反井鉆進導孔偏斜控制技術(shù)研究

藍文浩

（中煤地質(zhì)集團有限公司，北京 100040）

反井鉆機施工的過程是先將反井鉆機安裝在上巷道中或地面,并自上向下鉆進,用少量清水或者泥漿制成的循環(huán)式洗井液,當導孔完全鉆透以后,在下巷道中將一個導孔鉆頭從一個鉆桿上卸下,安裝一個擴孔鉆頭,然后沿著導孔自下而上地進行擴孔鉆入,破碎巖石碎屑從工作面依靠自重降低至下水平,由裝載著的巖渣運送入下水平巷道,直到擴孔鉆頭再由上巷隧道透出,反井施工便告結(jié)束[1-6]。鉆孔精度直接影響工程質(zhì)量和成敗。一般水電斜井開挖的直徑5～8m,反井擴孔2.0m 時,鉆孔所允許的絕對偏差1.5～3m,當水電斜井開挖的深度超過200m 時,鉆孔所允許的偏斜率0.75%～1.5%,當開挖的深度超過400m時,鉆孔所允許的偏斜率0.375%～0.75%[7-10]。因此有必要對斜井偏斜控制技術(shù)進行研究。

1 反井鉆機鉆進偏斜理論

要鉆孔偏斜進行控制，就必須先分析鉆孔偏斜的機理。

1.1 巖層傾角和非均質(zhì)性

如圖1所示,層狀高度傾斜的細砂巖層對于橫向鉆孔偏斜破碎程度的大小影響很大,當采用導孔鉆頭沿著高度傾斜的巖層面的方向進行鉆進時,交界面巖層發(fā)生趨于垂直巖面破壞。相反,在整個鉆孔的下方往上稍微傾斜的一側(cè)卻仍然稍微殘留了一個較小的鉆孔斜臺。像小型探頭變向器的推動作用一樣,直接造成了鉆孔的方向偏斜。當用于鉆孔的壓應(yīng)力不斷加大時,破碎斷裂現(xiàn)象隨之不斷加劇,偏斜加劇。巖層傾角越大，成層性越強，鉆壓越大，則鉆孔偏斜亦越大。這種作用除造成鉆孔偏斜外，還會減少導向孔的有效尺寸，甚至可能引起孔內(nèi)其它事故的發(fā)生。

圖1 傾斜巖層造成鉆孔偏斜機理

巖層的各向異性（巖層層狀、層理、節(jié)理、紋理以及巖石的成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、顆粒大小等）造成巖層在不同方向上的強度不同，垂直巖層層面的強度較小。鉆進時，導孔鉆頭將沿著破碎阻力最小的方向傾斜，造成在不同方面的破碎速度也不同。

在圖2-a 中,導孔式鉆頭在1、2、3三個方向上的鉆進速度各有不同。在較高的水平巖層中鉆入,2、3方向的鉆速均為0,鉆孔后不易出現(xiàn)偏斜;在圖2-b 中,巖層開始傾斜,1 方向上鉆速逐漸增加,導孔式鉆頭則趨向于豎立的巖層層面。在圖2-c 中,巖層呈現(xiàn)一個垂直的狀態(tài),由于巖層在豎向和垂直兩個層面上的運動強度較小,所以在導間孔井壁上巖面容易被破碎,導向孔的鉆頭運動穩(wěn)定性較差,在鉆進過程中容易發(fā)生偏斜,且其方位不穩(wěn)定。

圖2 鉆頭在不同方向上的破碎速度

巖層軟硬互相交替。例如,當一個導孔式鉆頭從軟巖層中直接進入硬巖層(參見圖3-a),鉆頭a 側(cè)為硬巖,在b 側(cè)為軟巖,在鉆壓力的作用下。a 側(cè)可鉆性小,鉆頭吃入巖層較少,鉆速慢;b側(cè)可以鉆性大,鉆頭吃入巖層較多,鉆速快,所以鉆出來的導孔自然就會發(fā)生偏斜。

圖3 巖層軟硬、硬軟交替引起鉆孔偏斜

鉆頭從硬化的巖層一側(cè)再次鉆入軟化的巖層(圖3-b)。剛開始時，由于軟巖層一側(cè)的導孔鉆頭穿透量大，鉆孔速度快，而硬化巖層一側(cè)的導孔鉆速較小，鉆孔速度較快。是緩慢的，并且鉆井具有朝向巖層的向下傾斜。方向傾斜，但當導孔鉆頭即將鉆出硬巖層時，巖石已不能承受鉆頭的重載荷，巖石會沿垂直亞平面方向破碎，留下硬巖層一側(cè)的肩部。導孔鉆被迫返回巖層的上傾方向。因此，當鉆頭從硬巖進入軟巖地層時，鉆孔仍向巖層上傾方向傾斜。

此外,地質(zhì)構(gòu)造也很有可能會成為導致鉆孔產(chǎn)生偏斜的一個重要原因之一,由于斷層就是地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了錯動,不是沿某一面,而是沿著另一個破碎帶。當導孔鉆頭被鉆到疏松破碎地帶時,受力不均,工作不穩(wěn)定,無法避免地引起鉆孔的偏斜。

1.2 下部鉆桿彎曲變形

反井鉆機鉆導向孔時，鉆具下部的重量對導向孔三牙輪鉆頭施加壓力。當鉆壓較小時，下鉆桿保持平直穩(wěn)定狀態(tài)；當鉆壓增加到某一臨界鉆壓時，下鉆桿失去穩(wěn)定性并彎曲（圖4）。導向孔鉆頭與鉆桿相鄰連接部分的中心線偏離鉆孔軸線，導致三牙輪鉆頭偏離一個角度。鉆頭傾斜后，孔底形成不對稱切削，造成孔偏斜。

圖4 下部鉆具彎曲引起鉆孔偏斜

下部鉆具自身的性質(zhì)、鉆具與井壁之間的空隙及其所能承受到的鉆壓,決定了彎曲和變形的嚴重程度以及對鉆孔是否偏斜。當下部的鉆桿出現(xiàn)彎曲變形,則中性橫截面N到O點之間的距離L近似為相當于上部受壓部位的長度ON。

式中：L——中性截面N距O點的距離，m；

E——鉆桿彈性模量，Pa；

J——鉆桿截面慣性矩，m4；

q——單位長度鉆桿在洗井液中的重力，N/m。

下部鉆桿發(fā)生彎曲變形的臨界鉆壓為：

從以上兩個公式可以看出，鉆桿彎曲變形時被壓縮部分的長度和該狀態(tài)下的臨界鉆壓都是鉆桿剛度和單位長度重量的函數(shù)。沖洗液與鉆桿的材質(zhì)、截面形狀和重量有關(guān)。其大小與沖洗液的相對密度有關(guān)。

由上可見，在導孔施工中，鉆孔的偏斜是有規(guī)律可循的。根據(jù)不同巖層鉆孔的偏轉(zhuǎn)規(guī)律，優(yōu)化鉆具組合和鉆孔參數(shù)，可以對有效地控制導孔偏斜，以達到設(shè)計要求。

2 反井鉆井導孔偏斜原因分析

導孔鉆孔產(chǎn)生偏差的原因有很多。主要原因是鉆壓高、鉆桿彎曲、非均質(zhì)地層等。

2.1 鉆桿的彈性彎曲造成導孔偏斜

導孔施工時，鉆桿下部會產(chǎn)生彎曲（見圖5），導致鉆桿中心與鉆孔中心不重合。鉆壓可以分解為水平分力F1和垂直分力F0。水平分力F1促使鉆頭切向側(cè)壁，從而產(chǎn)生井眼偏斜。同時，鉆桿重量W在切點T以下的水平分力F2隨著F1的增大而增大，可以減小鉆孔偏斜。

圖5 鉆桿發(fā)生彈性彎曲受力

2.2 地層的傾角和非均質(zhì)性易導致導孔偏斜

地層并不是均質(zhì)的，不僅各層物性不同，而且地層的可鉆性和層理傾角也不同。當鉆頭鉆入具有一定傾角的地層時，地層上傾方向阻力小，下傾方向阻力大，促使鉆孔向上傾方向傾斜。當?shù)貙觾A角較大時，鉆頭的方向往往會沿著層理方向鉆進。

2.3 施工工藝和措施不當易導致導孔偏斜

（1）鉆機定位不穩(wěn)導致鉆孔偏斜。施工前，鉆機必須牢固地固定在混凝土基礎(chǔ)上，以承受鉆孔產(chǎn)生的推拉力和扭矩；否則，鉆機在施工過程中會發(fā)生晃動，嚴重影響鉆機的定位和穩(wěn)定性，導致鉆機位移和鉆孔偏斜。

（2）孔位控制不當造成孔位偏移，鉆孔精度無法保證。

（3）鉆壓和鉆速控制不當造成鉆孔偏斜。當鉆壓過小，鉆速過慢時，由于鉆具自重，可能會導致鉆進方向向下偏斜；而一旦發(fā)生向下偏轉(zhuǎn)，鉆具重量和鉆井壓力的共同作用會加劇偏斜。如果鉆機軸壓過大，鉆孔速度過快，孔底的渣沒有被沖洗干凈，會沉積在孔底，造成鉆頭上升并出現(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)。

（4）鉆孔時，當清洗液不再在鉆桿中心孔、牙輪鉆頭噴嘴、鉆桿與導向孔之間的環(huán)形空間等處流動或循環(huán)時，渣將不返或鉆孔會受阻，造成孔位向上偏移。

3 反井鉆機導孔鉆進軌跡測量技術(shù)

目前的測斜儀按鉆孔測斜技術(shù)進行分類，可分為羅盤磁針式、磁針電測式、液浮磁球式、加速計式、光電式、相機式、機械陀螺式、壓電陀螺式;按數(shù)據(jù)傳輸方式分類：有線、無線隨鉆式。目前有線隨鉆測斜儀、無線隨鉆測斜儀、陀螺儀測斜儀應(yīng)用較為廣泛。

由于反井鉆機鉆井對導孔精度要求很高,所以應(yīng)采用陀螺測斜儀來進行導孔偏斜測量,但目前市場上應(yīng)用的陀螺測斜儀是針對石油、地質(zhì)鉆機的特點和施工工藝條件設(shè)計的,不適合用于反井鉆機,因為反井鉆機本身的特點是鉆桿短,且不內(nèi)平,連接處有臺肩;動力頭升降空間有限;陀螺儀的外徑尺寸與鉆桿內(nèi)徑尺寸不匹配,存在扶正問題等,所以,需要利用陀螺測斜儀的原理,研究開發(fā)新的適合反井導孔鉆進偏斜測量的儀器。

磁性測斜儀主要包括:有線隨鉆測斜儀、無線隨鉆測斜儀,其精度要比陀螺類測斜儀稍低,無線隨鉆測斜儀是通過無纜方式進行偏斜測量,使用方便,但價格昂貴,這兩種測斜儀在使用時都需要長的無磁環(huán)境,在測量時要下長的無磁穩(wěn)定鉆桿,測斜儀在無磁穩(wěn)定鉆桿中完成偏斜測量。而反井鉆機的升降能力只有2m,這在工藝上非常復雜,不易實現(xiàn)。但其在定向糾偏中能夠很直觀地看到工具的面積和方位等參數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)有測斜技術(shù)和儀器,考慮到反井鉆機特點和反井鉆井的特殊工藝技術(shù)條件,沒有現(xiàn)成的可用儀器,勢必要開發(fā)專門用于反井鉆井導孔偏斜測量和定向的儀器,能與反井鉆井施工工藝配套,使用方便。

4 反井鉆機導孔鉆進偏斜控制技術(shù)

（1）鉆壓控制。導向孔鉆偏的方法之一是調(diào)整鉆壓。合適的鉆壓力需要通過巖石的硬度、鉆桿的重量、鉆孔傾角以及鉆機能力等因素計算。原則上,鉆井時的鉆井壓力范圍應(yīng)盡量減小;穩(wěn)定鉆桿完全插入孔內(nèi)后,應(yīng)恢復正常鉆壓。為了提高最佳的鉆孔精度,在進行鉆孔時一般都應(yīng)該是采用低于最優(yōu)的鉆孔壓力。

（2）轉(zhuǎn)速控制。在鉆入定向孔時,保持恒定的鉆速度是控制偏斜程度最常見的方法。對于鉆壓及其速度的選擇一般由實驗來確定,也有數(shù)值可以由計算來確定。無論采取哪種工藝方法來判斷鉆壓和加料的速度,都必須要特別注意一個重要的問題,即隨著鉆壓的增大,速度應(yīng)該逐漸減小;相反,當鉆壓下降減小時,速度應(yīng)該增加。

（3）穩(wěn)定鉆桿的選擇及合理布置。穩(wěn)定性鉆桿是預防鉆斜最為有效的工具。穩(wěn)定性鉆桿具有較高的耐撓性,并且其穩(wěn)定段的直徑及其長度是緊密相關(guān)的。如果一個穩(wěn)定的鉆桿直徑遠遠小于一個鉆孔的直徑,則會引起鉆頭在整個鉆孔過程中輕輕地晃動,導致其鉆孔直徑的增大,這將會極大地增加一個穩(wěn)定的鉆桿和一個鉆孔之間的差異。降低了孔壁對穩(wěn)定鉆桿的影響。但是,穩(wěn)定器和鉆桿的直徑一般不宜過大,因為如此增加了對于鉆井摩擦的阻力。鉆具的剛度和直徑越大,鉆桿在穩(wěn)定段內(nèi)的彎矩控制效果就越好。

（4）洗井液的選擇。在巖石較完整較好時，使用清水作為洗井液。當巖石裂隙發(fā)育或者較破碎時，可用泥漿清洗。無論采用哪種清洗液，都應(yīng)最大限度地提高清洗液攜帶鉆屑的能力，減少鉆桿底部導向鉆頭位置處鉆屑堆積對鉆桿偏轉(zhuǎn)的影響。

（5）鉆具組合和糾偏工具。根據(jù)工程地質(zhì)條件，選擇合理的鉆具組合，可以有效控制導向孔的偏差。當發(fā)現(xiàn)導向孔偏離時，可使用糾偏鉆具組合控制鉆孔軌跡。

5 小結(jié)

(1)壓力引起橫向?qū)Э灼钡闹饕┕ぴ蛞话惆?由于鉆具的較大重量及由于施鉆時的較大壓力而直接致使導孔鉆桿邊緣發(fā)生橫向彈性彎曲、巖層結(jié)構(gòu)特征及采用施工工藝技術(shù);其中任意一種或多種客觀因素的壓力綜合作用影響均較為有效并可能會直接引起整個鉆孔的橫向偏斜。

(2)對于大型反井偏斜鉆入大型豎井的導孔軌跡偏斜測量技術(shù)需要,它采用一種大型陀螺式徑向測斜儀,能夠很好地充分滿足對于大型反井偏斜鉆入豎孔工藝的技術(shù)要求及對于大型導孔井的偏斜測量比的高和低精度測量要求。

(3)使用有線隨鉆測斜儀來定向糾偏,能實時看到孔底糾偏情況,能及時準確地掌握鉆進軌跡走向。

(4)可以通過有線隨鉆測斜儀,實時控制斜向器和螺桿鉆具所處工具面方位角,可有效保障糾偏設(shè)計的實施。螺桿鉆具產(chǎn)生的動力,無需通過鉆具系統(tǒng),能直接作用于鉆頭,糾偏效果顯著。