基于砂泥巖地層采空區(qū)鉆孔偏斜率的統(tǒng)計研究

黨東生

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

1 概述

在鉆探工程中，鉆孔偏斜普遍存在，特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下的深孔鉆探中，鉆孔偏斜更加嚴(yán)重。而鉆孔能否達(dá)到目標(biāo)預(yù)定區(qū)域?qū)こ痰某蓴∑鸬疥P(guān)鍵性的作用。鉆孔偏斜率的影響因素很多，不同條件下的鉆孔偏斜率不盡相同。本文結(jié)合工程實(shí)例，對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計計算分析，得出不同深度鉆孔的鉆孔偏斜率均值，其反映了此類設(shè)備在該類地層中的社會正常鉆探水平；并通過分析不同區(qū)段鉆孔偏斜率進(jìn)而推斷地層特征及其擾動情況。其可為類似工程活動提供一定的參考依據(jù)和工程借鑒。

2 計算原理

鉆孔在鉆進(jìn)過程中的實(shí)際運(yùn)動軌跡是一個三維曲線。鉆探過程中一般采用測斜儀沿鉆孔軌跡等間距測量。測斜儀每次可直接測量得到測點(diǎn)處的偏斜角和偏斜方位角，每個點(diǎn)的數(shù)值反映該測點(diǎn)距離上下測程之半范圍，也就是代表該點(diǎn)上下之半點(diǎn)距的鉆孔傾斜趨勢。

根據(jù)直接測量成果可計算出當(dāng)前鉆進(jìn)深度處鉆孔鉛垂投影長度（即孔底實(shí)際高程）和鉆孔水平投影長度（孔底落點(diǎn)相對孔口的偏移距離），進(jìn)而計算出鉆孔偏斜率。

對鉆孔偏斜率的計算，一般采用解析幾何法，假設(shè)鉆孔每個測點(diǎn)之間（第一個測點(diǎn)與孔口）的軌跡為直線。

測點(diǎn)在東西方向上的偏距為：

測點(diǎn)在南北方向上的偏距為：

yi=li·sinθi·cosαi

測點(diǎn)相對孔口的偏距為：

同理，得鉆孔鉛垂投影長度為：

則，某測點(diǎn)處鉆孔偏斜率：

式中：li——測點(diǎn)與上一個測點(diǎn)（孔口與第一個測點(diǎn)）之間的連線；

θi——測點(diǎn)測量偏斜角；

αi——測點(diǎn)測量偏斜方位角。

3 工程實(shí)例

3.1 項目概況

某采空區(qū)治理項目，條帶式開采，有兩個采區(qū)，開采寬度50m，長度分別200m 和500m。采空區(qū)處于非充分采動、不充分垮落、全部充水狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)部仍存在較大空間或裂隙。

注漿鉆孔沿采區(qū)長度布置，鉆孔間距15m。鉆孔結(jié)構(gòu)：開孔孔徑150mm，終孔孔徑不小于91mm，變徑位置：鉆進(jìn)至基巖20m，鉆孔孔深：以設(shè)計孔深作為控制，且應(yīng)進(jìn)入采空區(qū)（或煤層）底板不小于3m。

采空區(qū)平均埋深538.8m，覆蓋層平均厚度256.8m，基巖平均厚度274.9m，采厚2.8m，采空區(qū)地下水平均埋深455.7m，水位平均高程-417.37m。

項目區(qū)域地層由上至下主要為：

（1）第四系（Q）：該層包括更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。主要由粘土、砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)砂、砂及砂礫層組成，屬河、湖相沉積。平均厚度256.78m。

（2）上二疊統(tǒng)上石盒子組（P2sh1）：主要由黃綠、灰、紫紅等雜色泥巖、粉砂巖及灰綠色砂巖組成，屬干熱條件下的河流、湖泊相沉積。該層平均厚度190.7m，泥巖占50%以上，與下石盒子組呈整合接觸。

（3）下二疊統(tǒng)下石盒子組（P1sh1）：主要由黃綠、灰綠、灰、紫等雜色泥巖、粉砂巖、灰綠色砂巖組成，屬干熱條件下的河流、湖泊相沉積，以本組底部為一層不穩(wěn)定的中粗粒砂巖與下伏山西組地層呈整合接觸。該層平均厚度56.12m。

（4）下二疊統(tǒng)山西組（P1s）：主要由淺灰、灰白及灰綠色砂巖，深灰、灰黑色粉砂巖，泥巖及煤層組成，該層平均厚52.37m，未穿透。

根據(jù)項目區(qū)巖土體工程地質(zhì)特征及成因，可將其劃分為三大巖類、五大巖層組，其巖土性質(zhì)如表1所示。

表1 巖（土）體工程地質(zhì)分類表

3.2 鉆探及測量設(shè)備

（1）鉆探設(shè)備。項目鉆孔實(shí)施設(shè)備選用TXB-1600 型鉆機(jī)和TXJ-1600 型鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，總計20 臺鉆機(jī)，每臺鉆機(jī)主要崗位人員均配備具有多年從業(yè)經(jīng)歷，經(jīng)驗(yàn)豐富的老技術(shù)工人。

（2）測斜設(shè)備。測斜儀選用上海力擎地質(zhì)儀器有限公司KXP-3D 型數(shù)字羅盤測斜儀，如圖1 所示。其偏斜方位角分辨率為0.1°，偏斜角分辨率為0.01°，儀器適用于直徑大于?46mm 的非磁性巖層和礦層鉆孔內(nèi)測斜。

儀器通過無線手持設(shè)備測量探棒在鉆孔內(nèi)任意位置的測斜數(shù)據(jù)。儀器結(jié)構(gòu)利用鉛垂和大地磁場方法分別測量鉆孔的偏斜角與偏斜方位角。儀器共分兩部分，井上地面控制儀和井下測斜儀探管，其工作原理是利用平衡電橋測量電路。

3.3 測斜成果計算與分析

項目所有實(shí)施鉆孔均超過500m，實(shí)施過程中，開孔后每百米測斜一次，測至終孔，測斜位置分別為100m、200m、300m、400m、500m 及終孔深度。每次測量可直接測得鉆孔的偏斜角θ和偏斜方位角α。依據(jù)測量成果及第2節(jié)計算原理計算鉆孔偏斜率。

據(jù)現(xiàn)場測量，取18#鉆孔作為算例，其100m 處，測量偏斜角0.3°，偏斜方位角87°；200m 處，偏斜角0.4°，偏斜方位角88°；300m 處，偏斜角1.3°，偏斜方位角17.6°；400m處，偏斜角0.5°，偏斜方位角31°；500m處，偏斜角1°，偏斜方位角10.5°；543.5m處（終孔深度），偏斜角1.8°，偏斜方位角13°。依據(jù)測斜成果，列表計算得出18#鉆 孔 在100m、200m、300m、400m、500m 及543.5m 處（終孔深度）的鉆孔偏斜率分別為0.52%、0.61%、0.97%、0.95%、1.08%、1.24%，其如表2所示。

表2 18#鉆孔測試數(shù)據(jù)計算表

在巖土工程參數(shù)統(tǒng)計中，算數(shù)平均值可以作為某批數(shù)據(jù)的典型代表，用于反映資料分布的集中情況或中心趨勢。故本次數(shù)據(jù)統(tǒng)計以算數(shù)平均值作為統(tǒng)計對象。

本次研究應(yīng)用項目實(shí)施過程中采集的84個鉆孔的測斜數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算出其在100m、200m、300、400m、500m及終孔深度處的鉆孔偏斜率均值，即100m處鉆孔偏斜率均值為0.60%；200m 處鉆孔偏斜率均值為0.73%；300m處鉆孔偏斜率均值為0.89%；400m處鉆孔偏斜率均值為0.98%；500m 處鉆孔偏斜率均值為1.21%，終孔深度543.5m處鉆孔偏斜率為1.36%。其曲線走勢如圖2所示。

為便于對比特別定義鉆孔偏斜率變化率，其定義為后一測段與前一測段鉆孔平均偏斜率每米的變化值。故計算出每一測量回次的平均鉆孔偏斜率變化，如表3所示。

表3 平均鉆孔偏斜率隨深度的變化率

據(jù)表3，統(tǒng)計平均鉆孔偏斜率在0～549m內(nèi)隨鉆孔深度呈正增長，其變化率在0～100m范圍內(nèi)增幅最大，1000～400m 范圍內(nèi)波動增長，但其變化率相對較?。辉?00m至終孔范圍內(nèi)變化率相對突然增大。

4 結(jié)論

（1）砂泥巖地區(qū)，相似條件下采空區(qū)鉆孔，0～100m 范圍內(nèi)鉆孔偏斜率均值為0.60%；0～200m 范圍內(nèi)鉆孔偏斜率均值為0.73%；0～300m范圍內(nèi)鉆孔偏斜率均值為0.89%；0～400m 范圍內(nèi)孔偏斜率均值為0.98%；0～500m 范圍內(nèi)鉆孔偏斜率均值為1.21%；0～549m范圍內(nèi)鉆孔偏斜率均值為1.36%。以上數(shù)值可以作為此類地層采空區(qū)鉆孔偏斜率的控制參考值。

（2）實(shí)測范圍內(nèi)，鉆孔偏斜率隨鉆孔深度的增加而逐漸增大，但在不同的段位其鉆孔偏斜率變化率明顯不同。

（3）0～100m 范圍內(nèi)，鉆孔偏斜率增速較大，分析其原因，一是100m 范圍內(nèi)地層松散，導(dǎo)致鉆孔偏斜率較大；二是100m范圍內(nèi)鉆桿配重較輕。

（4）100～400m范圍內(nèi)鉆孔偏斜率變化率較小，基本穩(wěn)定。該范圍內(nèi)地層相對比較穩(wěn)定，受外界擾動較小。

（5）400m 至終孔，鉆孔偏斜率變化率突然增大。結(jié)合地層綜合分析，其原因?yàn)?00m至終孔范圍內(nèi)由于受采空區(qū)影響，巖層破碎，導(dǎo)致鉆孔偏斜率增速較大。