鉆孔定向鉆進(jìn)鉆孔彎曲的預(yù)防

張鴻飛

摘 要：鉆孔彎曲主要有地質(zhì)和工藝技術(shù)方面的原因。鉆孔彎曲的預(yù)防措施主要有：合理設(shè)計(jì)鉆孔，把好設(shè)備安裝關(guān)，把好開(kāi)孔、換徑、擴(kuò)孔關(guān)，采用科學(xué)合理的鉆具結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鉆孔；定向；鉆進(jìn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD852 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）13-0113-01

煤田地質(zhì)鉆探的每個(gè)鉆孔的設(shè)計(jì)都要從地質(zhì)要求出發(fā)，按照地層特點(diǎn)及施工條件，合理設(shè)計(jì)鉆孔。鉆孔彎曲度是衡量鉆孔質(zhì)量指標(biāo)之一，必須保證使它符合設(shè)計(jì)的要求。鉆孔偏離設(shè)計(jì)軸線的現(xiàn)象叫鉆孔彎曲。由于地質(zhì)和工藝因素影響，鉆孔彎曲可能發(fā)生，必須把彎曲控制在允許范圍內(nèi)。鉆孔偏離設(shè)計(jì)軸心線過(guò)大，容易造成各種危害。

1 鉆孔彎曲的原因分析

1.1 地質(zhì)因素

（1）巖層產(chǎn)狀的影響。巖層各向異性，垂直層面方向抗壓入強(qiáng)度最小，易于破碎；平行層理方向抗壓入強(qiáng)度最大，最難破碎；斜交于層理的方向強(qiáng)度及破碎難易程度居中。（2）軟硬互層的影響。巖石不但可能有層理，而層與層的硬度也可能有差異，巖石軟硬變化對(duì)鉆孔彎曲的影響與遇層角有關(guān)。鉆孔軸線與其在地質(zhì)界面上投影的夾角即遇層角。巖石由硬到軟，由于孔壁間隙小等原因，鉆孔彎曲不大，趨勢(shì)不明顯。在軟硬互層中鉆進(jìn)，鉆孔彎曲總趨勢(shì)與地層由軟到硬時(shí)相同。（3）松軟、松散及破碎地層的影響。此類(lèi)地層中鉆進(jìn)，孔徑易擴(kuò)大，直孔不易斜，斜孔易下垂，總趨勢(shì)是使頂角減小。有些地區(qū)覆蓋層深達(dá)200m以上，采用鉆桿直接連接三翼鉆頭鉆進(jìn)直孔，到達(dá)基巖前，鉆孔基本保持垂直。為什么最易造成孔斜的鉆具組合卻獲得最好的防斜效果呢？因?yàn)檫@類(lèi)地層中鉆進(jìn)，鉆孔只要略往上漂，就會(huì)產(chǎn)生靠向下幫的分力，擴(kuò)大下幫并使鉆孔下垂。如果采用導(dǎo)向性能很好的鉆具組合，反而會(huì)限制其自動(dòng)糾斜的作用。此外，松軟、松散段較長(zhǎng)時(shí)不宜施工斜孔，除鉆孔會(huì)下垂外，還會(huì)使下套管困難。（4）老窿、礫石、斷層等的影響。鉆具進(jìn)入老窿、斷層破碎帶，可以將其視作松軟、松散地層，鉆具會(huì)有下垂趨，勢(shì)。而達(dá)斷層面或老窿底板后，可視作地層由軟到硬。溶洞底部形態(tài)不規(guī)則，和鉆遇大礫石一樣，鉆孔將向阻力小的方向“跑”，如沿礫石側(cè)面下滑，因而事先無(wú)法預(yù)知鉆孔趨向亦即沒(méi)有確切的彎曲規(guī)律。

1.2 工藝技術(shù)因素

（1）設(shè)備及安裝。鉆機(jī)機(jī)件導(dǎo)向性差，運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定；設(shè)備安裝不周正、不穩(wěn)固，角度不準(zhǔn)，天車(chē)、立軸、孔位不共線；地基不平、不實(shí)。（2）開(kāi)孔及換徑。開(kāi)孔鉆具不直或接頭不同心，鉆具不及時(shí)加長(zhǎng)，開(kāi)孔壓力、轉(zhuǎn)速過(guò)大，定向管不及時(shí)下或不正不穩(wěn)固；換徑?jīng)]有帶導(dǎo)向，鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)沒(méi)適當(dāng)控制等，可造成換徑后偏離原孔軸線。（3）鉆具結(jié)構(gòu)。鉆頭直徑比巖心管直徑大很多；粗徑鉆具長(zhǎng)度不當(dāng)；鉆具級(jí)配不合理，鉆桿易彎曲；粗徑鉆具彎曲或連接不正。（4）鉆進(jìn)工藝。一是鉆進(jìn)方法。鋼粒鉆進(jìn)由于切削具不固定，對(duì)孔壁破壞大，金剛石鉆進(jìn)不易孔斜。鋼粒鉆進(jìn)孔壁間隙大，而且孔底鋼粒分布不均。二是鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。鉆壓過(guò)大，鉆桿彎曲、鉆具傾倒；轉(zhuǎn)速過(guò)高，橫向振動(dòng)大、離心力大，擴(kuò)大孔壁作用增大；泵量過(guò)大，孔壁將擴(kuò)大；投砂過(guò)多或一次投砂，使孔壁間隙增大。盲目強(qiáng)化規(guī)程易導(dǎo)致鉆孔彎曲，尤其是開(kāi)孔、換徑、鉆進(jìn)礫石層或換層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制規(guī)程。三是鉆進(jìn)操作。換徑、換層時(shí)技術(shù)參數(shù)控制不當(dāng)，換徑時(shí)孔內(nèi)留有巖心等；松軟地層中下鉆過(guò)快、掃脫落巖心、掃事故鉆具、掃水泥等操作不當(dāng)。

2 鉆孔彎曲的預(yù)防

2.1 合理設(shè)計(jì)鉆孔

松軟、松散、構(gòu)造發(fā)育地層中一般不設(shè)計(jì)斜孔；軟硬不均、層理發(fā)育地層鉆進(jìn)，盡可能使鉆孔軸線垂直于層面；強(qiáng)造斜地層可考慮設(shè)計(jì)定向孔。

2.2 把好設(shè)備安裝關(guān)

地基堅(jiān)實(shí)平整，有排水通道，填方不超過(guò)1/3。設(shè)備安裝周正穩(wěn)固。

2.3 把好開(kāi)孔、換徑和擴(kuò)孔關(guān)

開(kāi)孔時(shí)要選用鋒利的鉆頭，加壓要均勻，操作要領(lǐng)是：上余不要長(zhǎng)，機(jī)上不可彎，上下都卡緊，導(dǎo)管不能曠，鉆具要對(duì)中，粗徑漸加長(zhǎng)，慢轉(zhuǎn)多提動(dòng)，輕壓是關(guān)鍵。換徑要帶外導(dǎo)正器，用綜合式異徑接頭連接，中心線必須一致。擴(kuò)孔時(shí)必須要帶內(nèi)導(dǎo)正器，內(nèi)導(dǎo)正器要上緊。

2.4 合理的鉆具結(jié)構(gòu)

縮小鉆具與孔壁的間隙。粗徑鉆具加扶正器或帶上擴(kuò)孔器；鉆桿上加扶正器、穩(wěn)定器、膠箍等。增強(qiáng)鉆具的剛性和抗磨力。改善鉆具材質(zhì)、增加壁厚或表面熱處理；雙層巖心管能提高粗徑鉆具剛性；深孔鉆進(jìn)盡量采用鉆鋌加壓。巖心管長(zhǎng)度適當(dāng)。巖心管愈長(zhǎng)，傾倒后形成的角度（導(dǎo)斜角）愈小，有利于防止鉆孔彎曲。但巖心管愈長(zhǎng)，本身愈不穩(wěn)定，應(yīng)有合適長(zhǎng)度。硬質(zhì)合金及鋼粒粗徑鉆具長(zhǎng)度7-9m，金剛石小口徑鉆具3m—4m比較適宜。

2.5 合理的工藝技術(shù)措施

（1）鉆進(jìn)方法。推廣以繩索取心鉆進(jìn)為主體的金剛石鉆進(jìn)；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及孔底動(dòng)力機(jī)鉆進(jìn)有利于防止鉆孔彎曲；鋼粒噴反鉆進(jìn)比正循環(huán)鉆進(jìn)鉆孔彎曲小，如方位角有規(guī)律彎曲，采用正反轉(zhuǎn)交替鉆進(jìn)有防止方位角彎曲的效果。（2）鉆進(jìn)技術(shù)參數(shù)。一是鉆壓：保證體積破碎即可，不宜盲目加大，必要時(shí)還應(yīng)適當(dāng)控制；二是轉(zhuǎn)速：破碎、松軟（松散）地層及換層換徑時(shí)要降低轉(zhuǎn)速；三是沖洗液量：不宜過(guò)大。鉆壓不宜過(guò)大，必要時(shí)采用鉆鋌加壓；破碎、松軟、松散地層及換層、換徑時(shí)要降低轉(zhuǎn)速；松散破碎地層沖洗液量應(yīng)控制，防止對(duì)孔壁的破壞。

參考文獻(xiàn)

[1]王生.鉆孔工程[M].北京：地質(zhì)出版社，2002.5.

[2]魏孔明.鉆探工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.3.