半周期自修正防彎鉆具(XBZX)的研制與應(yīng)用

夏本玉， 孫 旭， 杜 亮， 丁風(fēng)柱， 祁洪巖， 王惠軍

(1.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四○一隊(duì)，遼寧 鞍山 114001; 2.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四○三隊(duì)，遼寧 鞍山 114018; 3.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，遼寧 鞍山 114038； 4.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局安全處，遼寧 鞍山 114038)

半周期自修正防彎鉆具(XBZX)的研制與應(yīng)用

夏本玉1， 孫 旭2， 杜 亮1， 丁風(fēng)柱1， 祁洪巖3， 王惠軍4

(1.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四○一隊(duì)，遼寧 鞍山 114001; 2.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四○三隊(duì)，遼寧 鞍山 114018; 3.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院，遼寧 鞍山 114038； 4.遼寧省冶金地質(zhì)勘查局安全處，遼寧 鞍山 114038)

針對深孔鉆探中鉆孔彎曲問題，研制了半周期自修正防彎鉆具(XBZX)。該鉆具采用杠桿工作原理，結(jié)構(gòu)簡單。經(jīng)過多個鉆孔應(yīng)用實(shí)踐證明，使用該鉆具能有效降低鉆孔彎曲，并且在許多造斜地層的鉆孔施工中取得了良好效果。

深孔鉆探；鉆孔彎曲；防彎鉆具

鉆孔彎曲率是衡量鉆孔質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，嚴(yán)重彎曲會導(dǎo)致鉆孔施工難度增大，造成孔內(nèi)事故。隨著地質(zhì)勘查程度的逐步提高，出露地表或埋藏較淺的礦體越來越少，為滿足社會需求，迫使地質(zhì)找礦工作逐步向更深方向拓展，深孔和超深孔施工越來越多，深孔施工很難保證終孔靶點(diǎn)位置精度，特別是鉆孔彎曲給深孔施工帶來巨大的困難，為此鉆孔防彎也就成為亟待解決的問題。因此，筆者研制了半周期自修正防彎鉆具(簡稱XBZX)。

1 鉆孔彎曲原因

1.1 地層原因造成鉆孔彎曲

(1)對于具有層理和片理構(gòu)造的巖石，在外力作用下，平行于片理作用和垂直片理作用，巖石表現(xiàn)出來的力學(xué)特性是不一致的，稱為巖石的各向異性。如片麻巖、片巖、頁巖等巖石，各向異性是鉆孔彎曲重要因素之一，平行于片理，巖石的抗外力性強(qiáng)，垂直于片理，巖石的抗外力性弱(如圖1所示)。

圖1 片巖的不同方向硬度不同

鉆具鉆頭以不同角度破碎巖石，會產(chǎn)生在方向上的鉆速差，鉆具產(chǎn)生偏斜力使鉆孔彎曲。一般來說，鉆孔軸線有垂直于巖層層面鉆進(jìn)的趨勢(俗稱“頂層進(jìn)”)。

(2)鉆具在穿過軟硬互層時，由于軟硬巖石抗外力性差距大，會產(chǎn)生鉆頭對巖石破碎速度差，使孔底產(chǎn)生不均勻破碎，造成鉆速差而產(chǎn)生偏斜力，引起鉆孔彎曲。如圖2(a)所示。

當(dāng)鉆頭由軟巖石進(jìn)入硬巖石時，鉆頭會產(chǎn)生向軟巖一側(cè)的偏斜力，鉆孔向軟巖一側(cè)彎曲趨勢(稱為“順層溜”)。當(dāng)鉆頭以圖2(b)的角度由軟巖進(jìn)入硬巖時，鉆孔有用“頂層進(jìn)”的彎曲趨勢，鉆具在偏斜力的作用下，使鉆孔向右側(cè)偏斜。

圖2 鉆孔由軟入硬時彎曲規(guī)律

此外，地層構(gòu)造等其它因素對鉆孔彎曲也有很大影響，如斷層、節(jié)理發(fā)育、地層松散破碎、溶洞等[1]。

1.2 鉆探施工工藝原因造成鉆孔彎曲

(1)鉆孔孔壁與鉆具之間的間隙，造成鉆具在孔內(nèi)傾斜，間隙越大，鉆具傾斜越嚴(yán)重，這樣致使鉆頭靠向孔底的一個側(cè)面，在軸向壓力作用下產(chǎn)生側(cè)向分力，形成偏斜力促使鉆孔彎曲。

(2)采用不合理的鉆進(jìn)參數(shù)，也是導(dǎo)致鉆孔彎曲的重要原因之一。鉆壓過大，會使孔內(nèi)鉆桿鉆具受壓，形成一處或多處S形彎曲，鉆具在孔內(nèi)傾斜產(chǎn)生偏斜力使鉆孔彎曲。轉(zhuǎn)速過高會增大鉆具離心力，加劇鉆具橫向振動，擴(kuò)大井壁；鉆進(jìn)地層較軟時，沖洗液流量過大，沖刷井壁也會使井壁間隙過大，這些都會造成鉆孔彎曲加快。

1.3 小結(jié)

不論是地質(zhì)條件導(dǎo)致鉆孔彎曲的客觀原因，還是由于鉆進(jìn)技術(shù)、工藝等方面造成鉆孔彎曲的主觀原因，都能歸結(jié)為鉆具、鉆頭因受到某種側(cè)向作用力，即有了偏斜力的作用，使鉆具向橫向面的一個方向產(chǎn)生位移的趨勢，造成了鉆孔彎曲。其彎曲強(qiáng)度一定與偏斜力的大小成正比，彎曲的方向與鉆具受到偏斜力的方向相同，所以鉆孔彎曲隨孔深呈空間彎曲，彎曲程度和方向是由偏斜力的大小和方向決定的，表現(xiàn)為頂角和方位角，隨孔深發(fā)生變化。

2 鉆孔彎曲的危害

(1)鉆孔彎曲若超出了地質(zhì)設(shè)計要求范圍，會嚴(yán)重影響地質(zhì)找礦成果，提供不準(zhǔn)確的地質(zhì)信息，如果鉆孔嚴(yán)重彎曲，就會造成因鉆孔質(zhì)量不合格報廢。所以，地質(zhì)巖心鉆探工程技術(shù)質(zhì)量要求中，對于鉆孔頂角、方位角最大允許彎曲程度進(jìn)行了特別規(guī)定。

(2)在鉆孔施工中，鉆孔彎曲會增加鉆具回轉(zhuǎn)阻力，壓力損失大，增加動力消耗；易發(fā)生鉆桿、鉆具折斷事故；在不穩(wěn)定地層中鉆進(jìn)，鉆具強(qiáng)烈敲擊、振動，會引起孔壁坍塌、掉塊，發(fā)生井內(nèi)事故；鉆孔孔內(nèi)情況復(fù)雜，發(fā)生事故不易處理；鉆孔彎曲后，鉆進(jìn)難度大，降低生產(chǎn)效率，增大工程成本；鉆孔因彎曲而達(dá)不到預(yù)計空間位置，不得不增加鉆孔深度，無形中增加了工作量；鉆孔嚴(yán)重彎曲會使鉆孔無法繼續(xù)施工，造成鉆探工作量報廢。

3 傳統(tǒng)鉆孔防彎措施及應(yīng)用現(xiàn)狀

預(yù)防鉆孔彎曲不僅是確保鉆探工程質(zhì)量的重要方面，也是保證安全鉆進(jìn)和提高效率的前提。鉆孔彎曲過大的危害，讓更多從業(yè)者苦不堪言，為此，也研究出很多防彎、糾斜措施，但是，從防彎效果和負(fù)面影響來看，都存在一些不盡人意的問題。

(1)改變鉆進(jìn)參數(shù)：減小鉆壓，減慢進(jìn)尺速度，能有效減小鉆孔彎曲。但是，犧牲了生產(chǎn)效率，增大了工程成本。

(2)在鉆具上加裝扶正器，導(dǎo)正孔內(nèi)鉆具，也是防彎常用方法，但需要備用多個型號的多個扶正器，增加工程成本。同時扶正器能阻礙沖洗液上返，增大泵壓；一旦發(fā)生鉆桿折斷、掉塊卡鉆、埋鉆等事故，很難處理。

(3)加長粗徑鉆具，增強(qiáng)鉆具的導(dǎo)向性和穩(wěn)定性，也可降低彎曲強(qiáng)度，但彎曲強(qiáng)度的降低，并不隨鉆具加長長度成比例降低，加長到一定長度后，防彎效果就不明顯了。

(4)增大鉆孔直徑，也就是增大鉆具剛性，對鉆孔彎曲有一定的減緩作用，但增加大口徑系列，就需增大鉆桿鉆具及套管直徑，增大工程成本，增大從業(yè)人員勞動強(qiáng)度，也降低了生產(chǎn)效率。

4 XBZX鉆具的設(shè)計目標(biāo)

(1)既具備普通鉆具的基本性能，又能在強(qiáng)造斜地層鉆進(jìn)過程中具備良好的鉆孔防彎能力，使鉆孔的彎曲強(qiáng)度大幅度下降。

(2)在造斜地層實(shí)施防彎鉆進(jìn)時，不影響進(jìn)尺效率，有效降低為防彎施工所增加的成本。

(3)能與鉆井施工用的傳統(tǒng)機(jī)器具直接配套使用，系列齊全，不再另行增加生產(chǎn)成本。

(4)以常規(guī)程序和常規(guī)鉆進(jìn)參數(shù)鉆進(jìn)，不增加操作人員額外的技術(shù)負(fù)擔(dān)，不會產(chǎn)生額外的鉆孔事故風(fēng)險。

5 XBZX鉆具結(jié)構(gòu)及防彎原理

5.1 結(jié)構(gòu)組成

XBZX鉆具結(jié)構(gòu)如圖3所示，鉆具由外管、擴(kuò)孔器、鉆頭組成。

圖3 XBZX鉆具結(jié)構(gòu)

外管上端焊有矩陣狀合金上偏心體1，外管中間焊有矩陣狀合金下反向偏心體2，偏心體1和偏心體2的偏心高點(diǎn)互成180°，其焊接采用特殊的焊接工藝，鉆頭和擴(kuò)孔器均為特殊的偏心設(shè)計。外管、鉆頭、擴(kuò)孔器之間和普通鉆具一樣，采用絲扣連接，連接絲扣也是采用特殊的加工工藝，以確保鉆具連接完成后，鉆頭、擴(kuò)孔器的偏心高點(diǎn)與偏心體1偏心高點(diǎn)均在同一條直線上。

5.2 防彎原理

正常情況下，鉆孔沒有彎曲呈直線鉆進(jìn)時，鉆具只受到壓力及扭矩作用，鉆具以自身軸線為中心旋轉(zhuǎn)，鉆頭正常向下鉆進(jìn)。當(dāng)鉆進(jìn)過程中遇到造斜地層，使鉆孔有彎曲趨勢時，鉆具在旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)，其受力是不同的，分為上半周和下半周。在上半周時如圖4所示。

鉆具下合金反向偏心體2的偏心高點(diǎn)G，頂在彎曲鉆孔的孔壁上，鉆具合金上偏心體1的偏心高點(diǎn)與反側(cè)的孔壁接觸，并受到來自該反側(cè)孔壁的作用力F1，此時鉆具相當(dāng)于一個杠桿，F(xiàn)1是杠桿的動力，支點(diǎn)是G，偏心鉆頭、偏心擴(kuò)孔器會對孔壁產(chǎn)生與F1相反方向的作用力F2，由于偏心鉆頭的偏心最高點(diǎn)也正處在鉆孔彎曲的反面孔壁上，作用力F2作用在鉆孔彎曲方向的反向巖石上，在磨削材料的作用下破碎鉆孔一個側(cè)面巖石，從而自動修正了鉆孔的彎曲，并且不影響鉆孔的延伸鉆進(jìn)。

圖4 稍有彎曲時上半周狀況

在鉆具旋轉(zhuǎn)到下半周時，如圖5所示。

圖5 稍有彎曲時下半周狀況

鉆具下合金反向偏心體2的偏心高點(diǎn)轉(zhuǎn)到鉆孔彎曲的空位，失去支點(diǎn)作用，而鉆具上合金偏心體1的偏心高點(diǎn)也轉(zhuǎn)到鉆孔彎曲的空位，孔壁對上偏心體1的作用力F1消失，偏心鉆頭的偏心最高點(diǎn)剛好轉(zhuǎn)到鉆孔彎曲方向，也正處在空位，其對巖石的作用力F2消失，因此，下半周沒有對鉆孔彎曲產(chǎn)生作用，只有偏心鉆頭的底唇面向下破碎巖石。

基于鉆具的特殊構(gòu)造，會在鉆孔有彎曲趨勢時，鉆具旋轉(zhuǎn)的每一個周期內(nèi)，都有半周期產(chǎn)生自修正的杠桿作用力F2，該作用力的方向與造成鉆孔彎曲趨勢的偏斜力方向相反，使其不斷地修正鉆孔彎曲，平衡巖層等原因施加給鉆頭的偏斜力，保持鉆孔軌跡呈直線狀態(tài)，防彎效果突出。

6 XBZX鉆具實(shí)際應(yīng)用效果

6.1 在遼寧省鞍山市齊大山鐵礦勘探中的應(yīng)用

齊大山鐵礦主礦體上盤分布千枚巖巖層，被遼河群和第四系不整合覆蓋，厚度超過300 m。根據(jù)其礦物相和變質(zhì)程度的不同可分為綠泥千枚巖、綠泥石化絹云母千枚巖和砂質(zhì)千枚巖等,呈綠色，細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，千枚狀構(gòu)造，組成礦物為綠泥石60%，石英20%，黑云母15%，長石5%，綠泥石呈鱗片狀集合體，細(xì)長鱗片平行定向排列，石英、長石、黑云母分布其中，粒徑均<0.1 mm。

該區(qū)地層總體產(chǎn)狀：走向350°～355°,傾向南西，傾角很陡，一般在75°～80°。在這種厚大千枚巖層鉆探施工，尤其是當(dāng)?shù)貙觾A向和傾角與鉆機(jī)鉆進(jìn)方向相近時，造成鉆孔偏離勘探線距離較大，此問題嚴(yán)重困擾本次勘查工程質(zhì)量及工作進(jìn)度。

2014年先后施工了多個鉆孔，其中使用常規(guī)鉆具與防彎鉆具的代表鉆孔情況如下。 (1) ZK2000-3號鉆孔,使用常規(guī)鉆具，鉆孔嚴(yán)重彎曲，致使鉆桿頻繁折斷，3次施工均未成功。該孔設(shè)計1200 m，最終選擇放棄，鉆孔彎曲參數(shù)見表1。

表1 ZK2000-3號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計

(2)ZK2200-1號鉆孔，采用常規(guī)鉆具施工未成孔，最后采用XBZX鉆具施工，成功終孔，彎曲參數(shù)見表2。

表2 ZK2200-1號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計

(3)ZK2000-1、ZK2600-1、ZK2000-2號三個鉆孔都使用XBZX鉆具，并順利終孔，孔斜數(shù)據(jù)見表3。

表3 ZK2000-1、ZK2600-1、ZK2000-2號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計

6.2 河北遷西金廠峪金礦勘探中的應(yīng)用

金廠峪金礦巖層為綠泥石片巖類：包括綠泥石石英片巖、綠泥石鈉長石石英片巖和絹云母綠泥石石英片巖等。綠—暗綠色，片理發(fā)育、片狀礦物以綠泥石為主，含量30%～60%之間，長石含量20%～40%，斜長石絹云母化強(qiáng)烈。石英波狀消光普遍，含量10%～30%。走向33°，傾向南東，傾角60°～70°。云母片巖類：包括綠泥石絹云母片巖、鈉長石英絹云母片巖和絹云母鈉長石石英片巖等。淺灰色—灰綠色，鱗片狀結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。片狀礦物以絹云母為主，含量20%～70%，呈層狀條帶狀分布，褶皺強(qiáng)烈，巖石含少量白云母、綠泥石等，鈉長石含量20%～40%，很少見到斜長石。石英變形非常明顯，沿片理定向拉長，帶狀消光。絹云母片巖含鈉長石、石英細(xì)脈、黃鐵礦及金多時構(gòu)成礦石的一種類型。走向20°，傾向南東，局部傾向北西，傾角60°～83°。

由于金廠峪礦區(qū)巖層的特性，2012—2014年施工的鉆孔彎曲情況一直較為嚴(yán)重，給施工帶來很多困難，因彎曲也影響鉆孔的質(zhì)量。2014年在金廠峪金礦施工中，同一場地不同角度的2個鉆孔，其中ZK5503號鉆孔使用常規(guī)鉆具施工，ZK5504號鉆孔使用XBZX鉆具施工，鉆孔彎曲數(shù)據(jù)對比見表4。

表4 ZK5503、ZK5504號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計

6.3 在鞍山羊草莊鐵礦勘探中的應(yīng)用

羊草莊鐵礦礦區(qū)離鞍山齊大山鐵礦很近，巖層結(jié)構(gòu)與齊大山相似，區(qū)別是鐵礦礦體很深，見礦在1200 m以深，千枚巖覆蓋從80～1200 m并且較軟，構(gòu)造多于齊大山并且構(gòu)造都很長。2009—2011年在此施工的鉆孔因彎曲原因報廢很多工作量。如ZK001號鉆孔，施工820 m，方位彎曲155°，平均每百米彎曲18.9°，該孔經(jīng)多次施工都因彎曲失敗。2015年施工的ZK801鉆孔，在不同孔段分別采用常規(guī)鉆具和XBZX鉆具，其具體彎曲指標(biāo)見表5，該孔頂角彎曲很小，全孔最大偏差6.2°。

山東省威?；A(chǔ)工程公司施工的ZK702號鉆孔，在不同孔段分別采用常規(guī)鉆具和XBZX鉆具，其鉆孔彎曲數(shù)據(jù)對比見表6，該孔開孔方位60°，頂角5°。

表5 ZK801號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計

表6 ZK702號鉆孔彎曲參數(shù)統(tǒng)計表

6.4 在遼寧省地?zé)徙@孔施工中的應(yīng)用

2016年，遼寧省第八地質(zhì)大隊(duì)在本溪南芬和鳳城賽馬施工該單位的高精度地?zé)徙@孔，設(shè)計孔深1800 m，要求頂角彎曲<4°/km，該單位使用了XBZX防彎鉆具，取得了良好的應(yīng)用效果，本產(chǎn)品受到該用戶好評。

7 XBZX鉆具的應(yīng)用要點(diǎn)

(1)XBZX鉆具適用于各種地層的鉆井回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，但在較軟的四季層、2級硬度以下的軟巖層、破碎的構(gòu)造帶斷裂帶防彎效果不良，相當(dāng)于普通鉆具。XBZX鉆具也不適用鋼粒鉆進(jìn)和沖擊鉆進(jìn)。

(2)XBZX鉆具與常規(guī)鉆具相比，使用XBZX鉆具形成鉆孔孔徑比常規(guī)鉆孔孔徑稍大一點(diǎn)，巖心外徑稍小一點(diǎn)，差值一般<1 mm。在弱造斜地層鉆進(jìn)和常規(guī)鉆具一樣，沒有其它影響，鉆孔的彎曲率會更小。

(3)XBZX鉆具與常規(guī)鉆具差異很小，適配性非常好，各種系列型號均可生產(chǎn)。只要提供鉆具外管上扣參數(shù)，外管內(nèi)外徑及長度，生產(chǎn)后均能與機(jī)場原有的器具配套使用(包括鉆桿、變徑、內(nèi)管總成等)。但易損耗品卡簧、鉆頭及擴(kuò)孔器特殊，需專門配產(chǎn)。

(4)XBZX鉆具使用注意事項(xiàng)。

①注意檢查上偏心體和鉆頭(包括擴(kuò)孔器)的高點(diǎn)相位，生產(chǎn)時都給了定位標(biāo)記，相差太大要及時調(diào)整。可在上鉆時嚴(yán)格檢查。

②要經(jīng)常檢查上下偏心體和鉆頭的磨損情況，這些部位都給出了偏心量數(shù)值，如發(fā)現(xiàn)磨損過大，要及時更換。這些部位的尺寸要求非常關(guān)鍵，XBZX鉆具對鉆孔彎曲的修正效果，完全取決于這幾個偏心部位的偏心量，磨損太大就失去特有的防彎作用。

③要經(jīng)常檢查鉆具外管的彎曲情況，如發(fā)現(xiàn)彎曲要及時處理或更換。這種鉆具外管較易彎曲，原因是在自修正過程中，鉆具每旋轉(zhuǎn)一周，就要承受一次彎曲應(yīng)力，時間長了鉆具外管會疲勞彎曲，彎曲后同樣會失去防彎性能。

④在鉆進(jìn)過程中，當(dāng)聽到孔內(nèi)修正的振動噪聲時，要適當(dāng)減小鉆進(jìn)壓力，能夠提高修正鉆孔的速度，稍降低一點(diǎn)鉆速，以取得更好的防彎效果。但在較軟巖層中鉆進(jìn)，不要減小鉆壓，快速進(jìn)尺以防偏心體擴(kuò)大井徑。

8 結(jié)語

多個工程的應(yīng)用實(shí)踐證明， XBZX鉆具具有減小鉆孔彎曲強(qiáng)度的特點(diǎn)，技術(shù)成果已獲國家發(fā)明專利(專利號：201420696495.1)，有一定的推廣價值。但該成果還有很大的完善空間，諸如偏心體的偏心量選擇，偏心體的長度及位置，鉆具長度和剛性的關(guān)系等，提高這些參數(shù)的合理性，并逐步優(yōu)化，將會更好地發(fā)揮該鉆具的防彎作用。

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Development and Application of Half-period Self-correction Deviation Prevention Drilling Tool/

XIABen-yu1,SUNXu2,DULiang1,DINGFeng-zhu1,QIHong-yan3,WANGHui-jun4

(1.401 Team of Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan Liaoning 114001, China; 2.403 Team of Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan Liaoning 114018, China; 3.The Geology Exploration Research Institute of Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan Liaoning 114038, China; 4.Security Service of Metallurgical Geology Exploration Bureau of Liaoning Province, Anshan Liaoning 114038, China)

Half-period self-correction deviation prevention drilling tool is developed aiming at the borehole deviation in deep hole drilling, which has simple structure based on level principle. It has been proved by the application in several boreholes that this drilling tool can effectively reduce the boreholes bending; and good results have been achieved in many easily inclined formations drilling construction.

deep hole drilling; borehole deviation; deviation prevention drilling tool

2016-11-30；

2017-03-29

夏本玉，男，滿族，1964年生，副經(jīng)理，工程師，探礦工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)研究及工程施工等相關(guān)工作,遼寧省鞍山市鐵東區(qū)五一路60號，1014676547@qq.com。

P634.7

A

1672-7428(2017)04-0039-05