徐向東

摘要：大直徑瓦斯抽放鉆孔、電纜孔、通風(fēng)孔、下料孔等特殊工程鉆孔在煤礦安全生產(chǎn)中越來越廣泛的應(yīng)用，這些鉆孔一般對(duì)落點(diǎn)要求嚴(yán)格，必須打到指定位置。防止鉆孔彎曲的主要手段是通過限制鉆進(jìn)過程中鉆具彎曲實(shí)現(xiàn)的，鉆具彎曲的原因主要為鉆具的撓曲變形，通過分析扶正器的位置對(duì)撓曲變形的影響，從而正確設(shè)置防斜鉆具組合中扶正器位置，并通過正確選擇扶正器的直徑及外形，已達(dá)到鉆孔保直的效果。

Abstract： Large-diameter gas drainage drilling， cable holes， ventilation holes， blanking holes and other special engineering drilling are more and more widely used in coal mine safety production. These drilling holes are generally required to meet the drop point and must be hit to the designated position. The main means to prevent the bending of the borehole is to limit the bending of the drill during the drilling process. The reason for the bending of the drill is mainly the deflection of the drill. By analyzing the influence of the position of the centralizer on the flexural deformation， the correct position of the centralizer in the anti-slanting drill assembly is set， and the diameter and shape of the centralizer are correctly selected to achieve the effect of drilling straightening.

關(guān)鍵詞：撓曲變形；半波長(zhǎng)；填滿鉆具；扶正器；保直

Key words： flexural deformation；half wavelength；filling of drilling tools；centralizer；keep straight

中圖分類號(hào)：TE243 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0136-02

0 引言

大直徑瓦斯抽放鉆孔、電纜孔、通風(fēng)孔、下料孔等特殊工程鉆孔在煤礦安全生產(chǎn)中越來越廣泛的應(yīng)用，大直徑鉆孔過程中，出現(xiàn)鉆孔彎曲的因素是多種多樣的。主要有地質(zhì)因素和鉆進(jìn)工藝技術(shù)因素，本文主要從鉆具的撓曲變形對(duì)鉆孔孔斜的影響，以及正確設(shè)置防斜鉆具組合中扶正器位置和選擇扶正器的直徑及外形，從而達(dá)到控制鉆具的彈性彎曲，實(shí)現(xiàn)鉆孔保直的效果。

1 鉆孔彎曲的原因

鉆孔彎曲發(fā)生于鉆探工藝過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，每一道工序、每一種方法。歸其產(chǎn)生的原因主要為：地質(zhì)構(gòu)造因素、鉆進(jìn)方法、不合理的鉆具結(jié)構(gòu)、人為操作等方面的原因。

1.1 地質(zhì)原因

由于巖石的軟硬不均勻，層次的變換頻繁及巖層傾角的大小、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等因素的存在，在鉆進(jìn)過程中造成鉆頭上每個(gè)切削具之間的壓力差、巖石對(duì)鉆頭不同部位的不同反作用力、鉆具回轉(zhuǎn)不穩(wěn)定等原因，而引起鉆孔彎曲。

1.2 鉆孔彎曲的鉆探工藝因素

設(shè)備安裝不合格：鉆機(jī)安裝要求周正、穩(wěn)固，主軸中心線垂直于平面鉆孔位置。如果安裝不符合要求，開孔時(shí)主軸線與鉆孔中心線之間有一定的交角，就會(huì)形成先天性的鉆孔彎曲。

開孔鉆進(jìn)是在設(shè)備安裝的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。要保證立軸不擺動(dòng)，立軸成軸向轉(zhuǎn)動(dòng)，使鉆具不產(chǎn)生半波彎曲。

鉆具結(jié)構(gòu)是否合理，對(duì)于鉆孔彎曲是個(gè)關(guān)鍵性的問題，從開孔到終孔都不容忽視。要想使鉆進(jìn)沿著一條比較靠近的直線延深，必須有一個(gè)先決條件，那就是保證鉆具必須保持軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果發(fā)生環(huán)向轉(zhuǎn)動(dòng)鉆孔將產(chǎn)生彎曲。

給壓方式不同，對(duì)鉆孔的彎曲也有一定的影響。壓力要根據(jù)鉆具結(jié)構(gòu)和鉆具的直徑、長(zhǎng)度、剛度來確定。壓力過大，由于作用力與反作用力的關(guān)系，使鉆具發(fā)生半波彎曲，鉆壓越大，半波彎曲越大，使軸向轉(zhuǎn)動(dòng)很不穩(wěn)定，鉆頭產(chǎn)生微量錯(cuò)動(dòng)，而引起一定的彎曲度。正常的給壓方式應(yīng)當(dāng)是從開孔鉆進(jìn)一直到鉆具重量達(dá)到所需壓力重量之前，不采取外加壓力的方式，要靠鉆具自重加壓。當(dāng)鉆具重量超過所需要壓力時(shí)，立即進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，消除外加壓力產(chǎn)生的半波影響。

鉆孔彎曲的原因很多，有客觀的地質(zhì)因素，也有人為的技術(shù)及工藝因素，有時(shí)是多種因素的綜合，情況通常非常復(fù)雜。但是如能重視它、認(rèn)識(shí)它、掌握它、利用它的規(guī)律，采取有效的防斜措施，鉆孔彎曲是可以控制的。

2 鉆柱半波長(zhǎng)

孔內(nèi)鉆柱在軸下壓力作用下發(fā)生彈性彎曲，下部受壓最大、彎曲最甚。根據(jù)薩爾基索夫半波長(zhǎng)公式可知，半波長(zhǎng)為以鉆柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點(diǎn)之間的一段縱向長(zhǎng)度。所以可采用如下方法確定鉆柱半波長(zhǎng)：在鉆柱一端安裝固定支架，另一端安裝活動(dòng)支架，移動(dòng)活動(dòng)支架，使鉆柱自然彎曲，當(dāng)鉆柱下部彎曲度達(dá)鉆孔半徑時(shí)，兩個(gè)支架之間的距離即為鉆具波長(zhǎng)，其1/2為半波長(zhǎng)，如圖1所示。

3 鉆具彈性彎曲的原因

井內(nèi)鉆具在未加壓之前是保持垂直狀態(tài)的，它只是在有井斜的井中由于重力作用垂靠在井身底側(cè)。

為了鉆進(jìn)的目的，施加一定鉆壓給鉆頭。鉆壓是鉆具所受軸向力及鉆具的自身重量產(chǎn)生的。由于鉆具的直徑遠(yuǎn)較它的長(zhǎng)度小的多，它屬于細(xì)長(zhǎng)柱。對(duì)于這樣的細(xì)長(zhǎng)柱加壓到某一數(shù)值時(shí)，鉆具將由于喪失穩(wěn)定而彎曲。由于彎曲的撓度受到井壁的限制不能無(wú)限的增大，所以當(dāng)鉆壓繼續(xù)增加時(shí)，則會(huì)出現(xiàn)二次、三次或更多次的彎曲。這種彎曲在旋轉(zhuǎn)作用下成為鉆具切削孔壁的重要決定因素，因而鉆進(jìn)過程中在綜合應(yīng)力作用下，造成鉆孔的偏斜。

4 扶正器位置的確定

為了保證鉆柱在鉆進(jìn)過程中的直線狀態(tài)，通常采用填滿鉆具鉆進(jìn)，填滿鉆具是把兩個(gè)或兩個(gè)以上扶正器加在適當(dāng)位置，是整個(gè)下部鉆具剛性增強(qiáng)保持直線工作狀態(tài)的鉆具組合，它是限制鉆具彎曲、保證有小的井斜變化率的有效方法。因?yàn)殂@具扶正器加設(shè)位置不同，控制鉆具的撓曲變形也不同，達(dá)到控制孔斜的效果也不同。鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于下部鉆具受有鉆頭與地層、鉆具及井壁和沖洗液間反扭矩的作用彎曲最甚，我們?cè)诖罅康氖┕?shí)踐中總結(jié)出，要很好地控制孔斜，主要是要設(shè)置好靠近鉆頭20m范圍內(nèi)鉆具上3個(gè)以上扶正器的組合和位置，在幾個(gè)扶正器中，起主要作用的是靠近鉆頭的前2個(gè)扶正器，距離鉆頭較遠(yuǎn)的幾個(gè)扶正器的主要作用是平衡上部鉆具的彎曲應(yīng)力。

鉆進(jìn)中的保直就是確保填滿鉆具的中心線與鉆孔的中心線重合，要求所加設(shè)的扶正器間距都要小于半波長(zhǎng)，并且越靠近鉆頭的扶正器間距要求越小，以克服鉆柱因受自重而產(chǎn)生彎曲變形的影響。圖2為保直鉆進(jìn)時(shí)扶正器的常規(guī)設(shè)置方法。

5 扶正器的直徑的選擇

扶正器與鉆頭的直徑差值直接影響填滿鉆具的使用效果。扶正器與鉆頭的直徑差值偏大，則扶正器失去應(yīng)有的最好作用，鉆柱仍會(huì)彎曲；扶正器與鉆頭的直徑差值偏小，會(huì)造成孔內(nèi)復(fù)雜情況，引起孔內(nèi)事故。所以應(yīng)根據(jù)情況選擇適當(dāng)?shù)闹睆讲钪?。通常我們采取靠近鉆頭的扶正器和中間扶正器外徑與鉆頭外徑的差值不大于3mm；上扶正器與鉆頭直徑的差值不大于6mm?？紤]到井徑及地層等因素，在較小井徑時(shí)扶正器與鉆頭的直徑差值選小些，在較大井徑時(shí)扶正器與鉆頭的直徑差值選大些；在硬地層中扶正器與鉆頭的直徑差值選小些，在軟地層中扶正器與鉆頭的直徑差值選大些。同時(shí)，在鉆進(jìn)施工中要經(jīng)常檢查扶正器的磨損情況，發(fā)現(xiàn)磨損超限情況要及時(shí)更換或修復(fù)。

在扶正器的選用和加工時(shí)，還應(yīng)考慮扶正器的合理斷面和使用壽命，以保證扶正器處有足夠的井液上返空間，防止造成卡鉆事故。通常情況可采用采用直線狀或螺旋狀加耐磨材料肋條扶正器。螺旋狀加耐磨材料肋條扶正器使用效果更好。

6 填滿鉆具的合理使用

填滿鉆具的使用為加大鉆壓提高鉆速并得到好的井身質(zhì)量創(chuàng)造了條件。但其的使用也存在一定的局限性，應(yīng)在日常施工應(yīng)用過程中做好以下幾個(gè)方面：①當(dāng)選擇了一定直徑的扶正器并將其放在了適當(dāng)位置后，還應(yīng)該進(jìn)行在這種情況下可以施加的最大壓力計(jì)算。壓力可按歐拉公式計(jì)算。不能盲目加大壓力，否則可能導(dǎo)致出現(xiàn)惡果。②扶正器在孔內(nèi)隨鉆柱旋轉(zhuǎn)因而對(duì)孔壁產(chǎn)生一定的摩擦和切削作用，所以特別松軟地層、煤層鉆進(jìn)時(shí)不適宜中加設(shè)扶正器。③填滿鉆具外環(huán)空間小，鉆進(jìn)過程中必須防止孔內(nèi)卡鉆、埋鉆等事故。為此，除在特別松軟地層、易坍塌地層鉆進(jìn)時(shí)要謹(jǐn)慎使用外，很重要的是選用優(yōu)質(zhì)泥漿，保持井孔內(nèi)干凈。④使用填滿鉆具鉆進(jìn)中發(fā)生井斜超限，可以暫時(shí)換用鐘擺鉆具鉆進(jìn)，是井斜角回到規(guī)定范圍后再換用填滿鉆具劃眼到井底后鉆進(jìn)。⑤鉆進(jìn)工藝參數(shù)等因素同樣對(duì)鉆斜有一定的影響，通常情況下，鉆壓越大，孔越易斜，尤其在易斜地層更是這樣，鉆壓小孔斜度相對(duì)也小。正常的給壓方式應(yīng)當(dāng)是從開孔鉆進(jìn)一直到鉆具重量達(dá)到所需壓力之前，不采取外加壓力的方式，要靠鉆具自重加壓。當(dāng)鉆具重量超過所需壓力時(shí)，立即進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，消除外加壓力產(chǎn)生的的半波影響。減少軟硬巖層互換時(shí)的鉆速差，控制孔斜的遞增幅度，達(dá)到預(yù)防孔斜的目的。

7 結(jié)語(yǔ)

隨著井孔井徑的增大，增加了受壓彎曲鉆具的彎曲撓度，由此造成鉆具合成應(yīng)力的大大增加和鉆頭、鉆具工作狀態(tài)的變壞，這將造成更多的工程事故和質(zhì)量問題。選用適當(dāng)?shù)姆稣鹘M成填滿鉆具和相應(yīng)改善其它鉆進(jìn)工藝將是防止這些問題的有效措施。填滿鉆具的使用為提高鉆井質(zhì)量和效益創(chuàng)造了條件。

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