前應(yīng)清除孔底殘留巖心，最好用磨孔平面鉆頭帶撈渣清理孔底，換徑時一定要用導(dǎo)向鉆具，導(dǎo)向鉆具要同心，導(dǎo)向管應(yīng)適當(dāng)加長，小徑鉆具要短，隨著小徑鉆孔有加深小徑名具應(yīng)逐次加長，直至6 m以上才可去掉導(dǎo)向鉆具，換徑后應(yīng)進(jìn)行測斜檢查。

⑵擴(kuò)孔時要帶小徑導(dǎo)向鉆具，導(dǎo)向鉆具要同心，小徑導(dǎo)向管要保持一定長度。

3.4 增強(qiáng)鉆具的導(dǎo)向性和穩(wěn)定性

根據(jù)目前常規(guī)口徑鉆進(jìn)所用的管材條件，為了增強(qiáng)鉆具的導(dǎo)向性能，鉆具結(jié)構(gòu)符合：“滿、剛、直”等要求。

⑴滿：盡量采用繩索取芯鉆進(jìn)工藝，鉆桿與巖心管同徑以“滿”保斜。

⑵剛：要求鉆桿與巖心管要有一定剛度，以保證在大壓力、大扭矩負(fù)荷下不發(fā)生變形。

⑶直、要求所用鉆桿、巖心管要筆直，連接后要同心，以增加回轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性。

3.5 采用合理的鉆進(jìn)方法和鉆進(jìn)工藝

⑴根據(jù)地層特點(diǎn)選擇合理的鉆進(jìn)方法，盡可能采用金剛石鉆進(jìn)以減少鉆孔彎曲。

⑵合理地確定鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)及操作技術(shù)；根據(jù)巖層的研磨性，軟硬，體積破碎性能，抗壓能力等，選擇水量，轉(zhuǎn)速和軸向壓力，在不同的巖層，合理采用不同的回次進(jìn)尺長度。合理選擇內(nèi)外徑，盡可能的減小巖心管與孔壁的間隙。

當(dāng)巖石換層時，鉆孔最容易彎曲，根據(jù)換層時鉆孔彎曲的一般規(guī)律，在巖層由軟變硬時，軸心壓力要適當(dāng)減輕，一般為正常鉆進(jìn)壓力的三分之二，鉆具轉(zhuǎn)數(shù)也應(yīng)適當(dāng)降低，當(dāng)巖層由硬變軟時，軸心壓力也要適當(dāng)降低，一般為正常給進(jìn)鉆壓的三分之一，并適當(dāng)加長粗徑鉆具。在鉆進(jìn)松散地層或破碎帶時，采用優(yōu)質(zhì)泥漿，并嚴(yán)格控制沖洗液量，以保護(hù)孔壁，使孔徑不致過大；在換徑或擴(kuò)孔時，也應(yīng)采用小的技術(shù)參數(shù)鉆進(jìn)。

⑶正確選擇鉆具的配合，選擇合理的鉆具組合搭配，可以減小鉆具的伸縮性，減輕對鉆頭的俯沖壓力，降低鉆孔的彎曲度。盡可能的選用繩索取芯鉆進(jìn)，由于鉆桿與巖心管同徑，所以彈性振動的俯沖壓力相對于普鉆的細(xì)直徑鉆桿帶動粗徑巖心管鉆進(jìn)，要小得很多，鉆孔的空間穩(wěn)定性也較好。但是繩索取芯鉆具在復(fù)雜地層中也有其局限性，比如在難以取芯的泥巖混合地層中，由于需要無泵鉆進(jìn)，而采用金剛石鉆進(jìn)的繩索取芯鉆進(jìn)，就不得不改用普鉆鉆進(jìn)，以取得較高的巖礦芯回采率。

⑷另外，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對防止鉆孔彎曲也有效；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所產(chǎn)生的脈沖壓力，瞬間爆發(fā)，在同等的鉆進(jìn)參數(shù)下，鉆頭能更多的克取破碎巖石，由于沒有或極少的俯沖壓力，所以對于預(yù)防鉆孔彎曲、提高鉆效是不錯的選擇；但是在低硬度地層中不宜使用。

⑸選擇更新的鉆探工藝，控制鉆孔彎曲。利用新工藝、新技術(shù)，采用綜合手段，使鉆孔按照設(shè)計方案和路線行進(jìn)。

4 鉆孔糾斜

4.1 糾正鉆孔方位角

鉆孔方位角跑偏一般常用的糾正方法有：⑴調(diào)節(jié)技術(shù)參數(shù)和粗徑鉆具長度;⑵墊鉆機(jī)設(shè)備（鉆孔深度在100 m以內(nèi)發(fā)生方位變化時，采用墊鉆機(jī)的方法糾正方位容易收到好的效果，墊鉆機(jī)后操作時要注意，鉆進(jìn)壓力應(yīng)適當(dāng)減輕，粗徑鉆具要縮短到4～6 m，盡量在消除孔底殘留巖心后鉆進(jìn)）;⑶采用偏心楔導(dǎo)斜糾正鉆孔方位。

4.2 糾正鉆孔頂角

鉆孔頂角的變化有兩種情況，一是鉆孔頂角上漂，一是鉆孔頂角下垂。

⑴如鉆孔頂角下垂而欲使其上漂時，可采取下列糾正措施：①縮短粗徑鉆具長度（一般為正常時的2/3）；用加大鉆進(jìn)壓力和水量等辦法促使鉆孔傾角上漂。②采用塔式鉆具鉆進(jìn)；塔式鉆具的鉆頭直徑比巖心管粗一級，擴(kuò)大了孔壁與巖心管的間隙，鉆進(jìn)時可加劇鉆孔的上漂，糾斜效果顯著。③采用組合式鉆具鉆進(jìn)；這種形式鉆具中的取粉管，萬向接頭，鉆鋌，巖心管的尺寸均比原徑小一級，這樣增大了鉆具與孔壁的間隙，使萬向接頭中心點(diǎn)向下偏離鉆孔軸線，因此鉆具在孔內(nèi)所形成的偏角增大，提高了糾斜效果。

⑵鉆孔上漂，欲使其下垂時，可采取的措施：①采用球形萬向節(jié)變向綜合鉆具：鉆進(jìn)中借小徑鉆具的下垂作用進(jìn)行糾斜，在小徑鉆具鉆進(jìn)10 m左右，進(jìn)行測斜，然后再采用導(dǎo)向擴(kuò)孔鉆進(jìn)，擴(kuò)孔用的導(dǎo)向管不應(yīng)＜1 m；②采用懸錘式糾斜鉆具：由導(dǎo)正管、萬向接頭、錐形加重管、錐形鉆頭等組成。采用此鉆具糾斜分為3個階段：即糾斜鉆進(jìn)、擴(kuò)孔、掃“狗腿彎”；③利用偏心式鉆具糾斜；主要是糾正方位的變化；④鉆孔造斜：利用孔內(nèi)架橋下入定向偏心楔的方法；⑤擴(kuò)孔糾斜：糾正孔斜時，選用稍大于原鉆頭口徑的鉆頭，從上而下的擴(kuò)孔鉆進(jìn)，鉆進(jìn)時采用輕壓慢轉(zhuǎn)的方法，嚴(yán)格控制進(jìn)尺速度，不要太快，采用此方法可以糾正一般輕微的孔斜。

在鉆探施工中，如發(fā)現(xiàn)鉆孔偏離設(shè)計方向時，應(yīng)調(diào)整測斜間距，增加測點(diǎn)，精確測出方位角和頂角的變化值，搞清鉆孔彎曲部位，以便采取必要措施進(jìn)行矯正工作，使鉆孔彎曲保持在允許范圍內(nèi)；正確的勘探鉆孔在空間的延伸趨勢和空間位置，是保證精確計算礦產(chǎn)儲量，正確進(jìn)行開采設(shè)計的有力依據(jù)。