鉆孔彎曲影響因素和彎曲機理

1、2 鉆孔彎曲影響因素和彎曲機理鉆孔彎曲是打鉆施工過程中普遍的、大量存在的現(xiàn)象，用現(xiàn)有的各種方法鉆進時鉆孔總會在某種程度上必然地偏離預(yù)定方向。要使定向長鉆孔順利鉆進，必須對鉆孔彎曲的性質(zhì)和機理作詳盡的研究。掌握了彎曲的原因和規(guī)律，在設(shè)計定向鉆孔時，就能在某種程度上利用它們，減少鉆孔偏離預(yù)定方向的程度。2.1 鉆孔彎曲影響因素鉆進過程中鉆孔彎曲是主、客觀因素共同作用的結(jié)果。地質(zhì)因素是鉆進時的客觀因素，技術(shù)和工藝因素是鉆進時的主觀因素。在不同的條件下，兩類因素對鉆孔彎曲的影響程度是不同的，有時地質(zhì)因素是主導(dǎo)因素，有時技術(shù)和工藝因素是主導(dǎo)因素。2.1.1 鉆孔彎曲的地質(zhì)因素影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是

2、鉆進巖層的硬度，研磨性、密度、礦物成份、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。地質(zhì)因素的影響主要表現(xiàn)為造成巖石的非均質(zhì)性，它對鉆孔方向及其特征有著多種作用。巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性。在這種巖石中鉆進時，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。其中層理、片理和軟硬互層對鉆孔的彎曲最具影響。對巖石的大量測定和鉆進實踐表明，具有層理、片理的巖層，其物理力學(xué)性質(zhì)在各個方向上不同，此種特性稱為巖石的各向異性。在垂直于層理方向的硬度最小，破碎阻力最小，破碎速度最快；在平行于層理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢；與層理斜交方向巖層的硬度、破碎阻力、破碎速度介于兩

3、者之間。最大硬度與最小硬度的比值稱為巖石的各向異性指數(shù)。圖 2-1 為鉆頭在與地層面的不同方向鉆進時的鉆孔破碎情況，圖中 a 是鉆頭垂直于地層層面鉆進，鉆孔為圓形，不發(fā)生彎曲；b 是鉆頭與地層層面斜交，鉆頭受一個來自地層下傾方向的力地層造斜力的作用，使鉆頭軸向力圖向垂直于地層層面方向偏移，鉆孔呈橢圓形；c 中由于垂直于地層層面方向的硬度小，孔壁巖石易破碎，形成的鉆孔直徑較大，孔壁間隙大，使鉆頭穩(wěn)定性差，鉆孔也容易彎曲。圖 2-2 為鉆頭在片理和層理的巖層中鉆進時順層克取和逆層克取的受力情況。因鉆頭與層面斜交，鉆頭切削具在孔底 A、B 兩點所遇回轉(zhuǎn)阻力不同，A 點為順層克取，切削阻力 N ?。籅

4、 點為逆層克取切削阻力 F 大，因此A、B 兩點形成切削阻力差（F-N）。在孔底的 C、D 兩點均系平行于層理克取，所遇回轉(zhuǎn)阻力相等，但方向相反，無切削阻力差。如在圖 2-2 的鉆頭中心引入兩平衡力系，即 F=F=F，N=N=N 則根據(jù)理論力學(xué)可知，F(xiàn) 和 F組成一力偶，N 和 N組成另一力偶，此兩力偶由鉆桿傳遞的扭矩所克服，而F和 N是一對不平衡的力，其差值（即地層造斜力），將使鉆頭沿 CD 方向傾斜延伸，使鉆孔趨向于垂直層理面和片理面。圖 2-3 鉆頭通過軟硬互層時的鉆孔彎曲情況a-由軟巖鉆至硬巖 b-由硬巖鉆至軟巖c-遇層角較小時鉆具的下滑情況1-軟巖 2-硬巖 3-軟硬互層接觸面圖 2

5、-3 為鉆頭通過軟硬互層時的鉆孔彎曲情況。鉆頭通過軟硬互層時對鉆孔彎曲的影響取決于鉆孔軸線的遇層角（遇層角是指鉆孔軸線與巖層層面法線的夾角的余角）和軟硬巖層的硬度差。由于鉆頭作用在層面上的壓力可分解為垂直于層面的分力 C 和平行于層面的分力 N（參看圖 2-3,a）。N是鉆頭在巖層面上的下滑力，當(dāng)下滑力大于鉆頭與巖層層面的摩擦阻力時，鉆具便沿層面下滑，鉆孔將順巖層層面方向彎曲（俗稱“順層跑”，如圖2-3,c）。很明顯，遇層角越小，下滑力（N=P·cos）越大。 鉆具沿層面下滑的臨界遇層角主要與巖石對鋼的摩擦系數(shù)有關(guān)，這取決于巖石的性質(zhì)。一般臨界遇層角的值20°。圖 2-3,

6、a 為遇層角大于臨界角時鉆頭由軟巖層進入硬巖層的情況。由于鉆頭進入層面時，唇面受力不平衡，靠層面上硬巖一端的孔底的反力的合力大，靠軟巖一端的孔底的反力的合力小，不僅鉆頭兩端存在鉆速差和孔底不對稱不均勻破碎，而且將產(chǎn)生一傾倒力矩 M使鉆頭扭轉(zhuǎn)，并沿著地層上傾方向即垂直于層面方向彎曲（俗稱“頂層進”）。圖 2-3,b 為遇層角大于臨界角時鉆頭由硬巖層進入軟巖層的情況。根據(jù)鉆頭在孔底受力不平衡情況，鉆頭靠層面上軟巖一側(cè)的鉆速快，靠硬巖一側(cè)的鉆速慢，加之產(chǎn)生的傾倒力矩，使鉆孔有向地層下傾方向彎曲的趨勢。從上述分析看出，在軟硬巖層交替互存的情況下鉆進時，由硬巖層進入軟巖層鉆孔彎曲的方向與由軟巖層進入硬巖

7、層鉆孔彎曲的方向正好相反。但這相反的彎曲方向并不能完全抵消而使鉆孔按原方向鉆進。實踐證明，在軟硬交替巖層鉆進時，鉆孔仍然取向于垂直層面方向。這是因為鉆頭由硬巖層進入軟巖層時，硬巖的孔壁完整、孔壁間隙小，能對鉆具起導(dǎo)向作用，而且在軟巖上的小塊硬巖很易破碎，孔斜不明顯；而鉆頭由軟巖進入硬巖時，在軟巖中形成的孔壁間隙較大，鉆孔彎曲強度大。2.1.2 鉆孔彎曲的技術(shù)因素影響鉆孔彎曲的技術(shù)因素可以分為兩類：鉆孔在給定方向上的初始偏斜因素類；鉆進過程中影響孔斜的因素類。第類技術(shù)因素主要是指：鉆機安設(shè)不正確；鉆具與鉆孔中心未對正、使用了不合標準或超過公差極限的巖芯管、鉆桿和其它碎巖工具；絲扣連接不同心等。這

8、些鉆孔彎曲原因是容易消除的。第類技術(shù)因素是指決定孔底鉆具組剛度的鉆具結(jié)構(gòu)特性，它在鉆孔彎曲過程中起著重要作用。因為在縱向彎曲和傾倒力矩的作用下，決定了孔底鉆具組偏斜值的大小?？椎足@具組的穩(wěn)定性，對鉆孔彎曲強度有很大影響，它隨鉆具之長度增加和直徑減小而降低.鉆孔開孔時，只要安裝正確和鉆具組不偏心，各方面符合設(shè)計要求，在鉆進時鉆孔則不易彎曲，這主要是由于鉆具組本身有足夠的剛性；隨著鉆孔加深、鉆桿不斷接長，鉆具的剛性不斷減小，以至完全成為一個“柔性體”，鉆頭之所以能繼續(xù)鉆進是靠鉆孔孔壁的導(dǎo)正，以及起導(dǎo)正作用的孔底鉆具組的剛性。2.1.3 鉆孔彎曲的工藝因素工藝因素的影響與鉆進方法有關(guān)。在回轉(zhuǎn)鉆進時，

9、工藝因素影響的程度常取決于彎曲強度與鉆進參數(shù)的關(guān)系。影響鉆孔彎曲強度最強烈的是軸向壓力，為了獲得較高的機械鉆速，必須有足夠的鉆壓，但鉆壓過大將導(dǎo)致孔底鉆具組相對孔軸發(fā)生歪斜，增大了造斜力，而且因鉆桿的半波峰壓向孔壁，還擴大了孔徑。雖然機械鉆速的增加，縮短了偏斜力的作用時間，抑制了彎曲強度的增大，但研究證實，鉆具繞自身軸回轉(zhuǎn)并使其下部定向歪斜的概率，隨著鉆壓、轉(zhuǎn)速和孔徑的增加而增大，因此大的鉆壓為孔底鉆具在固定的歪斜方向上只自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件，這些均是加劇孔斜的因素。轉(zhuǎn)速對鉆孔彎曲強度的影響具有雙重性：一方面鉆具的離心力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，導(dǎo)致縱向彎曲半波長度減小和孔底鉆具組歪斜增大，這就促使

10、孔身擴大，鉆具歪斜更大，所以在各向異性和軟硬交變巖石中這點可能導(dǎo)致鉆孔彎曲強度增加；另一方面，由于轉(zhuǎn)數(shù)增加后機械鉆速也增加，減少了引起鉆孔彎曲因素的作用時間，而且高轉(zhuǎn)速下鉆具易實現(xiàn)既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的原因，所以有些情況下隨著轉(zhuǎn)數(shù)提高會降低鉆孔的彎曲強度。根據(jù)美國打煤層水平長鉆孔的經(jīng)驗，通過控制打鉆推力和轉(zhuǎn)速可調(diào)整鉆進方向上仰或下垂。大推力、低轉(zhuǎn)速可實現(xiàn)鉆孔向上彎曲；反之，小推力、高轉(zhuǎn)速可使鉆孔向下彎曲。另外沖洗液的數(shù)量也會影響鉆孔的彎曲，沖洗液量過大，會沖垮孔壁造成大的孔壁間隙，使孔斜加?。粵_洗液量過小，巖（煤）粉回流速度不夠時，造成孔底巖（煤）粉堆積，也會使孔壁更強烈地擴大。工藝因素將改變孔底鉆具

11、產(chǎn)生的側(cè)向力和其受到的地層自然造斜力，通過改善鉆進工藝和鉆進參數(shù)來控制鉆孔軌跡，也是受控定向鉆進的一個重要手段。2.2 鉆孔彎曲的機理導(dǎo)致鉆孔彎曲，必須有使鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的力學(xué)條件、空間條件和位置條件。其中力學(xué)條件和空間條件是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的必要條件，位置條件是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的充分條件。2.2.1 力學(xué)條件力學(xué)條件是指鉆頭在孔內(nèi)的受力情況。鉆頭處在以下集中受力情況下有可能使鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線。鉆頭與孔底接觸時，鉆頭唇面的軸向受力不平衡，孔底平面軸向破碎速度有快有慢，即孔底平面產(chǎn)生不均勻、不對稱破碎，存在鉆速差，使鉆頭軸線有可能偏離原鉆孔軸線。鉆頭唇面可能有以下兩種不平衡受

12、力情況：鉆頭軸線垂直于孔底平面，鉆壓均勻分配在鉆頭唇面上，但孔底平面巖石的破碎難易程度不同。一端的破碎阻力大于另一端的破碎阻力。鉆頭軸線垂直于孔底平面，鉆壓在鉆頭唇面上分配不均勻，但孔底平面的巖石均勻，破碎阻力相同，同樣造成兩端的破碎速度不同，導(dǎo)致鉆孔軸線向破碎速度快的一方一側(cè)偏斜（此種不平衡受力情況實踐中不多見）?？椎足@具組歪倒，鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線一個角度，鉆壓不再沿鉆孔軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個角度施加給鉆頭。使鉆頭破碎方向不垂直于原孔底平面，而是同時破碎孔底（軸線分力作用）和孔壁（徑向分力作用）的一部分，孔底破碎不對稱，從而導(dǎo)致孔斜。鉆頭軸向和徑向同時受力，軸向壓力沿鉆頭軸向垂

13、直作用到孔底，側(cè)向力 FA沿鉆頭徑向作用到孔壁。鉆頭在進行軸向破碎孔底的同時，又進行側(cè)向切削孔壁，鉆頭軸線的實際切削方向為軸向破碎速度 vP與側(cè)向切削速度 vA的矢量合成方向 vc。因此鉆頭軸線的實際破碎方向偏離原鉆孔軸線。顯然，鉆頭軸線的偏離隨側(cè)向切削速度的提高而加大。2.2.2 空間條件空間條件是指孔底鉆具組與孔壁之間存在的間隙。力學(xué)條件僅是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的必要條件之一，空間條件是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的另一必要條件。兩者之間的關(guān)系是，孔壁間隙是上述力學(xué)條件下使鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的前提條件。因為對于上述力學(xué)條件的第二種情況，只有孔底鉆具組與孔壁之間存在間隙，孔底鉆具才有歪

14、倒的空間，軸壓的作用方向才不在原鉆孔軸線上；若沒有間隙，鉆具的軸線就與鉆孔軸線一致，軸壓的作用方向也就與鉆孔軸線一致。對于上述力學(xué)條件的第一種和第三種情況，當(dāng)導(dǎo)致鉆頭軸線偏離鉆孔軸線時，實際上就是使鉆頭在鉆進孔段相對于原鉆孔軸線連續(xù)歪倒。此時如果孔底鉆具組與孔壁之間無間隙，鉆頭沒有歪倒的空間，也就不可能導(dǎo)致鉆頭軸線偏離鉆孔軸線。顯然，孔壁間隙加大，上述力學(xué)條件下鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線的角度也增大。2.2.3 位置條件位置條件是指對鉆頭作用力的方向固定、大小固定以及鉆頭歪倒方向固定。上述力學(xué)條件和空間條件僅是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的必要條件，并不是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的全部條件。只有同時具備

15、力學(xué)條件、空間條件和位置條件，才會最終發(fā)生鉆頭軸線偏離鉆孔軸線。因為鉆頭作用力的方向和相對大小以及鉆頭歪倒方向均固定后，才能造成鉆頭軸線向固定的作用力方向、固定的鉆速差方向、固定的歪倒方向偏斜。例如，當(dāng)孔底鉆具組可以向孔底各個方向歪倒時，則鉆頭向孔底各個歪倒方向均勻破碎巖石，即使具備了鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的力學(xué)條件、空間條件，也只能使孔底擴大或孔徑擴大，鉆孔仍然沿軸線延伸，并不彎曲。回轉(zhuǎn)鉆進時，當(dāng)孔底鉆具既自轉(zhuǎn)（圍繞鉆具軸線旋轉(zhuǎn)）又公轉(zhuǎn)（孔底鉆具圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)）時就會產(chǎn)生上述情況。又如，當(dāng)鉆頭側(cè)向力的方向不固定時，則側(cè)向力可作用到孔壁四周，也只能使孔壁擴大，鉆孔并不彎曲。只有側(cè)向力在固定的方

16、向上切削孔壁，鉆孔才能向側(cè)向力固定方向的一側(cè)偏斜?；剞D(zhuǎn)鉆進時，孔底鉆具歪倒方向固定或者變化極小的情況，一般僅在孔底鉆具自轉(zhuǎn)時才可能發(fā)生，因此鉆進時僅自轉(zhuǎn)的鉆具易發(fā)生孔斜。此外，既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的鉆具，當(dāng)公轉(zhuǎn)的角速度不均勻，且大部分時間處于徑向某一位置時，鉆孔也會彎曲。2.3 小結(jié)要使定向長鉆孔順利鉆進，必須對鉆孔彎曲的性質(zhì)和機理作詳盡的研究。掌握了彎曲的原因和規(guī)律，在設(shè)計定向鉆孔時，就能在某種程度上利用它們，減少鉆孔偏離預(yù)定方向的程度。鉆進過程中鉆孔彎曲受地質(zhì)因素、技術(shù)和工藝因素的共同影響。影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是鉆進巖層的硬度、研磨性、密度、礦物成份、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。地質(zhì)因素的影響主要

17、表現(xiàn)為造成巖石的非均質(zhì)性，它對鉆孔方向及其特征有著多種作用。巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性。 在這種巖石中鉆進時，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。其中層理、片理和軟硬互層對鉆孔的彎曲最具影響。此外，在松軟、極破碎、溶洞地層和卵、礫石層鉆進時，鉆孔也會產(chǎn)生彎曲。地質(zhì)因素對鉆孔軌跡的影響表現(xiàn)為，孔底鉆具受到一個來自地層的自然造斜力即地層力的作用。地層力的兩個分力地層變孔斜力和地層變方位力，使鉆孔產(chǎn)生傾角和方位角的變化。影響鉆孔彎曲的技術(shù)因素可以分為兩類：第類技術(shù)因素主要是指鉆孔在給定方向上的初始偏斜因素；第類技術(shù)因素是指鉆進過程中影響孔斜的因素，它在鉆孔彎曲過程中起著重要作用。為減小孔壁的間隙，增加與孔壁的接觸，常采用安裝定中器的方法。技術(shù)因素對鉆孔軌跡的影響表現(xiàn)為使鉆頭產(chǎn)生一個作用于地層的側(cè)向力，該力的兩個分力變孔斜力和變方位力，為進一步優(yōu)化鉆具組合和鉆具結(jié)構(gòu)以控制鉆孔的傾角和方位角奠定基礎(chǔ)。工藝因素的影響與鉆進方法有關(guān)。在回轉(zhuǎn)鉆進時，工藝因素影響的程度常取決于彎曲強度與鉆進參數(shù)的關(guān)系。影響鉆孔彎曲強度最強烈的是軸向壓力，其次轉(zhuǎn)速對鉆孔彎曲強度的影響也不容忽視，但是單純地增大或減小兩個參數(shù)，并不能減小孔斜強度。根據(jù)美國打煤層水平長鉆孔的經(jīng)驗，通過控制打鉆推力和轉(zhuǎn)速可調(diào)整鉆進方向上