反井鉆機導孔偏斜控制技術分析與應用?

呂明偉,鐘 文,月福財

(1．江西漂塘鎢業有限公司, 江西 贛州市 341000;2．崇義章源鎢業股份有限公司,江西 贛州市 341000;3．江西理工大學, 江西 贛州市 341000)

0 前 言

反井鉆井法是將鉆機安裝在天井的上水平巷道或地表,并首先自上而下鉆導孔,導孔鉆透后,裝上擴孔鉆頭,自下而上擴孔,直至擴孔鉆頭穿透上水平巷道及達到設計天井斷面[1-3],從而達到一次成井的目的。

隨著裝備技術的發展,反井鉆進技術已大規模運用于我國煤礦、金屬礦山、水利水電等領域[4-5]。反井法的優點是一次成井,然而這也意味著一旦鉆井精度偏斜過大,鉆井工程將失敗。導孔精度控制著擴孔井的精度[6-8],以往的學者[9-10]對于導孔偏斜的研究,大部分都是一種定性描述,嚴重制約導孔偏斜控制技術的發展。本文分析了影響導孔偏斜的主要原因,并提出了相應的控制技術,現場工程實踐表明,導孔偏斜控制技術對導孔精度控制起重大作用,為反井法導孔施工的控制提供了新的思路。

1 反井導孔偏斜原因分析

反井鉆機鉆孔施工經常會出現不同程度的偏斜(尤其是深孔)當偏斜程度超過一定范圍,鉆孔就要部分或全部報廢,并給施工帶來困難。對于礦山鉆井工程,鉆孔從設計的勘探線偏到另一條已探過的勘探線,鉆孔就失去作用。鉆孔控制間距超過原設計間距,會使儲量降級?；蛘咩@孔未達到設計要求,鉆孔也會失去作用[6]。鉆孔偏斜過大,給施工本身帶來的問題是延誤工期,容易造成孔內事故,加劇鉆桿磨損。

1．1 巖層傾角和非均質性對導孔偏斜的影響

地下巖層因地質構造的原因具有不同的傾角,學者們普遍認為巖層傾角對于導孔鉆進時的偏斜有較大的影響[11-12]。在傾斜巖層間進行開孔鉆進時,鉆頭沿垂直方向鉆進,同一巖層因為傾角的原因與鉆頭接觸有先后順序,先與鉆頭接觸的巖層部位處會產生很大的應力,致使其快速破碎,這時巖層出現一小斜坡。同理,在鉆頭離開一個巖層而進入下一巖層時,也會在巖層中出現與上述同一方向的小斜坡(見圖1),鉆頭會隨著這樣的小斜坡方向偏移,進而導致導孔偏斜。

圖1 傾斜巖層偏斜機理

巖層的各向異性,導致巖層之間的強度各不相同,鉆頭穿過軟硬交替的傾斜巖層時,從軟巖到硬巖(見圖2),鉆頭左側接觸到下一巖層硬巖時,右側還在軟巖中,左側硬巖可鉆性差,鉆頭鉆進巖層少;右側軟巖可鉆性好,鉆頭鉆進巖層多。左右兩側鉆進巖層深度不一致,自然會導致導孔偏斜。同理可知,從硬巖到軟巖導孔將會沿著巖層上傾方向偏斜[13-14]。

圖2 傾斜巖層軟硬巖偏斜機理

1．2 反井鉆機鉆具對導孔偏斜的影響

(1)根據反井鉆機鉆頭的特性,開挖導孔過程中,鉆孔推進的軸壓較高,鉆具組合并非剛性,鉆桿在彎矩的作用下會產生彈性變形,此時鉆桿與井孔中心線間有一個夾角?？椎灼矫婵偸呛豌@頭的法線正交,當鉆壓沿著鉆桿軸線作用于鉆頭上時,可分解為鉆進井孔的垂直分力和切削側壁的水平分力[15-18]。水平分力在擴刷井壁的同時會帶動鉆具往力的方向偏移,造成導孔偏斜(見圖3)。

圖3 牙輪鉆頭鉆進受力分析

(2)在導孔開挖過程中,反井鉆具所受的力十分復雜,在拉、扭、彎等交變荷載的復合作用下,鉆桿產生多種形式的振動[19-22],一旦發生共振現象容易導致鉆桿失效,在導孔鉆進過程中鉆桿失效往往意味著鉆進的導孔將發生較大的偏斜,進而拖延工程進度和造成經濟損失。在實際工程實踐中可以計算出鉆具扭轉振動的固有頻率,以防止出現共振現象。

1．3 其他因素對導孔偏斜的影響

(1)鉆進時鉆壓、鉆速、主副泵壓力等參數的選擇不合適。鉆壓小,鉆速慢時,鉆具系統本身的重量將會帶動鉆頭往巖層下方傾斜;而鉆壓過大,鉆速過高時,孔底清渣不充分,造成巖渣在孔底堆積,致使鉆頭抬高,導孔偏斜。

(2)安裝鉆機時,未將鉆機定位牢靠;鉆井時,鉆具受力復雜,在拉力和扭矩的作用下,鉆機機身出現搖動現象,造成鉆孔位移而產生偏斜。

(3)導孔開孔定位不精確,開孔過程中,鉆桿中心線要與孔口中心線重合,當鉆機安裝、開孔測量放樣不精確時,開孔將嚴重偏移預定位置,造成導孔偏斜。

(4)導孔鉆進時,因導孔垂直跨度大,容易遇到不良地質結構,不良地質結構對導孔偏斜會產生嚴重影響。如鉆桿遇軟巖及破碎帶巖層時,在鉆壓的作用下,導孔容易偏離設計軸線,造成導孔偏斜。

(5)導孔鉆進的過程歷時長,控制精度要求高,鉆機操作人員經驗不足將會導致突發狀況發生時應對不及時,造成導孔精度不足。如有經驗的司機可以根據鉆進時鉆機的速度、聲音、洗液井反液情況來判斷鉆機的工作狀況,一旦鉆機工作狀況異常時,可以通過調整鉆機參數來降低導孔發生偏斜的可能性。

2 反井導孔偏斜控制技術與工程實踐

2．1 配置穩定鉆桿及設計糾偏系統

穩定鉆桿是直徑略小于鉆頭直徑的鉆桿,在導孔鉆進過程中通過控制鉆頭沿開孔方向鉆進以確保導孔的精度。導孔鉆進施工中一般采用碳化鎢穩定鉆桿(適用軟弱巖層)和硬質合金穩定鉆桿(適用堅硬巖層)。通過配置穩定鉆桿是控制造孔精度的重要措施,然而穩定鉆桿的配置不能盲目,穩定鉆桿配置過多或過少都會對工程產生不良影響,過多會卡鉆、堵孔,而過少又不能保證導孔精度。穩定鉆桿配置方法如下:

(1)配置穩定鉆桿前做好對鉆頭、鉆桿直徑的測量工作,為保證鉆孔精度,配置的穩定鉆桿應與鉆頭同軸。當選用導孔鉆頭直徑為Φ216 mm的反井鉆機時,穩定鉆桿與反井鉆機其它鉆桿(外徑為Φ182 mm)長度相同,是在其它鉆桿的基礎上沿軸向平行鑲了3條寬度為30 mm,厚度為14 mm的鋼板,鑲了鋼板后的穩定鉆桿外徑為Φ210 mm,比導孔鉆頭直徑小6 mm,比其它鉆桿外徑大28 mm,以保證導孔鉆進不偏離。

(2)為了減小卡鉆的概率,在配置穩定鉆桿時新老對應,即新鉆頭配新鉆桿,舊鉆頭配舊鉆桿。當穩定鉆桿磨損至直徑小于標準孔直徑10 mm時更換新鉆桿。

(3)通過在鉆頭后連續裝6~8根穩定鉆桿的方法來控制導孔精度,當鉆孔加深時,后面的穩定鉆桿則根據鉆孔具體情況,每隔一定距離配置1根。

配置穩定鉆桿能大幅度降低導孔偏斜的發生,但是由于穩定鉆桿的磨損不能及時、精確地發現,故而導孔開挖時依然面臨著偏斜的較大可能性。為了及時反映導孔的偏斜情況,對反井鉆機導孔鉆桿進行如圖4所示的組合。在常規鉆桿中,接入由有線側斜儀及鉆具動力源組成的斜向器。在導孔鉆進過程中有線側斜儀能實時反映導孔的傾斜角度,當導孔偏斜過大時,可以配合井下動力馬達進行偏斜糾正。

圖4 改進鉆具

2．2 選擇合理的參數

鉆桿具有一定的撓度,在鉆進過程中,撓度隨長度及鉆壓的增大而增大,撓度增大鉆桿軸線容易偏離鉆孔中心線,鉆壓小時鉆孔速度會下降。因此正確選用鉆壓是確保鉆孔精度及保證工程進度的重要途徑。地層條件,鉆進部位等因素影響鉆進參數的選擇,通過工程實踐,鉆壓和鉆速的選擇見表1,在施工時可根據不同的地層情況適當調整。

表1 導孔鉆進參數選擇

2．3 其他方法控制導孔偏斜

(1)開孔前使用全站儀對開孔位置精確放樣測量,在安裝鉆機機身時利用水平尺和鉛垂球測量機身,將底座上螺孔加工成條型孔以方便調節鉆機位置,當鉆桿垂直于水平面,并且其軸線與開孔中心線重合時,利用螺栓固定鉆機。

(2)由于導孔在鉆進過程中,鉆桿遇軟巖會發生偏斜。容易導致造孔偏離原設計軸線,可通過灌漿手段固孔后保證造孔精度。利用灌漿設備或人工輸送漿液的方法將制備的0．4~0．55水灰比水泥砂漿灌注至不良地質段進行固孔。

2．4 工程應用實踐

江西漂塘鎢業漂塘礦區388中段13線~17線間采準天井采用反井法施工,導孔鉆頭直徑Φ250 mm,擴孔直徑 Φ1．5 m,井深61．45 m,要求偏差小于1%。施工地段除一小斷層外,沒有大的地質構造,圍巖較堅硬、穩固。

待主機、油泵及操作系統準備就緒,其他系統調試完成,且鉆孔部位及角度確認無誤后,進行開孔鉆進。開孔鉆進時,鉆速不宜過大,同時應配合開孔扶正器一起工作,以確保開孔精度。開孔時鉆壓50 k N,開孔深度達到3 m后,將開孔鉆桿提出并更換成加了斜向器的穩定鉆桿。在60 h的作業時間后,導孔鉆透,導孔共鉆進61．45 m。平均鉆進速度為1．0 m/h,在鉆進24 h后鉆進速度達到最大值2 m/h,原因是鉆進到軟巖層時鉆進進度明顯提高,達到21 m/d。當鉆桿剛進入軟巖時與離開軟巖時有線測斜儀都表明導孔偏斜在允許范圍內。最終成孔井深61．45 m,偏斜角度為0．536°,可見導孔偏斜控制技術的應用能確保工程質量合格。

3 結 論

(1)分析了導孔偏斜的主要原因,為防止導孔偏斜,有針對性地提出了穩定鉆桿導孔偏斜控制技術,在導孔施工過程中,開孔3 m后即換用穩定鉆桿。穩定鉆桿的數量需要根據現場實際情況選用,過多容易卡鉆。

(2)在常規鉆桿中,接入由有線側斜儀及鉆具動力源組成的斜向器。改進成可以實時反映導孔的傾斜角度,并能進行偏斜糾正的新型鉆桿。改進后的鉆桿可以有效控制導孔鉆進的軌跡,達到導孔精度要求。

(3)工程實踐表明,在使用多種方法控制導孔開挖的精度后,導孔精度能達到工程要求。