强造斜地层扶正器的安装位置技术研究.doc

强造斜地层扶正器安装位置技术研究

摘要：介绍强造斜地层中扶正器的作用、优化设计意义、结构和使用条件。
关键词：钻孔，卡钻，扶正器。
1、引言
倾斜钻孔的坍塌埋钻一直是地质钻探过程的一项技术难题，为了防塌，许多技术人员多采用泥浆护壁等措施，但收效甚微，孔壁坍塌、掉块、孔斜卡钻甚至费孔就成为难以避免的事故。最近我们在施工煤层底板水情观测钻孔的过程中遇到了孔壁掉块和孔斜卡钻事故，连续造成多孔报废。为了解决这一难题，我们研制了一套钻孔扶正装置，避免了在钻孔孔壁掉块的情况下发生卡钻的现象，并起到了有效的纠斜作用，确保了工程的顺利进行。
钻孔扶正器是钻探过程中用来控制钻孔方向，确保钻孔正直的装置，然而把钻孔扶正器用来防止卡钻的方法鲜为报告，因此本文提出的扶正器防塌孔和纠斜技术对地质钻探工程具有很大的借鉴作用和推广价值。
2、工程概况
太原东山煤矿“突水灾害监测预警系统的研究”项目需要在71505工作面材料巷施工2个倾角为56°的俯斜孔，钻孔深度均为50.0m，以埋设预警系统所需的传感器。钻孔位于底板高角度裂隙发育的水文地质异常区。钻孔从15#煤层的中底层开孔，地层结构如图1所示。在施工过程中因钻孔都发生了孔壁掉块卡钻现象和钻孔弯曲造成报废。例如，孔1倾角56°，φ108mm开孔，再用φ89mm取芯钻头钻进，采用泥浆循环液。钻至12.0m时遇坚硬石英砂岩，同时孔内因孔壁掉块而发出“咔咔”的响声，且在加压时钻机出现抖动和顶钻现象。钻至12.30m时，岩粉返不上来而卡钻。用3t道链仍然无法将钻具拔出，造成钻孔报废。孔2倾角56°，φ127mm开孔，钻进5.7m后下φ127mm孔口管，再用φ89mm无岩芯钻头钻进。钻至25.0m时，钻具被卡，无法提钻，强行提钻后，在钻杆与钻头交接处发生断裂，此孔报废。孔3与1号孔情况大致相同，无岩芯钻进，钻至11.70m时，钻具无法提升而最终将钻具弃于孔内，钻孔报废。
3、钻孔报废原因分析
经力学分析和工程地质分析，钻孔报废有两个原因：（1）孔壁掉块。由于钻窝附近构造复杂，高角度裂隙发育，岩层破碎，致使在钻头研磨的过程中将会发生掉块，甚至局部孔径变粗，形成陡坎。又因倾斜钻孔在重力的作用下，钻杆连同钻头压在孔壁的下方，使得钻头卡在陡坎处难以提出，如图1、2所示。（2）钻孔弯曲。在煤层及砂质页岩和细砂岩等相对较软的岩层中，钻头可按设计的角度和轨迹钻进。遇坚硬岩层后，钻机给钻杆施压，钻杆弯曲，钻头偏离预定轨迹，使钻孔弯曲，在钻孔的弯曲处形成一个“坎”，导致返浆不畅，岩粉带不出孔外，发生堵钻和埋钻现象。而在提钻时，钻头与钻杆的径差部分卡在“坎”上，使钻具无法提升。
上述两种情况表明：若孔壁笔直，钻头被卡在钻孔的下壁；而因为钻孔弯曲造成卡孔时，钻头则被卡在上孔壁。因此，两种情况所造成钻具无法提升的现象都是钻头被卡紧所造成。钻头与孔壁的作用关系属于纯剪状态，满足下列公式：τ=C（式中τ为岩石的剪切强度，σ为正应力=0（纯剪），Φ为内摩擦角，C为内聚力）。
现已知太原东山煤矿砂岩的内聚力为37.12MPa。如果被卡孔壁剪切破裂面的面积仅为10cm2（5cm厚的岩层可达到），那么将需要3712公斤的提升力T方可将破坏。一般情况下，东山煤矿砂岩的厚度都大于2m，剪切破裂面的面积将远大于10cm2，使得孔壁破坏而提出钻杆的拉力也将要远大于T，因此在钻头被卡的情况下提升钻杆是不可能的。
4、钻孔扶正防卡技术
卡钻是孔壁岩“坎”阻挡钻头的问题被查明以后，如何防止岩“坎”阻挡就成为解决卡孔的关键问题。为此我们研制了特殊的扶正器，如图3所示。即，在直径为42mm，长1.15m的钻杆上，焊接两个长9.5cm，直径与钻头相同的长约9.5cm的球状物，组成扶正器。使之与钻头相连，所焊接的球状物中心距钻杆两端头均为20cm。
扶正器缩小了钻杆与孔壁的间隙，阻止了钻杆的弯曲，钻头可按设计的角度和轨迹钻进。扶正器上相距约55cm的球状物使得钻头作用在孔壁岩“坎”正应力，变为球状物与岩“坎”的滑动摩擦力，显著地减小了提升阻力。如果用传统的圆柱形扶正块，必将造成圆柱底面与岩坎相撞，造成钻孔在扶正器处被卡，起不到防卡的作用。如果采用“花鼓状”扶正块，尽管可以防卡，但将增加冲洗液的阻力，影响冲洗液的循环，造成岩粉过多的沉淀，甚至造成钻孔的抱死。因此，球状扶正物是最佳防卡钻设计。
使用扶正器后后，避免了卡钻，使得提放钻具能够正常。使用扶正器后施工的孔4和5倾角均为56°，地层条件及钻孔结构与孔2相同，在进尺到13.0m、26.0m、33.0m处分别遇坚硬的含黄铁矿条带砂岩，进尺缓慢，且有顶钻现象，但由于使用了扶正器，顺利通过，按照设计要求顺利达到50.0m的终孔深度。

图1.因钻孔弯曲和孔壁掉块钻头卡在上孔壁岩坎，难以提升。
图2.因孔壁掉块钻头卡在下孔壁岩