矿井全方位钻孔测斜技术研究

张海云 周忠国 张孟军 刘建 邓天华 蒋忠华

（四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿，四川华蓥 638600）

0.引言

绿水洞煤矿K1煤层有煤与瓦斯突出危险性，煤层原始瓦斯含量10.5609m3/t、瓦斯压力为0.4～1.52MPa，煤的瓦斯放散初速度△P=7～15、坚固性系数f=0.19～0.36。煤层透气性系数λ=0.010261～0.022090m2/MPa2.d，其均值为0.0161755m2/MPa2.d。煤层透气性系数低，属于大倾角复杂地质条件下较难抽放煤层。矿井在瓦斯灾害治理过程中，由于施工钻孔时钻头和钻杆磨损角度不对称，造成钻孔施工角度偏移、钻孔竣工与设计偏移，导致本煤层瓦斯抽放盲区较多。为此，矿井也开展了盲区补充措施钻孔，但补充措施增加了工程量，延长了抽放时间，如以目前采用的治灾技术进行瓦斯灾害治理，将严重影响到矿井正常采掘接替工作。因此，有必要采取钻孔测斜技术研究，通过对比分析钻孔设计与实际钻孔偏斜规律，再优化钻孔设计，提高单孔准确度，大量减少治灾工程减少盲区，方可满足安全生产需要[1-4]。

1.扶正器钻具研究

1.1 转盘钻扶正器组合

此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得到各种性能的组合。20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入，运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。转盘钻扶正器组合有3种：增斜组合、稳斜组合、降斜组合。

1.2 单扶组合的力学分析

单扶组合的钻头受力分析：

上部钻柱在泥浆中的重力，通过钻柱传递到钻头上。方向与钻头轴线一致。钻压P可分解为平行井眼轴线和垂直井眼轴线的2个分量：

β角是钻头轴线与井眼轴线的夹角。Fi构成钻头侧向力的一部分。

扶正器以下钻柱的重量为W，作用点在该段钻柱的中点a点。

W可以分解为平行钻柱轴线和垂直钻柱轴线的2个分量：

α角是扶正器以下钻柱所在的井斜角。Fa即是钟摆力。Fa作用到钻头上即为Fb。

扶正器以上到切点的钻柱的重力，在垂直钻柱轴线方向的分量，相当一个杠杆力，通过扶正器形成弯矩Mc。

Mc作用到钻头上，形成钻头的侧向力Fc，是钻头上侧向力的一部分：

L是钻头至扶正器的距离，但Mc的大小是不知道的，所以Fc难以计算。

地层横向力Ff是由于地层的倾斜以及地层可钻性的各向异性造成的。Ff可能是增斜，也可能是降斜。作用在钻头上的所有垂直与井眼轴线的横向力，与平行井眼轴线的钻压的合力，以Q表示，即为作用于钻头上的所有力的合力。Q与井眼轴线的夹角，以γ表示。Q和γ可用以下公式定性表示：

此只能定性说明问题，不可定量计算。

井眼前进的方向，不是钻头轴线方向，即钻压P的方向，因为在钻头上还作用有其他横向力，井眼前进的方向，也不是钻头上所有力的合力Q的方向。因为钻头具有各向异性，轴向和侧向的切削能力是不同的。一般来说，侧向切削能力小于轴向，实际的井眼前进方向，是在P和Q2个方向之间。γ越大，则井眼增斜越强。由下页公式可以分析如何控制增斜、降斜。

井斜变化分析：γ为正则增斜，γ为负则降斜；

预增斜：增大β：用小钻铤，大钻压，压弯钻柱；增大Mc，缩短L；减小W：用小钻铤；

预降斜：减小β：用大钻铤，小钻压，不要压弯钻柱；减小Mc，增大L；增大W：用大钻铤；

井斜角α也影响γ。

3种组合：

A组合：增斜组合。组合产生正向侧向力。第一杠杆原理。

B组合：降斜组合。产生负向侧向力。第二杠杆原理。

C组合：可能增斜，可能降斜，也可能是不增不降的稳斜。

钻压对钻头侧向力的影响：

增斜组合：在一定的组合、一定的井斜角和井眼尺寸下，钻压对侧向力的影响是很微小的。在一定井斜角下，Lg长度是由切点一下扶正器以上钻柱重力的分量决定的。在增斜钻进时，钻压远远大于切点以下钻柱的重量。钻压的变化，只是引起切点以上躺在井壁下侧的钻柱长度的变化。不影响Lg长度钻柱的重量。所以，侧向力不随钻压的大小而变化。但不可形成错觉：P=0时，侧向力也会是那么大！此使整个钻柱的重力全被大钩承担，形不成切点。

降斜组合：在一定的组合、一定的井斜角和井眼尺寸下，钻压的增大，将使切点以下钻柱弯曲增大。弯曲增大，钻头向上倾斜角度增大，钻压的侧向分量增大。钻压继续增大，钻柱继续弯曲，在扶正器和钻头之间将出现新的切点。在出现新切点之前，钟摆力不会减小，但由于钻压的侧向分量增大， 将使降斜测向力减小。在出现新切点之后，钟摆力将会大大减小，即降斜测向力减小。总的说，降斜组合，钻压的增大将使降斜测向力减小。

钻铤直径对侧向力的影响：

降斜组合：对降斜组合来说，钻铤直径的影响，是明确的，即随着钻铤直径的增加，钟摆力将增大，因而钻头侧向力将增大。在井眼直径、扶正器直径、扶正器具钻头的距离都不变的情况下，显然，钻铤直径越大，重力就越大，所以钟摆力越大。

增斜组合：对降斜组合来说，钻铤直径的影响，不是简单的关系。影响侧向力的因素，不仅有钻铤的重力，还有扶正器到切点的距离，此距离随钻铤直径增大而减小，还有此距离内钻铤的弯曲情况，钻铤刚度越大，弯曲就越厉害。

1.3 多扶组合的力学特性

使用多扶组合的必要性：单扶组合仅用于增斜和降斜。由于单扶稳斜组合性能的不稳定性，稳斜组合都是多扶正器组合。对于增斜降斜组合，由于以下原因，也广泛使用多扶组合：

单扶组合的钻柱可能大段与井壁接触，产生粘附卡钻或压差卡钻的可能性较大，而多扶组合可大大减小钻柱与井壁的接触；

用单扶增斜或单扶降斜组合钻出的弯曲井眼，如果再下入多扶组合（例如多扶稳斜组合），则容易出现阻卡现象。使用多扶增降组合，则容易下入。

多扶增斜组合的结构：

标准多扶增斜组合：A

在标准增斜组合基础上，可以变化，适当减小增斜率；

减小第一和第二扶正器之间的距离，B；

减小后，在第二扶正器之上，在加一个扶正器，C；

柔性多扶增斜组合：

柔性组合A，使用1根小尺寸钻铤。国外称作“giligan”。若标准增斜组合的增斜率为20/30m，则“giligan”增斜率可达到30/30m。

柔性组合B，使用两根相应的钻杆或无磁钻杆。若标准增斜组合的增斜率为20/30m，则此种柔性组合增斜率可达到40m～50/30m。

扶稳斜组合的结构：

标准多扶稳斜组合A：3个扶正器组成；

在标准增斜组合基础上，可以变化，适当改变增斜率；

B：在三扶之上，每个10m加第四甚至第五个扶正器。增大增斜率；

C：适当加大第一和第二扶正器之间的距离。减小增斜率；

多扶降斜组合的结构：

《暂行条例》是有序推进城镇化背景下的重要环节，它使整个城镇化推进工程首先落实到人口的“城镇化率”重心上。从宪法角度观之，《暂行条例》主要指向公民在社会经济生活中享有各种社会权，如适足生活水平、劳动权、受教育权以及物质帮助权等，目标指向为城市迁入者群体提供城市公共福利的共享、共有的平等待遇。《暂行条例》共23条，分别从制定背景与目的、居住证申领条件和程序，主管机关的职责分工、居民待遇及相关权利、户口落实基本条件以及违法处罚等方面进行了逐一规定。

标准多扶降斜组合A ：2个扶正器组成，钻头至一扶距离20m；

在标准组合基础上以变化，适当改变降斜率；

B：减小钻头至一扶的距离，减小降斜率；

C：在钻头上加一个欠尺寸扶正器，减小降斜率 ；

D：用一根小尺寸钻铤，增大降斜率。

1.4 影响多扶组合性能的因素

增斜组合：钻压对增斜组合侧向力的影响，是不显著的，是比较小的，在组合、钻压不变情况下，井斜角增大则侧向力增大。

稳斜组合：钻压对稳斜组合性能的影响是很小的。所以在稳斜钻进中，可以根据眼使性能改变钻压。稳斜组合对井斜角的变化是敏感的。井斜角增大，则负侧向力增大。所以，在井斜较小时显示稳斜的组合，在井斜较大时可能显示为降斜组合。

降斜组合：钻压增大，钻柱正向弯曲，负侧向力减小，降斜率减小。

1.5 实用钻具组合

增斜钻具组合：按增斜能力分为强、中、弱3种。使用中要注意：L1增长，增斜能力减小；近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小；注意保持低转速。

稳斜钻具组合：稳斜能力分强、中、弱3种。在使用中要注意保持正常钻压和较高转速。若需要更强的稳斜组合，可使用双扶正器串联起来作为近钻头扶正器。

降斜钻具组合：按降斜能力分为强、弱2种。使用中要注意：保持小钻压和较低转速；对于强降斜组合来说，L1越长则降斜能力越强，但不得与井壁有新的接触点。

2.实施效果

（1）偏离方向：在水平方向，3124底抽巷施工的10个试验钻孔，其中3个钻孔的实际成孔轨迹与理想直线钻孔轨迹相比向右侧偏离，7个试验钻孔向左侧偏离。在垂直方向，9个钻孔的实际成孔轨迹与理想直线钻孔轨迹相比向上方偏离，1个钻孔向下偏离。总体而言，无论水平方向还是竖直方向，钻孔弯曲方向规律性较差，具有很大的随机性。

（2）偏差大小：各试验钻孔成孔轨迹偏离理想直线轨迹的距离，与“可推测偏差”相同，正、负号仅表示偏离方向，“上正下负，右正左负”。经轨迹仪实测，水平方向“不可推测偏差”范围为-2.74m～1.12m，平均偏离距离为1.93m；竖直方向“不可推测偏差”范围为-0.7m～1.86m，平均偏离距离为1.28m；对2个方向的“不可推测偏差”进行对比，水平方向的“不可推测偏差”明显大于竖直方向的“不可推测偏差”。

矿井每个抽采面补孔率约为5%，根据钻孔补孔量计算，3124底抽巷穿层钻孔补孔工程量5000m，按穿层钻孔成本126元/m计算，节约工程费用63万元。全方位钻孔测斜、偏移规律的研究，减小了钻孔偏差，合理优化抽采钻孔布置间距，项目累计创造经济效益2863万元。

3.结语

（1）项目采用钻孔轨迹仪测定钻孔轨迹，由手机记录采样点号，探管中的方位传感器、倾角传感器测量钻杆空间姿态参数，经过模数转换变成数字储存，测量后对数据进行处理形成钻孔三维轨迹图。

（2）项目通过对钻孔测斜结果进行研究与分析，钻孔弯曲方向规律性较差，水平方向“不可推测偏差”为-2.74m～1.12m，平均偏离距离为1.93m，竖直方向“不可推测偏差”为-0.7m～1.86m，平均偏离距离为1.28m，水平方向“不可推测偏差”明显大于竖直方向“不可推测偏差”。

（3）项目初步形成了一套全方位钻孔测斜技术，根据地质条件合理选择钻机、钻具组合，通过采用扶正器纠偏技术，水平方向“不可推测偏差”为-0.04m～0.25m，平均偏离距离为0.14m，竖直方向“不可推测偏差”为0.09m～0.12m，平均偏离距离为0.1m。水平偏离平均缩小1.79m，竖直方向上下偏离平均缩小1.18m，效果非常明显。

（4）项目在绿水洞煤矿3124底抽巷等完成工业性试验，投入费用约523万元，年创造经济效益约2863万元，成效显著。