礦井全方位鉆孔測斜技術研究

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、堅固性系數f=0.19～0.36。煤層透氣性系數λ=0.010261～0.022090m2/MPa2.d，其均值為0.0161755m2/MPa2.d。煤層透氣性系數低，屬于大傾角復雜地質條件下較難抽放煤層。礦井在瓦斯災害治理過程中，由于施工鉆孔時鉆頭和鉆桿磨損角度不對稱，造成鉆孔施工角度偏移、鉆孔竣工與設計偏移，導致本煤層瓦斯抽放盲區較多。為此，礦井也開展了盲區補充措施鉆孔，但補充措施增加了工程量，延長了抽放時間，如以目前采用的治災技術進行瓦斯災害治理，將嚴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研究，通過對比分析鉆孔設計與實際鉆孔偏斜規律，再優化鉆孔設計，提高單孔準確度，大量減少治災工程減少盲區，方可滿足安全生產需要[1-4]。

1.扶正器鉆具研究

1.1 轉盤鉆扶正器組合

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改變井斜，即進行增斜、降斜或穩斜。此類工具是在轉盤鉆的基礎上，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80年代以來，國內外對扶正器鉆具組合的研究逐步深入，運用數學、力學和計算機工具，出現了微分方程法、有限元法、縱橫連續梁法、加權余量法等方法，且都需要使用較復雜的計算機程序。在沒有計算機軟件計算在情況下，可使用現場常用的經驗數據。轉盤鉆扶正器組合有3種：增斜組合、穩斜組合、降斜組合。

1.2 單扶組合的力學分析

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個分量：

β角是鉆頭軸線與井眼軸線的夾角。Fi構成鉆頭側向力的一部分。

扶正器以下鉆柱的重量為W，作用點在該段鉆柱的中點a點。

W可以分解為平行鉆柱軸線和垂直鉆柱軸線的2個分量：

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。

扶正器以上到切點的鉆柱的重力，在垂直鉆柱軸線方向的分量，相當一個杠桿力，通過扶正器形成彎矩Mc。

Mc作用到鉆頭上，形成鉆頭的側向力Fc，是鉆頭上側向力的一部分：

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，不可定量計算。

井眼前進的方向，不是鉆頭軸線方向，即鉆壓P的方向，因為在鉆頭上還作用有其他橫向力，井眼前進的方向，也不是鉆頭上所有力的合力Q的方向。因為鉆頭具有各向異性，軸向和側向的切削能力是不同的。一般來說，側向切削能力小于軸向，實際的井眼前進方向，是在P和Q2個方向之間。γ越大，則井眼增斜越強。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為負則降斜；

預增斜：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。組合產生正向側向力。第一杠桿原理。

B組合：降斜組合。產生負向側向力。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斜。

鉆壓對鉆頭側向力的影響：

增斜組合：在一定的組合、一定的井斜角和井眼尺寸下，鉆壓對側向力的影響是很微小的。在一定井斜角下，Lg長度是由切點一下扶正器以上鉆柱重力的分量決定的。在增斜鉆進時，鉆壓遠遠大于切點以下鉆柱的重量。鉆壓的變化，只是引起切點以上躺在井壁下側的鉆柱長度的變化。不影響Lg長度鉆柱的重量。所以，側向力不隨鉆壓的大小而變化。但不可形成錯覺：P=0時，側向力也會是那么大！此使整個鉆柱的重力全被大鉤承擔，形不成切點。

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，鉆壓的側向分量增大。鉆壓繼續增大，鉆柱繼續彎曲，在扶正器和鉆頭之間將出現新的切點。在出現新切點之前，鐘擺力不會減小，但由于鉆壓的側向分量增大， 將使降斜測向力減小。在出現新切點之后，鐘擺力將會大大減小，即降斜測向力減小。總的說，降斜組合，鉆壓的增大將使降斜測向力減小。

鉆鋌直徑對側向力的影響：

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，不是簡單的關系。影響側向力的因素，不僅有鉆鋌的重力，還有扶正器到切點的距離，此距離隨鉆鋌直徑增大而減小，還有此距離內鉆鋌的彎曲情況，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。由于單扶穩斜組合性能的不穩定性，穩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（例如多扶穩斜組合），則容易出現阻卡現象。使用多扶增降組合，則容易下入。

多扶增斜組合的結構：

標準多扶增斜組合：A

在標準增斜組合基礎上，可以變化，適當減小增斜率；

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”。若標準增斜組合的增斜率為20/30m，則“giligan”增斜率可達到30/30m。

柔性組合B，使用兩根相應的鉆桿或無磁鉆桿。若標準增斜組合的增斜率為20/30m，則此種柔性組合增斜率可達到40m～50/30m。

扶穩斜組合的結構：

標準多扶穩斜組合A：3個扶正器組成；

在標準增斜組合基礎上，可以變化，適當改變增斜率；

B：在三扶之上，每個10m加第四甚至第五個扶正器。增大增斜率；

C：適當加大第一和第二扶正器之間的距離。減小增斜率；

多扶降斜組合的結構：

《暫行條例》是有序推進城鎮化背景下的重要環節，它使整個城鎮化推進工程首先落實到人口的“城鎮化率”重心上。從憲法角度觀之，《暫行條例》主要指向公民在社會經濟生活中享有各種社會權，如適足生活水平、勞動權、受教育權以及物質幫助權等，目標指向為城市遷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、居住證申領條件和程序，主管機關的職責分工、居民待遇及相關權利、戶口落實基本條件以及違法處罰等方面進行了逐一規定。

標準多扶降斜組合A ：2個扶正器組成，鉆頭至一扶距離20m；

在標準組合基礎上以變化，適當改變降斜率；

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，井斜角增大則側向力增大。

穩斜組合：鉆壓對穩斜組合性能的影響是很小的。所以在穩斜鉆進中，可以根據眼使性能改變鉆壓。穩斜組合對井斜角的變化是敏感的。井斜角增大，則負側向力增大。所以，在井斜較小時顯示穩斜的組合，在井斜較大時可能顯示為降斜組合。

降斜組合：鉆壓增大，鉆柱正向彎曲，負側向力減小，降斜率減小。

1.5 實用鉆具組合

增斜鉆具組合：按增斜能力分為強、中、弱3種。使用中要注意：L1增長，增斜能力減小；近鉆頭扶正器直徑減小，增斜能力也減小；注意保持低轉速。

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

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

2.實施效果

（1）偏離方向：在水平方向，3124底抽巷施工的10個試驗鉆孔，其中3個鉆孔的實際成孔軌跡與理想直線鉆孔軌跡相比向右側偏離，7個試驗鉆孔向左側偏離。在垂直方向，9個鉆孔的實際成孔軌跡與理想直線鉆孔軌跡相比向上方偏離，1個鉆孔向下偏離。總體而言，無論水平方向還是豎直方向，鉆孔彎曲方向規律性較差，具有很大的隨機性。

（2）偏差大小：各試驗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、負號僅表示偏離方向，“上正下負，右正左負”。經軌跡儀實測，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個方向的“不可推測偏差”進行對比，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”。

礦井每個抽采面補孔率約為5%，根據鉆孔補孔量計算，3124底抽巷穿層鉆孔補孔工程量5000m，按穿層鉆孔成本126元/m計算，節約工程費用63萬元。全方位鉆孔測斜、偏移規律的研究，減小了鉆孔偏差，合理優化抽采鉆孔布置間距，項目累計創造經濟效益2863萬元。

3.結語

（1）項目采用鉆孔軌跡儀測定鉆孔軌跡，由手機記錄采樣點號，探管中的方位傳感器、傾角傳感器測量鉆桿空間姿態參數，經過模數轉換變成數字儲存，測量后對數據進行處理形成鉆孔三維軌跡圖。

（2）項目通過對鉆孔測斜結果進行研究與分析，鉆孔彎曲方向規律性較差，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）項目初步形成了一套全方位鉆孔測斜技術，根據地質條件合理選擇鉆機、鉆具組合，通過采用扶正器糾偏技術，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）項目在綠水洞煤礦3124底抽巷等完成工業性試驗，投入費用約523萬元，年創造經濟效益約2863萬元，成效顯著。