工程钻孔弯曲的原因及危害探究

形成钻孔弯曲条件的原因或因素大致可分为3类，即地质、技术和工艺因素。

1）地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层。地质因素是客观存在的，只能通过工艺技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用。

（1）岩石的各向异性。

某些具有层理、片理等构造特征的岩石可钻性具有明显的各向异性。如图10-3（a）所示，由于岩石垂直于岩层方向的压入硬度最低，所以钻头在该方向的岩石破碎效率最高，而平行于层理方向的效率最低。因此，在倾斜岩层中钻进时极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲（俗称“顶层进”）。

同时，钻头在岩层片理和层理的作用下，产生偏离钻孔中心的旋转，也是造成孔斜的重要原因。如图10-3（b）所示，当钻头顺时针方向旋转并与岩层斜交时，切削具在孔底A、B两点处所遇回转阻力不同。位于A点的切削具开始进入逆层，切削阻力P也逐渐增大，直到A'点达到最大值P'；而B点的切削具开始进入顺层切削状态，切削阻力N也逐渐减小，直到B'达到最小值N'。因此，由B到B'点切削具破碎岩石的速度更高，这时图中的A'点可看作是钻头回转的瞬心，即钻孔轴线有沿F方向的偏移趋势。

图10-3　在各向异性岩层中钻进示意图

钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。所谓钻孔遇层角就是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角。当遇层角约为45°时，钻孔弯强最大。岩石的各向异性越强，则钻孔弯强也越大。

（2）软硬互层和存在着硬夹层。

钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，从软岩进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻力的不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；而从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。但由于上方孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原来的方向；钻孔通过硬岩进入软岩又从软岩进入硬岩时，最终还是沿层面法线方向延伸。

如图10-4所示，钻头以锐角穿过软硬岩层界面时，孔底软、硬岩层对钻头底唇的反作用力是不同的。软岩反作用力小，硬岩反作用力大。因而产生了一个作用于钻头底唇的倾倒力矩，使粗径钻具在孔内偏倒。对力矩元微分方程求积分（推导过程从略）可求出全面钻头上的倾倒力矩Mc：

图10-4　全面钻头底唇阻力的分布及倾倒力矩计算图

式中：σB、σA——硬、软岩的抗压入阻力，N/m2；

R——全面钻头半径，m；

ζ——孔底软、硬岩层接触面的x坐标，m。

同理可以求出作用于取心钻头底唇上的倾倒力矩：

式中：R1、R2——钻头的外、内径，m；

λ——系数，ζ＜R2时，λ=1；ζ＞R2时，λ=0。

式（10-9）、式（10-10）表明：Mc、M0与软、硬岩层的阻力差成正比。当ζ=0时，软、硬岩层界面通过钻头中心，有最大值。

除上述地质因素的影响以外，钻进含有卵石、砾石或漂石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，钻孔往往朝着容易通过的方向偏斜。此时顶角和方位角的弯曲无一定的规律。钻孔遇到大裂隙、交角又不大时，孔身往往沿裂隙面的方向延伸。斜孔穿过较厚的松散岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋于下垂。

2）技术因素

技术因素具有人为性质，一般可以避免。属于技术因素的有设备安装、钻具的结构和尺寸等。

（1）设备安装。

钻机基础不平，立轴安装不正确，未下孔口管或孔口管方向不合要求，都会使钻孔偏离设计轨迹。这些因素主要是在开始阶段起作用，但钻孔开始的弯斜会给以后的钻孔偏斜留下严重的影响。

（2）粗径钻具的刚度。

粗径钻具直径较小而长度过长，则刚度可能不足，因而会失稳而弯曲。粗径钻具的临界长度按下式计算：

式中：P——轴向压力，N；

E——钢的弹性模量，Pa；

J——粗径钻具截面的轴惯性矩，m4；

K——动载系数，K=0.6～0.8。

钻具刚度还与有无螺纹接头有关。在钻具结构中接头越多，强度越小，则粗径钻具越容易失去直线形态。若粗径钻具弯曲，即使孔壁间隙不大也可能使钻孔产生较大的弯曲。

（3）粗径钻具的长度和孔壁间隙。

孔壁间隙通常指的是粗径钻具外径与孔径间的间隙。若粗径钻具在钻孔中偏倒，则粗径钻具在孔内的偏倒角δ（图10-5）为：

图10-5　使钻具在垂直钻孔内偏斜的作用力示意图

式中：Dc——孔径，mm；

D1、D——岩心管直径及钻头直径，mm；

L——粗径钻具长度，m。

显然，孔壁间隙增大或粗径钻具减短，都会引起偏倒角增加，从而使钻孔弯曲强度增大。如采用肋骨钻头、外出刃大的钻头、过分磨钝的钻头都会增大孔壁间隙。如果使用刚度不好，甚至偏心、弯曲的钻杆也容易增大孔壁间隙。

（4）钻具的组成。(www.xing528.com)

钻具组成指的是钻杆柱、异径接头、岩心管及钻头等的尺寸级配。

在岩心钻探中，由于粗径钻具的外径比钻杆外径大，又由第5章得知，钻杆柱在孔内工作时，往往是弯曲的。这样粗径钻具上部将起支点作用，有这个支点存在，就一定会产生使钻具围绕该支点转动的力矩，从而产生把钻具下端压向孔壁的偏斜力N。

在垂直钻孔中，偏斜力取决于作用在力臂OA上的力（图10-5）：

式中：G1——轴载的分力，N；

Q1——钻具自重的分力，N；

Pa——离心力，N。

计算出这些数值后，可以求得力P：

式中：G0——轴载，N；

Q——钻具质量，kg；

δ——钻具偏倒角，（°）；

q——钻杆柱单位长度的质量，kg/m；

l0——弯曲钻杆的半波长度，m；

n——钻具转速，r/min。

钻具下端在B点压向孔壁的力为（推导从略）：

式中符号意义同前。

由式（10-15）可知：粗径钻具l越短，钻杆柱单位长度质量q、钻具质量Q（若减压钻进只计受压部分质量）、钻孔和钻杆的直径差（Dc-d）、轴载G0、转速n越大，以及钻具刚度越小，则偏斜力N的数值就越大。可见，在垂直钻孔中，若钻具为公转，钻具偏斜力N的作用在任何方向都是一样的，不会导致钻孔弯曲；若自转则会导致钻孔弯曲。

在斜孔中，偏斜力还与顶角θ、钻具在孔内回转时的位置有关。若粗径钻具的质量Qc不大，则在上帮方向的N力最大，下帮方向次之，侧向不大。这常常会导致钻孔上漂。若此时钻具为自转，向上漂的弯曲强度更大。如果粗径钻具质量Qc很大，则G1的作用增大，于是钻具开始较快地破碎钻孔下帮。钻孔上漂减缓或开始向顶角减小方向弯曲。因此，钻具的组成，特别是支点以下部分的组成，会影响钻孔的轨迹。

（5）钻头唇部形状。

当钻进各向异性岩石且遇层角为锐角时，钻头唇部形状会影响钻孔弯曲的方向及弯曲强度。

①如图10-6（a）、（b）所示，当钻头唇部为平底形或圆形、椭圆形时，由于钻头唇部径向对应部位上孔底岩石的破碎难易程度有差异，使钻孔轨迹向碎岩最小阻力方向偏移，即仍是呈现“顶层进”的趋势。同时，该过程随着椭圆度的增大而加剧，因为钻孔向碎岩阻力最小的侧向破碎加快了。

②若钻头唇部为外锥形式，如图10-6（c）所示，则在孔底径向对应部位上各向异性岩石的阻力是不同的。因为钻头唇面右边部分破岩阻力小，进尺较快，而在左边部分破岩阻力大。因此，有一翻转力矩M0作用在钻头上，使钻孔有向左偏斜的趋势。

③如果钻具唇部为内锥形，如图10-6（d）所示，则孔底左边破岩阻力小，破碎较为强烈，钻孔有向右偏斜的趋势。

显然，在各向异性岩石中使用内锥形或半球形唇面的钻头钻进时弯强最大。使用平面形唇面钻头钻进时，钻孔弯强较小。

3）工艺因素

工艺因素基本上是主观方面的因素，可以采取各种措施加以限制。

（1）钻进方法。

不同的钻进方法的碎岩特点导致不同的孔壁间隙。钢粒钻进孔壁间隙很大；硬合金钻进中等；金刚石（含PDC）钻进孔壁间隙最小。因此，钢粒钻进时孔斜最大，硬合金钻进次之，金刚石钻进（在钻具刚度足够时）最小。冲击回转钻进以冲击和回转共同作用破碎岩石，采用的轴向压力和转速较低，故钻孔的弯曲强度较小。

图10-6　在各向异性岩石中钻进时钻孔弯曲与钻头唇部形状的关系示意图

（2）钻进规程参数。

钻压过大（尤其是硬岩钻进中），会引起钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角可能达最大值，并且钻具的回转摩擦阻力也增加，钻具自转几率增加，此时钻具倾斜面稳定，从而导致钻孔弯曲。

转速过高，钻杆柱离心力增大，从而加剧了钻具的横向振动和扩壁作用，使孔壁间隙增大。钻具的转速不合理还易导致其周期性地自转和公转。自转为主的情况下钻具倾斜面稳定，易促斜；公转必然使钻具单边与孔壁磨损严重，起到增大孔壁间隙的作用，为钻具倾倒提供空间。

冲洗液泵量过大，会冲刷、破坏孔壁（尤其在较软的岩层中），扩大孔壁间隙。

当然，若钻进规程参数选择不合理，会使钻速过低，同时钻具在孔壁上长时间研磨也会扩大间隙，增大孔斜的可能性。

4）钻孔弯曲的危害

（1）对地质成果的危害。钻孔弯曲将导致歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层，改变勘探网在地下空间的间距设计，影响对矿体的评价、构造的判断，如果打丢、打薄或打厚矿体，将直接影响地质资料的准确性和储量计算，甚至根本达不到预期地质目的。钻孔报废还会造成重大经济损失。

（2）对钻探施工的危害。钻具在孔内弯曲变形严重，将增大钻具与孔壁的摩擦，磨损加剧，功耗增大，回转和升降钻具困难，钻进速度下降。在弯曲钻孔中起、下钻容易在孔壁上形成键槽，造成卡钻、断钻、孔壁坍塌掉块等恶性事故。

（3）其他工程危害。深井泵无法下入水井或过早损坏。钻孔桩施工会引起桩基倾斜，影响桩基承载力。