浅析巷道钻探钻孔弯曲的原因

浅析巷道钻探钻孔弯曲的原因崔志李志强李华文（晋城煤业集团山西晋城048006）摘要：根据凤凰山矿实际钻探工作中的情况，从地质因素、技术因素、工艺因素分析了钻孔弯曲的原因，并总结出其规律性，有利于钻探工作的进行。关键词：巷道钻探钻孔弯曲1概况近年来，随着矿井开采深度的增加，采空区面积的增大，矿井涌水量的增加，相应地探放水作业也较多。但是，许多探放水钻孔都不同程度的弯曲、错位。如凤凰山矿1999年6月份施工的二水平主回风巷向一水平北大巷口的放水孔，本来终孔位置设计在北大巷巷中底板处，结果终孔位置偏移至北大巷左帮向里0.2m处，只有45m孔深的钻孔，就偏移了1.5m，这不能不令钻探人员及工程技术人员深思。为了进一步搞清钻孔弯曲的原因，掌握它的规律性，使巷道钻探更好地为今后安全生产服务，我们多次组织了分析研讨会。影响钻孔弯曲的原因是多方面的，究其主要影响因素有三个方面，即：地质、技术和工艺因素。2钻孔弯曲原因分析2.1地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层，分述如下：岩石的各向异性：岩石在不同方向上具有不同的强度和硬度，这种现象称为岩石的各向异性。岩石的各向异性与岩石的层理、片理、微裂隙和流纹等构造特征有着密切的联系。通过理论研究表明：各向同性的岩石，钻孔几乎不弯曲，而各向异性的岩石，其各向异性系数越大，即：平行层理方向上岩石强度与垂直层理面方向上岩石强度比值越大，则钻孔弯曲的趋势越强。此外，片理、流纹性、裂隙性对钻孔弯曲影响与层理的影响相似，在垂直于片理面、流纹面、裂隙面的方向上容易钻进，易发生倾向性弯曲。⑵软硬互层煤系地层都是沉积而成的，有一定的沉积韵律，软硬互层现象普遍存在。当钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，从软岩进入硬岩时，由于软硬部分抗破碎阻力不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方面的趋势。现将钻头以锐角穿过软硬岩层界面时的力学关系分析如（如图1）孔底软、硬岩层对钻头底唇的反作用力不同，软岩反作用力小，硬岩反作用力大，因而产生一个作用于钻头底唇的倾斜力矩，使钻具在孔内偏倒。倾倒力矩的微分方程为：dMC＝σB.xdF－σA.xdF＝(σB－σA).x.dF⑴式中：σB——硬岩抗压入阻力，N/m2σA——软岩抗压入阻力，N/m2x——从坐标原点到面积元dF的距离，mMC——作用于全面钻头底唇上的倾倒力矩，（N.m)将⑴式积分得：MC＝∫εRdMc＝(σB－σA）∫εRx.2ydx＝2/3（σB－σA）.（R2－ε2）3/2⑵式中：R——全面钻头半径，mε——孔底软硬岩层接触面的x坐标，m同理可求出取芯钻头底唇上的倾倒力矩：MQ＝2/3(σB－σA）.［(R12－ε2)3/2－λ(R22－ε2)3/2]⑶式中：R1——钻头外半径，mR2——钻头内半径，myx图1钻头以锐角穿过软硬岩层界面力学分析示意图λ——系数。ε＜R2时，λ＝1;ε＞R2时，λ＝0从上述⑵、⑶式表明：MC与MQ与软硬岩层的阻力差成正比，σB－σA值越大，则倾倒力矩越大；当ε＝0时，软硬岩层界面通过钻头中心，MC与MQ有最大值，弯曲得越厉害。此外，在钻进含有卵石、砾石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，在硬块岩石的推挡下钻孔往往朝着容易通过的方向偏斜；在钻孔遇到大裂隙时，孔身往往沿裂隙面的方向延伸；斜孔穿过较厚的松散层岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋于下垂。2.2技术因素：在开孔或钻进过程中，技术因素都可能影响钻孔的空间位置。主要有两个方面：2.2.1设备安装：钻孔的井下安装非常关键，钻机基础不平，立轴安装不稳固，都会使钻孔偏离预定的空间位置。钻孔倾角不大时，立轴安装不稳固，可能使钻孔方位角产生较大的变化，钻孔深度较大时，即使倾角有较小的偏差，终孔点也会发生一定的偏距。立轴安装倾角和方位角存在误差时，终孔点偏距可按下式计算：原设计钻孔倾角θ1，方位角α1，终孔点OA，现因立轴安装不稳固，开孔倾角θ2，方位角α2终孔点OB（假设OB仍为直线），OA与OB之间的夹角为全弯曲角γ（图2），则终孔点偏距AB为：AB＝√OA2＋OB2－2OA×OB×COSγ如果方位角无误差，只有倾角误差，则γ＝θ2－θ1＝ΔθAB=√OA2＋OB2－2OA×OB×COSΔθ2.2.2钻具结构：矿井下巷道钻探常用的钻具为钻杆和岩芯管，引起钻孔偏斜的钻具主要是岩芯管。岩芯管在孔内的偏倒角决定于孔壁间隙和岩芯管长度：即：ε＝SIN-1b/l式中：b——岩芯管与孔壁间隙，ml——岩芯管长度，m从上式可以看出，孔壁间隙增大或岩芯管长度减短，都会引起钻孔弯曲。2.3工艺因素：影响钻孔弯曲的工艺因素，主要有钻进方法、钻进规程参数等。2.3.1钻进方法：OABθ2θ1γ图2立轴安装不稳时钻具偏倒示意图θ1——原设计钻孔倾角θ2——开孔倾角α1——设计方位角α2——开孔方位角OA——原设计终孔点OB——实际终孔点AB——终孔点偏距不同的钻进方法具有不同的破碎岩石特点，导致不同的孔壁间隙。理论研究表明：硬合金钻进孔壁间隙一般为4-8mm，而金刚石钻进，孔壁间隙只有1-3mm，因此金刚石钻进孔斜最小。2.3.2钻进规程参数：钻压过大，会引起钻杆甚至岩芯管弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时，偏倒角可能达到最大值，并且钻具的摩擦阻力也增加，随着摩擦阻力的增大，钻具围绕钻孔轴线回转的频数下降，甚至只围绕自身轴线自转而不作公转，此时钻具倾斜或弯曲平面具有固定的方向，从而导致钻孔弯曲。转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧了钻具的横向振动和扩壁作用，结果孔壁间隙增加，钻孔弯曲。冲洗液量过大，特别是在较软的岩层中冲洗液会冲刷、破坏孔壁，形成“大肚子”孔段，这些都会使孔壁间隙增加，为钻具偏倒、钻孔弯曲提供便利条件。3钻孔弯曲的规律性分析：3.1均质岩层中钻进，钻孔弯曲强度小于不均质岩层中钻进。并且，岩石的各向异性程度越高，钻孔弯曲的强度越大。3.2在层理、片理发育的岩石中钻进时，钻孔朝着垂直于层理面、片理面的方向弯曲。3.3孔壁间隙大、岩芯管短，则钻孔弯曲强度大。3.4钻孔从软岩进入硬岩，弯曲强度较大；从硬岩进入软岩，弯曲强度较小。3.5立轴安装不正，钻孔朝着安装不正的方向偏斜。3.6钻孔穿过松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋向于占据垂直位置，孔身变陡，钻孔碰到硬包裹体时，可能朝着任意方向弯曲，包裹体越硬，弯曲越剧烈。3.7在水平或近水平的层状岩石中钻垂直孔时，即使岩石各向异性很强，钻孔也不会产生较大弯曲；在均质块状岩石中，如无工艺促斜因素存在，一般也不会发生较大的孔斜。4结论从以上所论述中可以看出，钻孔弯曲的影响因素是相互联系的，地质因素是客观存在的，只能通过工艺、技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用；技术和工艺因素又是主观方面的因素，可以采取各种措施加以限制。但是，地质因素和工艺技术因素有时互相抑制使孔斜减弱，有时又互相促进，使孔斜加剧。这些都需要钻探工作者在实际操作中具体掌握，充分利用这些因素的综合作用和某些规律性，在以后的工作中达到预防孔斜、减弱孔斜的目的。作者简介：崔志（1970-），女，河北衡水人，工程师，现在凤凰山矿从事原煤生产工作。参考文献：1.《矿井地质工作手册》(下)，柴登榜主编，煤炭工业出版社，1981年2.《钻探工艺学》(下)，李志忠，地质出版社，1992年3.《钻井工艺原理》，刘希圣等编，石油工业出版社，1980年4.《钻直井的工具和方法》，美国专利3391749号浅析巷道钻探钻孔弯曲原因崔志李志强李华文2002.3.14