论文部分内容阅读
【摘 要】矿区地层属于极易造斜地层，历年施工都有钻杆折断，钻孔报废的事故发生。因此在对钻孔进行初级定向设计时，不仅要注重钻孔轨迹的设计，还应在钻进过程中根据孔斜控制理论采取相应的增斜，减斜措施，以达到基本按设计的钻孔轴线钻达靶区的目的。
【关键词】钻孔弯曲 初级定向钻进 孔斜控制措施
一、工程地质条件及其影响
施工区为紧密褶皱区，褶皱非常发育。这些褶皱在空间分布和组合上以对称或不对称的直立褶皱为主，两翼产状陡倾，甚至出现同斜。矿区出露的岩石主要有安山岩、粗安岩、英安岩等，属于Ⅲ～Ⅳ类地层。地层层理面倾角变化规律由小变大，钻孔轴线与地层层面夹角随孔深增大而增加，夹角范围为15°～60°。在某施工钻孔25米处顶角6度，量取岩心顶角为16度，计算得地层倾角为68度。
同时矿区紧贴雅满苏大型仰冲断裂，其周围火山—岩浆活动频繁，其中脉岩主要发育石英脉、石英钠长斑岩脉为主。脉岩倾向与岩层倾向近似平行，由于区地质因素影响，致使钻孔主要以“顺层跑”形式弯曲。另外地层产状倾斜可钻性好，岩心完整性差、RQD值小的地层，也是钻孔弯曲的主要地质因素。
二、施工所遇问题
矿区钻孔施工中钻孔轴线顶角时常会偏离设计曲线，严重影响着钻孔质量。而钻孔方位角会随孔深增加而变大，变化幅度为每百米0.6度，可满足地质要求。因此要控制好顶角变化，顶角变化主要有以下三种现象：
（1）钻孔孔斜小于设计孔斜致使水平距离不够，设计孔深加深。另外钻孔上部孔斜较小，则钻孔下部孔斜必须增大以达到设计水平距离，使钻进施工的困难加大。
（2）矿区初级定向设计以中斜度定向孔（15?一45?）为主，矿区最大定向孔设计有48?，为大斜度定向孔。钻孔孔斜增大会使钻探机械设备的负荷增大，如遇破碎地层，会发生掉块，卡钻，钻杆折断等事故。
（3）钻孔孔斜与设计孔斜相比时大时小会使设备负荷增大，钻杆不正常磨损，严重的会造成无法钻进，钻孔报废的事故。
三、采取的控制措施
3.1钻孔自然弯曲定向控制。矿区采取的是单底定向孔设计，所用孔斜计算方法为全角全距图法。根据地质资料提供的靶区范围即可知靶区的垂深和设计孔深。通过对以往钻孔自然弯曲轨迹的分析以及对勘探线地形条件的踏勘，设计开孔顶角θ，方位角α，及钻进每百米顶角的弯强。计算出开孔位置到靶区的水平距离，确定孔口位置。
3.2钻进规程参数控制。（1）钻压控制：钻压过大，会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，从而导致钻孔弯曲钻压过小，转速过低，则进尺慢钻头停留在孔底时间长，也会扩大孔壁间隙增加孔斜。因此施工中钻压控制在5KN范围之内。（2）转速控制：转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用，使孔壁间隙增加导致钻孔弯曲。转速控制在300—500r/min。（3）提高冲洗液的润滑性，在孔深破碎地层适当提高冲洗液比重平衡地层应力。并且要加强冲洗液的净化避免岩屑重复破碎。
3.3钻进方法和钻具结构、尺寸选择。根据矿区地层情况和地质设计的要求，钻进方法有75mm和95mm金刚石绳索取心钻进工艺。随着孔深的增加，钻杆柱在压力的作用下弯曲变形，产生水平分力，使粗径钻具偏倒。在钻进阶段粗径钻具越长，钻具的偏倒角越小。但钻具长度过大，刚度不足，仍会被压弯，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。因此施工中采用粗径钻具或者适当加长钻具的方法减小孔斜。钻头主要选用胎体硬度小的底唇面为阶梯的孕镶金刚石钻头，钻头出刃好可降低钻头在硬岩面的停留时间，减少孔壁间隙的增大。施工中钻头规格为胎体硬度HRC30—35度，金刚石钻头浓度为75%，目数60—80目，水口10个。
3.4其他工艺技术措施。（一）钻塔安装必须做到天车、立轴、井口三点一线，钻机要稳固，不得晃动，立轴要直，不易太长。（二）在施工中钻孔弯曲测量结果有较大变化趋势时，应及时采用一定的措施如下：A：顶角、方位有增大趋势时，降低钻进压力，减小钻速，更换新的扩孔器。B：顶角、方位有减小趋势时，加大钻进压力，增加钻速，适量减小钻具上部扩孔器直径，选用底唇面为平面的钻头。（三）在跑斜严重的孔段，要严格控制钻速，选择合适的钻进速度。要求每班在钻进过程中以匀速钻速完成班工作量，不允许提前完成工作量和工作量超标。（四）在扩孔器的选择上，严格控制下扩孔器直径比钻头直径大0.2-0.3mm，并且在下扩孔器装扶正环。（五）钻进加杆时认真检查钻杆接箍的磨损情况，如发现有偏磨严重，环状厚度小的接箍或钻杆应更换后下入孔内。（六）每50米进行一次钻孔弯曲度测量，在跑斜严重的孔段，应加密测量点，掌握钻孔轨迹。如有偏差分析原因，做到问题及时发现和处理。
四、施工钻孔实例
矿区施工钻孔ZK120和zk1032，其中ZK120孔是根据地质资料按钻探规范设计施工，未做具体的初级定向设计。ZK1032孔由于设计孔深达到1100米，在完成初级定向设计后，才进行钻进施工。两孔的技术参数如下（表4-1）：
由上表ZK120孔頂角偏离规范设计，就其主要原因是未对钻进规程参数进行控制，0-200米钻进中钻压达2KN，转速500-600r/min，钻速快，百米顶角弯强达5度。200-600米采取措施控斜，但由于上部孔斜偏大，致使200米以下孔斜控制难度较大钻孔轨迹偏离设计轨迹。ZK1032孔设计孔深1100米，钻机型号XY-44，钻进参数采用设计值钻进，钻具选用加长钻具，0-500米钻进速度控制在平均23米/天，平均百米顶角弯强2.9度。因孔斜小于设计孔斜，500-1096米采取措施增大顶角，根据孔斜数据计算钻孔的空间位移量，严格控制钻孔轴线在设计范围内钻进，终孔时500米以下平均百米顶角弯强达4.9度，取得了较好的钻孔弯曲预期。最终钻孔轴线按照设计曲线进入靶区。
五、认识总结
（1）钻孔在开孔与变径阶段，应采取措施严格控制孔斜。开孔阶段孔斜过大，会加大后续孔斜控制难度。同时应减少钻孔的变径次数，若变径次数多，应下入比钻孔最后口径大一级的套管扶正。
（2）钻杆在轴向压力下旋转并不是按照钻孔轴线同心旋转，而是来回摆动的，必将会使粗径钻具偏倒。因此钻孔口径选择大于钻杆接箍2mm为宜，这样钻杆接箍也可间接起到扶正的作用，减小对钻具的偏倒力。
（3）钻进过程中应保证钻速均匀避免钻具在某一孔段停留时间过长，导致扩孔器切削孔壁扩大孔壁间隙。采用加长钻具时，不可使扩孔器过多，上部扩孔器可换成扶正环以减少对孔壁的切削扩大。
（4）在选择钻机型号时，应考虑钻机立轴转速。矿区钻孔钻进时转速一般控制在300-500转/分，XY-5钻机转速可用294和355转，XY-44钻机可用转速为308和456转。可见XY-5钻机可用转速低，从而影响钻进速度，对孔斜的控制不是很有利。
（5）钻进工程中要及时进行钻孔的弯曲度测量，当钻孔轨迹与设计轨迹在自然弯曲的情况下偏移量较大无法修正时，应及时采用连续造斜器进行人工纠偏，确保钻孔质量。
参考文献：
（1）姚爱国，马明等。岩土工程钻进原理中国地质大学出版社2000
（2）乌效鸣，胡郁乐等。钻进液与岩土工程浆液中国地质大学出版社2002
（3）王扶志张志强宋小军。地质工程钻探工艺与技术地质出版社2010
（4）王达何远信等。地质钻探手册中南大学出版社2014
第一作者简介：沈建，男，新疆昌吉市，汉族，1977年1月生，1996年7月参加工作。第二、三、四作者与第一作者为同事关系。
【关键词】钻孔弯曲 初级定向钻进 孔斜控制措施
一、工程地质条件及其影响
施工区为紧密褶皱区，褶皱非常发育。这些褶皱在空间分布和组合上以对称或不对称的直立褶皱为主，两翼产状陡倾，甚至出现同斜。矿区出露的岩石主要有安山岩、粗安岩、英安岩等，属于Ⅲ～Ⅳ类地层。地层层理面倾角变化规律由小变大，钻孔轴线与地层层面夹角随孔深增大而增加，夹角范围为15°～60°。在某施工钻孔25米处顶角6度，量取岩心顶角为16度，计算得地层倾角为68度。
同时矿区紧贴雅满苏大型仰冲断裂，其周围火山—岩浆活动频繁，其中脉岩主要发育石英脉、石英钠长斑岩脉为主。脉岩倾向与岩层倾向近似平行，由于区地质因素影响，致使钻孔主要以“顺层跑”形式弯曲。另外地层产状倾斜可钻性好，岩心完整性差、RQD值小的地层，也是钻孔弯曲的主要地质因素。
二、施工所遇问题
矿区钻孔施工中钻孔轴线顶角时常会偏离设计曲线，严重影响着钻孔质量。而钻孔方位角会随孔深增加而变大，变化幅度为每百米0.6度，可满足地质要求。因此要控制好顶角变化，顶角变化主要有以下三种现象：
（1）钻孔孔斜小于设计孔斜致使水平距离不够，设计孔深加深。另外钻孔上部孔斜较小，则钻孔下部孔斜必须增大以达到设计水平距离，使钻进施工的困难加大。
（2）矿区初级定向设计以中斜度定向孔（15?一45?）为主，矿区最大定向孔设计有48?，为大斜度定向孔。钻孔孔斜增大会使钻探机械设备的负荷增大，如遇破碎地层，会发生掉块，卡钻，钻杆折断等事故。
（3）钻孔孔斜与设计孔斜相比时大时小会使设备负荷增大，钻杆不正常磨损，严重的会造成无法钻进，钻孔报废的事故。
三、采取的控制措施
3.1钻孔自然弯曲定向控制。矿区采取的是单底定向孔设计，所用孔斜计算方法为全角全距图法。根据地质资料提供的靶区范围即可知靶区的垂深和设计孔深。通过对以往钻孔自然弯曲轨迹的分析以及对勘探线地形条件的踏勘，设计开孔顶角θ，方位角α，及钻进每百米顶角的弯强。计算出开孔位置到靶区的水平距离，确定孔口位置。
3.2钻进规程参数控制。（1）钻压控制：钻压过大，会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，从而导致钻孔弯曲钻压过小，转速过低，则进尺慢钻头停留在孔底时间长，也会扩大孔壁间隙增加孔斜。因此施工中钻压控制在5KN范围之内。（2）转速控制：转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用，使孔壁间隙增加导致钻孔弯曲。转速控制在300—500r/min。（3）提高冲洗液的润滑性，在孔深破碎地层适当提高冲洗液比重平衡地层应力。并且要加强冲洗液的净化避免岩屑重复破碎。
3.3钻进方法和钻具结构、尺寸选择。根据矿区地层情况和地质设计的要求，钻进方法有75mm和95mm金刚石绳索取心钻进工艺。随着孔深的增加，钻杆柱在压力的作用下弯曲变形，产生水平分力，使粗径钻具偏倒。在钻进阶段粗径钻具越长，钻具的偏倒角越小。但钻具长度过大，刚度不足，仍会被压弯，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。因此施工中采用粗径钻具或者适当加长钻具的方法减小孔斜。钻头主要选用胎体硬度小的底唇面为阶梯的孕镶金刚石钻头，钻头出刃好可降低钻头在硬岩面的停留时间，减少孔壁间隙的增大。施工中钻头规格为胎体硬度HRC30—35度，金刚石钻头浓度为75%，目数60—80目，水口10个。
3.4其他工艺技术措施。（一）钻塔安装必须做到天车、立轴、井口三点一线，钻机要稳固，不得晃动，立轴要直，不易太长。（二）在施工中钻孔弯曲测量结果有较大变化趋势时，应及时采用一定的措施如下：A：顶角、方位有增大趋势时，降低钻进压力，减小钻速，更换新的扩孔器。B：顶角、方位有减小趋势时，加大钻进压力，增加钻速，适量减小钻具上部扩孔器直径，选用底唇面为平面的钻头。（三）在跑斜严重的孔段，要严格控制钻速，选择合适的钻进速度。要求每班在钻进过程中以匀速钻速完成班工作量，不允许提前完成工作量和工作量超标。（四）在扩孔器的选择上，严格控制下扩孔器直径比钻头直径大0.2-0.3mm，并且在下扩孔器装扶正环。（五）钻进加杆时认真检查钻杆接箍的磨损情况，如发现有偏磨严重，环状厚度小的接箍或钻杆应更换后下入孔内。（六）每50米进行一次钻孔弯曲度测量，在跑斜严重的孔段，应加密测量点，掌握钻孔轨迹。如有偏差分析原因，做到问题及时发现和处理。
四、施工钻孔实例
矿区施工钻孔ZK120和zk1032，其中ZK120孔是根据地质资料按钻探规范设计施工，未做具体的初级定向设计。ZK1032孔由于设计孔深达到1100米，在完成初级定向设计后，才进行钻进施工。两孔的技术参数如下（表4-1）：
由上表ZK120孔頂角偏离规范设计，就其主要原因是未对钻进规程参数进行控制，0-200米钻进中钻压达2KN，转速500-600r/min，钻速快，百米顶角弯强达5度。200-600米采取措施控斜，但由于上部孔斜偏大，致使200米以下孔斜控制难度较大钻孔轨迹偏离设计轨迹。ZK1032孔设计孔深1100米，钻机型号XY-44，钻进参数采用设计值钻进，钻具选用加长钻具，0-500米钻进速度控制在平均23米/天，平均百米顶角弯强2.9度。因孔斜小于设计孔斜，500-1096米采取措施增大顶角，根据孔斜数据计算钻孔的空间位移量，严格控制钻孔轴线在设计范围内钻进，终孔时500米以下平均百米顶角弯强达4.9度，取得了较好的钻孔弯曲预期。最终钻孔轴线按照设计曲线进入靶区。
五、认识总结
（1）钻孔在开孔与变径阶段，应采取措施严格控制孔斜。开孔阶段孔斜过大，会加大后续孔斜控制难度。同时应减少钻孔的变径次数，若变径次数多，应下入比钻孔最后口径大一级的套管扶正。
（2）钻杆在轴向压力下旋转并不是按照钻孔轴线同心旋转，而是来回摆动的，必将会使粗径钻具偏倒。因此钻孔口径选择大于钻杆接箍2mm为宜，这样钻杆接箍也可间接起到扶正的作用，减小对钻具的偏倒力。
（3）钻进过程中应保证钻速均匀避免钻具在某一孔段停留时间过长，导致扩孔器切削孔壁扩大孔壁间隙。采用加长钻具时，不可使扩孔器过多，上部扩孔器可换成扶正环以减少对孔壁的切削扩大。
（4）在选择钻机型号时，应考虑钻机立轴转速。矿区钻孔钻进时转速一般控制在300-500转/分，XY-5钻机转速可用294和355转，XY-44钻机可用转速为308和456转。可见XY-5钻机可用转速低，从而影响钻进速度，对孔斜的控制不是很有利。
（5）钻进工程中要及时进行钻孔的弯曲度测量，当钻孔轨迹与设计轨迹在自然弯曲的情况下偏移量较大无法修正时，应及时采用连续造斜器进行人工纠偏，确保钻孔质量。
参考文献：
（1）姚爱国，马明等。岩土工程钻进原理中国地质大学出版社2000
（2）乌效鸣，胡郁乐等。钻进液与岩土工程浆液中国地质大学出版社2002
（3）王扶志张志强宋小军。地质工程钻探工艺与技术地质出版社2010
（4）王达何远信等。地质钻探手册中南大学出版社2014
第一作者简介：沈建，男，新疆昌吉市，汉族，1977年1月生，1996年7月参加工作。第二、三、四作者与第一作者为同事关系。