反井钻机导孔偏斜控制技术分析与应用∗

吕明伟,钟 文,月福财

(1．江西漂塘钨业有限公司, 江西 赣州市 341000;2．崇义章源钨业股份有限公司,江西 赣州市 341000;3．江西理工大学, 江西 赣州市 341000)

0 前 言

反井钻井法是将钻机安装在天井的上水平巷道或地表,并首先自上而下钻导孔,导孔钻透后,装上扩孔钻头,自下而上扩孔,直至扩孔钻头穿透上水平巷道及达到设计天井断面[1-3],从而达到一次成井的目的。

随着装备技术的发展,反井钻进技术已大规模运用于我国煤矿、金属矿山、水利水电等领域[4-5]。反井法的优点是一次成井,然而这也意味着一旦钻井精度偏斜过大,钻井工程将失败。导孔精度控制着扩孔井的精度[6-8],以往的学者[9-10]对于导孔偏斜的研究,大部分都是一种定性描述,严重制约导孔偏斜控制技术的发展。本文分析了影响导孔偏斜的主要原因,并提出了相应的控制技术,现场工程实践表明,导孔偏斜控制技术对导孔精度控制起重大作用,为反井法导孔施工的控制提供了新的思路。

1 反井导孔偏斜原因分析

反井钻机钻孔施工经常会出现不同程度的偏斜(尤其是深孔)当偏斜程度超过一定范围,钻孔就要部分或全部报废,并给施工带来困难。对于矿山钻井工程,钻孔从设计的勘探线偏到另一条已探过的勘探线,钻孔就失去作用。钻孔控制间距超过原设计间距,会使储量降级。或者钻孔未达到设计要求,钻孔也会失去作用[6]。钻孔偏斜过大,给施工本身带来的问题是延误工期,容易造成孔内事故,加剧钻杆磨损。

1．1 岩层倾角和非均质性对导孔偏斜的影响

地下岩层因地质构造的原因具有不同的倾角,学者们普遍认为岩层倾角对于导孔钻进时的偏斜有较大的影响[11-12]。在倾斜岩层间进行开孔钻进时,钻头沿垂直方向钻进,同一岩层因为倾角的原因与钻头接触有先后顺序,先与钻头接触的岩层部位处会产生很大的应力,致使其快速破碎,这时岩层出现一小斜坡。同理,在钻头离开一个岩层而进入下一岩层时,也会在岩层中出现与上述同一方向的小斜坡(见图1),钻头会随着这样的小斜坡方向偏移,进而导致导孔偏斜。

图1 倾斜岩层偏斜机理

岩层的各向异性,导致岩层之间的强度各不相同,钻头穿过软硬交替的倾斜岩层时,从软岩到硬岩(见图2),钻头左侧接触到下一岩层硬岩时,右侧还在软岩中,左侧硬岩可钻性差,钻头钻进岩层少;右侧软岩可钻性好,钻头钻进岩层多。左右两侧钻进岩层深度不一致,自然会导致导孔偏斜。同理可知,从硬岩到软岩导孔将会沿着岩层上倾方向偏斜[13-14]。

图2 倾斜岩层软硬岩偏斜机理

1．2 反井钻机钻具对导孔偏斜的影响

(1)根据反井钻机钻头的特性,开挖导孔过程中,钻孔推进的轴压较高,钻具组合并非刚性,钻杆在弯矩的作用下会产生弹性变形,此时钻杆与井孔中心线间有一个夹角。孔底平面总是和钻头的法线正交,当钻压沿着钻杆轴线作用于钻头上时,可分解为钻进井孔的垂直分力和切削侧壁的水平分力[15-18]。水平分力在扩刷井壁的同时会带动钻具往力的方向偏移,造成导孔偏斜(见图3)。

图3 牙轮钻头钻进受力分析

(2)在导孔开挖过程中,反井钻具所受的力十分复杂,在拉、扭、弯等交变荷载的复合作用下,钻杆产生多种形式的振动[19-22],一旦发生共振现象容易导致钻杆失效,在导孔钻进过程中钻杆失效往往意味着钻进的导孔将发生较大的偏斜,进而拖延工程进度和造成经济损失。在实际工程实践中可以计算出钻具扭转振动的固有频率,以防止出现共振现象。

1．3 其他因素对导孔偏斜的影响

(1)钻进时钻压、钻速、主副泵压力等参数的选择不合适。钻压小,钻速慢时,钻具系统本身的重量将会带动钻头往岩层下方倾斜;而钻压过大,钻速过高时,孔底清渣不充分,造成岩渣在孔底堆积,致使钻头抬高,导孔偏斜。

(2)安装钻机时,未将钻机定位牢靠;钻井时,钻具受力复杂,在拉力和扭矩的作用下,钻机机身出现摇动现象,造成钻孔位移而产生偏斜。

(3)导孔开孔定位不精确,开孔过程中,钻杆中心线要与孔口中心线重合,当钻机安装、开孔测量放样不精确时,开孔将严重偏移预定位置,造成导孔偏斜。

(4)导孔钻进时,因导孔垂直跨度大,容易遇到不良地质结构,不良地质结构对导孔偏斜会产生严重影响。如钻杆遇软岩及破碎带岩层时,在钻压的作用下,导孔容易偏离设计轴线,造成导孔偏斜。

(5)导孔钻进的过程历时长,控制精度要求高,钻机操作人员经验不足将会导致突发状况发生时应对不及时,造成导孔精度不足。如有经验的司机可以根据钻进时钻机的速度、声音、洗液井反液情况来判断钻机的工作状况,一旦钻机工作状况异常时,可以通过调整钻机参数来降低导孔发生偏斜的可能性。

2 反井导孔偏斜控制技术与工程实践

2．1 配置稳定钻杆及设计纠偏系统

稳定钻杆是直径略小于钻头直径的钻杆,在导孔钻进过程中通过控制钻头沿开孔方向钻进以确保导孔的精度。导孔钻进施工中一般采用碳化钨稳定钻杆(适用软弱岩层)和硬质合金稳定钻杆(适用坚硬岩层)。通过配置稳定钻杆是控制造孔精度的重要措施,然而稳定钻杆的配置不能盲目,稳定钻杆配置过多或过少都会对工程产生不良影响,过多会卡钻、堵孔,而过少又不能保证导孔精度。稳定钻杆配置方法如下:

(1)配置稳定钻杆前做好对钻头、钻杆直径的测量工作,为保证钻孔精度,配置的稳定钻杆应与钻头同轴。当选用导孔钻头直径为Φ216 mm的反井钻机时,稳定钻杆与反井钻机其它钻杆(外径为Φ182 mm)长度相同,是在其它钻杆的基础上沿轴向平行镶了3条宽度为30 mm,厚度为14 mm的钢板,镶了钢板后的稳定钻杆外径为Φ210 mm,比导孔钻头直径小6 mm,比其它钻杆外径大28 mm,以保证导孔钻进不偏离。

(2)为了减小卡钻的概率,在配置稳定钻杆时新老对应,即新钻头配新钻杆,旧钻头配旧钻杆。当稳定钻杆磨损至直径小于标准孔直径10 mm时更换新钻杆。

(3)通过在钻头后连续装6~8根稳定钻杆的方法来控制导孔精度,当钻孔加深时,后面的稳定钻杆则根据钻孔具体情况,每隔一定距离配置1根。

配置稳定钻杆能大幅度降低导孔偏斜的发生,但是由于稳定钻杆的磨损不能及时、精确地发现,故而导孔开挖时依然面临着偏斜的较大可能性。为了及时反映导孔的偏斜情况,对反井钻机导孔钻杆进行如图4所示的组合。在常规钻杆中,接入由有线侧斜仪及钻具动力源组成的斜向器。在导孔钻进过程中有线侧斜仪能实时反映导孔的倾斜角度,当导孔偏斜过大时,可以配合井下动力马达进行偏斜纠正。

图4 改进钻具

2．2 选择合理的参数

钻杆具有一定的挠度,在钻进过程中,挠度随长度及钻压的增大而增大,挠度增大钻杆轴线容易偏离钻孔中心线,钻压小时钻孔速度会下降。因此正确选用钻压是确保钻孔精度及保证工程进度的重要途径。地层条件,钻进部位等因素影响钻进参数的选择,通过工程实践,钻压和钻速的选择见表1,在施工时可根据不同的地层情况适当调整。

表1 导孔钻进参数选择

2．3 其他方法控制导孔偏斜

(1)开孔前使用全站仪对开孔位置精确放样测量,在安装钻机机身时利用水平尺和铅垂球测量机身,将底座上螺孔加工成条型孔以方便调节钻机位置,当钻杆垂直于水平面,并且其轴线与开孔中心线重合时,利用螺栓固定钻机。

(2)由于导孔在钻进过程中,钻杆遇软岩会发生偏斜。容易导致造孔偏离原设计轴线,可通过灌浆手段固孔后保证造孔精度。利用灌浆设备或人工输送浆液的方法将制备的0．4~0．55水灰比水泥砂浆灌注至不良地质段进行固孔。

2．4 工程应用实践

江西漂塘钨业漂塘矿区388中段13线~17线间采准天井采用反井法施工,导孔钻头直径Φ250 mm,扩孔直径 Φ1．5 m,井深61．45 m,要求偏差小于1%。施工地段除一小断层外,没有大的地质构造,围岩较坚硬、稳固。

待主机、油泵及操作系统准备就绪,其他系统调试完成,且钻孔部位及角度确认无误后,进行开孔钻进。开孔钻进时,钻速不宜过大,同时应配合开孔扶正器一起工作,以确保开孔精度。开孔时钻压50 k N,开孔深度达到3 m后,将开孔钻杆提出并更换成加了斜向器的稳定钻杆。在60 h的作业时间后,导孔钻透,导孔共钻进61．45 m。平均钻进速度为1．0 m/h,在钻进24 h后钻进速度达到最大值2 m/h,原因是钻进到软岩层时钻进进度明显提高,达到21 m/d。当钻杆刚进入软岩时与离开软岩时有线测斜仪都表明导孔偏斜在允许范围内。最终成孔井深61．45 m,偏斜角度为0．536°,可见导孔偏斜控制技术的应用能确保工程质量合格。

3 结 论

(1)分析了导孔偏斜的主要原因,为防止导孔偏斜,有针对性地提出了稳定钻杆导孔偏斜控制技术,在导孔施工过程中,开孔3 m后即换用稳定钻杆。稳定钻杆的数量需要根据现场实际情况选用,过多容易卡钻。

(2)在常规钻杆中,接入由有线侧斜仪及钻具动力源组成的斜向器。改进成可以实时反映导孔的倾斜角度,并能进行偏斜纠正的新型钻杆。改进后的钻杆可以有效控制导孔钻进的轨迹,达到导孔精度要求。

(3)工程实践表明,在使用多种方法控制导孔开挖的精度后,导孔精度能达到工程要求。