徐向东

摘要：大直径瓦斯抽放钻孔、电缆孔、通风孔、下料孔等特殊工程钻孔在煤矿安全生产中越来越广泛的应用，这些钻孔一般对落点要求严格，必须打到指定位置。防止钻孔弯曲的主要手段是通过限制钻进过程中钻具弯曲实现的，钻具弯曲的原因主要为钻具的挠曲变形，通过分析扶正器的位置对挠曲变形的影响，从而正确设置防斜钻具组合中扶正器位置，并通过正确选择扶正器的直径及外形，已达到钻孔保直的效果。

Abstract： Large-diameter gas drainage drilling， cable holes， ventilation holes， blanking holes and other special engineering drilling are more and more widely used in coal mine safety production. These drilling holes are generally required to meet the drop point and must be hit to the designated position. The main means to prevent the bending of the borehole is to limit the bending of the drill during the drilling process. The reason for the bending of the drill is mainly the deflection of the drill. By analyzing the influence of the position of the centralizer on the flexural deformation， the correct position of the centralizer in the anti-slanting drill assembly is set， and the diameter and shape of the centralizer are correctly selected to achieve the effect of drilling straightening.

关键词：挠曲变形；半波长；填满钻具；扶正器；保直

Key words： flexural deformation；half wavelength；filling of drilling tools；centralizer；keep straight

中图分类号：TE243 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）33-0136-02

0 引言

大直径瓦斯抽放钻孔、电缆孔、通风孔、下料孔等特殊工程钻孔在煤矿安全生产中越来越广泛的应用，大直径钻孔过程中，出现钻孔弯曲的因素是多种多样的。主要有地质因素和钻进工艺技术因素，本文主要从钻具的挠曲变形对钻孔孔斜的影响，以及正确设置防斜钻具组合中扶正器位置和选择扶正器的直径及外形，从而达到控制钻具的弹性弯曲，实现钻孔保直的效果。

1 鉆孔弯曲的原因

钻孔弯曲发生于钻探工艺过程的每一个环节，每一道工序、每一种方法。归其产生的原因主要为：地质构造因素、钻进方法、不合理的钻具结构、人为操作等方面的原因。

1.1 地质原因

由于岩石的软硬不均匀，层次的变换频繁及岩层倾角的大小、地质构造复杂等因素的存在，在钻进过程中造成钻头上每个切削具之间的压力差、岩石对钻头不同部位的不同反作用力、钻具回转不稳定等原因，而引起钻孔弯曲。

1.2 钻孔弯曲的钻探工艺因素

设备安装不合格：钻机安装要求周正、稳固，主轴中心线垂直于平面钻孔位置。如果安装不符合要求，开孔时主轴线与钻孔中心线之间有一定的交角，就会形成先天性的钻孔弯曲。

开孔钻进是在设备安装的基础上进行的。要保证立轴不摆动，立轴成轴向转动，使钻具不产生半波弯曲。

钻具结构是否合理，对于钻孔弯曲是个关键性的问题，从开孔到终孔都不容忽视。要想使钻进沿着一条比较靠近的直线延深，必须有一个先决条件，那就是保证钻具必须保持轴向转动。如果发生环向转动钻孔将产生弯曲。

给压方式不同，对钻孔的弯曲也有一定的影响。压力要根据钻具结构和钻具的直径、长度、刚度来确定。压力过大，由于作用力与反作用力的关系，使钻具发生半波弯曲，钻压越大，半波弯曲越大，使轴向转动很不稳定，钻头产生微量错动，而引起一定的弯曲度。正常的给压方式应当是从开孔钻进一直到钻具重量达到所需压力重量之前，不采取外加压力的方式，要靠钻具自重加压。当钻具重量超过所需要压力时，立即进行减压钻进，消除外加压力产生的半波影响。

钻孔弯曲的原因很多，有客观的地质因素，也有人为的技术及工艺因素，有时是多种因素的综合，情况通常非常复杂。但是如能重视它、认识它、掌握它、利用它的规律，采取有效的防斜措施，钻孔弯曲是可以控制的。

2 钻柱半波长

孔内钻柱在轴下压力作用下发生弹性弯曲，下部受压最大、弯曲最甚。根据萨尔基索夫半波长公式可知，半波长为以钻柱中心线和钻孔的轴线相交两点之间的一段纵向长度。所以可采用如下方法确定钻柱半波长：在钻柱一端安装固定支架，另一端安装活动支架，移动活动支架，使钻柱自然弯曲，当钻柱下部弯曲度达钻孔半径时，两个支架之间的距离即为钻具波长，其1/2为半波长，如图1所示。

3 钻具弹性弯曲的原因

井内钻具在未加压之前是保持垂直状态的，它只是在有井斜的井中由于重力作用垂靠在井身底侧。

为了钻进的目的，施加一定钻压给钻头。钻压是钻具所受轴向力及钻具的自身重量产生的。由于钻具的直径远较它的长度小的多，它属于细长柱。对于这样的细长柱加压到某一数值时，钻具将由于丧失稳定而弯曲。由于弯曲的挠度受到井壁的限制不能无限的增大，所以当钻压继续增加时，则会出现二次、三次或更多次的弯曲。这种弯曲在旋转作用下成为钻具切削孔壁的重要决定因素，因而钻进过程中在综合应力作用下，造成钻孔的偏斜。

4 扶正器位置的确定

为了保证钻柱在钻进过程中的直线状态，通常采用填满钻具钻进，填满钻具是把两个或两个以上扶正器加在适当位置，是整个下部钻具刚性增强保持直线工作状态的钻具组合，它是限制钻具弯曲、保证有小的井斜变化率的有效方法。因为钻具扶正器加设位置不同，控制钻具的挠曲变形也不同，达到控制孔斜的效果也不同。钻具在旋转钻进时，由于下部钻具受有钻头与地层、钻具及井壁和冲洗液间反扭矩的作用弯曲最甚，我们在大量的施工实践中总结出，要很好地控制孔斜，主要是要设置好靠近钻头20m范围内钻具上3个以上扶正器的组合和位置，在几个扶正器中，起主要作用的是靠近钻头的前2个扶正器，距离钻头较远的几个扶正器的主要作用是平衡上部钻具的弯曲应力。

钻进中的保直就是确保填满钻具的中心线与钻孔的中心线重合，要求所加设的扶正器间距都要小于半波长，并且越靠近钻头的扶正器间距要求越小，以克服钻柱因受自重而产生弯曲变形的影响。图2为保直钻进时扶正器的常规设置方法。

5 扶正器的直径的选择

扶正器与钻头的直径差值直接影响填满钻具的使用效果。扶正器与钻头的直径差值偏大，则扶正器失去应有的最好作用，钻柱仍会弯曲；扶正器与钻头的直径差值偏小，会造成孔内复杂情况，引起孔内事故。所以应根据情况选择适当的直径差值。通常我们采取靠近钻头的扶正器和中间扶正器外径与钻头外径的差值不大于3mm；上扶正器与钻头直径的差值不大于6mm。考虑到井径及地层等因素，在较小井径时扶正器与钻头的直径差值选小些，在较大井径时扶正器与钻头的直径差值选大些；在硬地层中扶正器与钻头的直径差值选小些，在软地层中扶正器与钻头的直径差值选大些。同时，在钻进施工中要经常检查扶正器的磨损情况，发现磨损超限情况要及时更换或修复。

在扶正器的选用和加工时，还应考虑扶正器的合理断面和使用寿命，以保证扶正器处有足够的井液上返空间，防止造成卡钻事故。通常情况可采用采用直线状或螺旋状加耐磨材料肋条扶正器。螺旋状加耐磨材料肋条扶正器使用效果更好。

6 填滿钻具的合理使用

填满钻具的使用为加大钻压提高钻速并得到好的井身质量创造了条件。但其的使用也存在一定的局限性，应在日常施工应用过程中做好以下几个方面：①当选择了一定直径的扶正器并将其放在了适当位置后，还应该进行在这种情况下可以施加的最大压力计算。压力可按欧拉公式计算。不能盲目加大压力，否则可能导致出现恶果。②扶正器在孔内随钻柱旋转因而对孔壁产生一定的摩擦和切削作用，所以特别松软地层、煤层钻进时不适宜中加设扶正器。③填满钻具外环空间小，钻进过程中必须防止孔内卡钻、埋钻等事故。为此，除在特别松软地层、易坍塌地层钻进时要谨慎使用外，很重要的是选用优质泥浆，保持井孔内干净。④使用填满钻具钻进中发生井斜超限，可以暂时换用钟摆钻具钻进，是井斜角回到规定范围后再换用填满钻具划眼到井底后钻进。⑤钻进工艺参数等因素同样对钻斜有一定的影响，通常情况下，钻压越大，孔越易斜，尤其在易斜地层更是这样，钻压小孔斜度相对也小。正常的给压方式应当是从开孔钻进一直到钻具重量达到所需压力之前，不采取外加压力的方式，要靠钻具自重加压。当钻具重量超过所需压力时，立即进行减压钻进，消除外加压力产生的的半波影响。减少软硬岩层互换时的钻速差，控制孔斜的递增幅度，达到预防孔斜的目的。

7 结语

随着井孔井径的增大，增加了受压弯曲钻具的弯曲挠度，由此造成钻具合成应力的大大增加和钻头、钻具工作状态的变坏，这将造成更多的工程事故和质量问题。选用适当的扶正器组成填满钻具和相应改善其它钻进工艺将是防止这些问题的有效措施。填满钻具的使用为提高钻井质量和效益创造了条件。

参考文献：

[l]王达，何远信等编著.地质钻探手册[M].长沙：中南大学出版社，2014，6.

[2]田健等编著.材料力学[M].北京：中国石化出版社，2006，1.

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