汪學春

(新疆維吾爾自治區(qū)有色地質(zhì)勘查局地球物理探礦隊 烏魯木齊830011）

1 概述

鉆孔彎曲又稱孔斜，是鉆探施工質(zhì)量的六大指標之一；在施工過程中受自然地質(zhì)及鉆探工藝因素的影響會造成鉆孔彎曲，使鉆孔偏離原來設計的頂角與方位角?？仔辈粌H會給施工帶來困難，降低鉆探效率，易誘發(fā)孔內(nèi)事故，而且會歪曲礦體形態(tài)與產(chǎn)狀，影響勘探結果的準確程度；所以按一定距離測斜和防斜在鉆探施工中是非常重要的。

2 影響鉆孔彎曲的因素

影響鉆孔彎曲的具體原因可分為地質(zhì)、技術和工藝等三個方面；鉆孔彎曲是這三個方面因素綜合作用的結果，在不同的條件下，可能其中某些原因占主導地位。地質(zhì)原因是客觀存在的，只能通過工藝技術措施來減弱甚至抵消其促斜作用，而技術工藝原因是主觀因素，可以采取人為措施加以限制。

2.1 地質(zhì)方面的原因（客觀因素）

主要有巖石的各向異性和軟硬互層等促使鉆孔彎曲的地質(zhì)條件，如巖層的產(chǎn)狀，物理機械性質(zhì)，以及由于構造運動所產(chǎn)生的劈理、片理、層理等；研究和分析由地質(zhì)條件促使鉆孔彎曲的原因，一方面是為了在技術上采取相應預防措施來限制鉆孔彎曲，另一方面是為了合理的設計鉆孔提供依據(jù)，盡力減少地質(zhì)條件對鉆孔彎曲的影響，利用地質(zhì)條件的促斜規(guī)律來進行初級定向鉆孔鉆進；巖石的軟硬互層，巖層的傾角大，片理發(fā)育的巖層等是促使鉆孔彎曲的普遍原因，而且鉆孔彎曲都有一定的規(guī)律性；斷層、破碎帶、卵石、礫石層、流沙層、溶洞、老窿等，是促使鉆孔彎曲的特殊原因，而且鉆孔彎曲沒有一定的規(guī)律。

⑴鉆進流沙層，因為流沙層具有流散性，孔徑往往較大，尤其是在斜孔、流沙層厚，鉆孔很容易下垂，直孔無此現(xiàn)象；

⑵鉆進卵石、礫石層時，由于卵石、礫石很不規(guī)則，活動性很大，給鉆具的擠壓力及回轉(zhuǎn)阻力差異很大，鉆孔最容易彎曲，并且沒有什么規(guī)律；

⑶當鉆孔遇到溶洞和老窿時，鉆孔嚴重超徑，窿（洞）底又不規(guī)則，鉆進時粗徑鉆具易偏離鉆孔軸線，造成鉆孔彎曲；

⑷當鉆孔穿過具有一定傾角的軟硬巖互層時，鉆孔的頂角和方位角均會發(fā)生變化。

巖石層理走向及傾角過大，鉆頭在克取巖石時，頂著走向打；地質(zhì)情況復雜，鉆孔地層軟硬間錯，變化性極大，致使鉆具的配合，鉆進參數(shù)的設定出現(xiàn)偏差；

①當鉆頭由軟層進入硬巖層時，因孔底軟、硬巖石抵抗破碎能力不同，產(chǎn)生不均勻破碎（軟巖石破碎快、硬巖石破碎慢），促使鉆孔彎曲；鉆孔彎曲方向和程度，取決于鉆孔與巖層層面的夾角大小和軟、硬巖層的硬度差。

②鉆孔由硬層向軟層時，如巖層層面傾角較大，將使鉆孔趨向硬巖方向彎曲，但在一定情況下，因在硬巖層中鉆進形成的孔壁間隙較小，即使孔底不均勻破碎，但粗徑鉆具受孔壁限制而不易發(fā)生偏斜，故鉆孔彎曲甚微或不發(fā)生彎曲；

③鉆孔穿過片狀巖層時，如鉆孔軸線與巖層層因呈銳角相交，因巖石的各向性，將使鉆孔趨向垂直于層面方向彎曲，同時鉆孔的方位角則因鉆具回轉(zhuǎn)方向不同而向不同方向傾斜；如外頭順時針方向回轉(zhuǎn)，則鉆孔方位向右偏斜。

2.2 技術和工藝方面的原因（主觀因素）

工藝、技術因素系指所用機械設備，安裝質(zhì)量，鉆具結構，鉆進方法與技術參數(shù)，操作技術等對鉆孔彎曲的影響，這些因素均系人為因素，是完全可控制。

⑴機械設備：所用的鉆機回轉(zhuǎn)給進部件導向性能差，如立軸導管松曠，油壓鉆機滑道松曠時，鉆頭克取巖石就會形成立軸和鉆機的晃動，使鉆具回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，導致鉆孔彎曲。

⑵安裝質(zhì)量：安裝質(zhì)量不高對鉆孔彎曲影響很大，主要表現(xiàn)在:①地基（地盤）不堅實，填方過多，經(jīng)水浸、震動及承受載荷后下沉，使鉆塔鉆機偏斜，導致鉆孔彎曲；②基臺安裝不平整，鉆機不正、不穩(wěn)，立軸、孔口、天車3點不在一直線上等，均易造成開孔偏斜；③孔口管下的不正或固定不牢都易在開孔鉆進時，使鉆孔彎曲。

⑶開孔不正：開孔是關鍵，開孔不正的原因有：①開孔前對安裝質(zhì)量檢查不嚴不周；②開孔時使用的鉆具不直或鉆具連接后不同心；③開孔時沒有隨鉆孔加深加長導向鉆具；④開孔時技術操作不當，壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、水量等不合理。

⑷鉆具結構不合理：合理的鉆具結構對鉆孔彎曲影響最大，主要影響如下：①鉆桿直徑與粗徑鉆具直徑相差較大，鉆桿柱在軸心壓力、自重及離心力等作用下，呈波形彎曲，給粗徑鉆具處一個較大的偏斜力，造成鉆孔彎曲；②使用彎曲的鉆桿和巖心管，或鉆具連接后同心度差；③粗徑鉆具的導向性差；目前所使用的鉆頭外徑均大于巖心管和異徑接頭的直徑，尤其是采用肋骨式鉆頭時，鉆頭直徑則比巖心管和異徑鉆頭直徑大一級，這樣大大的降低了粗徑鉆具的導向作用。此外，粗徑鉆具過短導向性能差，粗徑外具過長時，易彎曲，也降低了導向性能。還應指出，在換徑或擴孔時未采用導向鉆具，或?qū)蜚@具結構不合理均易造成鉆孔彎曲。

⑸鉆進方法選擇不合理：在相同的地質(zhì)條件下，采用不同的鉆進方法，產(chǎn)生不同的環(huán)狀間隙；粗徑鉆具的導向效果不同，鉆孔彎曲的程度也不同。

⑹鉆進技術參數(shù)不合理：不根據(jù)地質(zhì)條件和設備條件，盲目采用強化規(guī)程（大的壓力、轉(zhuǎn)數(shù)、沖洗液量）片面追求進尺是促使鉆孔彎曲的重要原因。①鉆進壓力過大，鉆桿柱承壓部分呈波形彎曲嚴重，迫使粗鉆具上端向孔壁一側，粗徑鉆具偏離了鉆孔軸線，造成鉆孔彎曲；這種情況在孔壁間隙過大時更為嚴重和突出；②采用彎曲的鉆具時，過高的轉(zhuǎn)速使鉆具離心力增大，從而增大了鉆具的橫向力、增大了擴壁作用，加大了孔壁間隙，降低了粗徑鉆具的導向作用，造成鉆孔彎曲；③在松散易坍塌地層中鉆進，使用不合要求的沖洗液或沖洗液量過大，會沖塌孔壁，造成鉆孔超徑，引起孔斜；④在換徑前末清除孔底殘留巖心，換徑時直接采用鉆進時的技術參數(shù)，均易造成鉆孔彎曲。⑤鉆孔深度超過一定域值后，鉆具本身的周期性彈性振動所產(chǎn)生的俯沖壓力，改變了鉆頭的運行軌跡，鉆頭依重力慣性，在孔底面某一較低的方位較多的克取巖石，造成孔斜或加大孔斜。

3 預防鉆孔彎曲的措施

為了保證鉆孔質(zhì)量，在鉆探施工過程中，貫徹預防為主，加強對鉆孔彎曲的預防工作是十分必要的。由于促使鉆孔彎曲的原因比較復雜，在不同條件下，各種因素對鉆孔彎曲的影響也不同，因此，我們必須根據(jù)每個地區(qū)和鉆孔的具條件，進行具體分析，找出促使鉆孔彎曲的主要矛盾，有針對性地確定預防孔斜的措施。

3.1 從設計鉆孔上采取措施

在掌握了礦區(qū)內(nèi)，不同巖層，不同孔徑及不同孔段的自然彎曲規(guī)律資料的基礎上，設計初級定向鉆孔，是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要途徑；按設計鉆孔的傾角、方位角、根據(jù)鉆孔自然彎曲規(guī)律，按勘探線剖面圖的比例，每25 m（或50 m）孔段，定出傾角和方位角值，依各孔段的傾角值在透明方格紙上繪出鉆孔傾角標準線圖，將透明圖覆蓋在勘探線剖面圖上，使縱橫坐標對正，曲線終點與設計見礦點重合，則曲線起點與地平面相交處即是鉆孔的實際孔位；

應注意的是：⑴鉆進過程中應嚴格遵守有關技術操作規(guī)程;⑵按要求及時測斜，及時作圖，及時分析研究，以指導鉆進工作;⑶當鉆孔設計方向彎曲時，應及時采取措施，加以糾正;⑷如鉆孔方位角變化時，可采用活楔子導斜器糾斜。

3.2 把好設備、安裝、開孔關，確保安裝、開孔質(zhì)量

⑴做到回轉(zhuǎn)器無毛病，如立軸導管、立軸樞紐不松動，變角機構要牢靠，油壓鉆機在滑軌上不松不曠。

⑵安裝時確保地基堅實、平整，基臺輔設、鉆機安裝必須水平、周正、牢固；天車、立軸和孔口三點必須成一直線；嚴格按設計要求檢查立軸方向、角度；

⑶開孔時用的鉆具要直，粗徑鉆具要隨鉆孔加深逐次加長；最好使用短機上鉆桿，緊上下卡盤時要注意保持鉆具中心，使用鉆頭以輕壓慢轉(zhuǎn)鉆進；孔口管要下正，即方位和頂角完全符合設計要求，孔口管一定要下牢，上端管壁要填塞緊；上下鉆具應防強力沖打孔口管，避免孔口管偏斜變形。

3.3 抓好換徑和擴孔工作

⑴換徑前應清除孔底殘留巖心，最好用磨孔平面鉆頭帶撈渣清理孔底，換徑時一定要用導向鉆具，導向鉆具要同心，導向管應適當加長，小徑鉆具要短，隨著小徑鉆孔有加深小徑名具應逐次加長，直至6 m以上才可去掉導向鉆具，換徑后應進行測斜檢查。

⑵擴孔時要帶小徑導向鉆具，導向鉆具要同心，小徑導向管要保持一定長度。

3.4 增強鉆具的導向性和穩(wěn)定性

根據(jù)目前常規(guī)口徑鉆進所用的管材條件，為了增強鉆具的導向性能，鉆具結構符合：“滿、剛、直”等要求。

⑴滿：盡量采用繩索取芯鉆進工藝，鉆桿與巖心管同徑以“滿”保斜。

⑵剛：要求鉆桿與巖心管要有一定剛度，以保證在大壓力、大扭矩負荷下不發(fā)生變形。

⑶直、要求所用鉆桿、巖心管要筆直，連接后要同心，以增加回轉(zhuǎn)時的穩(wěn)定性。

3.5 采用合理的鉆進方法和鉆進工藝

⑴根據(jù)地層特點選擇合理的鉆進方法，盡可能采用金剛石鉆進以減少鉆孔彎曲。

⑵合理地確定鉆進技術參數(shù)及操作技術；根據(jù)巖層的研磨性，軟硬，體積破碎性能，抗壓能力等，選擇水量，轉(zhuǎn)速和軸向壓力，在不同的巖層，合理采用不同的回次進尺長度。合理選擇內(nèi)外徑，盡可能的減小巖心管與孔壁的間隙。

當巖石換層時，鉆孔最容易彎曲，根據(jù)換層時鉆孔彎曲的一般規(guī)律，在巖層由軟變硬時，軸心壓力要適當減輕，一般為正常鉆進壓力的三分之二，鉆具轉(zhuǎn)數(shù)也應適當降低，當巖層由硬變軟時，軸心壓力也要適當降低，一般為正常給進鉆壓的三分之一，并適當加長粗徑鉆具。在鉆進松散地層或破碎帶時，采用優(yōu)質(zhì)泥漿，并嚴格控制沖洗液量，以保護孔壁，使孔徑不致過大；在換徑或擴孔時，也應采用小的技術參數(shù)鉆進。

⑶正確選擇鉆具的配合，選擇合理的鉆具組合搭配，可以減小鉆具的伸縮性，減輕對鉆頭的俯沖壓力，降低鉆孔的彎曲度。盡可能的選用繩索取芯鉆進，由于鉆桿與巖心管同徑，所以彈性振動的俯沖壓力相對于普鉆的細直徑鉆桿帶動粗徑巖心管鉆進，要小得很多，鉆孔的空間穩(wěn)定性也較好。但是繩索取芯鉆具在復雜地層中也有其局限性，比如在難以取芯的泥巖混合地層中，由于需要無泵鉆進，而采用金剛石鉆進的繩索取芯鉆進，就不得不改用普鉆鉆進，以取得較高的巖礦芯回采率。

⑷另外，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進對防止鉆孔彎曲也有效；沖擊回轉(zhuǎn)鉆進所產(chǎn)生的脈沖壓力，瞬間爆發(fā)，在同等的鉆進參數(shù)下，鉆頭能更多的克取破碎巖石，由于沒有或極少的俯沖壓力，所以對于預防鉆孔彎曲、提高鉆效是不錯的選擇；但是在低硬度地層中不宜使用。

⑸選擇更新的鉆探工藝，控制鉆孔彎曲。利用新工藝、新技術，采用綜合手段，使鉆孔按照設計方案和路線行進。

4 鉆孔糾斜

4.1 糾正鉆孔方位角

鉆孔方位角跑偏一般常用的糾正方法有：⑴調(diào)節(jié)技術參數(shù)和粗徑鉆具長度;⑵墊鉆機設備（鉆孔深度在100 m以內(nèi)發(fā)生方位變化時，采用墊鉆機的方法糾正方位容易收到好的效果，墊鉆機后操作時要注意，鉆進壓力應適當減輕，粗徑鉆具要縮短到4～6 m，盡量在消除孔底殘留巖心后鉆進）;⑶采用偏心楔導斜糾正鉆孔方位。

4.2 糾正鉆孔頂角

鉆孔頂角的變化有兩種情況，一是鉆孔頂角上漂，一是鉆孔頂角下垂。

⑴如鉆孔頂角下垂而欲使其上漂時，可采取下列糾正措施：①縮短粗徑鉆具長度（一般為正常時的2/3）；用加大鉆進壓力和水量等辦法促使鉆孔傾角上漂。②采用塔式鉆具鉆進；塔式鉆具的鉆頭直徑比巖心管粗一級，擴大了孔壁與巖心管的間隙，鉆進時可加劇鉆孔的上漂，糾斜效果顯著。③采用組合式鉆具鉆進；這種形式鉆具中的取粉管，萬向接頭，鉆鋌，巖心管的尺寸均比原徑小一級，這樣增大了鉆具與孔壁的間隙，使萬向接頭中心點向下偏離鉆孔軸線，因此鉆具在孔內(nèi)所形成的偏角增大，提高了糾斜效果。

⑵鉆孔上漂，欲使其下垂時，可采取的措施：①采用球形萬向節(jié)變向綜合鉆具：鉆進中借小徑鉆具的下垂作用進行糾斜，在小徑鉆具鉆進10 m左右，進行測斜，然后再采用導向擴孔鉆進，擴孔用的導向管不應＜1 m；②采用懸錘式糾斜鉆具：由導正管、萬向接頭、錐形加重管、錐形鉆頭等組成。采用此鉆具糾斜分為3個階段：即糾斜鉆進、擴孔、掃“狗腿彎”；③利用偏心式鉆具糾斜；主要是糾正方位的變化；④鉆孔造斜：利用孔內(nèi)架橋下入定向偏心楔的方法；⑤擴孔糾斜：糾正孔斜時，選用稍大于原鉆頭口徑的鉆頭，從上而下的擴孔鉆進，鉆進時采用輕壓慢轉(zhuǎn)的方法，嚴格控制進尺速度，不要太快，采用此方法可以糾正一般輕微的孔斜。

在鉆探施工中，如發(fā)現(xiàn)鉆孔偏離設計方向時，應調(diào)整測斜間距，增加測點，精確測出方位角和頂角的變化值，搞清鉆孔彎曲部位，以便采取必要措施進行矯正工作，使鉆孔彎曲保持在允許范圍內(nèi)；正確的勘探鉆孔在空間的延伸趨勢和空間位置，是保證精確計算礦產(chǎn)儲量，正確進行開采設計的有力依據(jù)。