简谈煤田关于煤田钻探中钻孔弯曲研究

论文导读：
【摘 要】对钻孔弯曲的危害、产生原因、预防及纠正方法进行了探讨，对于煤田钻探中做好钻孔弯曲的防治工作具有一定的参考意义。
【关键词】煤田钻探；弯曲；原因；预防；纠正
1 钻孔弯曲对煤田钻探产生的危害
（1）钻探过程中增加了钻具和孔壁之间的摩擦阻力，造成钻具磨损；回转和升降困难，易引起钻杆无用功的消耗，缩短钻具的使用寿命。
（2）钻进施工中钻头压力不能直接加压到孔底，否则压力将一部分消耗在钻具上，一部分消耗在弯曲钻孔的孔壁上，从而降低钻进效率，增加钻探成本，浪费材料，延长勘探时间。
（3）钻杆在孔内弯曲段钻进剧烈敲击孔壁，造成不完整岩层的坍塌掉块，容易引起卡钻、折断钻具、孔内拉槽等事故发生。
（4）直接影响地质资料的可靠性。钻孔弯曲会造成地质人员分析错误，不能正确判断地质情况，引起很大的损失。如有时会把断层打掉，煤层打丢，达不到地质设计目的；另外，会使所控制的煤层深度变浅，影响储量圈定级别。
2 钻孔弯曲的原因
造成钻孔弯曲条件的原因大致可分为三类，即地质、技术和工艺因素。

2.1 地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的构造特征和岩层的软硬相兼性。地质因素是客观存在的，无法避免，只能通过工艺技术措施来减弱它的促斜作用。
2.

1.1 岩石的构造特征

岩石本身具有层理、片理等构造特征，当钻头在倾斜岩层中钻进时，岩石的破碎效率不高，钻头易沿岩层倾斜方向钻进，钻孔极易产生垂直于层面的弯曲。
2.

1.2 岩层的软硬交替性

钻孔以锐角穿过软硬交替的岩层界面，从软岩层进入硬岩层时，由于软、硬部分抗破碎能力的不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩层进入软岩层时，则钻具有偏离层面垂线方向的趋势，但由于上方孔壁岩性较硬，限制钻具偏倒，使钻头基本保持着原来的方向钻进。
2.

1.3 易发生钻孔弯曲的特殊地层

（1）在松软或较松软的第四系地层内，如遇到大砾石，钻孔易沿砾石斜面弯曲。
（2）钻孔遇到裂隙地层，而裂隙的方向与钻孔的方向相近时，钻孔沿裂隙方向延伸。
（3）越是断层节理发育，岩脉穿插多的地层，钻孔越易偏斜，且递增幅度大。

2.2 技术因素

技术因素具有人为性质，一般可以采取相应措施进行避免。
开孔施工前，钻机基础不平，立轴不铅垂，未下孔口管或孔口管方向不合要求都会产生钻孔弯曲，这些因素会对以后的钻孔继续延伸产生严重的影响。
钻进过程中造成钻孔弯曲的技术原因主要是钻具的结构和尺寸不合理。现行的钻进方法中，为了保证冲洗液畅通、排除岩屑，钻头直径往往大于钻杆柱直径，同时，钻头在钻进过程中不可避免地还要产生一定程度的扩壁，所以孔壁与钻具之间的空隙必然存在。钻进过程中必须对钻头施加轴向压力，由于存在孔壁间隙，而钻杆柱为一细长柔性杆件，在压力的作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，轴向压力将沿弯曲钻杆产生水平分力，所以，使钻具弯曲的力也是客观存在的。钻具越长，在轴向压力作用下越易被压弯，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。

2.3 工艺方面的原因

影响钻孔弯曲的工艺因素，主要是钻进方法和钻进规程参数。
不同的钻进方法对岩石具有不同的破碎机理，产生不同的孔壁间隙。钢粒钻进时产生的孔壁间隙最大，因此产生的钻孔弯曲程度最大。硬质合金钻进时孔壁间隙次之，一般钻孔弯曲程度中等。金刚石钻进孔壁间隙最小，通常只有1～3mm，在钻具刚度足够时，钻孔弯曲最小。
钻进规程参数是影响钻孔弯曲的重要因素。钻压过大，会造成钻杆柱甚至钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，使得钻具与孔壁摩擦阻力增加，钻具只围绕自身轴线自转而不作公转，此时钻具倾斜面有固定方向，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，导致孔壁间隙增加。同样，如果转速过低，钻具与孔壁长时间研磨，也会扩大孔壁间隙。钻进中冲洗液量使用过大，在较软的岩层中，会冲刷、破坏孔壁，扩大孔壁间隙。由此可见，钻压、转速、冲洗液量等钻进规程参数的选择不当，都会造成钻孔弯曲。
3 钻孔弯曲的预防

3.1 在设计钻孔时应考虑到钻孔弯曲预防

3.

1.1 按照地层条件设计钻孔

按勘探网布置钻孔时，尽可能使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向。对于松软、硫松、破碎地层、厚覆盖层、裂隙及溶洞发育地层应尽论文导读：已经偏斜的钻孔向相反方向弯曲的方法和措施。4.1顶角偏斜纠正4.1.1使顶角下垂的方法采用组合式钻具，如钟摆钻具、偏重钻铤等钢粒钻进可采用双弧形水口钻头。需急剧下垂时，可采用悬垂钻具等。4.1.2使顶角上漂的方法除在松散、镕洞地层钻进钻具具有自然下垂的趋势外，通常，在钻进中，钻具具有自然上漂的倾
可能设计垂直孔。因为在这些地层中，常因钻具自重而使斜孔产生铅垂方向的弯曲。对于软硬不均，层理、片理发育的地层，所设计钻孔的方向应力求与层理面垂直。
3.

1.2 按钻孔弯曲规律设计钻孔

对具有明显孔斜规律的地层（如具有明显各向异性的岩层）或岩层倾角较大，钻孔轴线无法与之垂直相交的地层，就应在保证达到见矿点的空间位置不发生较大位移的前提下，充分利用造斜地层的自然弯曲规律，辅以人工控制弯曲措施，设计“初级定向孔”。其具体要求如下：
（1）顶角的设计
若已知的钻孔弯曲规律是方位基本稳定而顶角偏离设计孔值较大时，应改变顶角的设计，使之能达到预定见矿点的位置。
（2）方位角的设计
若已知钻孔弯曲规律是倾角基本稳定而方位角变化较大时，应按方位角变化规律调整钻孔设计。立轴扭转法实质上是使开孔方位按周围已施工钻孔的方位弯曲规律，向相反方向偏移。偏移的方法是扭动钻机立轴，右偏左移，左偏右移，使钻孔达到预定见矿点。扭转角度一般不得超过全孔自然弯曲角的1/2。扭转角度过大，则会改变钻孔轴线与岩层定向的临界交角，而使钻孔顺扭转方向偏斜。
3.2 正确的安装施工设备 （1）设备安装前，地基要平整、坚实，基台木要水平、稳固。（2）钻机立轴倾角的方向要符合设计要求，上对塔上天车，下对设计孔位。同时，在钻进过程中还要经常检查和校正立轴方向。（3）要保证按设计方向开孔，钻具要直。孔口管要固定牢，其方位和倾角要符合设计要求。

3.3 采用合理的钻具结构

采用合理的钻具结构，可以保证钻具有较高的同心度，提高钻具的刚性，减小钻具与孔壁的间隙，实现孔底加压，增强钻具的稳定性和导正作用，改善下部钻具的弯曲形态，提高钻进时的防斜能力。
4 钻孔弯曲的纠正
钻孔弯曲纠正是指以人为的工艺技术促使已经偏斜的钻孔向相反方向弯曲的方法和措施。

4.1 顶角偏斜纠正

4.

1.1 使顶角下垂的方法

采用组合式钻具，如钟摆钻具、偏重钻铤等钢粒钻进可采用双弧形水口钻头。需急剧下垂时，可采用悬垂钻具等。
4.

1.2 使顶角上漂的方法

除在松散、镕洞地层钻进钻具具有自然下垂的趋势外，通常，在钻进中，钻具具有自然上漂的倾向。如果辅以人工措施，使钻具上漂是比较容易实现的。具体措施是采用短岩心管（其长度约为普通岩心管的2/3），适当加大钻压与源于：论文封面www.7ctime.com
水量。采用钢粒钻进时，可选用大直径钢粒、增大投砂量的方法，或采用大一级直径的钻头配小一级直径的岩心管组成塔式钻具，以扩大孔壁间隙，促使钻具上漂。

4.2 方位角偏向纠正

对方位角偏斜的纠正，目前仍无有效措施，通常是在钻孔方位顺钻头回转方向偏斜时（右旋），采取左旋钻具的方法纠正。这种方法对钢粒钻进具有一定效果。

4.3 对顶角和方位角均有较大偏斜时的纠正

采用一般纠斜方式不能奏效时，可采用灌注水泥纠斜的方氏此法适用于中硬以上岩层。此外，还可以采用在孔内下偏心楔的方法纠斜。
参考文献：
苏来军.额木尔河矿区钻孔弯曲的防治[J].鸡西大学学报，2006（2）.
王扶志.大水清矿区钻孔弯曲规律及钻孔弯曲的防治[J].探矿工程—岩土钻掘工程，2005（Z1）.
作者简介：
杨保林，（1979.6-），男，安徽亳州人，大专学历，现工作于安徽省煤田地质局第一勘探队，助理工程师。