反井钻进导孔偏斜控制技术研究

时间：2024-07-28

蓝文浩

（中煤地质集团有限公司，北京 100040）

反井钻机施工的过程是先将反井钻机安装在上巷道中或地面,并自上向下钻进,用少量清水或者泥浆制成的循环式洗井液,当导孔完全钻透以后,在下巷道中将一个导孔钻头从一个钻杆上卸下,安装一个扩孔钻头,然后沿着导孔自下而上地进行扩孔钻入,破碎岩石碎屑从工作面依靠自重降低至下水平,由装载着的岩渣运送入下水平巷道,直到扩孔钻头再由上巷隧道透出,反井施工便告结束[1-6]。钻孔精度直接影响工程质量和成败。一般水电斜井开挖的直径5～8m,反井扩孔2.0m 时,钻孔所允许的绝对偏差1.5～3m,当水电斜井开挖的深度超过200m 时,钻孔所允许的偏斜率0.75%～1.5%,当开挖的深度超过400m时,钻孔所允许的偏斜率0.375%～0.75%[7-10]。因此有必要对斜井偏斜控制技术进行研究。

1 反井钻机钻进偏斜理论

要钻孔偏斜进行控制，就必须先分析钻孔偏斜的机理。

1.1 岩层倾角和非均质性

如图1所示,层状高度倾斜的细砂岩层对于横向钻孔偏斜破碎程度的大小影响很大,当采用导孔钻头沿着高度倾斜的岩层面的方向进行钻进时,交界面岩层发生趋于垂直岩面破坏。相反,在整个钻孔的下方往上稍微倾斜的一侧却仍然稍微残留了一个较小的钻孔斜台。像小型探头变向器的推动作用一样,直接造成了钻孔的方向偏斜。当用于钻孔的压应力不断加大时,破碎断裂现象随之不断加剧,偏斜加剧。岩层倾角越大，成层性越强，钻压越大，则钻孔偏斜亦越大。这种作用除造成钻孔偏斜外，还会减少导向孔的有效尺寸，甚至可能引起孔内其它事故的发生。

图1 倾斜岩层造成钻孔偏斜机理

岩层的各向异性（岩层层状、层理、节理、纹理以及岩石的成分、结构、胶结物、颗粒大小等）造成岩层在不同方向上的强度不同，垂直岩层层面的强度较小。钻进时，导孔钻头将沿着破碎阻力最小的方向倾斜，造成在不同方面的破碎速度也不同。

在图2-a 中,导孔式钻头在1、2、3三个方向上的钻进速度各有不同。在较高的水平岩层中钻入,2、3方向的钻速均为0,钻孔后不易出现偏斜;在图2-b 中,岩层开始倾斜,1 方向上钻速逐渐增加,导孔式钻头则趋向于竖立的岩层层面。在图2-c 中,岩层呈现一个垂直的状态,由于岩层在竖向和垂直两个层面上的运动强度较小,所以在导间孔井壁上岩面容易被破碎,导向孔的钻头运动稳定性较差,在钻进过程中容易发生偏斜,且其方位不稳定。

图2 钻头在不同方向上的破碎速度

岩层软硬互相交替。例如,当一个导孔式钻头从软岩层中直接进入硬岩层(参见图3-a),钻头a 侧为硬岩,在b 侧为软岩,在钻压力的作用下。a 侧可钻性小,钻头吃入岩层较少,钻速慢;b侧可以钻性大,钻头吃入岩层较多,钻速快,所以钻出来的导孔自然就会发生偏斜。

图3 岩层软硬、硬软交替引起钻孔偏斜

钻头从硬化的岩层一侧再次钻入软化的岩层(图3-b)。刚开始时，由于软岩层一侧的导孔钻头穿透量大，钻孔速度快，而硬化岩层一侧的导孔钻速较小，钻孔速度较快。是缓慢的，并且钻井具有朝向岩层的向下倾斜。方向倾斜，但当导孔钻头即将钻出硬岩层时，岩石已不能承受钻头的重载荷，岩石会沿垂直亚平面方向破碎，留下硬岩层一侧的肩部。导孔钻被迫返回岩层的上倾方向。因此，当钻头从硬岩进入软岩地层时，钻孔仍向岩层上倾方向倾斜。

此外,地质构造也很有可能会成为导致钻孔产生偏斜的一个重要原因之一,由于断层就是地质结构发生了错动,不是沿某一面,而是沿着另一个破碎带。当导孔钻头被钻到疏松破碎地带时,受力不均,工作不稳定,无法避免地引起钻孔的偏斜。

1.2 下部钻杆弯曲变形

反井钻机钻导向孔时，钻具下部的重量对导向孔三牙轮钻头施加压力。当钻压较小时，下钻杆保持平直稳定状态；当钻压增加到某一临界钻压时，下钻杆失去稳定性并弯曲（图4）。导向孔钻头与钻杆相邻连接部分的中心线偏离钻孔轴线，导致三牙轮钻头偏离一个角度。钻头倾斜后，孔底形成不对称切削，造成孔偏斜。

图4 下部钻具弯曲引起钻孔偏斜

下部钻具自身的性质、钻具与井壁之间的空隙及其所能承受到的钻压,决定了弯曲和变形的严重程度以及对钻孔是否偏斜。当下部的钻杆出现弯曲变形,则中性横截面N到O点之间的距离L近似为相当于上部受压部位的长度ON。

式中：L——中性截面N距O点的距离，m；

E——钻杆弹性模量，Pa；

J——钻杆截面惯性矩，m4；

q——单位长度钻杆在洗井液中的重力，N/m。

下部钻杆发生弯曲变形的临界钻压为：

从以上两个公式可以看出，钻杆弯曲变形时被压缩部分的长度和该状态下的临界钻压都是钻杆刚度和单位长度重量的函数。冲洗液与钻杆的材质、截面形状和重量有关。其大小与冲洗液的相对密度有关。

由上可见，在导孔施工中，钻孔的偏斜是有规律可循的。根据不同岩层钻孔的偏转规律，优化钻具组合和钻孔参数，可以对有效地控制导孔偏斜，以达到设计要求。

2 反井钻井导孔偏斜原因分析

导孔钻孔产生偏差的原因有很多。主要原因是钻压高、钻杆弯曲、非均质地层等。

2.1 钻杆的弹性弯曲造成导孔偏斜

导孔施工时，钻杆下部会产生弯曲（见图5），导致钻杆中心与钻孔中心不重合。钻压可以分解为水平分力F1和垂直分力F0。水平分力F1促使钻头切向侧壁，从而产生井眼偏斜。同时，钻杆重量W在切点T以下的水平分力F2随着F1的增大而增大，可以减小钻孔偏斜。

图5 钻杆发生弹性弯曲受力

2.2 地层的倾角和非均质性易导致导孔偏斜

地层并不是均质的，不仅各层物性不同，而且地层的可钻性和层理倾角也不同。当钻头钻入具有一定倾角的地层时，地层上倾方向阻力小，下倾方向阻力大，促使钻孔向上倾方向倾斜。当地层倾角较大时，钻头的方向往往会沿着层理方向钻进。

2.3 施工工艺和措施不当易导致导孔偏斜

（1）钻机定位不稳导致钻孔偏斜。施工前，钻机必须牢固地固定在混凝土基础上，以承受钻孔产生的推拉力和扭矩；否则，钻机在施工过程中会发生晃动，严重影响钻机的定位和稳定性，导致钻机位移和钻孔偏斜。

（2）孔位控制不当造成孔位偏移，钻孔精度无法保证。

（3）钻压和钻速控制不当造成钻孔偏斜。当钻压过小，钻速过慢时，由于钻具自重，可能会导致钻进方向向下偏斜；而一旦发生向下偏转，钻具重量和钻井压力的共同作用会加剧偏斜。如果钻机轴压过大，钻孔速度过快，孔底的渣没有被冲洗干净，会沉积在孔底，造成钻头上升并出现向上偏转。

（4）钻孔时，当清洗液不再在钻杆中心孔、牙轮钻头喷嘴、钻杆与导向孔之间的环形空间等处流动或循环时，渣将不返或钻孔会受阻，造成孔位向上偏移。

3 反井钻机导孔钻进轨迹测量技术

目前的测斜仪按钻孔测斜技术进行分类，可分为罗盘磁针式、磁针电测式、液浮磁球式、加速计式、光电式、相机式、机械陀螺式、压电陀螺式;按数据传输方式分类：有线、无线随钻式。目前有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪、陀螺仪测斜仪应用较为广泛。

由于反井钻机钻井对导孔精度要求很高,所以应采用陀螺测斜仪来进行导孔偏斜测量,但目前市场上应用的陀螺测斜仪是针对石油、地质钻机的特点和施工工艺条件设计的,不适合用于反井钻机,因为反井钻机本身的特点是钻杆短,且不内平,连接处有台肩;动力头升降空间有限;陀螺仪的外径尺寸与钻杆内径尺寸不匹配,存在扶正问题等,所以,需要利用陀螺测斜仪的原理,研究开发新的适合反井导孔钻进偏斜测量的仪器。

磁性测斜仪主要包括:有线随钻测斜仪、无线随钻测斜仪,其精度要比陀螺类测斜仪稍低,无线随钻测斜仪是通过无缆方式进行偏斜测量,使用方便,但价格昂贵,这两种测斜仪在使用时都需要长的无磁环境,在测量时要下长的无磁稳定钻杆,测斜仪在无磁稳定钻杆中完成偏斜测量。而反井钻机的升降能力只有2m,这在工艺上非常复杂,不易实现。但其在定向纠偏中能够很直观地看到工具的面积和方位等参数。

根据现有测斜技术和仪器,考虑到反井钻机特点和反井钻井的特殊工艺技术条件,没有现成的可用仪器,势必要开发专门用于反井钻井导孔偏斜测量和定向的仪器,能与反井钻井施工工艺配套,使用方便。

4 反井钻机导孔钻进偏斜控制技术

（1）钻压控制。导向孔钻偏的方法之一是调整钻压。合适的钻压力需要通过岩石的硬度、钻杆的重量、钻孔倾角以及钻机能力等因素计算。原则上,钻井时的钻井压力范围应尽量减小;稳定钻杆完全插入孔内后,应恢复正常钻压。为了提高最佳的钻孔精度,在进行钻孔时一般都应该是采用低于最优的钻孔压力。

（2）转速控制。在钻入定向孔时,保持恒定的钻速度是控制偏斜程度最常见的方法。对于钻压及其速度的选择一般由实验来确定,也有数值可以由计算来确定。无论采取哪种工艺方法来判断钻压和加料的速度,都必须要特别注意一个重要的问题,即随着钻压的增大,速度应该逐渐减小;相反,当钻压下降减小时,速度应该增加。

（3）稳定钻杆的选择及合理布置。稳定性钻杆是预防钻斜最为有效的工具。稳定性钻杆具有较高的耐挠性,并且其稳定段的直径及其长度是紧密相关的。如果一个稳定的钻杆直径远远小于一个钻孔的直径,则会引起钻头在整个钻孔过程中轻轻地晃动,导致其钻孔直径的增大,这将会极大地增加一个稳定的钻杆和一个钻孔之间的差异。降低了孔壁对稳定钻杆的影响。但是,稳定器和钻杆的直径一般不宜过大,因为如此增加了对于钻井摩擦的阻力。钻具的刚度和直径越大,钻杆在稳定段内的弯矩控制效果就越好。

（4）洗井液的选择。在岩石较完整较好时，使用清水作为洗井液。当岩石裂隙发育或者较破碎时，可用泥浆清洗。无论采用哪种清洗液，都应最大限度地提高清洗液携带钻屑的能力，减少钻杆底部导向钻头位置处钻屑堆积对钻杆偏转的影响。

（5）钻具组合和纠偏工具。根据工程地质条件，选择合理的钻具组合，可以有效控制导向孔的偏差。当发现导向孔偏离时，可使用纠偏钻具组合控制钻孔轨迹。