鄯善凌云矿区的孔斜预防与纠斜

沈建　张礼　陈会领　丁锋

【摘 要】在地质勘探的钻孔施工中，由于钻机安装不正，施工不当，软硬岩层相间及岩层倾斜等原因，往往导致钻孔发生弯曲，造成孔斜并影响成井工艺。由于钻孔偏斜可能造成矿体打丢、打薄或打厚，达不到预期的地质勘探目的，甚至造成钻孔报废，浪费大量人力物力，因此需要随时控制钻孔在空间位置的变化，预防和纠正钻孔的偏斜。笔者根据凌云矿区的实际施工经验，总结出本矿区的预防孔斜的相关技术。

【关键词】凌云矿区；钻孔弯曲；孔斜；预防孔斜

一、钻孔偏斜概念分析

钻孔的施工过程中的实际空间位置偏离设计空间位置，即偏离设计轴线，称之为钻孔偏斜或孔斜。

钻孔空间形态三要素：钻孔深度、钻孔的顶角（或倾角）及钻孔方位角决定了钻孔在地下空间的位置，这三个因素称钻孔空间形态三要素。

孔斜的条件：钻孔发生偏斜的根本原因是粗径钻具在孔内歪倒，其轴线偏离钻孔轴线。而能使其歪倒的条件主要是：孔壁间隙大，为它提供空间条件；同时还要有倾倒力矩为它提供歪倒动力，再就是一个固定的歪倒方向。

凌云矿区岩层以侵入岩为主，坚硬的花岗岩与较软的灰黑色黑云母长英质角岩交替出现，形成软硬互层。

二、钻孔发生偏斜的原因

第一个方面原因：地质因素，一是岩石的各向异性在钻头处产生歪倒力矩使粗径钻具倾斜而导致孔斜；二是钻进软硬夹层时，钻头处产生钻压差或钻头沿岩石节理面滑移；三是钻进中遇到溶洞或大裂隙；四是在卵砾石层中钻进。

第二个方面是钻进工艺及操作方面的原因：换径不带导向或粗径钻具本身就弯曲；冲洗液量大冲刷孔壁使孔壁间隙过大，造成粗径钻具或岩心管与钻孔轴线产生偏斜角；采用的钻压过大与转速过快，钻杆柱受轴心压力及回转的影响而呈挠曲状态影响了钻具的稳定性，促使粗径钻具歪倒。

第三个方面的原因是：设备安装时不合乎要求，主要表现在基台不稳固或发生偏斜；开孔时没有校正钻机的顶角和方位角，致使开孔即发生偏斜；另外钻机立轴过度磨损旷动太大也是一个因素。

三、钻进过程中岩层分布与钻杆受力分析

钻进过程中，如果不考虑控制方向的问题随意钻进，从力学的角度分析，钻头肯定会避开较硬的岩层，朝着钻头周围岩层最软弱的方向推进，从而造成钻孔倾斜。

在凌云矿区，钻进的岩层主要呈倾斜分布，且软硬互层明显；所以对钻头小范围附近的岩层进行局部分析。

一、现主要从钻杆钻进所需用力的角度来初步判断与钻孔倾斜的关系。如果在钻进过程中遇到了倾斜分布的岩层，钻头发生倾斜的可能性会更大，这时调整的难度也最大。一般情况下，钻头会沿着岩层的接触面发生倾斜，这时要放慢钻进速度，减小钻杆的振动。

由于钻头要受到钻杆的扭矩的传递作用，其在倾斜岩层中推进时，如果遇到岩层接触面，两侧分布为不同岩层，此时钻头两侧受到的摩擦阻力F1和F2就不相等（如图1所示），此时钻头又会沿着岩层走向发生倾斜。

所以，钻杆在倾斜岩层中推进时，有可能发生沿着岩层接触面向下的方向和岩层走向这两个方向倾斜。可采用边回提钻杆边钻进的方式，钻进一定深度后稍微向上提升钻杆，待下层钻头处的岩石破坏稳定并将钻杆调整垂直后继续钻进，可增加下层钻头处岩石的抗滑力，适当避免倾斜。

四、钻孔孔斜的预防

1.在设计时应考虑预防钻孔偏斜

按照地层条件设计钻孔：1）布置钻孔时尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向；2）对于疏松和破碎地层、厚覆盖层、裂隙及溶洞发育地层应尽可能设计垂直孔，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偏斜。

按钻孔偏斜规律设计钻孔：1）对孔斜规律明显的地层或岩层倾角较大、钻孔轴线无法与之垂直相交的地层，应充分利用造斜地层的自然偏斜规律，辅以人工控制偏斜措施，设计“初级定向孔”；2）若已知钻孔偏斜规律是方位基本稳定而顶角偏离设计值较大时，应改变顶角的设计，使之能达到预定见矿点的位置，常用的有沿勘探线平移钻孔设计点和增大开孔倾角两种方法；3）若已知钻孔偏斜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，常用的有设计钻孔点平移法和扭转钻机立轴法两种。

2.保证安装和换径质量

安装设备前地基要平整、坚实，填方部分不超过1/3，基台木要水平、稳固。

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，同时在鉆进过程中还需经常检查和校正立轴方向。

换径时应采用带导向的综合式异径钻具。

3.采用合理的钻具结构及钻进参数

采用合理的钻具结构是为了保证较高的同心度、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，以改善下部钻具的偏斜形态，提高钻进时的防斜能力。钟摆、偏重和满眼钻具等形式的组合钻具对防止和纠正钻孔偏斜有明显的效果。采用合理的钻压和转速，在易偏斜的地层，可选用轻压慢转的钻进参数降低钻孔的弯曲率，同时尽量选用较小的泵量以减少对孔壁的冲刷。

五、钻孔弯曲的纠偏方法

在该凌云矿区施工过程中，数次发现钻孔出现了较大的弯曲，致使钻孔严重偏离目标控制点时，采取立即停止钻进，对钻孔进行测量的措施，以确定钻孔发生严重弯曲的深度、偏斜的方位角和倾角大小，然后根据具体情况采取以下的方法进行纠偏。

（1）根据测得的钻孔倾角的大小制作偏心楔子，然后按测量所确定的深度和方位角将偏心楔子下落到孔内相应位置并固定，之后开机轻压、慢转钻进，逐渐把孔斜纠正。

（2）根据测量所得数据，在孔内相应位置灌注高强度水泥浆，待水泥浆凝固硬化后再开机轻压、慢转钻进，逐渐把孔斜纠正。

（3）根据测量所得数据资料，选用合适的纠偏器进行纠偏。

六、总结

（1）钻探人员的操作经验、技能水平和熟练程度，是影响钻孔弯曲的重要因素之一。

（2）目前所用测斜仪的精确度偏低，直接影响到测斜结果的准确性。因此，建议购买一台性能先进、精确度更高的测斜仪器，以提高钻孔弯曲测量的准确性。

（3）收集更多的钻孔弯曲资料进行分析、归纳和总结，找出该矿区钻探钻孔弯曲的相关经验数据及规律，以调整、校正以后的测斜数据，使它更接钻孔的实际弯曲形态，以进一步提高矿区钻探中的钻孔质量。

（4）由于钻孔偏斜将直接影响地质资料的准确性和矿床储量的计算，所以在施工中要尽量避免偏斜，而且要及时了解钻孔偏斜情况，以便采取相应措施：

钻孔偏斜虽不可避免，但建议采取合理布孔、严格钻机安装、谨慎操作等预防措施以减少偏斜强度。当钻孔偏斜时，可采取反方向给力并多次测量以便及时校正，减少给工程带来的损失。在磁性矿体区不能采用一般的测斜仪器进行测量时，须采用地面定向原理的陀螺测斜仪等防磁型仪器进行测量。测斜仪探管在使用过程中应轻拿轻放，防止其重力及电力元件因震动而造成损坏。

参考文献：

1.《钻探工艺》，三所地质技校合编，地质出版社，1985

2.《岩心钻探规程》，地质部编，地质出版社，1982

3.《定向钻进原理与应用》，吴翔等编，地质出版社

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。