地質(zhì)鉆探鉆孔彎曲預(yù)防措施

李 立

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)學(xué)院)

地質(zhì)鉆探鉆孔彎曲預(yù)防措施

李 立

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院地質(zhì)學(xué)院)

鉆探施工中鉆孔偏斜是一類(lèi)常見(jiàn)事故，對(duì)此，通過(guò)分析鉆孔偏斜的原因和規(guī)律，分別從地質(zhì)因素控制、工藝因素控制以及技術(shù)因素控制等方面討論了預(yù)防鉆孔偏斜的主要措施，為確保鉆探施工順利進(jìn)行提供參考。

鉆探施工 鉆孔偏斜 地質(zhì)因素 工藝因素 技術(shù)因素 措施

在鉆探施工過(guò)程中，由于各種因素的影響，使得實(shí)際鉆孔軸線偏離設(shè)計(jì)鉆孔軸線，即發(fā)生鉆孔彎曲，鉆孔彎曲程度是判斷鉆探工程質(zhì)量?jī)?yōu)劣的重要指標(biāo)之一。由于鉆孔彎曲，給地質(zhì)結(jié)果和鉆井施工都帶來(lái)不利影響：對(duì)于地質(zhì)成果來(lái)說(shuō)，由于靶點(diǎn)位置偏離，易造成礦體產(chǎn)狀不明、礦體丟失、地質(zhì)構(gòu)造不清等，從而增加了礦體評(píng)價(jià)、地質(zhì)構(gòu)造判斷以及儲(chǔ)量計(jì)算的難度；對(duì)于鉆井探施工來(lái)說(shuō)，由于鉆孔彎曲，使得孔壁與鉆具摩擦加重，易導(dǎo)致鉆具起降困難、鉆桿折斷事故增加，降低鉆進(jìn)效率[1-2]。在鉆探過(guò)程中，鉆孔發(fā)生彎曲是常見(jiàn)現(xiàn)象，就目前技術(shù)水平而言，彎曲控制鉆孔彎曲難度較大，但可通過(guò)采取一定的技術(shù)措施，將鉆孔彎曲程度控制在合理的范圍之內(nèi)。

1 鉆孔彎曲的條件和原因

1.1 鉆孔彎曲的條件

(1)孔壁間隙。在鉆進(jìn)過(guò)程中，為了保證鉆井液能夠順利攜帶巖屑，鉆頭直徑必須大于粗徑鉆具直徑，同時(shí)還需要進(jìn)行擴(kuò)壁，因而孔壁間隙是客觀存在的。

(2)具備偏倒或彎曲的力，為彎曲偏離形成動(dòng)力。在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具較長(zhǎng)，直徑較小，可將其視為一細(xì)長(zhǎng)柔性桿件，不論以何種形式對(duì)鉆頭施加軸向壓力，都會(huì)導(dǎo)致粗徑鉆具傾倒或彎曲。

(3)鉆具偏倒或彎曲的方向穩(wěn)定?？妆陂g隙和粗徑鉆具的傾倒或彎曲力是客觀存在的，鉆孔最終是否會(huì)發(fā)生彎曲，主要取決于粗徑鉆具傾倒或彎曲的方向是否穩(wěn)定。在各向異性巖石鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆頭穿過(guò)層理面和片理面時(shí)，由于孔底和孔壁的不均勻破碎，使得孔底截面為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)軸趨于與層面仰起線方向一致，該橢圓具有導(dǎo)向作用。如果在穿過(guò)軟硬巖層界面時(shí)，由于孔底產(chǎn)生不同的阻力差，產(chǎn)生傾倒力矩，也會(huì)使得粗徑鉆具傾斜面穩(wěn)定在垂直于巖層走向的方向。

1.2 鉆孔彎曲原因

(1)地質(zhì)。當(dāng)鉆進(jìn)遇層角約45°時(shí)，巖層的各向異性系數(shù)越高，鉆孔偏斜彎曲則越大。在鉆進(jìn)軟硬交互巖層時(shí)，當(dāng)遇層角小于臨界值時(shí)，鉆孔以銳角從軟巖鉆入到硬巖，鉆孔則沿硬巖層面順層移動(dòng)，方位角變化較大且無(wú)規(guī)律；如果遇層角大于臨界值時(shí)，則鉆進(jìn)時(shí)鉆孔頂層進(jìn)，方位趨于與層面走向垂直。當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)鉆孔通過(guò)松散及非膠結(jié)巖層、大溶洞時(shí)，由于重力因素，使得鉆孔向垂直方向偏斜，孔身變得陡直；當(dāng)鉆進(jìn)時(shí)遇堅(jiān)硬包裹體時(shí)，鉆孔彎曲方向可以任意；鉆孔穿過(guò)大裂隙且與大裂隙交角較小時(shí)，孔身順裂隙面彎曲。

(2)工藝。不同鉆進(jìn)方法的碎巖特點(diǎn)各不相同，孔壁間隙也不一致。鉆壓過(guò)大、轉(zhuǎn)速過(guò)高、沖洗液量過(guò)大等都會(huì)造成不同程度的彎曲，造成鉆孔偏斜。

(3)技術(shù)。開(kāi)孔時(shí)由于鉆機(jī)安裝基礎(chǔ)面不平整，立軸安裝不合理，未下孔口管或孔口管方向不符合相關(guān)技術(shù)要求；鉆進(jìn)時(shí)鉆具的級(jí)配不合理，擴(kuò)孔換徑不合理，環(huán)狀間隙過(guò)大等都會(huì)引起鉆孔偏斜。

2 預(yù)防措施

2.1 地質(zhì)因素控制

2.1.1 移動(dòng)孔位法

移動(dòng)孔位法是根據(jù)鉆孔彎曲規(guī)律，首先預(yù)判鉆孔傾角是上漂或下垂、方位角是左偏或右偏，然后根據(jù)規(guī)律確定新孔位置。以傾角上漂(圖1)為例進(jìn)行說(shuō)明，步驟：①在勘探剖面線圖上作一直線，直線起點(diǎn)為設(shè)計(jì)開(kāi)孔點(diǎn)，終點(diǎn)為預(yù)測(cè)實(shí)際鉆孔終點(diǎn)；②平移該直線，終點(diǎn)為設(shè)計(jì)鉆孔終點(diǎn)，平移直線與地表相交的點(diǎn)即為新鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)；③若鉆孔傾角下漂或方位角左偏、右偏，移動(dòng)方向與偏移方向相反，則方法同上。

圖1 移動(dòng)孔位法

2.1.2 改變傾角、方位角法

一般來(lái)說(shuō)，鉆孔原始設(shè)計(jì)都給出鉆孔的傾角、方位角，當(dāng)原設(shè)計(jì)確定的傾角和方位角無(wú)法滿足見(jiàn)礦需求時(shí)，應(yīng)根據(jù)原鉆孔傾角上漂或下垂改變傾角或根據(jù)方位角左偏或右偏進(jìn)行扭轉(zhuǎn)安裝角。傾角和方位角變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 改變角度法

在采取上述措施改變?cè)O(shè)計(jì)達(dá)到見(jiàn)礦目的時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格遵守相應(yīng)規(guī)律，明確巖層傾角和巖性、地質(zhì)構(gòu)造情況，并及時(shí)進(jìn)行測(cè)斜工作，完成鉆孔連圖，確保可及時(shí)修改偏差糾斜。

2.1.3 特殊地層需注意事項(xiàng)

(1)在松散、水敏地層，應(yīng)優(yōu)先選用高品質(zhì)泥漿，減小泵量，以防沖大孔徑。

(2)在遇到溶洞時(shí)，首先應(yīng)判斷溶洞中是否有充填物，無(wú)充填物時(shí)，應(yīng)慢速將鉆具放至底部，測(cè)出溶洞高度；然后提升鉆具加上導(dǎo)正，小心鉆進(jìn)1 m左右，方可下套管處理，若有充填物時(shí)，需要加大沖洗液量，慢掃探底，測(cè)出高度，再進(jìn)行處理。

(3)在層理發(fā)育的巖層中鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)鉆孔方向垂直于層理面，鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)保持鉆孔鋒利，選用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。

(4)在破碎、裂隙發(fā)育地層中鉆進(jìn)，鉆進(jìn)的相關(guān)規(guī)程參數(shù)應(yīng)適當(dāng)較小。

2.2 鉆進(jìn)工藝因素控制

(1)在比較容易偏斜的地層鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)盡可能選用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

(2)選擇與地層、巖石物理力學(xué)性質(zhì)相匹配的鉆頭結(jié)構(gòu)，盡量使得鉆頭適應(yīng)地層。

(3)采用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，選擇合理的側(cè)刃，確保鉆探的穩(wěn)定性。

(4)鉆進(jìn)時(shí)采用防斜金剛石鉆頭，如采用平底尖環(huán)槽式孕鑲金剛石鉆頭或內(nèi)階梯式凹形表鑲金剛石鉆頭。

(5)根據(jù)地層和鉆具結(jié)構(gòu)等條件，合理選擇鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量，盡可能減小孔壁間隙減少，以提高鉆具在鉆進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性。

2.3 鉆進(jìn)技術(shù)因素控制

2.3.1 鉆前工作

(1)鉆機(jī)必須合格，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及給進(jìn)等各部分工作正常，變角機(jī)構(gòu)牢靠，鉆機(jī)滑軌和機(jī)器之間連接可靠。

(2)設(shè)備安裝必須穩(wěn)固準(zhǔn)確，必須確保地基穩(wěn)固、平整，塔上天輪邊緣、立軸中心、孔位應(yīng)在同一條直線上。傾斜鉆孔的定位時(shí)，立軸應(yīng)能夠準(zhǔn)確地固定于既定的傾角和方位上，鉆進(jìn)過(guò)程中必須定期檢查，隨時(shí)校正。

(3)開(kāi)孔時(shí)鉆具連應(yīng)平直，隨著鉆孔的延深應(yīng)及時(shí)加長(zhǎng)鉆具，孔口管應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的傾角和方位下入孔內(nèi)，上下固定，反之松動(dòng)。

2.3.2 鉆進(jìn)工作

(1)換徑前應(yīng)清除孔低殘留巖心，換徑時(shí)務(wù)必采用同心導(dǎo)向鉆具導(dǎo)向，導(dǎo)向管可適當(dāng)加長(zhǎng)，小徑鉆具應(yīng)逐次加長(zhǎng)，直至6 m以上方可去掉導(dǎo)向鉆具，換徑后立即進(jìn)行測(cè)斜工作。

(2)擴(kuò)徑時(shí)應(yīng)攜帶小徑導(dǎo)正鉆具并同心，應(yīng)確保足夠長(zhǎng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)地質(zhì)鉆探時(shí)鉆孔彎曲的現(xiàn)象，在分析鉆孔發(fā)生彎曲的條件和原因的基礎(chǔ)上，分別從鉆進(jìn)地質(zhì)因素控制、技術(shù)因素控制以及工藝因素控制等3個(gè)方面分析了預(yù)防鉆孔彎曲的措施，為確保地質(zhì)鉆探的順利進(jìn)行提供參考。

[1] 檀力峰.鉆孔垂直度影響因素的分析及預(yù)防措施[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(5)：172-174.

[2] 付龍劍.淺析礦山舊孔處理及鉆探施工工藝[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2014(4)：163-166.

2015-02-03)

李 立(1983—)，男，助理工程師，741025 甘肅省天水市麥積區(qū)花牛鎮(zhèn)廿鋪街18號(hào)。