钻孔偏离影响因素及解决方法研究

2016-03-08傅双玲

新技术新工艺 2016年12期

关键词：钻具钻杆瓦斯

傅双玲

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

钻孔偏离影响因素及解决方法研究

傅双玲1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400039；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

分析研究了煤矿井下钻孔施工中常出现的钻孔偏离问题及影响因素。煤矿井下钻孔施工时，钻孔轨迹偏离有时是受某一个因素影响，有时受好几个因素共同作用，钻孔偏离的影响轻则不能达到抽放效果，重则产生钻孔空白带，在后续作业时有巨大的突出风险，导致安全事故的发生。通过采用合理的解决钻孔偏离方法，可消除由钻孔偏离带来的安全隐患，为煤矿井下安全生产提供了积极的参考价值。该解决方法适应性较强，同时对于地质钻孔有一定的借鉴作用。

钻孔偏离；钻孔轨迹；地质条件

根据国家安监总局对煤矿井下瓦斯治理“先抽后采”的要求[1]，钻进瓦斯抽放孔是煤矿井下瓦斯治理、煤层气开采利用最有效、最便捷的途径；然而由于种种因素，实际钻孔轨迹或多或少均与设计轨迹有一定的偏离，如若不加以重视，轻则达不到抽采要求，影响抽放效果，重则引发突出事故，造成人身伤亡的悲惨事件。因此，对于钻孔偏离问题进行研究分析就显得尤为重要。本文将围绕钻孔偏离的产生原因以及解决方法进行深入分析。

1 钻孔偏离产生原因

钻孔偏离产生的因素主要包括钻具自重、地质条件、钻进参数、钻进工艺以及设备和人员因素。

1.1 钻具自重

目前，煤矿钻孔大部分是采用钻机驱动钻具回转钻进切削煤岩的方式。钻具包含钻杆和钻头(有的也包含保直或提高钻孔质量的附件，比如扶正器或聚晶扩孔器)，其中，质量最大的是钻杆，受钻杆自重的影响，钻孔会有一定的偏离，程度取决于钻孔对钻杆的支承效果及钻杆自身的挠度。钻杆自重对钻孔轨迹影响的示意图如图1所示。图1中，H是钻孔的理论轨迹；h是钻孔因钻具自重的实际轨迹；Δ是理论轨迹与实际轨迹的偏移量；g是钻具重力。

图1 钻杆自重对钻孔轨迹影响示意图

钻具自重对于钻孔偏离是时刻存在的，是不以人的意志而转移的，它同时伴随于其他几个影响因素中。

1.2 地质条件

地质条件对于钻孔轨迹的影响包括：1)松软与坚硬交汇的地带，如煤层钻孔遇到较硬的矸石。因为软硬煤岩抵抗破碎的能力不同，钻具一般会偏向于松软的一方，造成钻孔轨迹的偏离；2)特殊的地质构造，如断层、溶洞等。因为切削阻力的变化，同样会导致钻孔偏离设计轨迹；3)岩石的各向异性对于钻孔偏离有一定影响。钻头沿垂直于岩层方向钻进时岩石破碎效率最高，平行层理方向效率最低，钻孔弯曲的强度与岩石各向异性强弱和钻孔层角大小有关[2]。

1.3 钻进参数

钻进参数对钻孔偏离的影响亦不容忽视，主要的钻进参数包括钻进压力、冲洗液流量等。

实践证明，在一定钻进条件下，钻进压力与钻进速度之间存在如图2所示的关系。在图2中，在“0”至“2”点之间的区域钻进速度较小，钻进压力较低，对于钻孔轨迹的偏离没有太大的影响；“2”点之后的区域钻进压力过大，钻头还没有完全切削煤岩便被压入切削介质中，在给进压力的挤压下导致钻孔与设计轨迹背离，出现偏差。

图2 钻进压力与钻进速度关系图

冲洗液流量对于钻孔弯曲的影响主要表现在钻进松散易坍塌地层中，选取不恰当的冲洗液或冲洗液流量不合理，导致冲垮孔壁，造成钻孔超径，引起钻孔偏离[3-4]。

1.4 钻进工艺

钻进工艺对钻孔偏离的影响主要体现在孔径与钻具之间的间隙。一般来说，钻进扩孔现象为硬质合金钻进钻孔直径为钻头直径的1.1～1.3倍；金刚石钻进孔壁间隙最小，在7～8级岩石中间隙为1.0～3.0 mm,11～12级岩石中仅为0.2～0.5 mm；因此，硬质合金钻进比金刚石钻进可能引起的钻孔偏离程度大[5]。

1.5 设备及人员因素

有的钻进设备导轨磨损严重，主轴回转时摆动过大导致钻具晃动幅度太大，从而引起钻孔偏离；有的钻机设备锚固不稳定或者锚固在不够坚固的地基上，钻进过程中由于作用力与反作用力的关系导致设备摆动，从而引起钻孔偏离；还有的在钻进开孔时定位不够准确，从一开始钻孔就发生了偏离，钻进深度越深钻孔偏离越大。

综上所述，引起钻孔偏离的因素是多方面的，有的甚至是几种因素同时作用。国内煤矿曾经发生过因为钻孔偏离导致煤层瓦斯泄压不完全引起局部突出事故，虽然没有造成人员伤亡，但是其破坏程度不容小觑；因此，瓦斯矿井对于钻孔偏离应引起足够的重视，并采取有效的方法进行干预。

2 钻孔偏离对应解决方法

本文针对上述钻孔偏离原因研究了对应的解决方法。

2.1 钻具自重

虽然钻具自重因素是不以人的意志而转移的，但是实际钻孔过程中可以采取一定的措施进行补偿，减小因钻具自重而引起的钻孔偏移。例如，在开孔操作时，适当的增大钻孔倾角，以补偿因钻具自重下坠引起的钻孔偏离；也可以在近孔底端设置稳定组合钻具，使钻具前端保持上仰态势，从而对钻具因重力因素导致的下坠进行一定的抵消。

2.2 地质条件

地质条件对于钻孔偏离的影响或多或少的存在，对于这类问题可以采取预防、监测以及跟踪的方法。预防就是采用超声波雷达进行地质构造超前探测，绘制出地质构造图。监测就是钻孔过程中采取类似定向钻机随钻测量系统的设备，在空口防爆计算机上实时显示钻孔轨迹各项参数。上述这2个方法成本均比较高，应用也不多。常用的解决这类问题的方法是跟踪监测，即在钻具近孔底端加接钻孔轨迹测量仪，完整记录整个钻孔轨迹，钻孔完成后在电脑上读取数据，根据偏离程度进行补孔。

YCSZ型钻孔轨迹测量仪在某矿53011巷6#钻场1#钻孔轨迹图(孔深120 m)如图3和图4所示。其工作原理是利用传感器磁强计和加速度计，将近钻头位置的倾角和方位角测量并计算出来，并存储在探管内；钻孔完成后将数据取出；最后利用数据处理软件进行处理显示。该方法是目前行之有效且成本较低的。

图3 钻孔倾角偏离

图4 钻孔方位角偏离

2.3 钻进参数

钻进参数对钻孔倾斜的影响主要体现在转速与钻压匹配太差方面，一般来说，钻速与钻压满足如下公式：

v=K(P-P0)

(1)

式中，v是钻进速度；K是系数，即图2中直线Ⅰ的斜率；P是总钻压；P0是单位钻压，主要取决于岩层性质。其中，总钻压P可以采取如下方法进行计算：

P=σSmn

(2)

式中，σ是岩石的抗压强度；S是切入岩石的面积；m是钻头唇面上的合金数；n是加压系数，取1.15～1.25。合理地钻进压力与钻进速度的匹配可以减小钻孔偏移的程度。

2.4 钻进工艺

钻孔施工时，应咨询专业的机构，选择科学的钻进工艺，严格按照规程作业，这样不但可以消除安全隐患，强化抽放效果，还可以减小钻孔偏移。

2.5 设备及人员因素

消除设备及人员方面的因素应采用如下方法：1)定期更换设备配件，保证设备良好运行；2)选择牢固的地基锚固设备，避免设备晃动，班组之间交接时检查锚固设备，发现松动及时锚固；3)选择高精度的钻孔轨迹姿态仪，精确地确定钻孔的倾角、方位角及面向角，做好开孔消除钻孔偏移。

3 结语

煤矿井下钻孔施工时，钻孔轨迹偏离是个普遍现象，有时受某一个因素影响，有时受好几个因素共同作用，钻孔偏离的影响轻则不能达到抽放效果，重则产生钻孔空白带，产生消除突出危险死角，在后续作业时有巨大的突出风险，导致安全事故的发生；因此，对于钻孔偏离应引起足够的重视，并采取有效的方法进行消除。目前，治理此类问题最普遍的方法是首先要做好各项准备工作，最大限度地将钻孔轨迹偏移的程度减小；同时，采用钻孔轨迹测量仪实时或者跟踪测量钻孔轨迹，发现有偏离时及时补孔消除空白带，消除钻孔轨迹偏离带来的安全隐患，以实现安全生产。

[1] 石智军，胡少韵，姚宁平，等. 煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工新技术[M].北京：煤炭工业出版社，2008.

[2] 王扶志，张志强，宋小军.地质工程钻探工艺与技术[M].长沙：中南大学出版社，2008.

[3] 姚向荣，朱云辉.煤矿钻探工艺与安全[M].北京：冶金工业出版社，2012.

[4] 李贞杰，刘卫亮.液压钻进效率影响因素探讨[M].新技术新工艺，2015(2)：91-92.

[5] 马锁柱，张海秋. 钻探工程技术[M].郑州：黄河水利出版社，2009.

责任编辑马彤

Discussion on the Solution with Borehole Deviation Affecting Factors

FU Shuangling1,2

(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation Co., Ltd., Chongqing 400039, China)

Analyze and study the borehole deviation problem and its influence factors in the coal mine drilling construction. In construction of the coal mine drilling, the borehole trajectory deviation sometimes has a factor influence, but sometimes is by several factors together. The effects of borehole deviation light person can’t reach the drainage effect, or produce blank with drilling in the subsequent operations which have a huge highlight the risks and lead to safety accident. Through the proper solution, avoid the potential safety hazard of the borehole deviation, and supply the positive reference value for the coal mine safety production. This solution has the strong adaptability, at the same time has the certain model function to the geological drilling.

borehole deviation, borehole trajectory, geological conditions