大直徑鉆井中鉆具組合扶正器的選擇及使用

徐向東

摘要：大直徑瓦斯抽放鉆孔、電纜孔、通風孔、下料孔等特殊工程鉆孔在煤礦安全生產中越來越廣泛的應用，這些鉆孔一般對落點要求嚴格，必須打到指定位置。防止鉆孔彎曲的主要手段是通過限制鉆進過程中鉆具彎曲實現的，鉆具彎曲的原因主要為鉆具的撓曲變形，通過分析扶正器的位置對撓曲變形的影響，從而正確設置防斜鉆具組合中扶正器位置，并通過正確選擇扶正器的直徑及外形，已達到鉆孔保直的效果。

Abstract： Large-diameter gas drainage drilling， cable holes， ventilation holes， blanking holes and other special engineering drilling are more and more widely used in coal mine safety production. These drilling holes are generally required to meet the drop point and must be hit to the designated position. The main means to prevent the bending of the borehole is to limit the bending of the drill during the drilling process. The reason for the bending of the drill is mainly the deflection of the drill. By analyzing the influence of the position of the centralizer on the flexural deformation， the correct position of the centralizer in the anti-slanting drill assembly is set， and the diameter and shape of the centralizer are correctly selected to achieve the effect of drilling straightening.

關鍵詞：撓曲變形；半波長；填滿鉆具；扶正器；保直

Key words： flexural deformation；half wavelength；filling of drilling tools；centralizer；keep straight

中圖分類號：TE243 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0136-02

0 引言

大直徑瓦斯抽放鉆孔、電纜孔、通風孔、下料孔等特殊工程鉆孔在煤礦安全生產中越來越廣泛的應用，大直徑鉆孔過程中，出現鉆孔彎曲的因素是多種多樣的。主要有地質因素和鉆進工藝技術因素，本文主要從鉆具的撓曲變形對鉆孔孔斜的影響，以及正確設置防斜鉆具組合中扶正器位置和選擇扶正器的直徑及外形，從而達到控制鉆具的彈性彎曲，實現鉆孔保直的效果。

1 鉆孔彎曲的原因

鉆孔彎曲發生于鉆探工藝過程的每一個環節，每一道工序、每一種方法。歸其產生的原因主要為：地質構造因素、鉆進方法、不合理的鉆具結構、人為操作等方面的原因。

1.1 地質原因

由于巖石的軟硬不均勻，層次的變換頻繁及巖層傾角的大小、地質構造復雜等因素的存在，在鉆進過程中造成鉆頭上每個切削具之間的壓力差、巖石對鉆頭不同部位的不同反作用力、鉆具回轉不穩定等原因，而引起鉆孔彎曲。

1.2 鉆孔彎曲的鉆探工藝因素

設備安裝不合格：鉆機安裝要求周正、穩固，主軸中心線垂直于平面鉆孔位置。如果安裝不符合要求，開孔時主軸線與鉆孔中心線之間有一定的交角，就會形成先天性的鉆孔彎曲。

開孔鉆進是在設備安裝的基礎上進行的。要保證立軸不擺動，立軸成軸向轉動，使鉆具不產生半波彎曲。

鉆具結構是否合理，對于鉆孔彎曲是個關鍵性的問題，從開孔到終孔都不容忽視。要想使鉆進沿著一條比較靠近的直線延深，必須有一個先決條件，那就是保證鉆具必須保持軸向轉動。如果發生環向轉動鉆孔將產生彎曲。

給壓方式不同，對鉆孔的彎曲也有一定的影響。壓力要根據鉆具結構和鉆具的直徑、長度、剛度來確定。壓力過大，由于作用力與反作用力的關系，使鉆具發生半波彎曲，鉆壓越大，半波彎曲越大，使軸向轉動很不穩定，鉆頭產生微量錯動，而引起一定的彎曲度。正常的給壓方式應當是從開孔鉆進一直到鉆具重量達到所需壓力重量之前，不采取外加壓力的方式，要靠鉆具自重加壓。當鉆具重量超過所需要壓力時，立即進行減壓鉆進，消除外加壓力產生的半波影響。

鉆孔彎曲的原因很多，有客觀的地質因素，也有人為的技術及工藝因素，有時是多種因素的綜合，情況通常非常復雜。但是如能重視它、認識它、掌握它、利用它的規律，采取有效的防斜措施，鉆孔彎曲是可以控制的。

2 鉆柱半波長

孔內鉆柱在軸下壓力作用下發生彈性彎曲，下部受壓最大、彎曲最甚。根據薩爾基索夫半波長公式可知，半波長為以鉆柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點之間的一段縱向長度。所以可采用如下方法確定鉆柱半波長：在鉆柱一端安裝固定支架，另一端安裝活動支架，移動活動支架，使鉆柱自然彎曲，當鉆柱下部彎曲度達鉆孔半徑時，兩個支架之間的距離即為鉆具波長，其1/2為半波長，如圖1所示。

3 鉆具彈性彎曲的原因

井內鉆具在未加壓之前是保持垂直狀態的，它只是在有井斜的井中由于重力作用垂靠在井身底側。

為了鉆進的目的，施加一定鉆壓給鉆頭。鉆壓是鉆具所受軸向力及鉆具的自身重量產生的。由于鉆具的直徑遠較它的長度小的多，它屬于細長柱。對于這樣的細長柱加壓到某一數值時，鉆具將由于喪失穩定而彎曲。由于彎曲的撓度受到井壁的限制不能無限的增大，所以當鉆壓繼續增加時，則會出現二次、三次或更多次的彎曲。這種彎曲在旋轉作用下成為鉆具切削孔壁的重要決定因素，因而鉆進過程中在綜合應力作用下，造成鉆孔的偏斜。

4 扶正器位置的確定

為了保證鉆柱在鉆進過程中的直線狀態，通常采用填滿鉆具鉆進，填滿鉆具是把兩個或兩個以上扶正器加在適當位置，是整個下部鉆具剛性增強保持直線工作狀態的鉆具組合，它是限制鉆具彎曲、保證有小的井斜變化率的有效方法。因為鉆具扶正器加設位置不同，控制鉆具的撓曲變形也不同，達到控制孔斜的效果也不同。鉆具在旋轉鉆進時，由于下部鉆具受有鉆頭與地層、鉆具及井壁和沖洗液間反扭矩的作用彎曲最甚，我們在大量的施工實踐中總結出，要很好地控制孔斜，主要是要設置好靠近鉆頭20m范圍內鉆具上3個以上扶正器的組合和位置，在幾個扶正器中，起主要作用的是靠近鉆頭的前2個扶正器，距離鉆頭較遠的幾個扶正器的主要作用是平衡上部鉆具的彎曲應力。

鉆進中的保直就是確保填滿鉆具的中心線與鉆孔的中心線重合，要求所加設的扶正器間距都要小于半波長，并且越靠近鉆頭的扶正器間距要求越小，以克服鉆柱因受自重而產生彎曲變形的影響。圖2為保直鉆進時扶正器的常規設置方法。

5 扶正器的直徑的選擇

扶正器與鉆頭的直徑差值直接影響填滿鉆具的使用效果。扶正器與鉆頭的直徑差值偏大，則扶正器失去應有的最好作用，鉆柱仍會彎曲；扶正器與鉆頭的直徑差值偏小，會造成孔內復雜情況，引起孔內事故。所以應根據情況選擇適當的直徑差值。通常我們采取靠近鉆頭的扶正器和中間扶正器外徑與鉆頭外徑的差值不大于3mm；上扶正器與鉆頭直徑的差值不大于6mm。考慮到井徑及地層等因素，在較小井徑時扶正器與鉆頭的直徑差值選小些，在較大井徑時扶正器與鉆頭的直徑差值選大些；在硬地層中扶正器與鉆頭的直徑差值選小些，在軟地層中扶正器與鉆頭的直徑差值選大些。同時，在鉆進施工中要經常檢查扶正器的磨損情況，發現磨損超限情況要及時更換或修復。

在扶正器的選用和加工時，還應考慮扶正器的合理斷面和使用壽命，以保證扶正器處有足夠的井液上返空間，防止造成卡鉆事故。通常情況可采用采用直線狀或螺旋狀加耐磨材料肋條扶正器。螺旋狀加耐磨材料肋條扶正器使用效果更好。

6 填滿鉆具的合理使用

填滿鉆具的使用為加大鉆壓提高鉆速并得到好的井身質量創造了條件。但其的使用也存在一定的局限性，應在日常施工應用過程中做好以下幾個方面：①當選擇了一定直徑的扶正器并將其放在了適當位置后，還應該進行在這種情況下可以施加的最大壓力計算。壓力可按歐拉公式計算。不能盲目加大壓力，否則可能導致出現惡果。②扶正器在孔內隨鉆柱旋轉因而對孔壁產生一定的摩擦和切削作用，所以特別松軟地層、煤層鉆進時不適宜中加設扶正器。③填滿鉆具外環空間小，鉆進過程中必須防止孔內卡鉆、埋鉆等事故。為此，除在特別松軟地層、易坍塌地層鉆進時要謹慎使用外，很重要的是選用優質泥漿，保持井孔內干凈。④使用填滿鉆具鉆進中發生井斜超限，可以暫時換用鐘擺鉆具鉆進，是井斜角回到規定范圍后再換用填滿鉆具劃眼到井底后鉆進。⑤鉆進工藝參數等因素同樣對鉆斜有一定的影響，通常情況下，鉆壓越大，孔越易斜，尤其在易斜地層更是這樣，鉆壓小孔斜度相對也小。正常的給壓方式應當是從開孔鉆進一直到鉆具重量達到所需壓力之前，不采取外加壓力的方式，要靠鉆具自重加壓。當鉆具重量超過所需壓力時，立即進行減壓鉆進，消除外加壓力產生的的半波影響。減少軟硬巖層互換時的鉆速差，控制孔斜的遞增幅度，達到預防孔斜的目的。

7 結語

隨著井孔井徑的增大，增加了受壓彎曲鉆具的彎曲撓度，由此造成鉆具合成應力的大大增加和鉆頭、鉆具工作狀態的變壞，這將造成更多的工程事故和質量問題。選用適當的扶正器組成填滿鉆具和相應改善其它鉆進工藝將是防止這些問題的有效措施。填滿鉆具的使用為提高鉆井質量和效益創造了條件。

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