钻孔偏斜分析

钻孔偏斜分析
在水文地质勘探的钻孔工程中，由于钻机安装不正，施工不当，软硬岩层相间及岩层倾斜等原因，往往导致钻孔发生偏斜，影响成井工艺。

由于钻孔偏斜可能造成矿体打丢、打薄或打厚，达不到预期的地质勘探目的，甚至造成钻孔报废，浪费大量人力物力，因此需要随时控制钻孔在空间位置的变化，预防和纠正钻孔的偏斜。

一、钻孔偏斜概念分析
钻孔的施工过程中的实际空间位置偏离设计空间位置，即偏离设计轴线，称之为钻孔偏斜或孔斜。

钻孔空间形态三要素：钻孔深度、钻孔的顶角（或倾角）及钻孔方位角决定了钻孔在地下空间的位置，这三个因素称钻孔空间形态三要素。

孔斜的条件：钻孔发生偏斜的根本原因是粗径钻具在孔内歪倒，其轴线偏离钻孔轴线而能使其歪倒的条件主要是：孔壁间隙大，为它提供空间条件；同时还要有倾倒力矩为它提供歪倒动力，再就是一个固定的歪倒方向。

二、钻孔发生偏斜的原因
第一个方面原因：地质因素，一是岩石的各向异性在钻头处产生歪倒力矩使粗径钻具倾斜而导致孔斜；二是钻进软硬夹层时，钻头处产生钻压差或钻头沿岩石节理面滑移；三是钻进中遇到溶洞或大裂隙；四是在卵砾石层中钻进。

第二个方面是钻进工艺及操作方面的原因：换径不带导向或粗径钻具本身就弯曲；冲洗液量大冲刷孔壁使孔壁间隙过大，造成粗径钻具或岩心管与钻孔轴线产生偏斜角；采用的钻压过大与转速过快，钻杆柱受轴心压力及回转的影响而呈挠曲状态影响了钻具的稳定
性，促使粗径钻具歪倒
第三个方面的原因是：设备安装时不合乎要求，主要表现在基台不稳固或发生偏斜；开孔时没有
校正钻机的顶角和方位角，致使开孔即发生偏斜；另外钻机立轴过度磨损旷动太大也是一个因素。

三、钻进过程中岩层分布与钻杆受力分析钻进过程中，如果不考虑控制方向的问题随意钻进，从力学的角度分析，钻头肯定会避开较硬的岩层，朝着钻头周围岩层最软弱的方向推进，从而造成钻孔倾斜。

在钻头小范围附近的岩层，其分布大致分为三种，即垂直分布、水平分布和倾斜分布。

一、现主要从钻杆钻进所需用力的角度来初步判断与钻孔倾斜的关系。

1. 如果钻机在垂直分布的岩层上施工，钻杆只在同一岩层中工作，钻进过程中不会跨越不同岩层，钻杆钻进所需用力不会发生变化，基本上应该处于同一稳定值，故而，在钻进过程中，如果力发生了突变，无论是变大还是变小，则一定是钻孔倾斜了，要及时调整到原来所用的力或功率的值。

节流阀用来控制进给速度。

节流阀的手柄顺时针转动流量减小，钻进压力增高，推进速度加大，反时针旋转则相反。

为此，在正常钻进时，根据井底压力大小随时调节节流阀，即岩石硬时，推进速度可加大，岩石软时推进压力应减小。

（a）（b）（c）
图1 钻机在垂直分布岩层钻进受力分析
如图i（a所示，如果只在岩层B中作业，则其受力值F i应该恒定（假设每一岩层的岩体都是均匀分布
的）；如果钻杆倾斜，钻头打在岩层B 和C 的接触面上，则此时受力值F2与受力值F l必将不同
1) 假设岩层B较岩层C软弱，钻杆在岩层B中作业，需用力P i=50N(即F i=50N,在
岩层C中作业，需用力P2=100N则力F2的分力方向和大小应如图1 ( b)所示，可以直观得出F2>P I=50N 即此时钻进所需力增大。

2) 假设岩层B较岩层C坚硬，钻杆在岩层B中作业，需用力P i=100N(即F i=100N，在岩层C 中作业，需用力P2=50N=则力F2的分力方向和大小应如图1 (c)所示，可以直观得出F2<P I=100N,
即此时钻进所需力减小。

以上论述中，力F2的方向可以任意选取，其计算结果的性质是一样的。

即钻杆在垂直岩层中推进时，如果发生倾斜跨越了不用岩层，钻进所需力F2会随着下一岩层较原岩层的
坚硬或软弱程度而发生相应改变，由于理论上钻杆在同一岩层中推进时，其受力应该是均匀的，钻进所需力F i必然保持不变。

2. 如果钻机在水平分布的岩层上施工，则在不同岩层的接触面上，钻杆钻进所需力肯定会发生突变，这时钻头容易发生倾斜，要特别注意，如果下一岩层岩性较上一岩层软弱，则应朝所需用力最小的方向钻进，反之则应朝所需用力最大的方向钻进。

( a) ( b) ( c)
图2 钻机在水平分布岩层钻进受力分析
如图2 (a)所示，钻杆现在由岩层B打入岩层C,在接触面上必然发生力的突变。

假设岩层B较岩层C坚硬，钻杆在岩层B中推进，需用力P i=100N,在岩层C中推进，需用力P2=50N。

1)倘若钻杆继续沿着竖直方向推进，贝U所用力F i应由P i=100N突变为P2=50N。

2)倘若钻杆发生倾斜变为F2的方向，将F2进行分解(如图2( b)所示)，两分力分别为P i=100N P2=50N,可知，无论合力F2方向如何倾斜，其两分力R、P2大小一定，则由其受力平行四边形可得，F2>R=50N所以钻杆沿着正确的竖直方向推进时所需力是最小的，即钻杆应该沿着各个方向中所需力最小的方向推进。

3）反之，岩层B较岩层C软弱，即此时R=50N, F2=100N钻杆倾斜时其受力平行四边形如图2（c）所示，F2<F2=100N而钻杆沿着竖直方向推进时，所需力应该等于P2=100N 所以，钻杆沿着正确的竖直方向推进时所需力是最大的，即钻杆应该沿着各个方向中所需力最大的方向推进。

3. 如果在钻进过程中遇到了倾斜分布的岩层，钻头发生倾斜的可能性会更大，这时调整的难度也最大。

一般情况下，钻头会沿着岩层的接触面发生倾斜，这时要放慢钻进速度，减小钻杆的振动。

图3 钻头工作剖面图
由于钻头要受到钻杆的扭矩的传递作用，其在倾斜岩层中推进时，如果遇到岩层接触面，两侧分布为不同岩层，此时钻头两侧受到的摩擦阻力F i和F2就不相等（如图3所示），此时钻头又会沿着岩层走向发生倾斜。

所以，钻杆在倾斜岩层中推进时，有可能发生沿着岩层接触面向下的方向和岩层走向这两个方向倾斜。

可采用边回提钻杆边钻进的方式，钻进一定深度后稍微向上提升钻杆，待下层钻头处的岩石破坏稳定并将钻杆调整垂直后继续钻进，可增加下层钻头处岩石的抗滑力，适当避免倾斜。

总之要在钻进所用力发生突变的时候加强注意，检查钻机是否发生偏移，测斜仪是否正常工作，钻杆是否垂直等。

四、不同地层的钻进工法
1．黏土层的钻进工法
黏土层钻进阻力小，吸附性强，不易脱落。

据此动力头转矩不宜过大，控制液压手柄低速钻进。

钻进时不加压或点加压，依靠钻杆自重进尺，一次进尺量由钻头直径决定。

如果黏土的吸附力太强，导致钻渣不能倒出，可采用快速正反转动力头甩动使黏土脱离钻斗，或快速插入泥里造成局部真空使黏土吸出。

黏土层钻进，最容易出现的问题是钻斗打滑缩径及倒土困难。

施工时，钻孔速度不宜过快。

2．沙层的钻进工法
沙层特别是中粗沙层，地层没有胶结性，比较粗散，在泥浆中容易被稀释，钻进时阻力较大。

为
了提高钻进效率，动力头钻进中能发出最大转矩，钻进时应保持持续加压，不要强行加压。

当动力头达到经验压力值时，应该提钻并进行第二回次钻进。

沙层钻进，最容易出现的问题是埋钻和塌孔，特别是遇到流沙层，极容易产生塌孔，严重时会造成钻机倾翻。

3．卵石层的钻进工法
卵石属岩石地层，有一定的胶结性，进尺靠钻齿旋转切入卵石间胶结缝隙切起卵石颗粒装进钻斗。

钻进该层时，要持续保持大压力加压，以提供最大转矩，快速加压钻进到不能进尺为止。

提钻倒渣，开始第二回次钻进。

卵石地层比较复杂，在此层位内经常发生不可预料的情况，在施工中应格外小心。

4．强风化岩石的钻进工法
强风化地层上层软，类似黏土。

钻进时采用点加压，动力头转矩不要超过中等压力值，没有较大进尺时就提钻开始第二回次钻进，一般在此地层每次可进30-40cm。

下层较硬, 接近中风化
五、钻孔偏斜的预防
1．在设计时应考虑预防钻孔偏斜
按照地层条件设计钻孔：1）布置钻孔时尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向；2）对于疏松和破碎地层、厚覆盖层、裂隙及溶洞发育地层应尽可能设计垂直孔，因为在这些地层中常因钻具自重而使斜孔产生铅垂方向的偏斜。

按钻孔偏斜规律设计钻孔：1）对孔斜规律明显的地层或岩层倾角较大、钻孔轴线无法与之垂直相交的地层，应充分利用造斜地层的自然偏斜规律，辅以人工控制偏斜措施，设计“初级定向孔”；2）
若已知钻孔偏斜规律是方位基本稳定而顶角偏离设计值较大时，应改变顶角的设计，使之能达到预定见矿点的位置，常用的有沿勘探线平移钻孔设计点和增大开孔倾角两种方法；3）若已知钻孔偏斜规律是倾角基本稳定而方位角变化较大时，应按方位角变化规律调整钻孔设计，常用的有设计钻孔点平移法和扭转钻机立轴法两种。

2．保证安装和换径质量
安装设备前地基要平整、坚实，填方部分不超过1/3 ，基台木要水平、稳固。

钻机立轴倾角的方向要符合设计要求，上对塔上天车、下对设计孔位，同时在钻进过程中还需经常检查和校正立轴方向。

要保证按设计方向开孔，粗径钻具要直，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。

换径时应采用带导向的综合式异径钻具
3．采用合理的钻具结构
采用合理的钻具结构是为了保证较高的同心度、提高钻具的刚性、减小钻具与孔壁的间隙、实现孔底加压、增强钻具的稳定性和导正作用，以改善下部钻具的偏斜形态, 提高钻进时的防斜能力。

钟摆、偏重和满眼钻具等形式的组合钻具对防止和纠正钻孔偏斜有明显的效果。

六、总结
由于钻孔偏斜将直接影响地质资料的准确性和矿床储量的计算，所以在施工中要尽量避免偏斜，而且要及时了解钻孔偏斜情况，以便采取相应措施：
钻孔偏斜虽不可避免，但建议采取合理布孔、严格钻机安装、谨慎操作等预防措施以减少偏斜强度。

当钻孔偏斜时，可采取反方向给力并多次测量以便及时校正，减少给工程带来的损失。

在磁性矿体区不能采用一般的测斜仪器进行测量时，须采用地面定向原理的陀螺测斜仪等防磁型仪器进行测量。

测斜仪探管在使用过程中应轻拿轻放，防止其重力及电力元件因震动而造成损坏。