摘 要:为了确保钻孔按既定轴线准确地钻到预计的空间位置或矿体部位,达到地质勘察设计的目的,本文从不同地质条件对引起孔斜重要控制作用进行分析,总结了钻孔顶角在钻进直孔或斜孔显现的趋向层面弯曲性;软硬互层钻进时顶、顺弯曲与惯向弯曲性;钻孔方位角因遇层角的变化垂向偏斜规律;软硬互层钻进时左右偏斜规律。提出了预防钻孔弯曲的方法,对指导今后钻探施工具有现实意义。
关键词:钻孔弯曲 地质控制 弯曲规律 防斜措施
钻井施工是勘探地下矿产资源的重要方法之一,而每一个钻孔都必须准确地钻到预计的空间位置或矿体部位才能够达到探明地下矿产资源的要求。但是,在钻孔施工过程中,由于种种原因,经常会使钻孔轴线偏离既定的空间位置,发生程度不同的钻孔弯曲。因此,了解钻孔弯曲情况,分析弯曲原因,找出弯曲规律,采取一定的措施防止钻孔弯曲或将钻孔弯曲控制在一定范围内是钻探工作的一项艰巨任务[1]。
1.钻孔弯曲的地质控制因素
钻孔之所以发生弯曲,是粗径钻具在回转碎岩过程中偏离设计钻孔轴线方向而引起的。一般促使粗径钻具偏斜的因素有二:一是钻头底面受到偏斜力矩或粗径钻具受到与设计钻孔轴线不一致的斜向力;二是孔壁对粗径钻具导向不够或粗径钻具刚性差。
造成粗径钻具的偏斜条件主要有两方面:一是施工技术和钻进工艺等,即钻探设备的质量及安装、开孔钻进以及粗径钻具结构尺寸、钻进方法、钻进技术参数及操作技术等。例如在施工过程中,钻机没有水平地安装在固定的基础上或地基填方多,不坚固,使得基台枕受力不均,造成钻机倾斜;塔上滑车、钻机立轴和钻孔没在同一轴线上;钻机立轴(或转盘)没有准确地固定在既定的倾角和方位角上,这些都会导致钻孔的严重弯曲。钻机陈旧或性能不良,不能保证粗径钻具的一定方向和角度时,就会发生钻孔弯曲。如钻机的回转给进部件导向性差,立轴导管松矿,立轴箱固定不牢,油压钻机滑道松旷等。钻进方法不同时,孔径与钻具(主要是粗径钻具)之间的孔隙也不相同,而两者之间的孔隙,是造成钻具在孔内偏斜的重要条件。钻进规程参数主要包括钻具的级配、钻具的刚性、粗径钻具的长度及粗径钻具的质量。当钻具级配不合理,钻孔与钻杆柱的间隙比差增大时,钻杆柱的挠度增大,弯曲钻杆柱对孔壁的侧压力也愈大,钻孔弯曲率也就越大。二是地质控制因素,即岩层的岩性及产状、地质构造以及某些特殊地层等;而不同的地质条件是引起钻孔弯曲主要控制因素[5]。
1.1岩石各向异性对钻孔弯曲的控制
由于层状岩石的各向异性,钻头朝着钻进阻力最小的垂直于层面方向偏斜,致使钻孔的顶角和方位角都趋向垂直岩层层面方向弯曲。异向性越强的岩石,钻孔弯曲的程度越大。
1.2软硬互层对钻孔弯曲的控制
钻孔穿过倾斜的软硬互层时,因软硬岩石抵抗破碎的能力不同,使孔底产生不均匀破碎,造成钻速差,引起钻孔顶角及方位角的变化。钻孔偏斜的方向和顶角变化率,取决于钻孔轴线与岩层面的夹角(遇层角)和软硬岩石的硬度差,差值越大,钻孔弯曲率越大。
1.3构造层对钻孔弯曲的控制
构造层是指地质构造复杂和自然破碎的地层
钻孔在穿过地质构造复杂和自然破碎的地层时,也会发生顶角和方位角的变化。
岩石的软硬互层,岩层的倾角大,片理发育的岩层等是促使钻孔弯曲的普遍原因,而且钻孔弯曲都有一定的规律性。断层、破碎带、卵石、砾石层、流沙层、溶洞、老窿等,是促使钻孔弯曲的特殊原因,而且钻孔弯曲没有一定的规律。
钻孔弯曲的规律性主要表现为:钻孔顶角和钻孔方位角的变化。
2.钻孔弯曲规律
2.1钻孔顶角的弯曲规律
钻孔顶角的弯曲主要有两种情况:一是钻进直孔或斜孔显现的趋向层面弯曲性;二是软硬互层钻进时顶、顺弯曲与惯向弯曲性。
(1)趋层弯曲性
钻进直孔或斜孔,当遇层角α为锐角时,钻孔一般趋向于与岩层层面或层理面相垂直的方向弯曲(图1)。
(2)顶、顺弯曲与惯向弯曲
由软岩层向硬岩层钻进时顶角的变化随遇层角δ的大小及软硬岩层的硬度差而有不同。a.当遇层角δ小于15°,且互层的软硬相差较大时,钻孔则沿硬岩层上盘弯曲,俗称“顺层跑”(图2a);b.当遇层角δ大于30°时,钻孔将向与硬岩层层面相垂直的方向弯曲,俗称“顶层进”(图2b)。
(a)δ<15°;(b)δ<30°
但是,当遇层角δ在15°～30°之间时,钻孔弯曲一般没有规律,可能沿岩层接触面弯曲,也可能沿相反方向弯曲。
由硬岩层向软岩层钻进时当遇层角为锐角时,钻孔顶角向硬岩层惯向弯曲,且弯曲程度随遇层角增大和软硬岩层接触面的倾角增大而增大(图3)。
此外,钻进软硬互层由硬岩层再次进入软岩层,若后面两岩层的硬度差小,且硬岩的厚度较大时钻孔顶角不再弯曲,仍是顶层进;当后两岩层的硬度差大,硬岩层厚度较小时钻孔顶角也有可能向下弯曲(图4)。
2.2钻孔方位角的偏斜规律
钻孔方位角的偏斜主要有两个种情况:一是因遇层角的变化钻孔方位角垂向偏斜;二是软硬互层钻进时左右偏斜。
(1)垂向偏斜性
当钻孔轴线与岩层走向交角较大时,钻孔方位角逐渐趋向于垂直岩层走向偏斜(图5)。其中,遇层角(钻孔轴线与岩层走向线之间小于90°的夹角)γ在钻孔轴线左侧时,向左偏斜;γ在钻孔轴线右侧时,向右偏斜;γ等于90°时,钻孔方位角不易偏斜。此外,方位角偏斜程度与钻具旋转方向有关:当钻具顺时针方向旋转时,γ在钻孔轴线右侧比它在左侧时的偏斜程度更大。
(2)软硬互层钻进左右偏斜性
a.由软岩层向硬岩层钻进:钻头顺时针方向旋转,硬岩界面阻力A大于软岩界面阻力B(图6a),钻头围绕A点产生附加力矩M促使钻头发生偏斜;同时钻头受到水平力R(P2-P1)的作用也使其偏斜。加之,粗径钻具位于软岩层中易扩大孔壁。因此,顺岩层倾斜方向看钻孔的方位角沿岩层走向往右偏斜。b.由硬岩层向软岩层钻进:钻头顺时针方向旋转,硬岩层界面B点阻力远远大于A点阻力(图6b),钻头围绕B点产生附加力矩M促使钻头偏斜,同样钻头受到水平力R(P2-P1)也使之发生偏斜;但粗径钻具处于硬岩层中而偏斜程度有所减小。因此总的趋势是:顺岩层倾斜方向看钻孔的方位角向后并沿岩层走向往左偏斜。
3.钻孔弯曲的防斜措施
钻孔弯曲度若超过了地质设计的要求,不仅给钻进工作带来很多困难,重要的是对地质勘探成果造成严重的危害[3]。
在地质工作方面钻孔过度弯曲不仅会降低取心质量,而且不能穿过预定的见矿点,或者从设计的勘探线偏到另一条勘探线,从而得不到符合客观实际的地质资料,造成地质情况失真,影响对矿床的合理评价,也给矿山开采设计带来错误。
(1)钻孔弯曲不能按设计要求穿过预定的构造带(未发现断层)时。会使地质构造的形态和位置被歪曲,如图7a所示。
(2)钻孔弯曲使控矿的间距减小或增加时,会造成矿产储量计算失真。图7b左为控矿间距减小,就会减少可计算的矿产储量;图7b右为控矿间距增大,会使储量级别降低。
(3)钻孔弯曲未见到矿时,会使预计要见到的矿层被打漏掉。如图7c所示。
(4)钻孔顺层跑,与矿体平行钻进时,就不能穿透矿体,歪曲矿体厚度,如图7d所示。
(5)相邻两个钻孔,若相向弯曲时,可能把小矿体歪曲成大矿体。如图7e所示。
在钻探工作方面
(1)钻孔弯曲过大,钻具回转阻力增大,造成钻具在孔内回转困难。
(2)钻孔弯曲过大,容易引起钻具折断,同时升降钻具、起下套管也很困难。
(3)因钻具的一部分紧贴孔壁,难于确定合理的真实的孔底钻压,压力损失大,不仅增大了动力消耗,而且金刚石钻进开不出高转速。
(4)弯曲严重的孔段,如岩(矿)层破碎不完整,受钻具的强烈敲击。极易引起孔壁坍塌、掉块,从而造成卡、埋钻事故。
(5)在弯曲的钻孔中发生孔内事故不易处理,往往使孔内事故更加复杂化。
(6)因钻孔弯曲而达不到地质设计要求,就必须纠斜,从而增加工作量,影响施工进度。
3.1正确的安装施工设备
①正确安装钻探设备,如钻塔和钻机安装必须周正、坚固、水平,其次天轮钻孔、中心立轴必须在一条铅垂线上。
②在易斜地区内,开孔要用短岩心管导正钻进,尽可能使用取心钻具开孔;同时随着孔深的增加,要连续增加粗径钻具。
③确保按照设计方向开孔,粗径钻具要直,孔口管要固定牢,其方位和倾角要符合设计要求。
3.2采用合理的钻探工艺
①在不稳定冲积层及第四系夹砾石层钻进时,使用优质泥浆,采用取心钻进。
②在易产生钻孔弯曲地层中钻进时,要轻压快钻,各班钻进技术参数要一致。
③在取心钻进时一定要卡劳岩芯,避免岩芯起钻脱落,造成下钻扫孔。
④按合理钻进参数钻进作业,钻至软硬变换岩层处,容易使钻孔弯曲,此时应减小压力和转速。
4.结论
综上所述,钻孔弯曲既影响钻探施工的速度,又关系到矿产储量计算、矿体空间位置和岩层构造的准确性,因此,在钻探工作中必须根据引起钻孔弯曲的原因,积极预防钻孔弯曲,并按规定要求及时准确地测量钻孔弯曲度,掌握钻进中孔身的空间位置,如果钻孔偏斜的方向和角度超过地质设计要求,就应采取措施进行矫正,将钻孔弯曲度控制在允许范图内[4]。
参考文献:
1.李世忠.钻探工艺学[M],北京:地质出版社,1989
2.马植侃,等.钻探工程学,中国矿业大学出版社,1998
3.郭绍什.钻探手册,中国地质大学出版社,1993
4.赵运兴,等.煤田钻探技术手册(修订本)[M],北京:煤炭工业出版社,1989
