钻孔弯曲的预防和纠正

汪学春

(新疆维吾尔自治区有色地质勘查局地球物理探矿队 乌鲁木齐830011）

1 概述

钻孔弯曲又称孔斜，是钻探施工质量的六大指标之一；在施工过程中受自然地质及钻探工艺因素的影响会造成钻孔弯曲，使钻孔偏离原来设计的顶角与方位角。孔斜不仅会给施工带来困难，降低钻探效率，易诱发孔内事故，而且会歪曲矿体形态与产状，影响勘探结果的准确程度；所以按一定距离测斜和防斜在钻探施工中是非常重要的。

2 影响钻孔弯曲的因素

影响钻孔弯曲的具体原因可分为地质、技术和工艺等三个方面；钻孔弯曲是这三个方面因素综合作用的结果，在不同的条件下，可能其中某些原因占主导地位。地质原因是客观存在的，只能通过工艺技术措施来减弱甚至抵消其促斜作用，而技术工艺原因是主观因素，可以采取人为措施加以限制。

2.1 地质方面的原因（客观因素）

主要有岩石的各向异性和软硬互层等促使钻孔弯曲的地质条件，如岩层的产状，物理机械性质，以及由于构造运动所产生的劈理、片理、层理等；研究和分析由地质条件促使钻孔弯曲的原因，一方面是为了在技术上采取相应预防措施来限制钻孔弯曲，另一方面是为了合理的设计钻孔提供依据，尽力减少地质条件对钻孔弯曲的影响，利用地质条件的促斜规律来进行初级定向钻孔钻进；岩石的软硬互层，岩层的倾角大，片理发育的岩层等是促使钻孔弯曲的普遍原因，而且钻孔弯曲都有一定的规律性；断层、破碎带、卵石、砾石层、流沙层、溶洞、老窿等，是促使钻孔弯曲的特殊原因，而且钻孔弯曲没有一定的规律。

⑴钻进流沙层，因为流沙层具有流散性，孔径往往较大，尤其是在斜孔、流沙层厚，钻孔很容易下垂，直孔无此现象；

⑵钻进卵石、砾石层时，由于卵石、砾石很不规则，活动性很大，给钻具的挤压力及回转阻力差异很大，钻孔最容易弯曲，并且没有什么规律；

⑶当钻孔遇到溶洞和老窿时，钻孔严重超径，窿（洞）底又不规则，钻进时粗径钻具易偏离钻孔轴线，造成钻孔弯曲；

⑷当钻孔穿过具有一定倾角的软硬岩互层时，钻孔的顶角和方位角均会发生变化。

岩石层理走向及倾角过大，钻头在克取岩石时，顶着走向打；地质情况复杂，钻孔地层软硬间错，变化性极大，致使钻具的配合，钻进参数的设定出现偏差；

①当钻头由软层进入硬岩层时，因孔底软、硬岩石抵抗破碎能力不同，产生不均匀破碎（软岩石破碎快、硬岩石破碎慢），促使钻孔弯曲；钻孔弯曲方向和程度，取决于钻孔与岩层层面的夹角大小和软、硬岩层的硬度差。

②钻孔由硬层向软层时，如岩层层面倾角较大，将使钻孔趋向硬岩方向弯曲，但在一定情况下，因在硬岩层中钻进形成的孔壁间隙较小，即使孔底不均匀破碎，但粗径钻具受孔壁限制而不易发生偏斜，故钻孔弯曲甚微或不发生弯曲；

③钻孔穿过片状岩层时，如钻孔轴线与岩层层因呈锐角相交，因岩石的各向性，将使钻孔趋向垂直于层面方向弯曲，同时钻孔的方位角则因钻具回转方向不同而向不同方向倾斜；如外头顺时针方向回转，则钻孔方位向右偏斜。

2.2 技术和工艺方面的原因（主观因素）

工艺、技术因素系指所用机械设备，安装质量，钻具结构，钻进方法与技术参数，操作技术等对钻孔弯曲的影响，这些因素均系人为因素，是完全可控制。

⑴机械设备：所用的钻机回转给进部件导向性能差，如立轴导管松旷，油压钻机滑道松旷时，钻头克取岩石就会形成立轴和钻机的晃动，使钻具回转不稳定，导致钻孔弯曲。

⑵安装质量：安装质量不高对钻孔弯曲影响很大，主要表现在:①地基（地盘）不坚实，填方过多，经水浸、震动及承受载荷后下沉，使钻塔钻机偏斜，导致钻孔弯曲；②基台安装不平整，钻机不正、不稳，立轴、孔口、天车3点不在一直线上等，均易造成开孔偏斜；③孔口管下的不正或固定不牢都易在开孔钻进时，使钻孔弯曲。

⑶开孔不正：开孔是关键，开孔不正的原因有：①开孔前对安装质量检查不严不周；②开孔时使用的钻具不直或钻具连接后不同心；③开孔时没有随钻孔加深加长导向钻具；④开孔时技术操作不当，压力、转数、水量等不合理。

⑷钻具结构不合理：合理的钻具结构对钻孔弯曲影响最大，主要影响如下：①钻杆直径与粗径钻具直径相差较大，钻杆柱在轴心压力、自重及离心力等作用下，呈波形弯曲，给粗径钻具处一个较大的偏斜力，造成钻孔弯曲；②使用弯曲的钻杆和岩心管，或钻具连接后同心度差；③粗径钻具的导向性差；目前所使用的钻头外径均大于岩心管和异径接头的直径，尤其是采用肋骨式钻头时，钻头直径则比岩心管和异径钻头直径大一级，这样大大的降低了粗径钻具的导向作用。此外，粗径钻具过短导向性能差，粗径外具过长时，易弯曲，也降低了导向性能。还应指出，在换径或扩孔时未采用导向钻具，或导向钻具结构不合理均易造成钻孔弯曲。

⑸钻进方法选择不合理：在相同的地质条件下，采用不同的钻进方法，产生不同的环状间隙；粗径钻具的导向效果不同，钻孔弯曲的程度也不同。

⑹钻进技术参数不合理：不根据地质条件和设备条件，盲目采用强化规程（大的压力、转数、冲洗液量）片面追求进尺是促使钻孔弯曲的重要原因。①钻进压力过大，钻杆柱承压部分呈波形弯曲严重，迫使粗钻具上端向孔壁一侧，粗径钻具偏离了钻孔轴线，造成钻孔弯曲；这种情况在孔壁间隙过大时更为严重和突出；②采用弯曲的钻具时，过高的转速使钻具离心力增大，从而增大了钻具的横向力、增大了扩壁作用，加大了孔壁间隙，降低了粗径钻具的导向作用，造成钻孔弯曲；③在松散易坍塌地层中钻进，使用不合要求的冲洗液或冲洗液量过大，会冲塌孔壁，造成钻孔超径，引起孔斜；④在换径前末清除孔底残留岩心，换径时直接采用钻进时的技术参数，均易造成钻孔弯曲。⑤钻孔深度超过一定域值后，钻具本身的周期性弹性振动所产生的俯冲压力，改变了钻头的运行轨迹，钻头依重力惯性，在孔底面某一较低的方位较多的克取岩石，造成孔斜或加大孔斜。

3 预防钻孔弯曲的措施

为了保证钻孔质量，在钻探施工过程中，贯彻预防为主，加强对钻孔弯曲的预防工作是十分必要的。由于促使钻孔弯曲的原因比较复杂，在不同条件下，各种因素对钻孔弯曲的影响也不同，因此，我们必须根据每个地区和钻孔的具条件，进行具体分析，找出促使钻孔弯曲的主要矛盾，有针对性地确定预防孔斜的措施。

3.1 从设计钻孔上采取措施

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，设计初级定向钻孔，是实现优质高产的重要途径；按设计钻孔的倾角、方位角、根据钻孔自然弯曲规律，按勘探线剖面图的比例，每25 m（或50 m）孔段，定出倾角和方位角值，依各孔段的倾角值在透明方格纸上绘出钻孔倾角标准线图，将透明图覆盖在勘探线剖面图上，使纵横坐标对正，曲线终点与设计见矿点重合，则曲线起点与地平面相交处即是钻孔的实际孔位；

应注意的是：⑴钻进过程中应严格遵守有关技术操作规程;⑵按要求及时测斜，及时作图，及时分析研究，以指导钻进工作;⑶当钻孔设计方向弯曲时，应及时采取措施，加以纠正;⑷如钻孔方位角变化时，可采用活楔子导斜器纠斜。

3.2 把好设备、安装、开孔关，确保安装、开孔质量

⑴做到回转器无毛病，如立轴导管、立轴枢纽不松动，变角机构要牢靠，油压钻机在滑轨上不松不旷。

⑵安装时确保地基坚实、平整，基台辅设、钻机安装必须水平、周正、牢固；天车、立轴和孔口三点必须成一直线；严格按设计要求检查立轴方向、角度；

⑶开孔时用的钻具要直，粗径钻具要随钻孔加深逐次加长；最好使用短机上钻杆，紧上下卡盘时要注意保持钻具中心，使用钻头以轻压慢转钻进；孔口管要下正，即方位和顶角完全符合设计要求，孔口管一定要下牢，上端管壁要填塞紧；上下钻具应防强力冲打孔口管，避免孔口管偏斜变形。

3.3 抓好换径和扩孔工作

⑴换径前应清除孔底残留岩心，最好用磨孔平面钻头带捞渣清理孔底，换径时一定要用导向钻具，导向钻具要同心，导向管应适当加长，小径钻具要短，随着小径钻孔有加深小径名具应逐次加长，直至6 m以上才可去掉导向钻具，换径后应进行测斜检查。

⑵扩孔时要带小径导向钻具，导向钻具要同心，小径导向管要保持一定长度。

3.4 增强钻具的导向性和稳定性

根据目前常规口径钻进所用的管材条件，为了增强钻具的导向性能，钻具结构符合：“满、刚、直”等要求。

⑴满：尽量采用绳索取芯钻进工艺，钻杆与岩心管同径以“满”保斜。

⑵刚：要求钻杆与岩心管要有一定刚度，以保证在大压力、大扭矩负荷下不发生变形。

⑶直、要求所用钻杆、岩心管要笔直，连接后要同心，以增加回转时的稳定性。

3.5 采用合理的钻进方法和钻进工艺

⑴根据地层特点选择合理的钻进方法，尽可能采用金刚石钻进以减少钻孔弯曲。

⑵合理地确定钻进技术参数及操作技术；根据岩层的研磨性，软硬，体积破碎性能，抗压能力等，选择水量，转速和轴向压力，在不同的岩层，合理采用不同的回次进尺长度。合理选择内外径，尽可能的减小岩心管与孔壁的间隙。

当岩石换层时，钻孔最容易弯曲，根据换层时钻孔弯曲的一般规律，在岩层由软变硬时，轴心压力要适当减轻，一般为正常钻进压力的三分之二，钻具转数也应适当降低，当岩层由硬变软时，轴心压力也要适当降低，一般为正常给进钻压的三分之一，并适当加长粗径钻具。在钻进松散地层或破碎带时，采用优质泥浆，并严格控制冲洗液量，以保护孔壁，使孔径不致过大；在换径或扩孔时，也应采用小的技术参数钻进。

⑶正确选择钻具的配合，选择合理的钻具组合搭配，可以减小钻具的伸缩性，减轻对钻头的俯冲压力，降低钻孔的弯曲度。尽可能的选用绳索取芯钻进，由于钻杆与岩心管同径，所以弹性振动的俯冲压力相对于普钻的细直径钻杆带动粗径岩心管钻进，要小得很多，钻孔的空间稳定性也较好。但是绳索取芯钻具在复杂地层中也有其局限性，比如在难以取芯的泥岩混合地层中，由于需要无泵钻进，而采用金刚石钻进的绳索取芯钻进，就不得不改用普钻钻进，以取得较高的岩矿芯回采率。

⑷另外，冲击回转钻进对防止钻孔弯曲也有效；冲击回转钻进所产生的脉冲压力，瞬间爆发，在同等的钻进参数下，钻头能更多的克取破碎岩石，由于没有或极少的俯冲压力，所以对于预防钻孔弯曲、提高钻效是不错的选择；但是在低硬度地层中不宜使用。

⑸选择更新的钻探工艺，控制钻孔弯曲。利用新工艺、新技术，采用综合手段，使钻孔按照设计方案和路线行进。

4 钻孔纠斜

4.1 纠正钻孔方位角

钻孔方位角跑偏一般常用的纠正方法有：⑴调节技术参数和粗径钻具长度;⑵垫钻机设备（钻孔深度在100 m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好的效果，垫钻机后操作时要注意，钻进压力应适当减轻，粗径钻具要缩短到4～6 m，尽量在消除孔底残留岩心后钻进）;⑶采用偏心楔导斜纠正钻孔方位。

4.2 纠正钻孔顶角

钻孔顶角的变化有两种情况，一是钻孔顶角上漂，一是钻孔顶角下垂。

⑴如钻孔顶角下垂而欲使其上漂时，可采取下列纠正措施：①缩短粗径钻具长度（一般为正常时的2/3）；用加大钻进压力和水量等办法促使钻孔倾角上漂。②采用塔式钻具钻进；塔式钻具的钻头直径比岩心管粗一级，扩大了孔壁与岩心管的间隙，钻进时可加剧钻孔的上漂，纠斜效果显著。③采用组合式钻具钻进；这种形式钻具中的取粉管，万向接头，钻铤，岩心管的尺寸均比原径小一级，这样增大了钻具与孔壁的间隙，使万向接头中心点向下偏离钻孔轴线，因此钻具在孔内所形成的偏角增大，提高了纠斜效果。

⑵钻孔上漂，欲使其下垂时，可采取的措施：①采用球形万向节变向综合钻具：钻进中借小径钻具的下垂作用进行纠斜，在小径钻具钻进10 m左右，进行测斜，然后再采用导向扩孔钻进，扩孔用的导向管不应＜1 m；②采用悬锤式纠斜钻具：由导正管、万向接头、锥形加重管、锥形钻头等组成。采用此钻具纠斜分为3个阶段：即纠斜钻进、扩孔、扫“狗腿弯”；③利用偏心式钻具纠斜；主要是纠正方位的变化；④钻孔造斜：利用孔内架桥下入定向偏心楔的方法；⑤扩孔纠斜：纠正孔斜时，选用稍大于原钻头口径的钻头，从上而下的扩孔钻进，钻进时采用轻压慢转的方法，严格控制进尺速度，不要太快，采用此方法可以纠正一般轻微的孔斜。

在钻探施工中，如发现钻孔偏离设计方向时，应调整测斜间距，增加测点，精确测出方位角和顶角的变化值，搞清钻孔弯曲部位，以便采取必要措施进行矫正工作，使钻孔弯曲保持在允许范围内；正确的勘探钻孔在空间的延伸趋势和空间位置，是保证精确计算矿产储量，正确进行开采设计的有力依据。