反井鉆機(jī)導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)分析與應(yīng)用?

呂明偉,鐘 文,月福財

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

0 前 言

反井鉆井法是將鉆機(jī)安裝在天井的上水平巷道或地表,并首先自上而下鉆導(dǎo)孔,導(dǎo)孔鉆透后,裝上擴(kuò)孔鉆頭,自下而上擴(kuò)孔,直至擴(kuò)孔鉆頭穿透上水平巷道及達(dá)到設(shè)計天井?dāng)嗝鎇1-3],從而達(dá)到一次成井的目的。

隨著裝備技術(shù)的發(fā)展,反井鉆進(jìn)技術(shù)已大規(guī)模運(yùn)用于我國煤礦、金屬礦山、水利水電等領(lǐng)域[4-5]。反井法的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)孔精度控制著擴(kuò)孔井的精度[6-8],以往的學(xué)者[9-10]對于導(dǎo)孔偏斜的研究,大部分都是一種定性描述,嚴(yán)重制約導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)的發(fā)展。本文分析了影響導(dǎo)孔偏斜的主要原因,并提出了相應(yīng)的控制技術(shù),現(xiàn)場工程實(shí)踐表明,導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)對導(dǎo)孔精度控制起重大作用,為反井法導(dǎo)孔施工的控制提供了新的思路。

1 反井導(dǎo)孔偏斜原因分析

反井鉆機(jī)鉆孔施工經(jīng)常會出現(xiàn)不同程度的偏斜(尤其是深孔)當(dāng)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(shè)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(shè)計間距,會使儲量降級。或者鉆孔未達(dá)到設(shè)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(nèi)事故,加劇鉆桿磨損。

1．1 巖層傾角和非均質(zhì)性對導(dǎo)孔偏斜的影響

地下巖層因地質(zhì)構(gòu)造的原因具有不同的傾角,學(xué)者們普遍認(rèn)為巖層傾角對于導(dǎo)孔鉆進(jìn)時的偏斜有較大的影響[11-12]。在傾斜巖層間進(jìn)行開孔鉆進(jìn)時,鉆頭沿垂直方向鉆進(jìn),同一巖層因?yàn)閮A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(chǎn)生很大的應(yīng)力,致使其快速破碎,這時巖層出現(xiàn)一小斜坡。同理,在鉆頭離開一個巖層而進(jìn)入下一巖層時,也會在巖層中出現(xiàn)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(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)孔偏斜。

圖1 傾斜巖層偏斜機(jī)理

巖層的各向異性,導(dǎo)致巖層之間的強(qiáng)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(cè)接觸到下一巖層硬巖時,右側(cè)還在軟巖中,左側(cè)硬巖可鉆性差,鉆頭鉆進(jìn)巖層少;右側(cè)軟巖可鉆性好,鉆頭鉆進(jìn)巖層多。左右兩側(cè)鉆進(jìn)巖層深度不一致,自然會導(dǎo)致導(dǎo)孔偏斜。同理可知,從硬巖到軟巖導(dǎo)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(jī)理

1．2 反井鉆機(jī)鉆具對導(dǎo)孔偏斜的影響

(1)根據(jù)反井鉆機(jī)鉆頭的特性,開挖導(dǎo)孔過程中,鉆孔推進(jìn)的軸壓較高,鉆具組合并非剛性,鉆桿在彎矩的作用下會產(chǎn)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(dāng)鉆壓沿著鉆桿軸線作用于鉆頭上時,可分解為鉆進(jìn)井孔的垂直分力和切削側(cè)壁的水平分力[15-18]。水平分力在擴(kuò)刷井壁的同時會帶動鉆具往力的方向偏移,造成導(dǎo)孔偏斜(見圖3)。

圖3 牙輪鉆頭鉆進(jìn)受力分析

(2)在導(dǎo)孔開挖過程中,反井鉆具所受的力十分復(fù)雜,在拉、扭、彎等交變荷載的復(fù)合作用下,鉆桿產(chǎn)生多種形式的振動[19-22],一旦發(fā)生共振現(xiàn)象容易導(dǎo)致鉆桿失效,在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中鉆桿失效往往意味著鉆進(jìn)的導(dǎo)孔將發(fā)生較大的偏斜,進(jìn)而拖延工程進(jìn)度和造成經(jīng)濟(jì)損失。在實(shí)際工程實(shí)踐中可以計算出鉆具扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率,以防止出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

1．3 其他因素對導(dǎo)孔偏斜的影響

(1)鉆進(jìn)時鉆壓、鉆速、主副泵壓力等參數(shù)的選擇不合適。鉆壓小,鉆速慢時,鉆具系統(tǒng)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(dǎo)孔偏斜。

(2)安裝鉆機(jī)時,未將鉆機(jī)定位牢靠;鉆井時,鉆具受力復(fù)雜,在拉力和扭矩的作用下,鉆機(jī)機(jī)身出現(xiàn)搖動現(xiàn)象,造成鉆孔位移而產(chǎn)生偏斜。

(3)導(dǎo)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(dāng)鉆機(jī)安裝、開孔測量放樣不精確時,開孔將嚴(yán)重偏移預(yù)定位置,造成導(dǎo)孔偏斜。

(4)導(dǎo)孔鉆進(jìn)時,因?qū)Э状怪笨缍却?容易遇到不良地質(zhì)結(jié)構(gòu),不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)對導(dǎo)孔偏斜會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如鉆桿遇軟巖及破碎帶巖層時,在鉆壓的作用下,導(dǎo)孔容易偏離設(shè)計軸線,造成導(dǎo)孔偏斜。

(5)導(dǎo)孔鉆進(jìn)的過程歷時長,控制精度要求高,鉆機(jī)操作人員經(jīng)驗(yàn)不足將會導(dǎo)致突發(fā)狀況發(fā)生時應(yīng)對不及時,造成導(dǎo)孔精度不足。如有經(jīng)驗(yàn)的司機(jī)可以根據(jù)鉆進(jìn)時鉆機(jī)的速度、聲音、洗液井反液情況來判斷鉆機(jī)的工作狀況,一旦鉆機(jī)工作狀況異常時,可以通過調(diào)整鉆機(jī)參數(shù)來降低導(dǎo)孔發(fā)生偏斜的可能性。

2 反井導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)與工程實(shí)踐

2．1 配置穩(wěn)定鉆桿及設(shè)計糾偏系統(tǒng)

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

(1)配置穩(wěn)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(wěn)定鉆桿應(yīng)與鉆頭同軸。當(dāng)選用導(dǎo)孔鉆頭直徑為Φ216 mm的反井鉆機(jī)時,穩(wěn)定鉆桿與反井鉆機(jī)其它鉆桿(外徑為Φ182 mm)長度相同,是在其它鉆桿的基礎(chǔ)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(wěn)定鉆桿外徑為Φ210 mm,比導(dǎo)孔鉆頭直徑小6 mm,比其它鉆桿外徑大28 mm,以保證導(dǎo)孔鉆進(jìn)不偏離。

(2)為了減小卡鉆的概率,在配置穩(wěn)定鉆桿時新老對應(yīng),即新鉆頭配新鉆桿,舊鉆頭配舊鉆桿。當(dāng)穩(wěn)定鉆桿磨損至直徑小于標(biāo)準(zhǔn)孔直徑10 mm時更換新鉆桿。

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

配置穩(wěn)定鉆桿能大幅度降低導(dǎo)孔偏斜的發(fā)生,但是由于穩(wěn)定鉆桿的磨損不能及時、精確地發(fā)現(xiàn),故而導(dǎo)孔開挖時依然面臨著偏斜的較大可能性。為了及時反映導(dǎo)孔的偏斜情況,對反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆桿進(jìn)行如圖4所示的組合。在常規(guī)鉆桿中,接入由有線側(cè)斜儀及鉆具動力源組成的斜向器。在導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中有線側(cè)斜儀能實(shí)時反映導(dǎo)孔的傾斜角度,當(dāng)導(dǎo)孔偏斜過大時,可以配合井下動力馬達(dá)進(jìn)行偏斜糾正。

圖4 改進(jìn)鉆具

2．2 選擇合理的參數(shù)

鉆桿具有一定的撓度,在鉆進(jìn)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(jìn)度的重要途徑。地層條件,鉆進(jìn)部位等因素影響鉆進(jìn)參數(shù)的選擇,通過工程實(shí)踐,鉆壓和鉆速的選擇見表1,在施工時可根據(jù)不同的地層情況適當(dāng)調(diào)整。

表1 導(dǎo)孔鉆進(jìn)參數(shù)選擇

2．3 其他方法控制導(dǎo)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(jī)機(jī)身時利用水平尺和鉛垂球測量機(jī)身,將底座上螺孔加工成條型孔以方便調(diào)節(jié)鉆機(jī)位置,當(dāng)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(jī)。

(2)由于導(dǎo)孔在鉆進(jìn)過程中,鉆桿遇軟巖會發(fā)生偏斜。容易導(dǎo)致造孔偏離原設(shè)計軸線,可通過灌漿手段固孔后保證造孔精度。利用灌漿設(shè)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(zhì)段進(jìn)行固孔。

2．4 工程應(yīng)用實(shí)踐

江西漂塘鎢業(yè)漂塘礦區(qū)388中段13線~17線間采準(zhǔn)天井采用反井法施工,導(dǎo)孔鉆頭直徑Φ250 mm,擴(kuò)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(zhì)構(gòu)造,圍巖較堅硬、穩(wěn)固。

待主機(jī)、油泵及操作系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒,其他系統(tǒng)調(diào)試完成,且鉆孔部位及角度確認(rèn)無誤后,進(jìn)行開孔鉆進(jìn)。開孔鉆進(jìn)時,鉆速不宜過大,同時應(yīng)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(dá)到3 m后,將開孔鉆桿提出并更換成加了斜向器的穩(wěn)定鉆桿。在60 h的作業(yè)時間后,導(dǎo)孔鉆透,導(dǎo)孔共鉆進(jìn)61．45 m。平均鉆進(jìn)速度為1．0 m/h,在鉆進(jìn)24 h后鉆進(jìn)速度達(dá)到最大值2 m/h,原因是鉆進(jìn)到軟巖層時鉆進(jìn)進(jìn)度明顯提高,達(dá)到21 m/d。當(dāng)鉆桿剛進(jìn)入軟巖時與離開軟巖時有線測斜儀都表明導(dǎo)孔偏斜在允許范圍內(nèi)。最終成孔井深61．45 m,偏斜角度為0．536°,可見導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)的應(yīng)用能確保工程質(zhì)量合格。

3 結(jié) 論

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

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

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