崔志    李志强   李华文

（晋城煤业集团        山西晋城      048006）

摘要：根据凤凰山矿实际钻探工作中的情况，从地质因素、技术因素、工艺因素分析了钻孔弯曲的原因，并总结出其规律性，有利于钻探工作的进行。

关键词：巷道   钻探   钻孔   弯曲    

1 概况

近年来，随着矿井开采深度的增加，采空区面积的增大，矿井涌水量的增加，相应地探放水作业也较多。但是，许多探放水钻孔都不同程度的弯曲、错位。如凤凰山矿1999年6月份施工的二水平主回风巷向一水平北大巷口的放水孔，本来终孔位置设计在北大巷巷中底板处，结果终孔位置偏移至北大巷左帮向里0.2m处，只有45m孔深的钻孔，就偏移了1.5m，这不能不令钻探人员及工程技术人员深思。为了进一步搞清钻孔弯曲的原因，掌握它的规律性，使巷道钻探更好地为今后安全生产服务，我们多次组织了分析研讨会。影响钻孔弯曲的原因是多方面的，究其主要影响因素有三个方面，即：地质、技术和工艺因素。

2 钻孔弯曲原因分析

2.1地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层，分述如下：

岩石的各向异性：岩石在不同方向上具有不同的强度和硬度，这种现象称为岩石的各向异性。岩石的各向异性与岩石的层理、片理、微裂隙和流纹等构造特征有着密切的联系。通过理论研究表明：各向同性的岩石，钻孔几乎不弯曲，而各向异性的岩石，其各

向异性系数越大，即：平行层理方向上岩石强度与垂直层理面方向上岩石强度比值越大，则钻孔弯曲的趋势越强。此外，片理、流纹性、裂隙性对钻孔弯曲影响与层理的影响相似，在垂直于片理面、流纹面、裂隙面的方向上容易钻进，易发生倾向性弯曲。

⑵软硬互层

煤系地层都是沉积而成的，有一定的沉积韵律，软硬互层现象普遍存在。当钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，从软岩进入硬岩时，由于软硬部分抗破碎阻力不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方面的趋势。现将钻头以锐角穿过软硬岩层界面时的力学关系分析如（如图1）

孔底软、硬岩层对钻头底唇的反作用力不同，软岩反作用力小，硬岩反作用力大，因而产生一个作用于钻头底唇的倾斜力矩，使钻具在孔内偏倒。

倾倒力矩的微分方程为：

dMC＝σB.xdF－σA.xdF＝(σB－σA).x.dF                    ⑴

式中：σB——硬岩抗压入阻力，N/m2

            σA——软岩抗压入阻力，N/m2

             x   ——从坐标原点到面积元dF的距离，m

             MC——作用于全面钻头底唇上的倾倒力矩，（N.m)

将⑴式积分得：

            MC＝∫εRdMc＝(σB－σA）∫εRx.2ydx

                ＝2/3（σB－σA）.（R2－ε2）3/2         ⑵

式中：R——全面钻头半径，m

            ε——孔底软硬岩层接触面的x坐标， m

同理可求出取芯钻头底唇上的倾倒力矩：

MQ＝2/3(σB－σA）.［(R12－ε2)3/2－λ(R22－ε2)3/2   ]                                                    ⑶

式中：R1——钻头外半径，m

            R2——钻头内半径，m

            λ——系数。ε＜R2时，λ＝1;ε＞R2时，λ＝0

从上述⑵、⑶式表明：MC与MQ与软硬岩层的阻力差成正比，σB－σA值越大，则倾倒力矩越大；当ε＝0时，软硬岩层界面通过钻头中心，MC与MQ有最大值，弯曲得越厉害。

此外，在钻进含有卵石、砾石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，在硬块岩石的推挡下钻孔往往朝着容易通过的方向偏斜；在钻孔遇到大裂隙时，孔身往往沿裂隙面的方向延伸；斜孔穿过较厚的松散层岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋于下垂。

2.2技术因素：

在开孔或钻进过程中，技术因素都可能影响钻孔的空间位置。主要有两个方面：

2.2.1设备安装：

钻孔的井下安装非常关键，钻机基础不平，立轴安装不稳固，都会使钻孔偏离预定的空间位置。钻孔倾角不大时，立轴安装不稳固，可能使钻孔方位角产生较大的变化，钻孔深度较大时，即使倾角有较小的偏差，终孔点也会发生一定的偏距。立轴安装倾角和方位角存在误差时，终孔点偏距可按下式计算：

原设计钻孔倾角θ1，方位角α1，终孔点OA，现因立轴安装不稳固，开孔倾角θ2，方位角α2终孔点OB（假设OB仍为直线），OA与OB之间的夹角为全弯曲角γ（图2），则终孔点偏距AB为：

AB＝√OA2＋OB2－2OA×OB×COSγ

如果方位角无误差，只有倾角误差，则γ＝θ2－θ1＝Δθ

AB=√OA2＋OB2－2OA×OB×COSΔθ

2.2.2钻具结构：

矿井下巷道钻探常用的钻具为钻杆和岩芯管，引起钻孔偏斜的钻具主要是岩芯管。岩芯管在孔内的偏倒角决定于孔壁间隙和岩芯管长度：

即：ε＝SIN-1b/l

式中：b——岩芯管与孔壁间隙，m

            l——岩芯管长度，m

从上式可以看出，孔壁间隙增大或岩芯管长度减短，都会引起钻孔弯曲。

2.3工艺因素：

影响钻孔弯曲的工艺因素，主要有钻进方法、钻进规程参数等。

2.3.1钻进方法：

不同的钻进方法具有不同的破碎岩石特点，导致不同的孔壁间隙。理论研究表明：硬合金钻进孔壁间隙一般为4-8mm，而金刚石钻进，孔壁间隙只有1-3mm，因此金刚石钻进孔斜最小。

2.3.2钻进规程参数：

钻压过大，会引起钻杆甚至岩芯管弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时，偏倒角可能达到最大值，并且钻具的摩擦阻力也增加，随着摩擦阻力的增大，钻具围绕钻孔轴线回转的频数下降，甚至只围绕自身轴线自转而不作公转，此时钻具倾斜或弯曲平面具有固定的方向，从而导致钻孔弯曲。

转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧了钻具的横向振动和扩壁作用，结果孔壁间隙增加，钻孔弯曲。

冲洗液量过大，特别是在较软的岩层中冲洗液会冲刷、破坏孔壁，形成“大肚子”孔段，这些都会使孔壁间隙增加，为钻具偏倒、钻孔弯曲提供便利条件。

3 钻孔弯曲的规律性分析：

3.1均质岩层中钻进，钻孔弯曲强度小于不均质岩层中钻进。并且，岩石的各向异性程度越高，钻孔弯曲的强度越大。

3.2在层理、片理发育的岩石中钻进时，钻孔朝着垂直于层理面、片理面的方向弯曲。

3.3孔壁间隙大、岩芯管短，则钻孔弯曲强度大。

3.4钻孔从软岩进入硬岩，弯曲强度较大；从硬岩进入软岩，弯曲强度较小。

3.5立轴安装不正，钻孔朝着安装不正的方向偏斜。

3.6钻孔穿过松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋向于占据垂直位置，孔身变陡，钻孔碰到硬包裹体时，可能朝着任意方向弯曲，包裹体越硬，弯曲越剧烈。

3.7在水平或近水平的层状岩石中钻垂直孔时，即使岩石各向异性很强，钻孔也不会产生较大弯曲；在均质块状岩石中，如无工艺促斜因素存在，一般也不会发生较大的孔斜。

4 结论

从以上所论述中可以看出，钻孔弯曲的影响因素是相互联系的，地质因素是客观存在的，只能通过工艺、技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用；技术和工艺因素又是主观方面的因素，可以采取各种措施加以。但是，地质因素和工艺技术因素有时互相抑制使孔斜减弱，有时又互相促进，使孔斜加剧。这些都需要钻探工作者在实际操作中具体掌握，充分利用这些因素的综合作用和某些规律性，在以后的工作中达到预防孔斜、减弱孔斜的目的。

作者简介：崔志（1970-），女，河北衡水人，工程师，现在凤凰山矿从事原煤生产工作。

参考文献：

1.《矿井地质工作手册》(下)  ， 柴登榜主编  ，煤炭工业出版社  ，1981年

2. 《钻探工艺学》(下)     ，李志忠，     地质出版社  ，1992年

3.《钻井工艺原理》，刘希圣等编，石油工业出版社，1980年

4.《钻直井的工具和方法》，美国专利3391749号

  浅析巷道钻探钻孔弯曲原因

   崔志    李志强    李华文

2002.3.14下载本文