鉆孔彎曲影響因素和彎曲機(jī)理

1、2 鉆孔彎曲影響因素和彎曲機(jī)理鉆孔彎曲是打鉆施工過程中普遍的、大量存在的現(xiàn)象，用現(xiàn)有的各種方法鉆進(jìn)時(shí)鉆孔總會(huì)在某種程度上必然地偏離預(yù)定方向。要使定向長(zhǎng)鉆孔順利鉆進(jìn)，必須對(duì)鉆孔彎曲的性質(zhì)和機(jī)理作詳盡的研究。掌握了彎曲的原因和規(guī)律，在設(shè)計(jì)定向鉆孔時(shí)，就能在某種程度上利用它們，減少鉆孔偏離預(yù)定方向的程度。2.1 鉆孔彎曲影響因素鉆進(jìn)過程中鉆孔彎曲是主、客觀因素共同作用的結(jié)果。地質(zhì)因素是鉆進(jìn)時(shí)的客觀因素，技術(shù)和工藝因素是鉆進(jìn)時(shí)的主觀因素。在不同的條件下，兩類因素對(duì)鉆孔彎曲的影響程度是不同的，有時(shí)地質(zhì)因素是主導(dǎo)因素，有時(shí)技術(shù)和工藝因素是主導(dǎo)因素。2.1.1 鉆孔彎曲的地質(zhì)因素影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是

2、鉆進(jìn)巖層的硬度，研磨性、密度、礦物成份、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。地質(zhì)因素的影響主要表現(xiàn)為造成巖石的非均質(zhì)性，它對(duì)鉆孔方向及其特征有著多種作用。巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性。在這種巖石中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。其中層理、片理和軟硬互層對(duì)鉆孔的彎曲最具影響。對(duì)巖石的大量測(cè)定和鉆進(jìn)實(shí)踐表明，具有層理、片理的巖層，其物理力學(xué)性質(zhì)在各個(gè)方向上不同，此種特性稱為巖石的各向異性。在垂直于層理方向的硬度最小，破碎阻力最小，破碎速度最快；在平行于層理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢；與層理斜交方向巖層的硬度、破碎阻力、破碎速度介于兩

3、者之間。最大硬度與最小硬度的比值稱為巖石的各向異性指數(shù)。圖 2-1 為鉆頭在與地層面的不同方向鉆進(jìn)時(shí)的鉆孔破碎情況，圖中 a 是鉆頭垂直于地層層面鉆進(jìn)，鉆孔為圓形，不發(fā)生彎曲；b 是鉆頭與地層層面斜交，鉆頭受一個(gè)來自地層下傾方向的力地層造斜力的作用，使鉆頭軸向力圖向垂直于地層層面方向偏移，鉆孔呈橢圓形；c 中由于垂直于地層層面方向的硬度小，孔壁巖石易破碎，形成的鉆孔直徑較大，孔壁間隙大，使鉆頭穩(wěn)定性差，鉆孔也容易彎曲。圖 2-2 為鉆頭在片理和層理的巖層中鉆進(jìn)時(shí)順層克取和逆層克取的受力情況。因鉆頭與層面斜交，鉆頭切削具在孔底 A、B 兩點(diǎn)所遇回轉(zhuǎn)阻力不同，A 點(diǎn)為順層克取，切削阻力 N ?。籅

4、 點(diǎn)為逆層克取切削阻力 F 大，因此A、B 兩點(diǎn)形成切削阻力差（F-N）。在孔底的 C、D 兩點(diǎn)均系平行于層理克取，所遇回轉(zhuǎn)阻力相等，但方向相反，無切削阻力差。如在圖 2-2 的鉆頭中心引入兩平衡力系，即 F=F=F，N=N=N 則根據(jù)理論力學(xué)可知，F(xiàn) 和 F組成一力偶，N 和 N組成另一力偶，此兩力偶由鉆桿傳遞的扭矩所克服，而F和 N是一對(duì)不平衡的力，其差值（即地層造斜力），將使鉆頭沿 CD 方向傾斜延伸，使鉆孔趨向于垂直層理面和片理面。圖 2-3 鉆頭通過軟硬互層時(shí)的鉆孔彎曲情況a-由軟巖鉆至硬巖 b-由硬巖鉆至軟巖c-遇層角較小時(shí)鉆具的下滑情況1-軟巖 2-硬巖 3-軟硬互層接觸面圖 2

5、-3 為鉆頭通過軟硬互層時(shí)的鉆孔彎曲情況。鉆頭通過軟硬互層時(shí)對(duì)鉆孔彎曲的影響取決于鉆孔軸線的遇層角（遇層角是指鉆孔軸線與巖層層面法線的夾角的余角）和軟硬巖層的硬度差。由于鉆頭作用在層面上的壓力可分解為垂直于層面的分力 C 和平行于層面的分力 N（參看圖 2-3,a）。N是鉆頭在巖層面上的下滑力，當(dāng)下滑力大于鉆頭與巖層層面的摩擦阻力時(shí)，鉆具便沿層面下滑，鉆孔將順巖層層面方向彎曲（俗稱“順層跑”，如圖2-3,c）。很明顯，遇層角越小，下滑力（N=P·cos）越大。 鉆具沿層面下滑的臨界遇層角主要與巖石對(duì)鋼的摩擦系數(shù)有關(guān)，這取決于巖石的性質(zhì)。一般臨界遇層角的值20°。圖 2-3,

6、a 為遇層角大于臨界角時(shí)鉆頭由軟巖層進(jìn)入硬巖層的情況。由于鉆頭進(jìn)入層面時(shí)，唇面受力不平衡，靠層面上硬巖一端的孔底的反力的合力大，靠軟巖一端的孔底的反力的合力小，不僅鉆頭兩端存在鉆速差和孔底不對(duì)稱不均勻破碎，而且將產(chǎn)生一傾倒力矩 M使鉆頭扭轉(zhuǎn)，并沿著地層上傾方向即垂直于層面方向彎曲（俗稱“頂層進(jìn)”）。圖 2-3,b 為遇層角大于臨界角時(shí)鉆頭由硬巖層進(jìn)入軟巖層的情況。根據(jù)鉆頭在孔底受力不平衡情況，鉆頭靠層面上軟巖一側(cè)的鉆速快，靠硬巖一側(cè)的鉆速慢，加之產(chǎn)生的傾倒力矩，使鉆孔有向地層下傾方向彎曲的趨勢(shì)。從上述分析看出，在軟硬巖層交替互存的情況下鉆進(jìn)時(shí)，由硬巖層進(jìn)入軟巖層鉆孔彎曲的方向與由軟巖層進(jìn)入硬巖

7、層鉆孔彎曲的方向正好相反。但這相反的彎曲方向并不能完全抵消而使鉆孔按原方向鉆進(jìn)。實(shí)踐證明，在軟硬交替巖層鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔仍然取向于垂直層面方向。這是因?yàn)殂@頭由硬巖層進(jìn)入軟巖層時(shí)，硬巖的孔壁完整、孔壁間隙小，能對(duì)鉆具起導(dǎo)向作用，而且在軟巖上的小塊硬巖很易破碎，孔斜不明顯；而鉆頭由軟巖進(jìn)入硬巖時(shí)，在軟巖中形成的孔壁間隙較大，鉆孔彎曲強(qiáng)度大。2.1.2 鉆孔彎曲的技術(shù)因素影響鉆孔彎曲的技術(shù)因素可以分為兩類：鉆孔在給定方向上的初始偏斜因素類；鉆進(jìn)過程中影響孔斜的因素類。第類技術(shù)因素主要是指：鉆機(jī)安設(shè)不正確；鉆具與鉆孔中心未對(duì)正、使用了不合標(biāo)準(zhǔn)或超過公差極限的巖芯管、鉆桿和其它碎巖工具；絲扣連接不同心等。這

8、些鉆孔彎曲原因是容易消除的。第類技術(shù)因素是指決定孔底鉆具組剛度的鉆具結(jié)構(gòu)特性，它在鉆孔彎曲過程中起著重要作用。因?yàn)樵诳v向彎曲和傾倒力矩的作用下，決定了孔底鉆具組偏斜值的大小。孔底鉆具組的穩(wěn)定性，對(duì)鉆孔彎曲強(qiáng)度有很大影響，它隨鉆具之長(zhǎng)度增加和直徑減小而降低.鉆孔開孔時(shí)，只要安裝正確和鉆具組不偏心，各方面符合設(shè)計(jì)要求，在鉆進(jìn)時(shí)鉆孔則不易彎曲，這主要是由于鉆具組本身有足夠的剛性；隨著鉆孔加深、鉆桿不斷接長(zhǎng)，鉆具的剛性不斷減小，以至完全成為一個(gè)“柔性體”，鉆頭之所以能繼續(xù)鉆進(jìn)是靠鉆孔孔壁的導(dǎo)正，以及起導(dǎo)正作用的孔底鉆具組的剛性。2.1.3 鉆孔彎曲的工藝因素工藝因素的影響與鉆進(jìn)方法有關(guān)。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，

9、工藝因素影響的程度常取決于彎曲強(qiáng)度與鉆進(jìn)參數(shù)的關(guān)系。影響鉆孔彎曲強(qiáng)度最強(qiáng)烈的是軸向壓力，為了獲得較高的機(jī)械鉆速，必須有足夠的鉆壓，但鉆壓過大將導(dǎo)致孔底鉆具組相對(duì)孔軸發(fā)生歪斜，增大了造斜力，而且因鉆桿的半波峰壓向孔壁，還擴(kuò)大了孔徑。雖然機(jī)械鉆速的增加，縮短了偏斜力的作用時(shí)間，抑制了彎曲強(qiáng)度的增大，但研究證實(shí)，鉆具繞自身軸回轉(zhuǎn)并使其下部定向歪斜的概率，隨著鉆壓、轉(zhuǎn)速和孔徑的增加而增大，因此大的鉆壓為孔底鉆具在固定的歪斜方向上只自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)創(chuàng)造了條件，這些均是加劇孔斜的因素。轉(zhuǎn)速對(duì)鉆孔彎曲強(qiáng)度的影響具有雙重性：一方面鉆具的離心力隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，導(dǎo)致縱向彎曲半波長(zhǎng)度減小和孔底鉆具組歪斜增大，這就促使

10、孔身擴(kuò)大，鉆具歪斜更大，所以在各向異性和軟硬交變巖石中這點(diǎn)可能導(dǎo)致鉆孔彎曲強(qiáng)度增加；另一方面，由于轉(zhuǎn)數(shù)增加后機(jī)械鉆速也增加，減少了引起鉆孔彎曲因素的作用時(shí)間，而且高轉(zhuǎn)速下鉆具易實(shí)現(xiàn)既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的原因，所以有些情況下隨著轉(zhuǎn)數(shù)提高會(huì)降低鉆孔的彎曲強(qiáng)度。根據(jù)美國打煤層水平長(zhǎng)鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，通過控制打鉆推力和轉(zhuǎn)速可調(diào)整鉆進(jìn)方向上仰或下垂。大推力、低轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)鉆孔向上彎曲；反之，小推力、高轉(zhuǎn)速可使鉆孔向下彎曲。另外沖洗液的數(shù)量也會(huì)影響鉆孔的彎曲，沖洗液量過大，會(huì)沖垮孔壁造成大的孔壁間隙，使孔斜加??；沖洗液量過小，巖（煤）粉回流速度不夠時(shí)，造成孔底巖（煤）粉堆積，也會(huì)使孔壁更強(qiáng)烈地?cái)U(kuò)大。工藝因素將改變孔底鉆具

11、產(chǎn)生的側(cè)向力和其受到的地層自然造斜力，通過改善鉆進(jìn)工藝和鉆進(jìn)參數(shù)來控制鉆孔軌跡，也是受控定向鉆進(jìn)的一個(gè)重要手段。2.2 鉆孔彎曲的機(jī)理導(dǎo)致鉆孔彎曲，必須有使鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的力學(xué)條件、空間條件和位置條件。其中力學(xué)條件和空間條件是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的必要條件，位置條件是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的充分條件。2.2.1 力學(xué)條件力學(xué)條件是指鉆頭在孔內(nèi)的受力情況。鉆頭處在以下集中受力情況下有可能使鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線。鉆頭與孔底接觸時(shí)，鉆頭唇面的軸向受力不平衡，孔底平面軸向破碎速度有快有慢，即孔底平面產(chǎn)生不均勻、不對(duì)稱破碎，存在鉆速差，使鉆頭軸線有可能偏離原鉆孔軸線。鉆頭唇面可能有以下兩種不平衡受

12、力情況：鉆頭軸線垂直于孔底平面，鉆壓均勻分配在鉆頭唇面上，但孔底平面巖石的破碎難易程度不同。一端的破碎阻力大于另一端的破碎阻力。鉆頭軸線垂直于孔底平面，鉆壓在鉆頭唇面上分配不均勻，但孔底平面的巖石均勻，破碎阻力相同，同樣造成兩端的破碎速度不同，導(dǎo)致鉆孔軸線向破碎速度快的一方一側(cè)偏斜（此種不平衡受力情況實(shí)踐中不多見）?？椎足@具組歪倒，鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線一個(gè)角度，鉆壓不再沿鉆孔軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個(gè)角度施加給鉆頭。使鉆頭破碎方向不垂直于原孔底平面，而是同時(shí)破碎孔底（軸線分力作用）和孔壁（徑向分力作用）的一部分，孔底破碎不對(duì)稱，從而導(dǎo)致孔斜。鉆頭軸向和徑向同時(shí)受力，軸向壓力沿鉆頭軸向垂

13、直作用到孔底，側(cè)向力 FA沿鉆頭徑向作用到孔壁。鉆頭在進(jìn)行軸向破碎孔底的同時(shí)，又進(jìn)行側(cè)向切削孔壁，鉆頭軸線的實(shí)際切削方向?yàn)檩S向破碎速度 vP與側(cè)向切削速度 vA的矢量合成方向 vc。因此鉆頭軸線的實(shí)際破碎方向偏離原鉆孔軸線。顯然，鉆頭軸線的偏離隨側(cè)向切削速度的提高而加大。2.2.2 空間條件空間條件是指孔底鉆具組與孔壁之間存在的間隙。力學(xué)條件僅是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的必要條件之一，空間條件是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的另一必要條件。兩者之間的關(guān)系是，孔壁間隙是上述力學(xué)條件下使鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的前提條件。因?yàn)閷?duì)于上述力學(xué)條件的第二種情況，只有孔底鉆具組與孔壁之間存在間隙，孔底鉆具才有歪

14、倒的空間，軸壓的作用方向才不在原鉆孔軸線上；若沒有間隙，鉆具的軸線就與鉆孔軸線一致，軸壓的作用方向也就與鉆孔軸線一致。對(duì)于上述力學(xué)條件的第一種和第三種情況，當(dāng)導(dǎo)致鉆頭軸線偏離鉆孔軸線時(shí)，實(shí)際上就是使鉆頭在鉆進(jìn)孔段相對(duì)于原鉆孔軸線連續(xù)歪倒。此時(shí)如果孔底鉆具組與孔壁之間無間隙，鉆頭沒有歪倒的空間，也就不可能導(dǎo)致鉆頭軸線偏離鉆孔軸線。顯然，孔壁間隙加大，上述力學(xué)條件下鉆頭軸線偏離原鉆孔軸線的角度也增大。2.2.3 位置條件位置條件是指對(duì)鉆頭作用力的方向固定、大小固定以及鉆頭歪倒方向固定。上述力學(xué)條件和空間條件僅是鉆頭軸線有可能偏離鉆孔軸線的必要條件，并不是鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的全部條件。只有同時(shí)具備

15、力學(xué)條件、空間條件和位置條件，才會(huì)最終發(fā)生鉆頭軸線偏離鉆孔軸線。因?yàn)殂@頭作用力的方向和相對(duì)大小以及鉆頭歪倒方向均固定后，才能造成鉆頭軸線向固定的作用力方向、固定的鉆速差方向、固定的歪倒方向偏斜。例如，當(dāng)孔底鉆具組可以向孔底各個(gè)方向歪倒時(shí)，則鉆頭向孔底各個(gè)歪倒方向均勻破碎巖石，即使具備了鉆頭軸線偏離鉆孔軸線的力學(xué)條件、空間條件，也只能使孔底擴(kuò)大或孔徑擴(kuò)大，鉆孔仍然沿軸線延伸，并不彎曲?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)孔底鉆具既自轉(zhuǎn)（圍繞鉆具軸線旋轉(zhuǎn)）又公轉(zhuǎn)（孔底鉆具圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)）時(shí)就會(huì)產(chǎn)生上述情況。又如，當(dāng)鉆頭側(cè)向力的方向不固定時(shí)，則側(cè)向力可作用到孔壁四周，也只能使孔壁擴(kuò)大，鉆孔并不彎曲。只有側(cè)向力在固定的方

16、向上切削孔壁，鉆孔才能向側(cè)向力固定方向的一側(cè)偏斜?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，孔底鉆具歪倒方向固定或者變化極小的情況，一般僅在孔底鉆具自轉(zhuǎn)時(shí)才可能發(fā)生，因此鉆進(jìn)時(shí)僅自轉(zhuǎn)的鉆具易發(fā)生孔斜。此外，既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)的鉆具，當(dāng)公轉(zhuǎn)的角速度不均勻，且大部分時(shí)間處于徑向某一位置時(shí)，鉆孔也會(huì)彎曲。2.3 小結(jié)要使定向長(zhǎng)鉆孔順利鉆進(jìn)，必須對(duì)鉆孔彎曲的性質(zhì)和機(jī)理作詳盡的研究。掌握了彎曲的原因和規(guī)律，在設(shè)計(jì)定向鉆孔時(shí)，就能在某種程度上利用它們，減少鉆孔偏離預(yù)定方向的程度。鉆進(jìn)過程中鉆孔彎曲受地質(zhì)因素、技術(shù)和工藝因素的共同影響。影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是鉆進(jìn)巖層的硬度、研磨性、密度、礦物成份、變質(zhì)程度及結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。地質(zhì)因素的影響主要

17、表現(xiàn)為造成巖石的非均質(zhì)性，它對(duì)鉆孔方向及其特征有著多種作用。巖層的層理、片理、裂隙、斷層、軟硬互層、溶洞、卵礫石等結(jié)構(gòu)構(gòu)造使巖層具有不均質(zhì)性。 在這種巖石中鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭在孔底受力不平衡，引起鉆孔彎曲。其中層理、片理和軟硬互層對(duì)鉆孔的彎曲最具影響。此外，在松軟、極破碎、溶洞地層和卵、礫石層鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔也會(huì)產(chǎn)生彎曲。地質(zhì)因素對(duì)鉆孔軌跡的影響表現(xiàn)為，孔底鉆具受到一個(gè)來自地層的自然造斜力即地層力的作用。地層力的兩個(gè)分力地層變孔斜力和地層變方位力，使鉆孔產(chǎn)生傾角和方位角的變化。影響鉆孔彎曲的技術(shù)因素可以分為兩類：第類技術(shù)因素主要是指鉆孔在給定方向上的初始偏斜因素；第類技術(shù)因素是指鉆進(jìn)過程中影響孔斜的因素，它在鉆孔彎曲過程中起著重要作用。為減小孔壁的間隙，增加與孔壁的接觸，常采用安裝定中器的方法。技術(shù)因素對(duì)鉆孔軌跡的影響表現(xiàn)為使鉆頭產(chǎn)生一個(gè)作用于地層的側(cè)向力，該力的兩個(gè)分力變孔斜力和變方位力，為進(jìn)一步優(yōu)化鉆具組合和鉆具結(jié)構(gòu)以控制鉆孔的傾角和方位角奠定基礎(chǔ)。工藝因素的影響與鉆進(jìn)方法有關(guān)。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，工藝因素影響的程度常取決于彎曲強(qiáng)度與鉆進(jìn)參數(shù)的關(guān)系。影響鉆孔彎曲強(qiáng)度最強(qiáng)烈的是軸向壓力，其次轉(zhuǎn)速對(duì)鉆孔彎曲強(qiáng)度的影響也不容忽視，但是單純地增大或減小兩個(gè)參數(shù)，并不能減小孔斜強(qiáng)度。根據(jù)美國打煤層水平長(zhǎng)鉆孔的經(jīng)驗(yàn)，通過控制打鉆推力和轉(zhuǎn)速可調(diào)整鉆進(jìn)方向上