钻孔弯曲影响因素和弯曲机理

1、2 钻孔弯曲影响因素和弯曲机理钻孔弯曲是打钻施工过程中普遍的、大量存在的现象，用现有的各种方法钻进时钻孔总会在某种程度上必然地偏离预定方向。要使定向长钻孔顺利钻进，必须对钻孔弯曲的性质和机理作详尽的研究。掌握了弯曲的原因和规律，在设计定向钻孔时，就能在某种程度上利用它们，减少钻孔偏离预定方向的程度。2.1 钻孔弯曲影响因素钻进过程中钻孔弯曲是主、客观因素共同作用的结果。地质因素是钻进时的客观因素，技术和工艺因素是钻进时的主观因素。在不同的条件下，两类因素对钻孔弯曲的影响程度是不同的，有时地质因素是主导因素，有时技术和工艺因素是主导因素。2.1.1 钻孔弯曲的地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是

2、钻进岩层的硬度，研磨性、密度、矿物成份、变质程度及结构构造等。地质因素的影响主要表现为造成岩石的非均质性，它对钻孔方向及其特征有着多种作用。岩层的层理、片理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构构造使岩层具有不均质性。在这种岩石中钻进时，钻头在孔底受力不平衡，引起钻孔弯曲。其中层理、片理和软硬互层对钻孔的弯曲最具影响。对岩石的大量测定和钻进实践表明，具有层理、片理的岩层，其物理力学性质在各个方向上不同，此种特性称为岩石的各向异性。在垂直于层理方向的硬度最小，破碎阻力最小，破碎速度最快；在平行于层理方向的硬度最大，破碎阻力最大，破碎速度最慢；与层理斜交方向岩层的硬度、破碎阻力、破碎速度介于两

3、者之间。最大硬度与最小硬度的比值称为岩石的各向异性指数。图 2-1 为钻头在与地层面的不同方向钻进时的钻孔破碎情况，图中 a 是钻头垂直于地层层面钻进，钻孔为圆形，不发生弯曲；b 是钻头与地层层面斜交，钻头受一个来自地层下倾方向的力地层造斜力的作用，使钻头轴向力图向垂直于地层层面方向偏移，钻孔呈椭圆形；c 中由于垂直于地层层面方向的硬度小，孔壁岩石易破碎，形成的钻孔直径较大，孔壁间隙大，使钻头稳定性差，钻孔也容易弯曲。图 2-2 为钻头在片理和层理的岩层中钻进时顺层克取和逆层克取的受力情况。因钻头与层面斜交，钻头切削具在孔底 A、B 两点所遇回转阻力不同，A 点为顺层克取，切削阻力 N 小；B

4、 点为逆层克取切削阻力 F 大，因此A、B 两点形成切削阻力差（F-N）。在孔底的 C、D 两点均系平行于层理克取，所遇回转阻力相等，但方向相反，无切削阻力差。如在图 2-2 的钻头中心引入两平衡力系，即 F=F=F，N=N=N 则根据理论力学可知，F 和 F组成一力偶，N 和 N组成另一力偶，此两力偶由钻杆传递的扭矩所克服，而F和 N是一对不平衡的力，其差值（即地层造斜力），将使钻头沿 CD 方向倾斜延伸，使钻孔趋向于垂直层理面和片理面。图 2-3 钻头通过软硬互层时的钻孔弯曲情况a-由软岩钻至硬岩 b-由硬岩钻至软岩c-遇层角较小时钻具的下滑情况1-软岩 2-硬岩 3-软硬互层接触面图 2

5、-3 为钻头通过软硬互层时的钻孔弯曲情况。钻头通过软硬互层时对钻孔弯曲的影响取决于钻孔轴线的遇层角（遇层角是指钻孔轴线与岩层层面法线的夹角的余角）和软硬岩层的硬度差。由于钻头作用在层面上的压力可分解为垂直于层面的分力 C 和平行于层面的分力 N（参看图 2-3,a）。N是钻头在岩层面上的下滑力，当下滑力大于钻头与岩层层面的摩擦阻力时，钻具便沿层面下滑，钻孔将顺岩层层面方向弯曲（俗称“顺层跑”，如图2-3,c）。很明显，遇层角越小，下滑力（N=P·cos）越大。 钻具沿层面下滑的临界遇层角主要与岩石对钢的摩擦系数有关，这取决于岩石的性质。一般临界遇层角的值20°。图 2-3,

6、a 为遇层角大于临界角时钻头由软岩层进入硬岩层的情况。由于钻头进入层面时，唇面受力不平衡，靠层面上硬岩一端的孔底的反力的合力大，靠软岩一端的孔底的反力的合力小，不仅钻头两端存在钻速差和孔底不对称不均匀破碎，而且将产生一倾倒力矩 M使钻头扭转，并沿着地层上倾方向即垂直于层面方向弯曲（俗称“顶层进”）。图 2-3,b 为遇层角大于临界角时钻头由硬岩层进入软岩层的情况。根据钻头在孔底受力不平衡情况，钻头靠层面上软岩一侧的钻速快，靠硬岩一侧的钻速慢，加之产生的倾倒力矩，使钻孔有向地层下倾方向弯曲的趋势。从上述分析看出，在软硬岩层交替互存的情况下钻进时，由硬岩层进入软岩层钻孔弯曲的方向与由软岩层进入硬岩

7、层钻孔弯曲的方向正好相反。但这相反的弯曲方向并不能完全抵消而使钻孔按原方向钻进。实践证明，在软硬交替岩层钻进时，钻孔仍然取向于垂直层面方向。这是因为钻头由硬岩层进入软岩层时，硬岩的孔壁完整、孔壁间隙小，能对钻具起导向作用，而且在软岩上的小块硬岩很易破碎，孔斜不明显；而钻头由软岩进入硬岩时，在软岩中形成的孔壁间隙较大，钻孔弯曲强度大。2.1.2 钻孔弯曲的技术因素影响钻孔弯曲的技术因素可以分为两类：钻孔在给定方向上的初始偏斜因素类；钻进过程中影响孔斜的因素类。第类技术因素主要是指：钻机安设不正确；钻具与钻孔中心未对正、使用了不合标准或超过公差极限的岩芯管、钻杆和其它碎岩工具；丝扣连接不同心等。这

8、些钻孔弯曲原因是容易消除的。第类技术因素是指决定孔底钻具组刚度的钻具结构特性，它在钻孔弯曲过程中起着重要作用。因为在纵向弯曲和倾倒力矩的作用下，决定了孔底钻具组偏斜值的大小。孔底钻具组的稳定性，对钻孔弯曲强度有很大影响，它随钻具之长度增加和直径减小而降低.钻孔开孔时，只要安装正确和钻具组不偏心，各方面符合设计要求，在钻进时钻孔则不易弯曲，这主要是由于钻具组本身有足够的刚性；随着钻孔加深、钻杆不断接长，钻具的刚性不断减小，以至完全成为一个“柔性体”，钻头之所以能继续钻进是靠钻孔孔壁的导正，以及起导正作用的孔底钻具组的刚性。2.1.3 钻孔弯曲的工艺因素工艺因素的影响与钻进方法有关。在回转钻进时，

9、工艺因素影响的程度常取决于弯曲强度与钻进参数的关系。影响钻孔弯曲强度最强烈的是轴向压力，为了获得较高的机械钻速，必须有足够的钻压，但钻压过大将导致孔底钻具组相对孔轴发生歪斜，增大了造斜力，而且因钻杆的半波峰压向孔壁，还扩大了孔径。虽然机械钻速的增加，缩短了偏斜力的作用时间，抑制了弯曲强度的增大，但研究证实，钻具绕自身轴回转并使其下部定向歪斜的概率，随着钻压、转速和孔径的增加而增大，因此大的钻压为孔底钻具在固定的歪斜方向上只自转不公转创造了条件，这些均是加剧孔斜的因素。转速对钻孔弯曲强度的影响具有双重性：一方面钻具的离心力随转速的增加而增大，导致纵向弯曲半波长度减小和孔底钻具组歪斜增大，这就促使

10、孔身扩大，钻具歪斜更大，所以在各向异性和软硬交变岩石中这点可能导致钻孔弯曲强度增加；另一方面，由于转数增加后机械钻速也增加，减少了引起钻孔弯曲因素的作用时间，而且高转速下钻具易实现既自转又公转的原因，所以有些情况下随着转数提高会降低钻孔的弯曲强度。根据美国打煤层水平长钻孔的经验，通过控制打钻推力和转速可调整钻进方向上仰或下垂。大推力、低转速可实现钻孔向上弯曲；反之，小推力、高转速可使钻孔向下弯曲。另外冲洗液的数量也会影响钻孔的弯曲，冲洗液量过大，会冲垮孔壁造成大的孔壁间隙，使孔斜加剧；冲洗液量过小，岩（煤）粉回流速度不够时，造成孔底岩（煤）粉堆积，也会使孔壁更强烈地扩大。工艺因素将改变孔底钻具

11、产生的侧向力和其受到的地层自然造斜力，通过改善钻进工艺和钻进参数来控制钻孔轨迹，也是受控定向钻进的一个重要手段。2.2 钻孔弯曲的机理导致钻孔弯曲，必须有使钻头轴线偏离钻孔轴线的力学条件、空间条件和位置条件。其中力学条件和空间条件是钻头轴线偏离钻孔轴线的必要条件，位置条件是钻头轴线偏离钻孔轴线的充分条件。2.2.1 力学条件力学条件是指钻头在孔内的受力情况。钻头处在以下集中受力情况下有可能使钻头轴线偏离原钻孔轴线。钻头与孔底接触时，钻头唇面的轴向受力不平衡，孔底平面轴向破碎速度有快有慢，即孔底平面产生不均匀、不对称破碎，存在钻速差，使钻头轴线有可能偏离原钻孔轴线。钻头唇面可能有以下两种不平衡受

12、力情况：钻头轴线垂直于孔底平面，钻压均匀分配在钻头唇面上，但孔底平面岩石的破碎难易程度不同。一端的破碎阻力大于另一端的破碎阻力。钻头轴线垂直于孔底平面，钻压在钻头唇面上分配不均匀，但孔底平面的岩石均匀，破碎阻力相同，同样造成两端的破碎速度不同，导致钻孔轴线向破碎速度快的一方一侧偏斜（此种不平衡受力情况实践中不多见）。孔底钻具组歪倒，钻头轴线偏离原钻孔轴线一个角度，钻压不再沿钻孔轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度施加给钻头。使钻头破碎方向不垂直于原孔底平面，而是同时破碎孔底（轴线分力作用）和孔壁（径向分力作用）的一部分，孔底破碎不对称，从而导致孔斜。钻头轴向和径向同时受力，轴向压力沿钻头轴向垂

13、直作用到孔底，侧向力 FA沿钻头径向作用到孔壁。钻头在进行轴向破碎孔底的同时，又进行侧向切削孔壁，钻头轴线的实际切削方向为轴向破碎速度 vP与侧向切削速度 vA的矢量合成方向 vc。因此钻头轴线的实际破碎方向偏离原钻孔轴线。显然，钻头轴线的偏离随侧向切削速度的提高而加大。2.2.2 空间条件空间条件是指孔底钻具组与孔壁之间存在的间隙。力学条件仅是钻头轴线有可能偏离钻孔轴线的必要条件之一，空间条件是钻头轴线有可能偏离钻孔轴线的另一必要条件。两者之间的关系是，孔壁间隙是上述力学条件下使钻头轴线偏离钻孔轴线的前提条件。因为对于上述力学条件的第二种情况，只有孔底钻具组与孔壁之间存在间隙，孔底钻具才有歪

14、倒的空间，轴压的作用方向才不在原钻孔轴线上；若没有间隙，钻具的轴线就与钻孔轴线一致，轴压的作用方向也就与钻孔轴线一致。对于上述力学条件的第一种和第三种情况，当导致钻头轴线偏离钻孔轴线时，实际上就是使钻头在钻进孔段相对于原钻孔轴线连续歪倒。此时如果孔底钻具组与孔壁之间无间隙，钻头没有歪倒的空间，也就不可能导致钻头轴线偏离钻孔轴线。显然，孔壁间隙加大，上述力学条件下钻头轴线偏离原钻孔轴线的角度也增大。2.2.3 位置条件位置条件是指对钻头作用力的方向固定、大小固定以及钻头歪倒方向固定。上述力学条件和空间条件仅是钻头轴线有可能偏离钻孔轴线的必要条件，并不是钻头轴线偏离钻孔轴线的全部条件。只有同时具备

15、力学条件、空间条件和位置条件，才会最终发生钻头轴线偏离钻孔轴线。因为钻头作用力的方向和相对大小以及钻头歪倒方向均固定后，才能造成钻头轴线向固定的作用力方向、固定的钻速差方向、固定的歪倒方向偏斜。例如，当孔底钻具组可以向孔底各个方向歪倒时，则钻头向孔底各个歪倒方向均匀破碎岩石，即使具备了钻头轴线偏离钻孔轴线的力学条件、空间条件，也只能使孔底扩大或孔径扩大，钻孔仍然沿轴线延伸，并不弯曲。回转钻进时，当孔底钻具既自转（围绕钻具轴线旋转）又公转（孔底钻具围绕钻孔轴线旋转）时就会产生上述情况。又如，当钻头侧向力的方向不固定时，则侧向力可作用到孔壁四周，也只能使孔壁扩大，钻孔并不弯曲。只有侧向力在固定的方

16、向上切削孔壁，钻孔才能向侧向力固定方向的一侧偏斜。回转钻进时，孔底钻具歪倒方向固定或者变化极小的情况，一般仅在孔底钻具自转时才可能发生，因此钻进时仅自转的钻具易发生孔斜。此外，既自转又公转的钻具，当公转的角速度不均匀，且大部分时间处于径向某一位置时，钻孔也会弯曲。2.3 小结要使定向长钻孔顺利钻进，必须对钻孔弯曲的性质和机理作详尽的研究。掌握了弯曲的原因和规律，在设计定向钻孔时，就能在某种程度上利用它们，减少钻孔偏离预定方向的程度。钻进过程中钻孔弯曲受地质因素、技术和工艺因素的共同影响。影响钻孔弯曲的地质因素主要是钻进岩层的硬度、研磨性、密度、矿物成份、变质程度及结构构造等。地质因素的影响主要

17、表现为造成岩石的非均质性，它对钻孔方向及其特征有着多种作用。岩层的层理、片理、裂隙、断层、软硬互层、溶洞、卵砾石等结构构造使岩层具有不均质性。 在这种岩石中钻进时，钻头在孔底受力不平衡，引起钻孔弯曲。其中层理、片理和软硬互层对钻孔的弯曲最具影响。此外，在松软、极破碎、溶洞地层和卵、砾石层钻进时，钻孔也会产生弯曲。地质因素对钻孔轨迹的影响表现为，孔底钻具受到一个来自地层的自然造斜力即地层力的作用。地层力的两个分力地层变孔斜力和地层变方位力，使钻孔产生倾角和方位角的变化。影响钻孔弯曲的技术因素可以分为两类：第类技术因素主要是指钻孔在给定方向上的初始偏斜因素；第类技术因素是指钻进过程中影响孔斜的因素，它在钻孔弯曲过程中起着重要作用。为减小孔壁的间隙，增加与孔壁的接触，常采用安装定中器的方法。技术因素对钻孔轨迹的影响表现为使钻头产生一个作用于地层的侧向力，该力的两个分力变孔斜力和变方位力，为进一步优化钻具组合和钻具结构以控制钻孔的倾角和方位角奠定基础。工艺因素的影响与钻进方法有关。在回转钻进时，工艺因素影响的程度常取决于弯曲强度与钻进参数的关系。影响钻孔弯曲强度最强烈的是轴向压力，其次转速对钻孔弯曲强度的影响也不容忽视，但是单纯地增大或减小两个参数，并不能减小孔斜强度。根据美国打煤层水平长钻孔的经验，通过控制打钻推力和转速可调整钻进方向上