仰角穿軟巖層施工高壓探放水鉆孔成孔可行性分析

陳領(lǐng)

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(diǎn)，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(jìn)行論述。

1 穿軟巖層施工鉆施工情況

通過現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)收集，以水介質(zhì)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(nèi)出現(xiàn)2m以上堅硬砂巖時，此段孔內(nèi)返渣比較順暢。如前段巖層較軟，50～150m段內(nèi)出現(xiàn)2m以上堅硬砂巖層，此時孔內(nèi)有時會出現(xiàn)返渣不暢抱鉆現(xiàn)場。如前段巖層較軟，150～200m段出現(xiàn)2m以上堅硬砂巖層時多數(shù)會出現(xiàn)孔內(nèi)返渣不暢抱鉆情況。如0-200m段內(nèi)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(xiàn)返渣不暢抱鉆情況，其余孔深段孔內(nèi)多數(shù)返渣順暢，且仰角角度越大返渣效果越好。鉆孔鉆進(jìn)后期段時間越長越易出現(xiàn)抱鉆返渣不暢情況[1]。

俯角時，0～100m內(nèi)出現(xiàn)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(nèi)出現(xiàn)2m以上堅硬砂巖層多數(shù)會出現(xiàn)孔內(nèi)返渣不暢抱鉆情況。如前段巖層較軟，150～200m段出現(xiàn)2m以上堅硬砂巖層時基本會出現(xiàn)孔內(nèi)返渣不暢抱鉆情況。如0～200m段內(nèi)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(xiàn)返渣不暢抱鉆情況，其余孔深段孔內(nèi)多數(shù)返渣順暢。然而，鉆孔鉆進(jìn)后期段時間越長越易出現(xiàn)抱鉆返渣不暢情況。

2 軟巖層穿堅硬砂巖層段孔內(nèi)出現(xiàn)返渣不暢與抱鉆的成因

經(jīng)過長期現(xiàn)場施工資料收集及成孔后孔內(nèi)軌跡分析，我們發(fā)現(xiàn)在鉆進(jìn)采用φ73mm寬葉片鉆桿施工時，孔內(nèi)如未遇見堅硬類砂巖層時，200m左右深度鉆孔，除孔內(nèi)穿煤層段或穿煤層較厚會有時出現(xiàn)返渣不暢抱鉆情況，多數(shù)孔內(nèi)施工較順暢，若鉆孔鉆進(jìn)后期段時間越長越易出現(xiàn)抱鉆返渣不暢情況。如200m左右深度鉆孔，孔內(nèi)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(nèi)順暢，推進(jìn)壓力后，隨著穿堅硬砂巖時間的增加，孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)壓力會跳動式增加且排渣不暢。

2.1 鉆具在孔內(nèi)受力情況分析

2.1.1 鉆桿受力分析

因鉆桿本身具有質(zhì)量。隨著孔內(nèi)鉆桿的不斷增加，當(dāng)孔內(nèi)單位長度的鉆桿靜止?fàn)顟B(tài)不施加推力鉆機(jī)鎖固靜止時受力情況如何呢？

圖1 鉆機(jī)鎖固靜止?fàn)顟B(tài)受力情況

通過該狀態(tài)下受力分，可以看出，仰角施工時在不施加推力鉆機(jī)鎖固靜止時，由于鉆桿自身質(zhì)量會產(chǎn)生一個垂直向下和水平向右的分力。經(jīng)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(zhì)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(shè)孔內(nèi)光滑、鉆桿強(qiáng)度足夠大，不會因受力后產(chǎn)生變形彎曲，則當(dāng)推進(jìn)壓力施加超過G鉆桿×g/sinθ時，壓力通過鉆桿傳導(dǎo)至鉆頭，并對巖面產(chǎn)生壓力。因鉆頭質(zhì)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(jìn)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(nèi)鉆頭施加的壓力，與孔內(nèi)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(jī)推力F推=πr2P。π=圓周率，r=推進(jìn)油缸半徑，P=推進(jìn)壓強(qiáng)）。

2.1.3 仰角軟巖鉆進(jìn)時孔內(nèi)鉆具向下偏斜

因?yàn)殂@桿自身具有質(zhì)量，在不斷連接加尺的過程，孔內(nèi)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(nèi)鉆桿直徑大，鉆頭在因自重發(fā)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(nèi)巖層較軟鉆進(jìn)時，鉆頭切割破壞該層位巖壁所需要的力會相應(yīng)較小，鉆頭會受到鉆桿傳遞的推進(jìn)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(jìn)行切割破壞巖壁。由此造成孔內(nèi)軟巖鉆進(jìn)時發(fā)生向下彎曲弧形[2]。

2.1.4 仰角鉆機(jī)時遇堅硬砂巖層鉆具會發(fā)生上揚(yáng)現(xiàn)象

圖2 硬砂巖層鉆具會發(fā)生上揚(yáng)現(xiàn)象

正常鉆進(jìn)遇堅硬巖砂巖層時，鉆頭的一側(cè)會首先與堅硬砂巖層進(jìn)行接觸，另一側(cè)仍會在軟巖層中。由于鉆頭鉆進(jìn)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(jī)操作人員在感知鉆進(jìn)受阻，較小的推進(jìn)壓力下無法鉆進(jìn)，會操作鉆進(jìn)對孔內(nèi)施加更大的推進(jìn)壓力，這樣就會使鉆頭與硬度較小一側(cè)接觸的巖面首先被切割破壞，迫使鉆頭上揚(yáng)，上揚(yáng)的鉆頭會在鉆桿金屬彈性變形允許弧度內(nèi)，整體帶動孔內(nèi)鉆具形成一個上揚(yáng)的弧度。鉆孔在與砂巖后有一個明顯的上揚(yáng)情況。

2.1.5 鉆孔上揚(yáng)或長時間磨孔破壞成孔，增加排渣量

在收集現(xiàn)場施工資料時，發(fā)現(xiàn)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(zhì)排渣的方式鉆進(jìn)。

圖3 鉆孔內(nèi)上揚(yáng)前后變化

分析會發(fā)現(xiàn)，在采用該類寬葉片鉆桿鉆進(jìn)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(jìn)時，若成孔時間短，成孔后測斜多數(shù)孔內(nèi)情況向下彎曲。若軟巖鉆進(jìn)成孔時間太長，在鉆桿不斷刮動孔內(nèi)巖壁情況下，孔壁會刮出凹槽，凹槽出現(xiàn)后相應(yīng)減小孔內(nèi)排渣介質(zhì)壓力，降低排渣能力，由此往往會造成孔內(nèi)埋鉆情況。

同樣，孔內(nèi)采用寬葉片鉆進(jìn)時，先在軟巖層施工，鉆進(jìn)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(jìn)過程所形成的“鼓背”，會隨著接觸堅硬砂巖層鉆進(jìn)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(nèi)壁磨損增加了孔內(nèi)出渣量，又由于孔內(nèi)磨損的情況增大了孔內(nèi)出渣面積，降低了排渣介子壓力，減弱排渣能力，孔內(nèi)大量巖粉包裹鉆桿，出現(xiàn)抱鉆現(xiàn)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(biāo)層位孔內(nèi)出水，在采用上面施工配套鉆具，孔內(nèi)在出水前已經(jīng)不是單純一條線。而是在磨損前后、新老鉆進(jìn)軌跡中是個彎曲變化的弧形。當(dāng)孔內(nèi)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(yīng)發(fā)生膨脹變化，如在某一時刻，孔內(nèi)膨脹坍塌的巖壁堵住出水通道，又會對孔內(nèi)形成一次更加強(qiáng)烈的轟擊沖刷。強(qiáng)烈的堵孔轟擊沖刷會加大孔內(nèi)巖壁垮落，并形成堵孔。堵孔后，在孔內(nèi)高壓水壓力作用和水沿堵孔裂隙滲透作用下，孔內(nèi)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(nèi)堵實(shí)或完全失控。

以上仰角施工的高壓探放水鉆孔，由孔內(nèi)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(guān)聯(lián)的過程。如施工成孔較好，孔內(nèi)施工后為流暢線型，未有凹槽等現(xiàn)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(nèi)保護(hù)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(jìn)

4.1 軟巖層鉆進(jìn)時鉆頭端安裝導(dǎo)向，降低切割段側(cè)向受力

從孔內(nèi)鉆機(jī)受力情況分析，仰角鉆進(jìn)時鉆頭會受到鉆桿傳導(dǎo)的推進(jìn)力和鉆頭鉆桿質(zhì)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(fù)合片有外側(cè)凸起，垂直向下的側(cè)應(yīng)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(jìn)行切割運(yùn)動趨勢。如帶導(dǎo)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(yīng)力，減小軟巖層仰角鉆進(jìn)時向下彎曲弧度。

4.2 仰角鉆進(jìn)時使用光面鉆桿，降低鉆桿在孔內(nèi)刮動切割

寬葉片鉆桿，因其特有的螺紋構(gòu)造，有助于孔內(nèi)巖粉向外排出。但是，在這種鉆桿至于軟巖層內(nèi)時，其螺紋會在作用力下切割破壞孔壁。在相應(yīng)深度的情況下，螺紋對孔壁的破壞情況會隨著鉆進(jìn)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?yàn)樵撎庛@桿側(cè)向彎曲應(yīng)力集中，鉆桿對孔壁切割破壞更為嚴(yán)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(nèi)鉆桿在受力情況不改變情況下，鉆桿對孔壁因?yàn)闆]有螺紋刮動現(xiàn)象，而是巖孔壁進(jìn)行滑動，這樣就大大降低了鉆桿對孔內(nèi)巖壁的破壞。

在進(jìn)行該類鉆孔施工時，若鉆頭使用φ94mm三翼鉆頭，應(yīng)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(dǎo)向（如采用螺紋寬葉片加粗導(dǎo)向，螺紋間距可控制在30-50mm，鉆頭與導(dǎo)向間差控制在2mm）可有效減小軟巖段鉆進(jìn)時孔內(nèi)向下彎曲偏斜。另，在使用配套光面鉆桿時，當(dāng)孔內(nèi)施工至堅硬砂巖段時，孔內(nèi)推進(jìn)壓力增加和鉆進(jìn)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(nèi)彎曲度較小，孔壁較為完整，在出現(xiàn)砂巖出水時才可有效增加孔內(nèi)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(yīng)沖刷現(xiàn)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(nèi)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(dá)到需求服役期，應(yīng)在鉆孔成孔后或在進(jìn)入含水目標(biāo)砂巖層前進(jìn)行護(hù)壁管下置。

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

圖4 孔內(nèi)最前端護(hù)壁管上安裝弧形凹頭，降低護(hù)管壁管直角卡在孔內(nèi)

6 結(jié)語

仰角施工高壓探放水孔，通過分析鉆具孔內(nèi)受力情況，結(jié)合鉆具在軟巖層段的施工的特性，確定孔內(nèi)鉆具保直、避免成孔前的孔壁破壞，可有效確保護(hù)壁管的下置。當(dāng)將軟巖層段進(jìn)行護(hù)壁管下置后，才可有效避免放水期間塌孔，堵孔現(xiàn)象，進(jìn)而使之放水過程長期有效。