仰角穿軟巖層施工高壓探放水鉆孔成孔可行性分析

陳領

中煤新集地勘公司 安徽淮南 232171

如何解決困擾該類鉆孔的施工難點，本文將分析該類鉆孔施工抱鉆、噴孔、堵孔成因，并探討行之有效的解決措施進行論述。

1 穿軟巖層施工鉆施工情況

通過現場施工數據收集，以水介質排渣φ73mm寬葉片鉆桿施工軟巖層穿砂巖鉆孔情況反饋如下。

仰角時，如砂巖層在孔深0～50m段內出現2m以上堅硬砂巖時，此段孔內返渣比較順暢。如前段巖層較軟，50～150m段內出現2m以上堅硬砂巖層，此時孔內有時會出現返渣不暢抱鉆現場。如前段巖層較軟，150～200m段出現2m以上堅硬砂巖層時多數會出現孔內返渣不暢抱鉆情況。如0-200m段內施工未見堅硬砂巖層，除在穿煤層段或穿煤層較厚有時會出現返渣不暢抱鉆情況，其余孔深段孔內多數返渣順暢，且仰角角度越大返渣效果越好。鉆孔鉆進后期段時間越長越易出現抱鉆返渣不暢情況[1]。

俯角時，0～100m內出現2m以上堅硬砂巖層時，返渣基本順暢。如前段巖層較軟，100～150m段內出現2m以上堅硬砂巖層多數會出現孔內返渣不暢抱鉆情況。如前段巖層較軟，150～200m段出現2m以上堅硬砂巖層時基本會出現孔內返渣不暢抱鉆情況。如0～200m段內施工未見堅硬砂巖層，除在穿煤層段或穿煤層較厚會有時出現返渣不暢抱鉆情況，其余孔深段孔內多數返渣順暢。然而，鉆孔鉆進后期段時間越長越易出現抱鉆返渣不暢情況。

2 軟巖層穿堅硬砂巖層段孔內出現返渣不暢與抱鉆的成因

經過長期現場施工資料收集及成孔后孔內軌跡分析，我們發現在鉆進采用φ73mm寬葉片鉆桿施工時，孔內如未遇見堅硬類砂巖層時，200m左右深度鉆孔，除孔內穿煤層段或穿煤層較厚會有時出現返渣不暢抱鉆情況，多數孔內施工較順暢，若鉆孔鉆進后期段時間越長越易出現抱鉆返渣不暢情況。如200m左右深度鉆孔，孔內遇見堅硬類砂巖層靠近孔深后段，在穿堅硬砂巖層段時，起初孔內順暢，推進壓力后，隨著穿堅硬砂巖時間的增加，孔內旋轉壓力會跳動式增加且排渣不暢。

2.1 鉆具在孔內受力情況分析

2.1.1 鉆桿受力分析

因鉆桿本身具有質量。隨著孔內鉆桿的不斷增加，當孔內單位長度的鉆桿靜止狀態不施加推力鉆機鎖固靜止時受力情況如何呢？

圖1 鉆機鎖固靜止狀態受力情況

通過該狀態下受力分，可以看出，仰角施工時在不施加推力鉆機鎖固靜止時，由于鉆桿自身質量會產生一個垂直向下和水平向右的分力。經過受力分析，可以得出垂直巖面的壓力為：F巖面=G鉆桿×g×cosθ，（其中G鉆桿=鉆桿質量、θ=仰角大小、g=重力加速度取g=9.8m/s2)。

2.1.2 鉆頭受力情況

假設孔內光滑、鉆桿強度足夠大，不會因受力后產生變形彎曲，則當推進壓力施加超過G鉆桿×g/sinθ時，壓力通過鉆桿傳導至鉆頭，并對巖面產生壓力。因鉆頭質量較小，在忽略其自重時，從受力方向來看，在仰角θ施工時，推進壓力大于鉆桿自重引起沿施工角度向下的分力（G鉆桿×g/sinθ）后，對孔內鉆頭施加的壓力，與孔內鉆頭遇到巖面阻力沿著該角度反方向的力是一對大小相等的作用力（其中鉆機推力F推=πr2P。π=圓周率，r=推進油缸半徑，P=推進壓強）。

2.1.3 仰角軟巖鉆進時孔內鉆具向下偏斜

因為鉆桿自身具有質量，在不斷連接加尺的過程，孔內鉆桿會向巖壁接觸面整體施加由自重引起的壓力F巖面=G鉆桿×g×cosθ。我們知道金屬材料在受力后會有沿受力方向的彈性彎曲變化，由于鉆頭的直徑比孔內鉆桿直徑大，鉆頭在因自重發生彎曲變化時會更先于與巖面接觸，因此所受到的自重引起垂直向下的壓力也會更大一些。

孔內巖層較軟鉆進時，鉆頭切割破壞該層位巖壁所需要的力會相應較小，鉆頭會受到鉆桿傳遞的推進壓力和鉆桿自重垂直向下兩個力的疊加作用，鉆頭會沿疊加力方向進行切割破壞巖壁。由此造成孔內軟巖鉆進時發生向下彎曲弧形[2]。

2.1.4 仰角鉆機時遇堅硬砂巖層鉆具會發生上揚現象

圖2 硬砂巖層鉆具會發生上揚現象

正常鉆進遇堅硬巖砂巖層時，鉆頭的一側會首先與堅硬砂巖層進行接觸，另一側仍會在軟巖層中。由于鉆頭鉆進時切割破壞堅硬砂巖，所需要的力會大于切割破壞軟巖層所需要的力，鉆頭與軟硬巖層接觸過程會有一個硬度間差。同時，鉆機操作人員在感知鉆進受阻，較小的推進壓力下無法鉆進，會操作鉆進對孔內施加更大的推進壓力，這樣就會使鉆頭與硬度較小一側接觸的巖面首先被切割破壞，迫使鉆頭上揚，上揚的鉆頭會在鉆桿金屬彈性變形允許弧度內，整體帶動孔內鉆具形成一個上揚的弧度。鉆孔在與砂巖后有一個明顯的上揚情況。

2.1.5 鉆孔上揚或長時間磨孔破壞成孔，增加排渣量

在收集現場施工資料時，發現施工該類探放水仰角鉆孔時，使用了φ94mm三翼無芯鉆頭，鉆桿為φ73mm寬葉片鉆桿并采用水介質排渣的方式鉆進。

圖3 鉆孔內上揚前后變化

分析會發現，在采用該類寬葉片鉆桿鉆進時，鉆桿葉片與軟巖層接觸后，在鉆桿自重F巖面壓力下，不斷刮動接觸面孔壁。軟巖鉆進時，若成孔時間短，成孔后測斜多數孔內情況向下彎曲。若軟巖鉆進成孔時間太長，在鉆桿不斷刮動孔內巖壁情況下，孔壁會刮出凹槽，凹槽出現后相應減小孔內排渣介質壓力，降低排渣能力，由此往往會造成孔內埋鉆情況。

同樣，孔內采用寬葉片鉆進時，先在軟巖層施工，鉆進至若干深度后遇堅硬砂巖層。堅硬砂巖層一方面會在軟硬接觸面改變成孔軌跡，一方面增加成孔時間。軟巖層鉆進過程所形成的“鼓背”，會隨著接觸堅硬砂巖層鉆進的厚度增加、施工時長的推移，逐漸磨去彎曲“鼓背”。不斷的孔內壁磨損增加了孔內出渣量，又由于孔內磨損的情況增大了孔內出渣面積，降低了排渣介子壓力，減弱排渣能力，孔內大量巖粉包裹鉆桿，出現抱鉆現象。

3 仰角孔成孔后堵孔、噴孔的成因

仰角施工砂巖水探放，一定伴隨著遇砂巖施工。在上文描述的，先軟巖后堅硬巖層，最后施工至目標層位孔內出水，在采用上面施工配套鉆具，孔內在出水前已經不是單純一條線。而是在磨損前后、新老鉆進軌跡中是個彎曲變化的弧形。當孔內出水，流淌的高壓水會不斷沖刷孔壁凹槽，且軟巖層泥巖、砂紙泥巖、煤等遇水后會相應發生膨脹變化，如在某一時刻，孔內膨脹坍塌的巖壁堵住出水通道，又會對孔內形成一次更加強烈的轟擊沖刷。強烈的堵孔轟擊沖刷會加大孔內巖壁垮落，并形成堵孔。堵孔后，在孔內高壓水壓力作用和水沿堵孔裂隙滲透作用下，孔內被重新重開形成噴孔。但沖刷的水流、垮落的孔壁、遇水膨脹的軟巖性依然存在，由此形成不斷堵孔、噴孔，直至孔內堵實或完全失控。

以上仰角施工的高壓探放水鉆孔，由孔內受力彎曲變化到孔壁磨損造成成孔后孔壁破壞，直至放水期間堵孔報廢，是一個因果關聯的過程。如施工成孔較好，孔內施工后為流暢線型，未有凹槽等現象，后期放水時水流與松軟巖壁接觸面會減少，軟巖遇水膨脹并堵孔的成因會大大減低[3]。因此，如控制好鉆孔成孔效果，及放水期間孔內保護將很大程度確保該類鉆孔施工效果。

4 減少施工過程孔壁破壞，確保成孔鉆進

4.1 軟巖層鉆進時鉆頭端安裝導向，降低切割段側向受力

從孔內鉆機受力情況分析，仰角鉆進時鉆頭會受到鉆桿傳導的推進力和鉆頭鉆桿質量引起垂直向下的力。若只采用φ94mm三翼無芯鉆頭配合φ73mm鉆桿，由于三翼復合片有外側凸起，垂直向下的側應力會比較集中在鉆頭與巖面接觸的翼臂上，鉆頭會以上文二者合力的方向進行切割運動趨勢。如帶導向施工，減小切割端鉆頭與鉆桿的間差，變相增加切割端與巖面的接觸面積，由此降低切割端垂直向下集中應力，減小軟巖層仰角鉆進時向下彎曲弧度。

4.2 仰角鉆進時使用光面鉆桿，降低鉆桿在孔內刮動切割

寬葉片鉆桿，因其特有的螺紋構造，有助于孔內巖粉向外排出。但是，在這種鉆桿至于軟巖層內時，其螺紋會在作用力下切割破壞孔壁。在相應深度的情況下，螺紋對孔壁的破壞情況會隨著鉆進時間增加而增加，同時，位于堅硬砂巖段下方層位的軟巖層，會因為該處鉆桿側向彎曲應力集中，鉆桿對孔壁切割破壞更為嚴重。仰角施工時用于巖粉在自重力作用下，會有向孔口處移動的趨力，尤其大角度施工時，排渣可不必過于依賴鉆桿螺紋。在此情況選用光面鉆桿，孔內鉆桿在受力情況不改變情況下，鉆桿對孔壁因為沒有螺紋刮動現象，而是巖孔壁進行滑動，這樣就大大降低了鉆桿對孔內巖壁的破壞。

在進行該類鉆孔施工時，若鉆頭使用φ94mm三翼鉆頭，應在鉆頭尾部連接一小段與鉆頭直徑間差較小的鉆桿作為導向（如采用螺紋寬葉片加粗導向，螺紋間距可控制在30-50mm，鉆頭與導向間差控制在2mm）可有效減小軟巖段鉆進時孔內向下彎曲偏斜。另，在使用配套光面鉆桿時，當孔內施工至堅硬砂巖段時，孔內推進壓力增加和鉆進時間的加長時，鉆桿對孔壁的刮動破壞也會大大降低。施工后，孔內彎曲度較小，孔壁較為完整，在出現砂巖出水時才可有效增加孔內放水服役時間。

5 放水期成孔管理

由于高壓水對孔壁有相應沖刷現象，且放水時對軟巖層的浸泡，會使其膨脹松垮。尤其小角度仰角放水孔，成孔放水一段時間也會因孔內軟巖浸泡膨脹垮落造成堵孔。為確保此類高壓放水孔起到有效放水效果，達到需求服役期，應在鉆孔成孔后或在進入含水目標砂巖層前進行護壁管下置。

為確保護壁管下置深度，可考慮在孔內最前端護壁管上安裝弧形凹頭，降低護管壁管直角卡在孔內。

圖4 孔內最前端護壁管上安裝弧形凹頭，降低護管壁管直角卡在孔內

6 結語

仰角施工高壓探放水孔，通過分析鉆具孔內受力情況，結合鉆具在軟巖層段的施工的特性，確定孔內鉆具保直、避免成孔前的孔壁破壞，可有效確保護壁管的下置。當將軟巖層段進行護壁管下置后，才可有效避免放水期間塌孔，堵孔現象，進而使之放水過程長期有效。