反井鉆進(jìn)導(dǎo)孔偏斜控制技術(shù)研究

藍(lán)文浩

（中煤地質(zhì)集團(tuán)有限公司，北京 100040）

反井鉆機(jī)施工的過(guò)程是先將反井鉆機(jī)安裝在上巷道中或地面,并自上向下鉆進(jìn),用少量清水或者泥漿制成的循環(huán)式洗井液,當(dāng)導(dǎo)孔完全鉆透以后,在下巷道中將一個(gè)導(dǎo)孔鉆頭從一個(gè)鉆桿上卸下,安裝一個(gè)擴(kuò)孔鉆頭,然后沿著導(dǎo)孔自下而上地進(jìn)行擴(kuò)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(yùn)送入下水平巷道,直到擴(kuò)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(kāi)挖的直徑5～8m,反井?dāng)U孔2.0m 時(shí),鉆孔所允許的絕對(duì)偏差1.5～3m,當(dāng)水電斜井開(kāi)挖的深度超過(guò)200m 時(shí),鉆孔所允許的偏斜率0.75%～1.5%,當(dāng)開(kāi)挖的深度超過(guò)400m時(shí),鉆孔所允許的偏斜率0.375%～0.75%[7-10]。因此有必要對(duì)斜井偏斜控制技術(shù)進(jìn)行研究。

1 反井鉆機(jī)鉆進(jìn)偏斜理論

要鉆孔偏斜進(jìn)行控制，就必須先分析鉆孔偏斜的機(jī)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(xì)砂巖層對(duì)于橫向鉆孔偏斜破碎程度的大小影響很大,當(dāng)采用導(dǎo)孔鉆頭沿著高度傾斜的巖層面的方向進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí),交界面巖層發(fā)生趨于垂直巖面破壞。相反,在整個(gè)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(gè)較小的鉆孔斜臺(tái)。像小型探頭變向器的推動(dòng)作用一樣,直接造成了鉆孔的方向偏斜。當(dāng)用于鉆孔的壓應(yīng)力不斷加大時(shí),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(qiáng)，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(huì)減少導(dǎo)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(jī)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(qiáng)度不同，垂直巖層層面的強(qiáng)度較小。鉆進(jìn)時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)孔式鉆頭在1、2、3三個(gè)方向上的鉆進(jìn)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(kāi)始傾斜,1 方向上鉆速逐漸增加,導(dǎo)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(gè)垂直的狀態(tài),由于巖層在豎向和垂直兩個(gè)層面上的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較小,所以在導(dǎo)間孔井壁上巖面容易被破碎,導(dǎo)向孔的鉆頭運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較差,在鉆進(jìn)過(guò)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(dāng)一個(gè)導(dǎo)孔式鉆頭從軟巖層中直接進(jìn)入硬巖層(參見(jiàn)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(lái)的導(dǎo)孔自然就會(huì)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(kāi)始時(shí)，由于軟巖層一側(cè)的導(dǎo)孔鉆頭穿透量大，鉆孔速度快，而硬化巖層一側(cè)的導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)孔鉆頭即將鉆出硬巖層時(shí)，巖石已不能承受鉆頭的重載荷，巖石會(huì)沿垂直亞平面方向破碎，留下硬巖層一側(cè)的肩部。導(dǎo)孔鉆被迫返回巖層的上傾方向。因此，當(dāng)鉆頭從硬巖進(jìn)入軟巖地層時(shí)，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(huì)成為導(dǎo)致鉆孔產(chǎn)生偏斜的一個(gè)重要原因之一,由于斷層就是地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了錯(cuò)動(dòng),不是沿某一面,而是沿著另一個(gè)破碎帶。當(dāng)導(dǎo)孔鉆頭被鉆到疏松破碎地帶時(shí),受力不均,工作不穩(wěn)定,無(wú)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(jī)鉆導(dǎo)向孔時(shí)，鉆具下部的重量對(duì)導(dǎo)向孔三牙輪鉆頭施加壓力。當(dāng)鉆壓較小時(shí)，下鉆桿保持平直穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)鉆壓增加到某一臨界鉆壓時(shí)，下鉆桿失去穩(wěn)定性并彎曲（圖4）。導(dǎo)向孔鉆頭與鉆桿相鄰連接部分的中心線偏離鉆孔軸線，導(dǎo)致三牙輪鉆頭偏離一個(gè)角度。鉆頭傾斜后，孔底形成不對(duì)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(yán)重程度以及對(duì)鉆孔是否偏斜。當(dāng)下部的鉆桿出現(xiàn)彎曲變形,則中性橫截面N到O點(diǎn)之間的距離L近似為相當(dāng)于上部受壓部位的長(zhǎng)度ON。

式中：L——中性截面N距O點(diǎn)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(zhǎng)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(gè)公式可以看出，鉆桿彎曲變形時(shí)被壓縮部分的長(zhǎng)度和該狀態(tài)下的臨界鉆壓都是鉆桿剛度和單位長(zhǎng)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(duì)密度有關(guān)。

由上可見(jiàn)，在導(dǎo)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(duì)有效地控制導(dǎo)孔偏斜，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 反井鉆井導(dǎo)孔偏斜原因分析

導(dǎo)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(dǎo)孔偏斜

導(dǎo)孔施工時(shí)，鉆桿下部會(huì)產(chǎn)生彎曲（見(jiàn)圖5），導(dǎo)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(shí)，鉆桿重量W在切點(diǎn)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(dǎo)致導(dǎo)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(dāng)鉆頭鉆入具有一定傾角的地層時(shí)，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(dāng)?shù)貙觾A角較大時(shí)，鉆頭的方向往往會(huì)沿著層理方向鉆進(jìn)。

2.3 施工工藝和措施不當(dāng)易導(dǎo)致導(dǎo)孔偏斜

（1）鉆機(jī)定位不穩(wěn)導(dǎo)致鉆孔偏斜。施工前，鉆機(jī)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(jī)在施工過(guò)程中會(huì)發(fā)生晃動(dòng)，嚴(yán)重影響鉆機(jī)的定位和穩(wěn)定性，導(dǎo)致鉆機(jī)位移和鉆孔偏斜。

（2）孔位控制不當(dāng)造成孔位偏移，鉆孔精度無(wú)法保證。

（3）鉆壓和鉆速控制不當(dāng)造成鉆孔偏斜。當(dāng)鉆壓過(guò)小，鉆速過(guò)慢時(shí)，由于鉆具自重，可能會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)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(huì)加劇偏斜。如果鉆機(jī)軸壓過(guò)大，鉆孔速度過(guò)快，孔底的渣沒(méi)有被沖洗干凈，會(huì)沉積在孔底，造成鉆頭上升并出現(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)。

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

3 反井鉆機(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)軌跡測(cè)量技術(shù)

目前的測(cè)斜儀按鉆孔測(cè)斜技術(shù)進(jìn)行分類，可分為羅盤(pán)磁針式、磁針電測(cè)式、液浮磁球式、加速計(jì)式、光電式、相機(jī)式、機(jī)械陀螺式、壓電陀螺式;按數(shù)據(jù)傳輸方式分類：有線、無(wú)線隨鉆式。目前有線隨鉆測(cè)斜儀、無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀、陀螺儀測(cè)斜儀應(yīng)用較為廣泛。

由于反井鉆機(jī)鉆井對(duì)導(dǎo)孔精度要求很高,所以應(yīng)采用陀螺測(cè)斜儀來(lái)進(jìn)行導(dǎo)孔偏斜測(cè)量,但目前市場(chǎng)上應(yīng)用的陀螺測(cè)斜儀是針對(duì)石油、地質(zhì)鉆機(jī)的特點(diǎn)和施工工藝條件設(shè)計(jì)的,不適合用于反井鉆機(jī),因?yàn)榉淳@機(jī)本身的特點(diǎn)是鉆桿短,且不內(nèi)平,連接處有臺(tái)肩;動(dòng)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(wèn)題等,所以,需要利用陀螺測(cè)斜儀的原理,研究開(kāi)發(fā)新的適合反井導(dǎo)孔鉆進(jìn)偏斜測(cè)量的儀器。

磁性測(cè)斜儀主要包括:有線隨鉆測(cè)斜儀、無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀,其精度要比陀螺類測(cè)斜儀稍低,無(wú)線隨鉆測(cè)斜儀是通過(guò)無(wú)纜方式進(jìn)行偏斜測(cè)量,使用方便,但價(jià)格昂貴,這兩種測(cè)斜儀在使用時(shí)都需要長(zhǎng)的無(wú)磁環(huán)境,在測(cè)量時(shí)要下長(zhǎng)的無(wú)磁穩(wěn)定鉆桿,測(cè)斜儀在無(wú)磁穩(wěn)定鉆桿中完成偏斜測(cè)量。而反井鉆機(jī)的升降能力只有2m,這在工藝上非常復(fù)雜,不易實(shí)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(cè)斜技術(shù)和儀器,考慮到反井鉆機(jī)特點(diǎn)和反井鉆井的特殊工藝技術(shù)條件,沒(méi)有現(xiàn)成的可用儀器,勢(shì)必要開(kāi)發(fā)專門用于反井鉆井導(dǎo)孔偏斜測(cè)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(jī)導(dǎo)孔鉆進(jìn)偏斜控制技術(shù)

（1）鉆壓控制。導(dǎo)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(guò)巖石的硬度、鉆桿的重量、鉆孔傾角以及鉆機(jī)能力等因素計(jì)算。原則上,鉆井時(shí)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(fù)正常鉆壓。為了提高最佳的鉆孔精度,在進(jìn)行鉆孔時(shí)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(shí),保持恒定的鉆速度是控制偏斜程度最常見(jiàn)的方法。對(duì)于鉆壓及其速度的選擇一般由實(shí)驗(yàn)來(lái)確定,也有數(shù)值可以由計(jì)算來(lái)確定。無(wú)論采取哪種工藝方法來(lái)判斷鉆壓和加料的速度,都必須要特別注意一個(gè)重要的問(wèn)題,即隨著鉆壓的增大,速度應(yīng)該逐漸減小;相反,當(dāng)鉆壓下降減小時(shí),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(yù)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(zhǎng)度是緊密相關(guān)的。如果一個(gè)穩(wěn)定的鉆桿直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)鉆孔的直徑,則會(huì)引起鉆頭在整個(gè)鉆孔過(guò)程中輕輕地晃動(dòng),導(dǎo)致其鉆孔直徑的增大,這將會(huì)極大地增加一個(gè)穩(wěn)定的鉆桿和一個(gè)鉆孔之間的差異。降低了孔壁對(duì)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(guò)大,因?yàn)槿绱嗽黾恿藢?duì)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(shí)，使用清水作為洗井液。當(dāng)巖石裂隙發(fā)育或者較破碎時(shí)，可用泥漿清洗。無(wú)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(dǎo)向鉆頭位置處鉆屑堆積對(duì)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(dǎo)向孔的偏差。當(dāng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向孔偏離時(shí)，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(shí)的較大壓力而直接致使導(dǎo)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(huì)直接引起整個(gè)鉆孔的橫向偏斜。

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

(3)使用有線隨鉆測(cè)斜儀來(lái)定向糾偏,能實(shí)時(shí)看到孔底糾偏情況,能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握鉆進(jìn)軌跡走向。

(4)可以通過(guò)有線隨鉆測(cè)斜儀,實(shí)時(shí)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(jì)的實(shí)施。螺桿鉆具產(chǎn)生的動(dòng)力,無(wú)需通過(guò)鉆具系統(tǒng),能直接作用于鉆頭,糾偏效果顯著。