煤矿井下施工钻孔偏斜原因分析和对策

【摘要】煤矿工程井下施工的过程中，钻孔作业是其中的一个必要环节，钻孔过程中必须要防止钻孔出现偏斜问题。本文将从以下几个方面来具体分析煤矿井下施工钻孔偏斜的原因，并提出解决的对策。以期能够提高煤矿井下作业施工水平。

【关键词】煤矿；井下施工；钻孔；偏斜；对策

中图分类号：X752文献标识码： A

一、前言

煤矿井下施工环节中，一旦钻孔出现了偏斜，就会直接影响煤矿工程后期的施工进度，无法保证煤矿井下施工的质量，因此，必须要重视煤矿井下施工钻孔偏斜问题。

二、钻孔偏斜概念分析

钻孔的施工过程中的实际空间位置偏离设计空间位置，即偏离设计轴线，称之为钻孔偏斜或孔斜。

钻孔空间形态三要素：钻孔深度、钻孔的顶角（或倾角）及钻孔方位角决定了钻孔在地下空间的位置，这三个因素称钻孔空间形态三要素。

孔斜的条件：钻孔发生偏斜的根本原因是粗径钻具在孔内歪倒，其轴线偏离钻孔轴线。而能使其歪倒的条件主要是：孔壁间隙大，为它提供空间条件；同时还要有倾倒力矩为它提供歪倒动力，再就是一个固定的歪倒方向。

孔斜过大,会使整个钻孔偏离设计位置,内偏、外偏或使相邻孔间距较大,影响冻结效果和质量。在偏斜的钻孔内,钻柱易靠在井壁的一侧。旋转时发生严重摩擦,在孔斜突变段钻杆弯曲易使钻杆磨损和发生疲劳折断,也可能造成井壁坍塌或键槽卡钻等事故。会造成下冻结管或套管困难,同时下入的管材不易居中,这往往使冻结管受力不均匀,容易产生断管事故发生。

三、钻孔偏斜原因分析

1、地质条件因素

(一)钻进在较松软的煤或岩层时,松软层越厚,越容易改变钻孔的方向。

(二)在软硬交替的岩石中钻进,可钻性不同的岩层会产生不同的钻进速度,从而改变钻头的钻进方向。

(三)在破碎较严重的岩层中钻进,钻具在钻进方向上不容易被控制,钻头容易改变方向。

(四)在砾石层中钻进,因砾石比较圆滑对钻头产生偏滑作用,形成不均衡的阻力,易改变钻头前进方向,钻孔最容易偏斜。

(五)在遇到溶蚀孔洞、大断裂带或老空洞等情况时,也会产生钻孔的偏斜。

2、施工技术条件因素

(一)在开孔钻进中,因钻孔方位、倾角校放的不是很准确。造成钻机立轴与钻孔不在同一条中心线上造成钻孔的偏斜。

(二)开孔时立轴内的钻杆过长,立轴筒磨损间隙较大,容易使立轴产生较大的摆动,直接影响钻头在孔底钻进时的稳定性。

(三)使用了弯曲的岩心管、接首、钻杆等,都会使钻具连接后不正,导致钻孔歪斜。

(四)在扩孔钻进中,因孔内各处的硬度、孔径大小不一致,钻头可在钻孔内左右移动,靠向孔内一侧,使受压弯曲的钻杆挠度加大,钻头轴线与钻孔的轴线不重合,不能和钻进方向保持一致。

3、钻机具的操作组合方法不当因素

(一)钻机、钻具的组合使用不当。不能根据钻孔岩性和使用钻机的特点合理配置钻机和组合钻具。

(二)钻进施工时,误操作或钻机加压过大,导致钻杆产生严重的弯曲。

(三)在松散或较破碎的煤层或岩层中钻进,使用的冲洗液量过大,会较严重地破坏孔壁,造成孔内局部的塌孔,至使孔径无故扩大。加压钻进时,钻杆有弯曲空间,钻孔易产生偏斜。

四、预防钻孔偏斜的措施和对策

控制钻孔钻进方向,使之不发生严重偏斜,采用何种防斜措施和对策,都必须把钻孔偏斜的3个方面的主要因素结合在一起,全面加以考虑。

1、预防钻孔偏斜的措施

（一）钻机的安装要平稳牢固,立轴中心与钻孔中心应在同一条直线上,并按要求的钻孔方位、倾角开孔施工。在条件允许的情况下,最好先在施工钻场打好水泥基础地坪,下好钻机固定螺丝。施工中还要打好压车柱或固定地锚。严防施工中钻机四处移动造成孔斜。

（二）采用满眼组合钻具,让钻具始终保持在孔内中心的位置。

（三）孔口管必须锚紧牢固,在开孔钻进中,立轴上的钻杆不能太长,否则钻进时立轴上下摆动幅度会较大。

（四）使用正规厂家生产的钻机、钻具,上下钻具前要认真检查钻具,发现钻杆有弯曲或有磨损较严重的应及时更换。

（五）钻进施工时,注意钻压的调整,不要过量加压,严防钻杆打弯。

（六）钻进施工中,当岩石由软变硬或由硬变软时,或者是由完整变破碎,破碎变完整等情况,均应减压减速钻进,并对冲洗液的流量加以适当的控制。

（七）钻进施工中,钻机司机应时刻注意检查,钻机在跑道上有无移动,立轴钻进的倾角有无变化,发现问题时应及时处理。

2、钻孔偏斜的对策

（一）岩芯管慢速开孔法

要想保证施工钻孔的施工精度,确保钻孔不偏不斜,就要求开孔时,要使用岩芯管慢速开孔,每进0.5cm就要用仪器校对一下钻孔方位和倾角,发现问题及时矫正。直到孔内能够加上导向钻具为止。

（二）使用组合钻具法

钻孔较深时,为防止钻孔偏斜的事故发生,必须使用满眼组合钻具或钟摆纠偏组合钻具,让钻具始终保持在孔内处于居中的位置,使整个钻具达到了满、刚、直及防偏斜的要求和目的。

（三）扩孔纠偏法

施工浅孔中(一般5~10m)在钻孔已偏斜严重的情况下。采取加长粗径钻具,使用比原钻具直径至少大一级的钻具,从孔口管底部位置扩下去。以矫正钻孔的方向。

（四）加长粗径钻具控制法

一般情况下,加长后的粗径钻具应不小于原钻具的2倍。加长粗径钻具后,无疑会增大孔壁对整个粗径钻具按原方向继续钻进的控制力,使原有的钻孔斜度不再继续扩大,从而达到控制孔斜的目的。

五、针对不同地层的钻进工法

1．黏土层的钻进工法

黏土层钻进阻力小，吸附性强，不易脱落。据此动力头转矩不宜过大，控制液压手柄低速钻进。钻进时不加压或点加压，依靠钻杆自重进尺，一次进尺量由钻头直径决定。如果黏土的吸附力太强，导致钻渣不能倒出，可采用快速正反转动力头甩动使黏土脱离钻斗，或快速插入泥里造成局部真空使黏土吸出。黏土层钻进，最容易出现的问题是钻斗打滑缩径及倒土困难。施工时，钻孔速度不宜过快。

2．沙层的钻进工法

沙层特别是中粗沙层，地层没有胶结性，比较粗散，在泥浆中容易被稀释，钻进时阻力较大。为了提高钻进效率，动力头钻进中能发出最大转矩，钻进时应保持持续加压，不要强行加压。当动力头达到经验压力值时，应该提钻并进行第二回次钻进。

沙层钻进，最容易出现的问题是埋钻和塌孔，特别是遇到流沙层，极容易产生塌孔，严重时会造成钻机倾翻。

3．卵石层的钻进工法

卵石属岩石地层，有一定的胶结性，进尺靠钻齿旋转切入卵石间胶结缝隙切起卵石颗粒装进钻斗。钻进该层时，要持续保持大压力加压，以提供最大转矩，快速加压钻进到不能进尺为止。提钻倒渣，开始第二回次钻进。卵石地层比较复杂，在此层位内经常发生不可预料的情况，在施工中应格外小心。

4．强风化岩石的钻进工法

强风化地层上层软，类似黏土。钻进时采用点加压，动力头转矩不要超过中等压力值，没有较大进尺时就提钻开始第二回次钻进，一般在此地层每次可进30-40cm。下层较硬，接近中风化。

六、塔式钻具的应用

塔式钻具目前是国内外广泛使用的一种防斜钻具。实践证明,塔式钻具钻出的井眼比较规则,井斜变化率不大,对于井径易扩大的地层特别有效(如松软地层、盐岩层等)。近年来我国超深井也倾向于使用塔式钻具,如在四川龙女6000m超深井使用的塔式钻具,在3000m以内的钻孔段井斜最大为1°45′,3000～4210m钻孔段井斜最大为1°,效果很好。使用塔式钻具,关键在于下部钻具的重量大、重心低。钻铤柱的重心要低于全部钻铤长度的1/3,所用钻压应控制在全部钻铤重量的75%～80%以内,以防止由于钻压过大使上部钻铤和钻具严重弯曲而造成孔斜的横向力。此外,使用塔式钻具时,要注意环形间隙较小,循环钻井液时泵压高,转盘负荷可能增大,钻头易泥包以及在易坍地层卡钻等问题。塔式钻具常用钻具结构为Φ190钻头+Φ178mm钻铤×6根+Φ165mm×4根+Φ146mm×2根+Φ114mm钻杆或Φ89mm钻杆。

七、人员对设备的操作

人员对设备的操作是控制钻孔偏移一个重要因素，既然钻杆实际中轴线和理论中轴线不完全重合及钻杆间隙动差是存在的，要想降低钻杆偏移量，只有降低垂直于轴线的分力大小。这就要求操作人员一方面要充分掌握作业现场的地质岩石的性质；另一方面要了解操作设备的性能和钻杆旋转情况，严格控制钻杆钻进的速度，在施工时要保持匀速施工，当遇到岩石强度发生变化时，及时调整钻杆的旋转速度，做到多磨少进，提高钻孔的合格率。

八、结束语

综上所述，在煤矿井下施工过程中，煤矿企业必须要把握钻孔的流程和工艺，在此基础上，优选钻孔的机械设备，严格控制钻孔作业的技术，同时，要不断提高钻孔施工人员的素质，保证煤矿井下施工钻孔的质量和安全。

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