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)限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(guò)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.孔斜的條件：鉆孔發(fā)生偏斜的根本原因是粗徑鉆具在孔內(nèi)歪倒, 其軸線

2、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 1鉆具本身就彎曲；沖洗液量大沖刷孔壁使孔壁間隙過(guò)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(guò)大與轉(zhuǎn)速過(guò)快,鉆 桿柱受軸心壓力及回轉(zhuǎn)的影響而呈撓曲狀態(tài)影

3、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)不符合要求,主要表現(xiàn)在基臺(tái) 不穩(wěn)固或發(fā)生偏斜；開(kāi)孔時(shí)沒(méi)有校正鉆機(jī)的頂角和方位角,致使開(kāi)孔 即發(fā)生偏斜；另外鉆機(jī)立軸過(guò)度磨損曠動(dòng)太大也是一個(gè)因素.三、鉆進(jìn)過(guò)程中巖層分布與鉆桿受力分析鉆進(jìn)過(guò)程中,如果不考慮限制方向的問(wèn)題隨意鉆進(jìn), 從力學(xué)的角 度分析,鉆頭肯定會(huì)避開(kāi)較硬的巖層,朝著鉆頭周?chē)鷰r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(lái)初步判斷與鉆孔傾斜的 關(guān)系.1 .如果鉆機(jī)在垂直分布的巖層上施工,鉆桿只在同一巖層中工

4、作,鉆進(jìn)過(guò)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, 根本上應(yīng)該處于同一穩(wěn)定值,故而,在鉆進(jìn)過(guò)程中,如果力發(fā)生了突 變,無(wú)論是變大還是變小,那么一定是鉆孔傾斜了, 要及時(shí)調(diào)整到原來(lái) 所用的力或功率的值.節(jié)流閥用來(lái)限制進(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)那么相反. 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P:I Pi Fi(c)時(shí),推進(jìn)速度可加大,巖石軟時(shí)推進(jìn)壓力應(yīng)減小PlF2(a)(b) 圖1鉆機(jī)在垂直分布巖層鉆進(jìn)受力分析如圖1 (a)所示,如果只在巖層 B中作業(yè),那么其受力值Fl應(yīng)該恒定(假設(shè)每一巖層的巖體都是均勻分

5、布的)；如果鉆桿傾斜,鉆頭 打在巖層B和C的接觸面上,那么此時(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.那么力F2 的分力方向和大小應(yīng)如圖1 (b)所示,可以直觀得出F2>B=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.那么力F2 的分力方向和大小應(yīng)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

6、,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.2 .如果鉆機(jī)在水平分布的巖層上施工,那么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, 那么應(yīng)朝所需用力最小的(a)Pi(b)方向鉆進(jìn),反之那么應(yīng)朝所需用力最大的方向鉆進(jìn)PlPi F：J.(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

7、層 B打入巖層C,在接觸面上必然發(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R=100N,在巖層C中推進(jìn),需用力P2=50NO1)倘假設(shè)鉆桿繼續(xù)沿著豎直方向推進(jìn),那么所用力 Fi應(yīng)由Pi=100N 突變?yōu)镻2=50N.2)倘假設(shè)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(wú)論合力F2方向如 何傾斜,其兩分力 PP P2大小一定,那么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

8、軟弱,即此時(shí)B=50N, P2=100N,鉆 桿傾斜時(shí)其受力平行四邊形如圖 2 (c)所示,F2<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)3 .如果在鉆進(jìn)過(guò)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).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,具在傾斜巖層中推進(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

9、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)預(yù)防傾斜.總之要在鉆進(jìn)所用力發(fā)生突變的時(shí)候增強(qiáng)注意, 檢查鉆機(jī)是否發(fā) 生偏移,測(cè)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(guò)大,限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

10、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(wèn) 題是鉆斗打滑縮徑及倒土困難.施工時(shí),鉆孔速度不宜過(guò)快.2 .沙層的鉆進(jìn)工法沙層特別是中粗沙層,地層沒(méi)有膠結(jié)性,比擬粗散,在泥漿中容 易被稀釋,鉆進(jìn)時(shí)阻力較大.為了提升鉆進(jìn)效率,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)力頭到達(dá) 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(wèn)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)

11、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(kāi) 始第二回次鉆進(jìn).卵石地層比擬復(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(lèi)似黏土.鉆進(jìn)時(shí)采用點(diǎn)加壓,動(dòng)力頭轉(zhuǎn)矩 不要超過(guò)中等壓力值,沒(méi)有較大進(jìn)尺時(shí)就提鉆開(kāi)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)防鉆孔偏斜根據(jù)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；

12、2對(duì)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,由于在這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(duì)孔斜規(guī)律明顯的地層或巖層傾 角較大、鉆孔軸線無(wú)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,輔以人工限制偏斜舉措,設(shè)計(jì)“初級(jí)定向孔 ；2假設(shè) 鉆孔偏斜規(guī)律是方位根本穩(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),使之能到達(dá)預(yù)定見(jiàn)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(kāi)孔傾角兩種方法；3假設(shè)鉆孔偏斜規(guī)律是傾角根本穩(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

13、.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),填方局部不超過(guò)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(duì)塔上天車(chē)、下對(duì)設(shè)計(jì) 孔位,同時(shí)在鉆進(jìn)過(guò)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(kāi)孔,粗徑鉆具要直,長(zhǎng)度要逐漸加長(zhǎng)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、提升鉆具的剛性、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),提升鉆進(jìn)時(shí)的防斜水平.鐘擺、偏 重和滿眼鉆具等形式的組合鉆具對(duì)預(yù)防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, 所以在施