在钻探施工过程中,为了使钻孔能按设计方向延深,保证钻孔施工质量;除在钻孔弯曲发生前进行必要的预防外,在钻孔弯曲发生后,进行有效的纠正也是十分必要的。

(一)钻孔弯曲的预防

预防钻孔弯曲是一个保证钻探质量的突出问题,也是保证安全钻进和提高钻进效率的重要前提。因此,在钻探施工过程中采取“预防为主”的方针是十分重要的。

由于造成钻孔弯曲的原因较复杂,在不同的条件下,各种因素对钻孔弯曲的影响也不同,因此,必须根据不同地层的具体条件,进行具体分析,找出钻孔弯曲的主要矛盾,有针对性地确定预防孔斜的措施。常采用的防斜措施如下:

1.根据地层造斜规律设计钻孔

在钻孔弯曲严重,但有明显弯曲规律的矿区或易斜岩层,应根据地层造斜规律设计钻孔。

(1)按产生钻孔弯曲的普遍规律性设计钻孔

1)对于松散破碎地层,厚覆盖层,构造破碎带,大裂隙、溶洞发育地层,尽量避免打斜孔。

2)对于倾角大,软硬不均,层理片理发育的地层,尽可能使钻孔轴线垂直于岩层层面或岩层走向。

(2)按产生钻孔弯曲的特殊性设计初级定向孔

在掌握了矿区内不同岩层,不同孔径及不同孔段的自然弯曲规律资料的基础上设计初级定向孔,是保证钻孔质量的一项重要措施。有关定向孔的设计方法和钻进时的注意事项请参看“定向钻进”相关内容。

2.保证安装质量,把好开孔质量关

1)安装设备前,地盘要坚实、平整,基台铺设要水平、周正、牢固。

2)检修好机械设备。安装时,立轴倾角的方向要符合设计要求,并使天车、孔口、立轴三点成一线。在钻进的过程中还要经常检查和校正立轴方向。

3)要保证按设计方向开孔,开孔钻具要直,长度要逐渐加长至10m左右。孔口管要固定牢,其方位和倾角要符合设计要求。

3.正确选择钻具结构,增强导向性和稳定性

采用合理的钻具结构,是为了提高钻具的刚性,减小钻具与孔壁间隙,增强钻具的稳定性和导正作用,以改善下部钻具的弯曲形态,提高钻进时的防斜能力。具体要求是:

1)钻具级配要合理,粗径钻具与钻杆柱的直径不应相差悬殊。

2)钻具应直而圆,不弯曲、不偏心,连接后要具有较高的同心度。粗径钻具的刚性要大,长度要合理。

3)应尽可能采用钻铤加压,使上部钻杆柱处于拉直状态,以改善整套钻具的工作条件。

4)换径,扩孔时必须带导向器,钻具与导向器连接后必须同心。

4.采用合理的钻进方法和钻进工艺

1)根据地层特点,正确选用钻进方法。有条件时尽可能采用金刚石钻进,尽量减少或不用钢粒钻进,推广使用冲击回转钻进。

2)合理地确定钻进技术参数。根据岩性和设备条件,合理地确定钻进技术参数,不仅可提高钻进效率和保证岩矿心采取率,并且对减少钻孔弯曲也是十分重要的。

3)按规程进行钻进操作。钻进过程中,不能盲目加压过大或追求过快钻速,过大的钻压或过快钻速最容易造成钻孔弯曲;钻压和钻速要根据岩层情况并按规程控制在适当的范围内。

(二)钻孔弯曲的纠正

钻孔弯曲的纠正是指通过采取一定的施工措施和工艺技术方法,对已发生弯曲的钻孔进行纠正,使钻孔轴线回到或接近原设计轴线,使钻孔弯曲保持在允许的范围内。

1.顶角偏斜纠正(自然纠斜法)

在钻探施工过程中,钻孔顶角的变化常常有两种情况:一是钻孔顶角增大(上漂);一是钻孔顶角减小(下垂)。

(1)使顶角下垂的方法(自然减斜法)

1)采用扶正器。在粗径钻具上面加上扶正器后,改变了原来粗径钻具上端的受力状态,使钻孔逐渐下垂。扶正器结构较简单(图2-120)。扶正器和岩心管之间的距离应为钻杆半波长1/2(图2-121)。

图2-120 扶正器受力状况示意图

图2-121 带扶正器钻具

2)采用综合式钻具。综合式钻具结构见图2-122所示。在加长粗径钻具的中部接以钻铤。其位置应尽量接近粗径钻具的下部,这样粗径钻具的重心下移,迫使钻孔下垂。

3)采用球形万向节变向综合钻具。钻具结构如图2-123所示,万向节结构如图2-124所示。

该钻具纠斜主要是利用上部的粗径钻具将下部的小径短钻具上端抬起,由于重力作用,径钻具下端自动下垂,改变小孔的轴线方向,使钻孔下垂。

(2)使顶角上漂的方法(自然增斜法)

1)缩短粗径钻具长度(一般为正常钻进时的2/3),增加投砂量,加大钻压和水量。

2)采用塔式钻具钻进。塔式钻具结构见图2-125所示。

因该钻具钻头直径比岩心管直径大,扩大了孔壁间隙,加剧钻孔的上漂,起到纠斜的目的。

2.方位角的纠正

(1)垫钻机

一般钻孔深度在100m以内发生方位变化时,采用垫钻机的方法纠正方位容易收到较好的效果。具体方法是:方位右偏时,将钻机左方垫高;方位左偏时,则将钻机右方垫高。

图2-122 综合式钻具

1—钻杆;2—取粉管;3—取粉管接头;4—粗径钻具;5—岩心管接头;6—钻铤;7—岩心管;8—钻头

图2-123 球形万向节变向综合钻具

1—钻杆;2—取粉管;3,5—导正接头;4,6—岩心管;7,10—异径接头;8—万向节头;9—短钻杆;11—小径岩心管;12—钻头

图2-124万向节

1—上球体;2—胶管;3—保护管;4—埋头螺丝;5—下球体;6—主轴

图2-125 塔式钻具结构图

1—钻杆;2—取粉管;3—岩心管;4—双层钻头;5—外钻头;6—减压环带

(2)采用正反转交替钻进

一般钻孔的方位变化与钻具的转向有关,改变钻具的回转方向,即可改变促使钻孔方位变化的钻具回转力矩,从而使钻孔方位向相反方向变化。此法对钢粒钻进效果较好。

3.回填老孔纠斜法

—般是在老孔中灌注水泥,待凝固后,选取较直的孔段,用长、粗、重的粗径钻具,并应采用无内刃的合金钻头钻进0.5m左右,使新孔形成;有了半边岩心,起导向作用,让钻头靠边,不致回老孔。钻进时,应轻压慢转,待钻进0.5m左右,要反复扫孔几次,使孔径均匀一致,无弯曲状态,并在钻进5m,10m,15m后都要及时测斜。此法用于顶角和方位角均有较大偏斜时的纠正。在中硬岩石中纠斜时效果较好。

4.扩孔纠斜

用大一级钻具加长岩心管,从较直的孔段向下扩孔,将偏斜的孔段通过扩壁纠直。此法简单,一般用于浅孔或中硬岩层,但有时效果不甚理想。

5.纠斜器纠斜

纠斜器是指不带导斜器的特殊治斜工具,适用于顶角大于5°的钻孔纠斜,其操作工序简易,合金或钢粒钻进均可应用。

(1)简易偏重偏心治斜器

这种纠斜器构造简单,见图2-126所示。在偏重管的上下两端分别连接两个凸轮状的偏心接头,钻杆通过偏重管和推力轴承连接岩心管。由于偏重和推力轴承作用,当钻杆回转时,偏重管可保持静止不动,调整上下偏心接头的偏心方向,即可改变治斜方向,强制钻头按所需的方向钻进,起到连续定向的作用,从而达到纠斜的目的。此纠斜器主要用于纠正方位角的偏斜,一般钻进10～30m即可纠回方位角10°～20°,在70°～80°斜孔内纠正方位角效果较好,但也可用于纠正顶角。

(2)万向接头组合钻具

这种钻具的结构见图2-127所示。纠斜原理在于:当万向接头连接在钻具中,能改变钻具某一点的刚性,产生一定的夹角,而使纠斜钻具与原孔中心线形成一偏角,这使钻具沿所需要的方向前进,而达到纠斜的目的。岩层软,钻具在孔内的偏斜度大,纠斜值就高;反之在硬岩层中钻进时,纠斜值就相对的低。

图2-126 简易偏重偏心纠斜器

1—钻头;2—岩心管;3—岩心管接头;4—推力滚珠轴承;5—下偏心;6—偏重管;7—上偏心;8—取粉管;9—钻杆

图2-127万向接头组合钻具

1—钻杆;2—取粉管;3—肋骨接头;4—短岩心管;5—异径接头;6—短岩心管;7—异径接头;8—万向节;9—短钻杆;10—异径接头;11—岩心管;12—锥形钻头

6.导斜器纠斜

此法是向钻孔内定向下入导斜器,利用导斜面导斜钻进,从而强制纠正钻孔的顶角和方位角。