仰角穿软岩层施工高压探放水钻孔成孔可行性分析

陈领

中煤新集地勘公司 安徽淮南 232171

如何解决困扰该类钻孔的施工难点，本文将分析该类钻孔施工抱钻、喷孔、堵孔成因，并探讨行之有效的解决措施进行论述。

1 穿软岩层施工钻施工情况

通过现场施工数据收集，以水介质排渣φ73mm宽叶片钻杆施工软岩层穿砂岩钻孔情况反馈如下。

仰角时，如砂岩层在孔深0～50m段内出现2m以上坚硬砂岩时，此段孔内返渣比较顺畅。如前段岩层较软，50～150m段内出现2m以上坚硬砂岩层，此时孔内有时会出现返渣不畅抱钻现场。如前段岩层较软，150～200m段出现2m以上坚硬砂岩层时多数会出现孔内返渣不畅抱钻情况。如0-200m段内施工未见坚硬砂岩层，除在穿煤层段或穿煤层较厚有时会出现返渣不畅抱钻情况，其余孔深段孔内多数返渣顺畅，且仰角角度越大返渣效果越好。钻孔钻进后期段时间越长越易出现抱钻返渣不畅情况[1]。

俯角时，0～100m内出现2m以上坚硬砂岩层时，返渣基本顺畅。如前段岩层较软，100～150m段内出现2m以上坚硬砂岩层多数会出现孔内返渣不畅抱钻情况。如前段岩层较软，150～200m段出现2m以上坚硬砂岩层时基本会出现孔内返渣不畅抱钻情况。如0～200m段内施工未见坚硬砂岩层，除在穿煤层段或穿煤层较厚会有时出现返渣不畅抱钻情况，其余孔深段孔内多数返渣顺畅。然而，钻孔钻进后期段时间越长越易出现抱钻返渣不畅情况。

2 软岩层穿坚硬砂岩层段孔内出现返渣不畅与抱钻的成因

经过长期现场施工资料收集及成孔后孔内轨迹分析，我们发现在钻进采用φ73mm宽叶片钻杆施工时，孔内如未遇见坚硬类砂岩层时，200m左右深度钻孔，除孔内穿煤层段或穿煤层较厚会有时出现返渣不畅抱钻情况，多数孔内施工较顺畅，若钻孔钻进后期段时间越长越易出现抱钻返渣不畅情况。如200m左右深度钻孔，孔内遇见坚硬类砂岩层靠近孔深后段，在穿坚硬砂岩层段时，起初孔内顺畅，推进压力后，随着穿坚硬砂岩时间的增加，孔内旋转压力会跳动式增加且排渣不畅。

2.1 钻具在孔内受力情况分析

2.1.1 钻杆受力分析

因钻杆本身具有质量。随着孔内钻杆的不断增加，当孔内单位长度的钻杆静止状态不施加推力钻机锁固静止时受力情况如何呢？

图1 钻机锁固静止状态受力情况

通过该状态下受力分，可以看出，仰角施工时在不施加推力钻机锁固静止时，由于钻杆自身质量会产生一个垂直向下和水平向右的分力。经过受力分析，可以得出垂直岩面的压力为：F岩面=G钻杆×g×cosθ，（其中G钻杆=钻杆质量、θ=仰角大小、g=重力加速度取g=9.8m/s²)。

2.1.2 钻头受力情况

假设孔内光滑、钻杆强度足够大，不会因受力后产生变形弯曲，则当推进压力施加超过G钻杆×g/sinθ时，压力通过钻杆传导至钻头，并对岩面产生压力。因钻头质量较小，在忽略其自重时，从受力方向来看，在仰角θ施工时，推进压力大于钻杆自重引起沿施工角度向下的分力（G钻杆×g/sinθ）后，对孔内钻头施加的压力，与孔内钻头遇到岩面阻力沿着该角度反方向的力是一对大小相等的作用力（其中钻机推力F推=πr²P。π=圆周率，r=推进油缸半径，P=推进压强）。

2.1.3 仰角软岩钻进时孔内钻具向下偏斜

因为钻杆自身具有质量，在不断连接加尺的过程，孔内钻杆会向岩壁接触面整体施加由自重引起的压力F岩面=G钻杆×g×cosθ。我们知道金属材料在受力后会有沿受力方向的弹性弯曲变化，由于钻头的直径比孔内钻杆直径大，钻头在因自重发生弯曲变化时会更先于与岩面接触，因此所受到的自重引起垂直向下的压力也会更大一些。

孔内岩层较软钻进时，钻头切割破坏该层位岩壁所需要的力会相应较小，钻头会受到钻杆传递的推进压力和钻杆自重垂直向下两个力的叠加作用，钻头会沿叠加力方向进行切割破坏岩壁。由此造成孔内软岩钻进时发生向下弯曲弧形[2]。

2.1.4 仰角钻机时遇坚硬砂岩层钻具会发生上扬现象

图2 硬砂岩层钻具会发生上扬现象

正常钻进遇坚硬岩砂岩层时，钻头的一侧会首先与坚硬砂岩层进行接触，另一侧仍会在软岩层中。由于钻头钻进时切割破坏坚硬砂岩，所需要的力会大于切割破坏软岩层所需要的力，钻头与软硬岩层接触过程会有一个硬度间差。同时，钻机操作人员在感知钻进受阻，较小的推进压力下无法钻进，会操作钻进对孔内施加更大的推进压力，这样就会使钻头与硬度较小一侧接触的岩面首先被切割破坏，迫使钻头上扬，上扬的钻头会在钻杆金属弹性变形允许弧度内，整体带动孔内钻具形成一个上扬的弧度。钻孔在与砂岩后有一个明显的上扬情况。

2.1.5 钻孔上扬或长时间磨孔破坏成孔，增加排渣量

在收集现场施工资料时，发现施工该类探放水仰角钻孔时，使用了φ94mm三翼无芯钻头，钻杆为φ73mm宽叶片钻杆并采用水介质排渣的方式钻进。

图3 钻孔内上扬前后变化

分析会发现，在采用该类宽叶片钻杆钻进时，钻杆叶片与软岩层接触后，在钻杆自重F岩面压力下，不断刮动接触面孔壁。软岩钻进时，若成孔时间短，成孔后测斜多数孔内情况向下弯曲。若软岩钻进成孔时间太长，在钻杆不断刮动孔内岩壁情况下，孔壁会刮出凹槽，凹槽出现后相应减小孔内排渣介质压力，降低排渣能力，由此往往会造成孔内埋钻情况。

同样，孔内采用宽叶片钻进时，先在软岩层施工，钻进至若干深度后遇坚硬砂岩层。坚硬砂岩层一方面会在软硬接触面改变成孔轨迹，一方面增加成孔时间。软岩层钻进过程所形成的“鼓背”，会随着接触坚硬砂岩层钻进的厚度增加、施工时长的推移，逐渐磨去弯曲“鼓背”。不断的孔内壁磨损增加了孔内出渣量，又由于孔内磨损的情况增大了孔内出渣面积，降低了排渣介子压力，减弱排渣能力，孔内大量岩粉包裹钻杆，出现抱钻现象。

3 仰角孔成孔后堵孔、喷孔的成因

仰角施工砂岩水探放，一定伴随着遇砂岩施工。在上文描述的，先软岩后坚硬岩层，最后施工至目标层位孔内出水，在采用上面施工配套钻具，孔内在出水前已经不是单纯一条线。而是在磨损前后、新老钻进轨迹中是个弯曲变化的弧形。当孔内出水，流淌的高压水会不断冲刷孔壁凹槽，且软岩层泥岩、砂纸泥岩、煤等遇水后会相应发生膨胀变化，如在某一时刻，孔内膨胀坍塌的岩壁堵住出水通道，又会对孔内形成一次更加强烈的轰击冲刷。强烈的堵孔轰击冲刷会加大孔内岩壁垮落，并形成堵孔。堵孔后，在孔内高压水压力作用和水沿堵孔裂隙渗透作用下，孔内被重新重开形成喷孔。但冲刷的水流、垮落的孔壁、遇水膨胀的软岩性依然存在，由此形成不断堵孔、喷孔，直至孔内堵实或完全失控。

以上仰角施工的高压探放水钻孔，由孔内受力弯曲变化到孔壁磨损造成成孔后孔壁破坏，直至放水期间堵孔报废，是一个因果关联的过程。如施工成孔较好，孔内施工后为流畅线型，未有凹槽等现象，后期放水时水流与松软岩壁接触面会减少，软岩遇水膨胀并堵孔的成因会大大减低[3]。因此，如控制好钻孔成孔效果，及放水期间孔内保护将很大程度确保该类钻孔施工效果。

4 减少施工过程孔壁破坏，确保成孔钻进

4.1 软岩层钻进时钻头端安装导向，降低切割段侧向受力

从孔内钻机受力情况分析，仰角钻进时钻头会受到钻杆传导的推进力和钻头钻杆质量引起垂直向下的力。若只采用φ94mm三翼无芯钻头配合φ73mm钻杆，由于三翼复合片有外侧凸起，垂直向下的侧应力会比较集中在钻头与岩面接触的翼臂上，钻头会以上文二者合力的方向进行切割运动趋势。如带导向施工，减小切割端钻头与钻杆的间差，变相增加切割端与岩面的接触面积，由此降低切割端垂直向下集中应力，减小软岩层仰角钻进时向下弯曲弧度。

4.2 仰角钻进时使用光面钻杆，降低钻杆在孔内刮动切割

宽叶片钻杆，因其特有的螺纹构造，有助于孔内岩粉向外排出。但是，在这种钻杆至于软岩层内时，其螺纹会在作用力下切割破坏孔壁。在相应深度的情况下，螺纹对孔壁的破坏情况会随着钻进时间增加而增加，同时，位于坚硬砂岩段下方层位的软岩层，会因为该处钻杆侧向弯曲应力集中，钻杆对孔壁切割破坏更为严重。仰角施工时用于岩粉在自重力作用下，会有向孔口处移动的趋力，尤其大角度施工时，排渣可不必过于依赖钻杆螺纹。在此情况选用光面钻杆，孔内钻杆在受力情况不改变情况下，钻杆对孔壁因为没有螺纹刮动现象，而是岩孔壁进行滑动，这样就大大降低了钻杆对孔内岩壁的破坏。

在进行该类钻孔施工时，若钻头使用φ94mm三翼钻头，应在钻头尾部连接一小段与钻头直径间差较小的钻杆作为导向（如采用螺纹宽叶片加粗导向，螺纹间距可控制在30-50mm，钻头与导向间差控制在2mm）可有效减小软岩段钻进时孔内向下弯曲偏斜。另，在使用配套光面钻杆时，当孔内施工至坚硬砂岩段时，孔内推进压力增加和钻进时间的加长时，钻杆对孔壁的刮动破坏也会大大降低。施工后，孔内弯曲度较小，孔壁较为完整，在出现砂岩出水时才可有效增加孔内放水服役时间。

5 放水期成孔管理

由于高压水对孔壁有相应冲刷现象，且放水时对软岩层的浸泡，会使其膨胀松垮。尤其小角度仰角放水孔，成孔放水一段时间也会因孔内软岩浸泡膨胀垮落造成堵孔。为确保此类高压放水孔起到有效放水效果，达到需求服役期，应在钻孔成孔后或在进入含水目标砂岩层前进行护壁管下置。

为确保护壁管下置深度，可考虑在孔内最前端护壁管上安装弧形凹头，降低护管壁管直角卡在孔内。

图4 孔内最前端护壁管上安装弧形凹头，降低护管壁管直角卡在孔内

6 结语

仰角施工高压探放水孔，通过分析钻具孔内受力情况，结合钻具在软岩层段的施工的特性，确定孔内钻具保直、避免成孔前的孔壁破坏，可有效确保护壁管的下置。当将软岩层段进行护壁管下置后，才可有效避免放水期间塌孔，堵孔现象，进而使之放水过程长期有效。