鉆孔偏斜分析

1、鉆孔偏斜分析在水文地質(zhì)勘探的鉆孔工程中，由于鉆機(jī)安裝不正，施工不當(dāng)， 軟硬巖層相間及巖層傾斜等原因， 往往導(dǎo)致鉆孔發(fā)生偏斜， 影響成井 工藝。由于鉆孔偏斜可能造成礦體打丟、打薄或打厚，達(dá)不到預(yù)期的 地質(zhì)勘探目的， 甚至造成鉆孔報(bào)廢， 浪費(fèi)大量人力物力， 因此需要隨 時(shí)控制鉆孔在空間位置的變化，預(yù)防和糾正鉆孔的偏斜。一、鉆孔偏斜概念分析 鉆孔的施工過程中的實(shí)際空間位置偏離設(shè)計(jì)空間位置， 即偏離設(shè) 計(jì)軸線，稱之為鉆孔偏斜或孔斜。鉆孔空間形態(tài)三要素：鉆孔深度、鉆孔的頂角（或傾角） 及鉆孔 方位角決定了鉆孔在地下空間的位置， 這三個(gè)因素稱鉆孔空間形態(tài)三 要素?？仔钡臈l件：鉆孔發(fā)生偏斜的根本原因是粗徑鉆

2、具在孔內(nèi)歪倒， 其軸線偏離鉆孔軸線。 而能使其歪倒的條件主要是：孔壁間隙大，為 它提供空間條件； 同時(shí)還要有傾倒力矩為它提供歪倒動(dòng)力， 再就是一 個(gè)固定的歪倒方向。二、鉆孔發(fā)生偏斜的原因第一個(gè)方面原因： 地質(zhì)因素， 一是巖石的各向異性在鉆頭處產(chǎn)生 歪倒力矩使粗徑鉆具傾斜而導(dǎo)致孔斜； 二是鉆進(jìn)軟硬夾層時(shí)， 鉆頭處 產(chǎn)生鉆壓差或鉆頭沿巖石節(jié)理面滑移； 三是鉆進(jìn)中遇到溶洞或大裂隙； 四是在卵礫石層中鉆進(jìn)。第二個(gè)方面是鉆進(jìn)工藝及操作方面的原因： 換徑不帶導(dǎo)向或粗徑 鉆具本身就彎曲； 沖洗液量大沖刷孔壁使孔壁間隙過大， 造成粗徑鉆 具或巖心管與鉆孔軸線產(chǎn)生偏斜角； 采用的鉆壓過大與轉(zhuǎn)速過快， 鉆 桿柱受

3、軸心壓力及回轉(zhuǎn)的影響而呈撓曲狀態(tài)影響了鉆具的穩(wěn)定性， 促 使粗徑鉆具歪倒。第三個(gè)方面的原因是： 設(shè)備安裝時(shí)不合乎要求， 主要表現(xiàn)在基臺(tái) 不穩(wěn)固或發(fā)生偏斜； 開孔時(shí)沒有校正鉆機(jī)的頂角和方位角， 致使開孔 即發(fā)生偏斜；另外鉆機(jī)立軸過度磨損曠動(dòng)太大也是一個(gè)因素。三、鉆進(jìn)過程中巖層分布與鉆桿受力分析鉆進(jìn)過程中， 如果不考慮控制方向的問題隨意鉆進(jìn)， 從力學(xué)的角 度分析， 鉆頭肯定會(huì)避開較硬的巖層， 朝著鉆頭周圍巖層最軟弱的方 向推進(jìn)，從而造成鉆孔傾斜。在鉆頭小范圍附近的巖層，其分布大致分為三種，即垂直分布、 水平分布和傾斜分布。一、現(xiàn)主要從鉆桿鉆進(jìn)所需用力的角度來初步判斷與鉆孔傾斜的 關(guān)系。如果鉆機(jī)在垂

4、直分布的巖層上施工，鉆桿只在同一巖層中工 作，鉆進(jìn)過程中不會(huì)跨越不同巖層， 鉆桿鉆進(jìn)所需用力不會(huì)發(fā)生變化， 基本上應(yīng)該處于同一穩(wěn)定值， 故而， 在鉆進(jìn)過程中，如果力發(fā)生了突 變，無論是變大還是變小，則一定是鉆孔傾斜了， 要及時(shí)調(diào)整到原來 所用的力或功率的值。 節(jié)流閥用來控制進(jìn)給速度。 節(jié)流閥的手柄順時(shí) 針轉(zhuǎn)動(dòng)流量減小， 鉆進(jìn)壓力增高，推進(jìn)速度加大，反時(shí)針旋轉(zhuǎn)則相反。 為此，在正常鉆進(jìn)時(shí)， 根據(jù)井底壓力大小隨時(shí)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，即巖石硬3時(shí)，推進(jìn)速度可加大，巖石軟時(shí)推進(jìn)壓力應(yīng)減小2FIA 3一 V EhPjR"P2F2T -1 Pi I FiJ（b）（c）圖1鉆機(jī)在垂直分布巖層鉆進(jìn)受力分析(

5、a)4#如圖1（a）所示，如果只在巖層 B中作業(yè)，則其受力值F!應(yīng)該恒定（假設(shè)每一巖層的巖體都是均勻分布的）；如果鉆桿傾斜，鉆頭 打在巖層B和C的接觸面上，則此時(shí)受力值F2與受力值Fi必將不同。1）假設(shè)巖層B較巖層C軟弱，鉆桿在巖層B中作業(yè)，需用力Pi=50N （即Fi=50N）,在巖層 C中作業(yè)，需用力 P2=100N。則力F? 的分力方向和大小應(yīng)如圖1（b）所示，可以直觀得出F2>P1=50N,即 此時(shí)鉆進(jìn)所需力增大。2）假設(shè)巖層B較巖層C堅(jiān)硬，鉆桿在巖層B中作業(yè)，需用力 P1 = 100N （即F1 = 100N）,在巖層C中作業(yè)，需用力 P2=50N。則力F2 的分力方向和大小應(yīng)

6、如圖1 （ c）所示，可以直觀得出F2<P1 = 100N， 即此時(shí)鉆進(jìn)所需力減小。以上論述中，力F2的方向可以任意選取，其計(jì)算結(jié)果的性質(zhì)是一樣的。即鉆桿在垂直巖層中推進(jìn)時(shí)，如果發(fā)生傾斜跨越了不用巖層， 鉆進(jìn)所需力F2會(huì)隨著下一巖層較原巖層的堅(jiān)硬或軟弱程度而發(fā)生相 應(yīng)改變，由于理論上鉆桿在同一巖層中推進(jìn)時(shí)，其受力應(yīng)該是均勻的， 鉆進(jìn)所需力F1必然保持不變。1. 如果鉆機(jī)在水平分布的巖層上施工，則在不同巖層的接觸面上，鉆桿鉆進(jìn)所需力肯定會(huì)發(fā)生突變，這時(shí)鉆頭容易發(fā)生傾斜，要特別注意，如果下一巖層巖性較上一巖層軟弱， 則應(yīng)朝所需用力最小的方向鉆進(jìn)，反之則應(yīng)朝所需用力最大的方向鉆進(jìn)。FiP2/

7、' i'_u；A R廠V' py<IC BF2/； jj . .T?|.'（a）（b）Pi Fa（c）圖2鉆機(jī)在水平分布巖層鉆進(jìn)受力分析如圖2（a）所示，鉆桿現(xiàn)在由巖層 B打入巖層C，在接觸面上Pi必然發(fā)生力的突變。假設(shè)巖層 B較巖層C堅(jiān)硬，鉆桿在巖層B中推進(jìn)，需用力Pi = 100N,在巖層C中推進(jìn)，需用力P2=50N。1） 倘若鉆桿繼續(xù)沿著豎直方向推進(jìn)，則所用力Fi應(yīng)由Pi=100N 突變?yōu)镻2=50N。2）倘若鉆桿發(fā)生傾斜變?yōu)镕2的方向，將F2進(jìn)行分解（如圖2（b） 所示），兩分力分別為Pi=100N, P2=50N，可知，無論合力F2方向如 何傾斜

8、，其兩分力 Pi、P2大小一定，則由其受力平行四邊形可得， F2>P2=50N。所以鉆桿沿著正確的豎直方向推進(jìn)時(shí)所需力是最小的， 即鉆桿應(yīng)該沿著各個(gè)方向中所需力最小的方向推進(jìn)。3）反之，巖層B較巖層C軟弱，即此時(shí)Pi=50N，P2=100N,鉆 桿傾斜時(shí)其受力平行四邊形如圖 2（ c）所示，F(xiàn)2<P2=100N,而鉆桿 沿著豎直方向推進(jìn)時(shí)，所需力應(yīng)該等于 P2=100N,所以，鉆桿沿著正 確的豎直方向推進(jìn)時(shí)所需力是最大的，即鉆桿應(yīng)該沿著各個(gè)方向中所需力最大的方向推進(jìn)旋轉(zhuǎn)方向2. 如果在鉆進(jìn)過程中遇到了傾斜分布的巖層，鉆頭發(fā)生傾斜的 可能性會(huì)更大，這時(shí)調(diào)整的難度也最大。一般情況下，鉆

9、頭會(huì)沿著巖 層的接觸面發(fā)生傾斜，這時(shí)要放慢鉆進(jìn)速度，減小鉆桿的振動(dòng)。IJ.F2圖3鉆頭工作剖面圖由于鉆頭要受到鉆桿的扭矩的傳遞作用，其在傾斜巖層中推進(jìn)時(shí), 如果遇到巖層接觸面，兩側(cè)分布為不同巖層，此時(shí)鉆頭兩側(cè)受到的摩 擦阻力Fi和F2就不相等（如圖3所示），此時(shí)鉆頭又會(huì)沿著巖層走向 發(fā)生傾斜。所以，鉆桿在傾斜巖層中推進(jìn)時(shí)，有可能發(fā)生沿著巖層接觸面向 下的方向和巖層走向這兩個(gè)方向傾斜。 可采用邊回提鉆桿邊鉆進(jìn)的方 式，鉆進(jìn)一定深度后稍微向上提升鉆桿， 待下層鉆頭處的巖石破壞穩(wěn) 定并將鉆桿調(diào)整垂直后繼續(xù)鉆進(jìn)，可增加下層鉆頭處巖石的抗滑力， 適當(dāng)避免傾斜。總之要在鉆進(jìn)所用力發(fā)生突變的時(shí)候加強(qiáng)注意，

10、檢查鉆機(jī)是否發(fā) 生偏移，測斜儀是否正常工作，鉆桿是否垂直等。四、不同地層的鉆進(jìn)工法1.黏土層的鉆進(jìn)工法黏土層鉆進(jìn)阻力小，吸附性強(qiáng)，不易脫落。 據(jù)此動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩不宜 過大，控制液壓手柄低速鉆進(jìn)。鉆進(jìn)時(shí)不加壓或點(diǎn)加壓， 依靠鉆桿自 重進(jìn)尺， 一次進(jìn)尺量由鉆頭直徑?jīng)Q定。如果黏土的吸附力太強(qiáng)， 導(dǎo)致 鉆渣不能倒出， 可采用快速正反轉(zhuǎn)動(dòng)力頭甩動(dòng)使黏土脫離鉆斗， 或快 速插入泥里造成局部真空使黏土吸出。 黏土層鉆進(jìn)， 最容易出現(xiàn)的問 題是鉆斗打滑縮徑及倒土困難。施工時(shí)，鉆孔速度不宜過快。2沙層的鉆進(jìn)工法沙層特別是中粗沙層， 地層沒有膠結(jié)性，比較粗散，在泥漿中容 易被稀釋，鉆進(jìn)時(shí)阻力較大。 為了提高鉆進(jìn)效率，

11、 動(dòng)力頭鉆進(jìn)中能發(fā) 出最大轉(zhuǎn)矩，鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)保持持續(xù)加壓，不要強(qiáng)行加壓。當(dāng)動(dòng)力頭達(dá)到 經(jīng)驗(yàn)壓力值時(shí)，應(yīng)該提鉆并進(jìn)行第二回次鉆進(jìn)。沙層鉆進(jìn)，最容易出現(xiàn)的問題是埋鉆和塌孔， 特別是遇到流沙層， 極容易產(chǎn)生塌孔，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鉆機(jī)傾翻。3卵石層的鉆進(jìn)工法卵石屬巖石地層， 有一定的膠結(jié)性， 進(jìn)尺靠鉆齒旋轉(zhuǎn)切入卵石間 膠結(jié)縫隙切起卵石顆粒裝進(jìn)鉆斗。 鉆進(jìn)該層時(shí)， 要持續(xù)保持大壓力加 壓，以提供最大轉(zhuǎn)矩， 快速加壓鉆進(jìn)到不能進(jìn)尺為止。提鉆倒渣，開 始第二回次鉆進(jìn)。 卵石地層比較復(fù)雜， 在此層位內(nèi)經(jīng)常發(fā)生不可預(yù)料 的情況，在施工中應(yīng)格外小心。4強(qiáng)風(fēng)化巖石的鉆進(jìn)工法 強(qiáng)風(fēng)化地層上層軟，類似黏土。鉆進(jìn)時(shí)采用點(diǎn)加壓，動(dòng)

12、力頭轉(zhuǎn)矩 不要超過中等壓力值， 沒有較大進(jìn)尺時(shí)就提鉆開始第二回次鉆進(jìn)， 一 般在此地層每次可進(jìn)30-40cm。下層較硬，接近中風(fēng)化五、鉆孔偏斜的預(yù)防1在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)防鉆孔偏斜按照地層條件設(shè)計(jì)鉆孔： 1）布置鉆孔時(shí)盡量使鉆孔垂直于巖層 層面及巖層走向； 2）對于疏松和破碎地層、厚覆蓋層、裂隙及溶洞 發(fā)育地層應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)垂直孔， 因?yàn)樵谶@些地層中常因鉆具自重而使 斜孔產(chǎn)生鉛垂方向的偏斜。按鉆孔偏斜規(guī)律設(shè)計(jì)鉆孔： 1）對孔斜規(guī)律明顯的地層或巖層傾 角較大、 鉆孔軸線無法與之垂直相交的地層， 應(yīng)充分利用造斜地層的 自然偏斜規(guī)律，輔以人工控制偏斜措施，設(shè)計(jì)“初級(jí)定向孔” ；2）若 已知鉆孔偏斜規(guī)律是方

13、位基本穩(wěn)定而頂角偏離設(shè)計(jì)值較大時(shí)， 應(yīng)改變 頂角的設(shè)計(jì)， 使之能達(dá)到預(yù)定見礦點(diǎn)的位置， 常用的有沿勘探線平移 鉆孔設(shè)計(jì)點(diǎn)和增大開孔傾角兩種方法； 3）若已知鉆孔偏斜規(guī)律是傾 角基本穩(wěn)定而方位角變化較大時(shí)， 應(yīng)按方位角變化規(guī)律調(diào)整鉆孔設(shè)計(jì)， 常用的有設(shè)計(jì)鉆孔點(diǎn)平移法和扭轉(zhuǎn)鉆機(jī)立軸法兩種。2保證安裝和換徑質(zhì)量 安裝設(shè)備前地基要平整、堅(jiān)實(shí)，填方部分不超過 1/3，基臺(tái)木要 水平、穩(wěn)固。鉆機(jī)立軸傾角的方向要符合設(shè)計(jì)要求， 上對塔上天車、 下對設(shè)計(jì) 孔位，同時(shí)在鉆進(jìn)過程中還需經(jīng)常檢查和校正立軸方向。要保證按設(shè)計(jì)方向開孔， 粗徑鉆具要直， 長度要逐漸加長至 10m 左右，孔口管要固定牢，其方位和傾角要符合設(shè)計(jì)要求。換徑時(shí)應(yīng)采用帶導(dǎo)向的綜合式異徑鉆具。3采用合理的鉆具結(jié)構(gòu) 采用合理的鉆具結(jié)構(gòu)是為了保證較高的同心度、 提高鉆具的剛性、 減小鉆具與孔壁的間隙、 實(shí)現(xiàn)孔底加壓、 增強(qiáng)鉆具的穩(wěn)定性和導(dǎo)正作 用，以改善下部鉆具的偏斜形態(tài) , 提高鉆進(jìn)時(shí)的防斜能力。鐘擺、偏 重和滿眼鉆具等形式的組合鉆具對防止和糾正鉆孔偏斜有明顯的效 果。六、總結(jié) 由于鉆孔偏斜將直接影響地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性和礦床儲(chǔ)量的計(jì)算， 所以在