礦井全方位鉆孔測斜技術(shù)研究

張海云 周忠國 張孟軍 劉建 鄧天華 蔣忠華

（四川省華鎣山煤業(yè)股份有限公司綠水洞煤礦，四川華鎣 638600）

0.引言

綠水洞煤礦K1煤層有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤層原始瓦斯含量10.5609m3/t、瓦斯壓力為0.4～1.52MPa，煤的瓦斯放散初速度△P=7～15、堅(jiān)固性系數(shù)f=0.19～0.36。煤層透氣性系數(shù)λ=0.010261～0.022090m2/MPa2.d，其均值為0.0161755m2/MPa2.d。煤層透氣性系數(shù)低，屬于大傾角復(fù)雜地質(zhì)條件下較難抽放煤層。礦井在瓦斯災(zāi)害治理過程中，由于施工鉆孔時(shí)鉆頭和鉆桿磨損角度不對稱，造成鉆孔施工角度偏移、鉆孔竣工與設(shè)計(jì)偏移，導(dǎo)致本煤層瓦斯抽放盲區(qū)較多。為此，礦井也開展了盲區(qū)補(bǔ)充措施鉆孔，但補(bǔ)充措施增加了工程量，延長了抽放時(shí)間，如以目前采用的治災(zāi)技術(shù)進(jìn)行瓦斯災(zāi)害治理，將嚴(yán)重影響到礦井正常采掘接替工作。因此，有必要采取鉆孔測斜技術(shù)研究，通過對比分析鉆孔設(shè)計(jì)與實(shí)際鉆孔偏斜規(guī)律，再優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)，提高單孔準(zhǔn)確度，大量減少治災(zāi)工程減少盲區(qū)，方可滿足安全生產(chǎn)需要[1-4]。

1.扶正器鉆具研究

1.1 轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合

此類工具不能用于改變井眼方位，僅能在已有一定斜度的井眼內(nèi)改變井斜，即進(jìn)行增斜、降斜或穩(wěn)斜。此類工具是在轉(zhuǎn)盤鉆的基礎(chǔ)上，利用靠近鉆頭的鉆鋌部分，巧妙地使用扶正器，得到各種性能的組合。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)外對扶正器鉆具組合的研究逐步深入，運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)工具，出現(xiàn)了微分方程法、有限元法、縱橫連續(xù)梁法、加權(quán)余量法等方法，且都需要使用較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序。在沒有計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算在情況下，可使用現(xiàn)場常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合有3種：增斜組合、穩(wěn)斜組合、降斜組合。

1.2 單扶組合的力學(xué)分析

單扶組合的鉆頭受力分析：

上部鉆柱在泥漿中的重力，通過鉆柱傳遞到鉆頭上。方向與鉆頭軸線一致。鉆壓P可分解為平行井眼軸線和垂直井眼軸線的2個(gè)分量：

β角是鉆頭軸線與井眼軸線的夾角。Fi構(gòu)成鉆頭側(cè)向力的一部分。

扶正器以下鉆柱的重量為W，作用點(diǎn)在該段鉆柱的中點(diǎn)a點(diǎn)。

W可以分解為平行鉆柱軸線和垂直鉆柱軸線的2個(gè)分量：

α角是扶正器以下鉆柱所在的井斜角。Fa即是鐘擺力。Fa作用到鉆頭上即為Fb。

扶正器以上到切點(diǎn)的鉆柱的重力，在垂直鉆柱軸線方向的分量，相當(dāng)一個(gè)杠桿力，通過扶正器形成彎矩Mc。

Mc作用到鉆頭上，形成鉆頭的側(cè)向力Fc，是鉆頭上側(cè)向力的一部分：

L是鉆頭至扶正器的距離，但Mc的大小是不知道的，所以Fc難以計(jì)算。

地層橫向力Ff是由于地層的傾斜以及地層可鉆性的各向異性造成的。Ff可能是增斜，也可能是降斜。作用在鉆頭上的所有垂直與井眼軸線的橫向力，與平行井眼軸線的鉆壓的合力，以Q表示，即為作用于鉆頭上的所有力的合力。Q與井眼軸線的夾角，以γ表示。Q和γ可用以下公式定性表示：

此只能定性說明問題，不可定量計(jì)算。

井眼前進(jìn)的方向，不是鉆頭軸線方向，即鉆壓P的方向，因?yàn)樵阢@頭上還作用有其他橫向力，井眼前進(jìn)的方向，也不是鉆頭上所有力的合力Q的方向。因?yàn)殂@頭具有各向異性，軸向和側(cè)向的切削能力是不同的。一般來說，側(cè)向切削能力小于軸向，實(shí)際的井眼前進(jìn)方向，是在P和Q2個(gè)方向之間。γ越大，則井眼增斜越強(qiáng)。由下頁公式可以分析如何控制增斜、降斜。

井斜變化分析：γ為正則增斜，γ為負(fù)則降斜；

預(yù)增斜：增大β：用小鉆鋌，大鉆壓，壓彎鉆柱；增大Mc，縮短L；減小W：用小鉆鋌；

預(yù)降斜：減小β：用大鉆鋌，小鉆壓，不要壓彎鉆柱；減小Mc，增大L；增大W：用大鉆鋌；

井斜角α也影響γ。

3種組合：

A組合：增斜組合。組合產(chǎn)生正向側(cè)向力。第一杠桿原理。

B組合：降斜組合。產(chǎn)生負(fù)向側(cè)向力。第二杠桿原理。

C組合：可能增斜，可能降斜，也可能是不增不降的穩(wěn)斜。

鉆壓對鉆頭側(cè)向力的影響：

增斜組合：在一定的組合、一定的井斜角和井眼尺寸下，鉆壓對側(cè)向力的影響是很微小的。在一定井斜角下，Lg長度是由切點(diǎn)一下扶正器以上鉆柱重力的分量決定的。在增斜鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切點(diǎn)以下鉆柱的重量。鉆壓的變化，只是引起切點(diǎn)以上躺在井壁下側(cè)的鉆柱長度的變化。不影響Lg長度鉆柱的重量。所以，側(cè)向力不隨鉆壓的大小而變化。但不可形成錯(cuò)覺：P=0時(shí)，側(cè)向力也會是那么大！此使整個(gè)鉆柱的重力全被大鉤承擔(dān)，形不成切點(diǎn)。

降斜組合：在一定的組合、一定的井斜角和井眼尺寸下，鉆壓的增大，將使切點(diǎn)以下鉆柱彎曲增大。彎曲增大，鉆頭向上傾斜角度增大，鉆壓的側(cè)向分量增大。鉆壓繼續(xù)增大，鉆柱繼續(xù)彎曲，在扶正器和鉆頭之間將出現(xiàn)新的切點(diǎn)。在出現(xiàn)新切點(diǎn)之前，鐘擺力不會減小，但由于鉆壓的側(cè)向分量增大， 將使降斜測向力減小。在出現(xiàn)新切點(diǎn)之后，鐘擺力將會大大減小，即降斜測向力減小?？偟恼f，降斜組合，鉆壓的增大將使降斜測向力減小。

鉆鋌直徑對側(cè)向力的影響：

降斜組合：對降斜組合來說，鉆鋌直徑的影響，是明確的，即隨著鉆鋌直徑的增加，鐘擺力將增大，因而鉆頭側(cè)向力將增大。在井眼直徑、扶正器直徑、扶正器具鉆頭的距離都不變的情況下，顯然，鉆鋌直徑越大，重力就越大，所以鐘擺力越大。

增斜組合：對降斜組合來說，鉆鋌直徑的影響，不是簡單的關(guān)系。影響側(cè)向力的因素，不僅有鉆鋌的重力，還有扶正器到切點(diǎn)的距離，此距離隨鉆鋌直徑增大而減小，還有此距離內(nèi)鉆鋌的彎曲情況，鉆鋌剛度越大，彎曲就越厲害。

1.3 多扶組合的力學(xué)特性

使用多扶組合的必要性：單扶組合僅用于增斜和降斜。由于單扶穩(wěn)斜組合性能的不穩(wěn)定性，穩(wěn)斜組合都是多扶正器組合。對于增斜降斜組合，由于以下原因，也廣泛使用多扶組合：

單扶組合的鉆柱可能大段與井壁接觸，產(chǎn)生粘附卡鉆或壓差卡鉆的可能性較大，而多扶組合可大大減小鉆柱與井壁的接觸；

用單扶增斜或單扶降斜組合鉆出的彎曲井眼，如果再下入多扶組合（例如多扶穩(wěn)斜組合），則容易出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象。使用多扶增降組合，則容易下入。

多扶增斜組合的結(jié)構(gòu)：

標(biāo)準(zhǔn)多扶增斜組合：A

在標(biāo)準(zhǔn)增斜組合基礎(chǔ)上，可以變化，適當(dāng)減小增斜率；

減小第一和第二扶正器之間的距離，B；

減小后，在第二扶正器之上，在加一個(gè)扶正器，C；

柔性多扶增斜組合：

柔性組合A，使用1根小尺寸鉆鋌。國外稱作“giligan”。若標(biāo)準(zhǔn)增斜組合的增斜率為20/30m，則“giligan”增斜率可達(dá)到30/30m。

柔性組合B，使用兩根相應(yīng)的鉆桿或無磁鉆桿。若標(biāo)準(zhǔn)增斜組合的增斜率為20/30m，則此種柔性組合增斜率可達(dá)到40m～50/30m。

扶穩(wěn)斜組合的結(jié)構(gòu)：

標(biāo)準(zhǔn)多扶穩(wěn)斜組合A：3個(gè)扶正器組成；

在標(biāo)準(zhǔn)增斜組合基礎(chǔ)上，可以變化，適當(dāng)改變增斜率；

B：在三扶之上，每個(gè)10m加第四甚至第五個(gè)扶正器。增大增斜率；

C：適當(dāng)加大第一和第二扶正器之間的距離。減小增斜率；

多扶降斜組合的結(jié)構(gòu)：

《暫行條例》是有序推進(jìn)城鎮(zhèn)化背景下的重要環(huán)節(jié)，它使整個(gè)城鎮(zhèn)化推進(jìn)工程首先落實(shí)到人口的“城鎮(zhèn)化率”重心上。從憲法角度觀之，《暫行條例》主要指向公民在社會經(jīng)濟(jì)生活中享有各種社會權(quán)，如適足生活水平、勞動(dòng)權(quán)、受教育權(quán)以及物質(zhì)幫助權(quán)等，目標(biāo)指向?yàn)槌鞘羞w入者群體提供城市公共福利的共享、共有的平等待遇。《暫行條例》共23條，分別從制定背景與目的、居住證申領(lǐng)條件和程序，主管機(jī)關(guān)的職責(zé)分工、居民待遇及相關(guān)權(quán)利、戶口落實(shí)基本條件以及違法處罰等方面進(jìn)行了逐一規(guī)定。

標(biāo)準(zhǔn)多扶降斜組合A ：2個(gè)扶正器組成，鉆頭至一扶距離20m；

在標(biāo)準(zhǔn)組合基礎(chǔ)上以變化，適當(dāng)改變降斜率；

B：減小鉆頭至一扶的距離，減小降斜率；

C：在鉆頭上加一個(gè)欠尺寸扶正器，減小降斜率 ；

D：用一根小尺寸鉆鋌，增大降斜率。

1.4 影響多扶組合性能的因素

增斜組合：鉆壓對增斜組合側(cè)向力的影響，是不顯著的，是比較小的，在組合、鉆壓不變情況下，井斜角增大則側(cè)向力增大。

穩(wěn)斜組合：鉆壓對穩(wěn)斜組合性能的影響是很小的。所以在穩(wěn)斜鉆進(jìn)中，可以根據(jù)眼使性能改變鉆壓。穩(wěn)斜組合對井斜角的變化是敏感的。井斜角增大，則負(fù)側(cè)向力增大。所以，在井斜較小時(shí)顯示穩(wěn)斜的組合，在井斜較大時(shí)可能顯示為降斜組合。

降斜組合：鉆壓增大，鉆柱正向彎曲，負(fù)側(cè)向力減小，降斜率減小。

1.5 實(shí)用鉆具組合

增斜鉆具組合：按增斜能力分為強(qiáng)、中、弱3種。使用中要注意：L1增長，增斜能力減?。唤@頭扶正器直徑減小，增斜能力也減??；注意保持低轉(zhuǎn)速。

穩(wěn)斜鉆具組合：穩(wěn)斜能力分強(qiáng)、中、弱3種。在使用中要注意保持正常鉆壓和較高轉(zhuǎn)速。若需要更強(qiáng)的穩(wěn)斜組合，可使用雙扶正器串聯(lián)起來作為近鉆頭扶正器。

降斜鉆具組合：按降斜能力分為強(qiáng)、弱2種。使用中要注意：保持小鉆壓和較低轉(zhuǎn)速；對于強(qiáng)降斜組合來說，L1越長則降斜能力越強(qiáng)，但不得與井壁有新的接觸點(diǎn)。

2.實(shí)施效果

（1）偏離方向：在水平方向，3124底抽巷施工的10個(gè)試驗(yàn)鉆孔，其中3個(gè)鉆孔的實(shí)際成孔軌跡與理想直線鉆孔軌跡相比向右側(cè)偏離，7個(gè)試驗(yàn)鉆孔向左側(cè)偏離。在垂直方向，9個(gè)鉆孔的實(shí)際成孔軌跡與理想直線鉆孔軌跡相比向上方偏離，1個(gè)鉆孔向下偏離?？傮w而言，無論水平方向還是豎直方向，鉆孔彎曲方向規(guī)律性較差，具有很大的隨機(jī)性。

（2）偏差大?。焊髟囼?yàn)鉆孔成孔軌跡偏離理想直線軌跡的距離，與“可推測偏差”相同，正、負(fù)號僅表示偏離方向，“上正下負(fù)，右正左負(fù)”。經(jīng)軌跡儀實(shí)測，水平方向“不可推測偏差”范圍為-2.74m～1.12m，平均偏離距離為1.93m；豎直方向“不可推測偏差”范圍為-0.7m～1.86m，平均偏離距離為1.28m；對2個(gè)方向的“不可推測偏差”進(jìn)行對比，水平方向的“不可推測偏差”明顯大于豎直方向的“不可推測偏差”。

礦井每個(gè)抽采面補(bǔ)孔率約為5%，根據(jù)鉆孔補(bǔ)孔量計(jì)算，3124底抽巷穿層鉆孔補(bǔ)孔工程量5000m，按穿層鉆孔成本126元/m計(jì)算，節(jié)約工程費(fèi)用63萬元。全方位鉆孔測斜、偏移規(guī)律的研究，減小了鉆孔偏差，合理優(yōu)化抽采鉆孔布置間距，項(xiàng)目累計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益2863萬元。

3.結(jié)語

（1）項(xiàng)目采用鉆孔軌跡儀測定鉆孔軌跡，由手機(jī)記錄采樣點(diǎn)號，探管中的方位傳感器、傾角傳感器測量鉆桿空間姿態(tài)參數(shù)，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字儲存，測量后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理形成鉆孔三維軌跡圖。

（2）項(xiàng)目通過對鉆孔測斜結(jié)果進(jìn)行研究與分析，鉆孔彎曲方向規(guī)律性較差，水平方向“不可推測偏差”為-2.74m～1.12m，平均偏離距離為1.93m，豎直方向“不可推測偏差”為-0.7m～1.86m，平均偏離距離為1.28m，水平方向“不可推測偏差”明顯大于豎直方向“不可推測偏差”。

（3）項(xiàng)目初步形成了一套全方位鉆孔測斜技術(shù)，根據(jù)地質(zhì)條件合理選擇鉆機(jī)、鉆具組合，通過采用扶正器糾偏技術(shù)，水平方向“不可推測偏差”為-0.04m～0.25m，平均偏離距離為0.14m，豎直方向“不可推測偏差”為0.09m～0.12m，平均偏離距離為0.1m。水平偏離平均縮小1.79m，豎直方向上下偏離平均縮小1.18m，效果非常明顯。

（4）項(xiàng)目在綠水洞煤礦3124底抽巷等完成工業(yè)性試驗(yàn)，投入費(fèi)用約523萬元，年創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約2863萬元，成效顯著。