芝士回答來自: 芝士回答 2021-11-07

（一）鑽孔彎曲的條件

粗徑鑽具軸線偏離鑽孔軸線是造成鑽孔彎曲的根本原因。發生粗徑鑽具軸線偏離鑽孔 軸線有兩個條件：一是要有引起偏斜或彎曲的力，二是要有容許偏斜或彎曲的間隙。但僅 有粗徑鑽具的偏斜或彎曲，而偏斜或彎曲的方向不定，在不同時刻朝向不同的方向，則鑽 頭在孔底僅能產生擴大孔壁的作用，鑽孔仍不會彎曲。因此，發生鑽孔彎曲必須同時具備 以下條件：

（1）存在孔壁間隙，為粗徑鑽具偏斜或彎曲提供空間；

（2）具備偏斜或彎曲的力，為粗徑鑽具偏斜或彎曲提供動力；

（3）粗徑鑽具偏斜或彎曲面的方向穩定。

孔壁間隙和偏斜力或彎曲力是發生鑽孔彎曲的必要條件，而粗徑鑽具傾斜面或彎曲面方向穩定是產生鑽孔彎曲的充分條件。

1。孔壁間隙

在現有的鑽進方法中，為保證沖洗液順暢地排除岩屑，鑽頭直徑往往大於粗徑鑽具直徑，同時，鑽頭在鑽進過程中不可避免地還要產生一定程度的擴壁，所以孔壁與粗徑鑽具 之間的間隙必然存在。

孔壁間隙值可按下式計算［64］：

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：Dk、Dt、Dg分別為鑽孔、鑽頭與岩心管直徑，mm。

2。偏斜力或彎曲力

鑽進過程中，不論以何種形式對鑽頭施加軸向壓力，往往都會導致粗徑鑽具偏斜或彎 曲。在粗徑鑽具直徑較大、長度較小的情況下，它可視為一剛體，而鑽桿柱直徑較小時為 一細長柔性杆件。當鑽具到達孔底時，在鑽柱自重加壓或鑽機給進系統加壓的作用下，鑽 杆柱將產生彎曲變形，軸向壓力將沿彎曲鑽桿傳至波峰處，使粗徑鑽具偏斜，此時異徑接 頭上端接觸孔壁，成為支點，使鑽頭與孔壁接觸處產生一個側向力。在粗徑鑽具直徑較 小，長度較大（特別是小口徑金剛石鑽具）的情況下，它類似於兩端鉸支的壓桿，因而可 能失穩而彎曲。粗徑鑽具臨界長度按下式計算：

深部找礦鑽探技術與實踐

式中：P——軸向壓力，N；

E——鋼的彈性模數，Pa；

J——粗徑鑽具截面的軸慣性矩，m4，

深部找礦鑽探技術與實踐

D1，D2——岩心管的外徑和內徑，m4；

K——動載係數，K＝0。6～0。8。

由此可見，使粗徑鑽具偏斜或彎曲的力也是客觀存在的，但是，最終鑽孔是否產生彎曲，還將取決於粗徑鑽具偏斜或彎曲的方向是否穩定。

3。粗徑鑽具傾斜面方向穩定

在各向異性岩石中鑽進，如果鑽頭以銳角穿過層理面或片理面時，由於孔底和孔壁的 不均勻破碎，孔底截面是橢圓形，橢圓長軸方向趨於與層面仰起線方向一致。橢圓起導向 作用，再加上偏斜力矩的影響，使粗徑鑽具傾斜面穩定在垂直於層面走向的方向。在軟硬 互層岩石中鑽進，如果鑽頭以銳角穿過軟硬岩層介面時，由於孔底不同部分的阻力差，產 生偏斜力矩，此力矩也會使粗徑鑽具傾斜面穩定在垂直於層面走向的方向。當鑽具傾斜面 穩定在某一方向時，鑽桿柱只作自轉而不作公轉運動，就會導致鑽孔彎曲。

（二）鑽孔彎曲原因分析

鑽孔彎曲的原因，可以歸納為三方面：一是地質因素方面的原因；二是技術裝備方面的原因；三是鑽進工藝方面的原因。

地質因素是客觀存在的，只能透過工藝技術措施或研究摸清礦區鑽孔彎曲規律，有意識地改變鑽孔設計引數來減輕甚至抵消其造斜作用，而鑽進工藝因素是主觀因素，可以採 取人為措施加以控制。

1。地質因素

影響鑽孔彎曲的地質因素主要是地層中岩石的各向異性和地層傾角及軟硬互層。

（1）岩石的各向異性：岩石的各向異性指的是岩石在不同方向上具有不同的硬度和強 度等物理力學性質。岩石各向異性與岩石的層理、片理、微裂隙性和流紋性等構造特性有 關，通常以各向異性係數Ka表示，即：

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式中：Hmax——平行於層理方向上的岩石硬度；

Hmin——垂直於層理方向上的岩石硬度。

Ka的變化範圍為1。1～1。75。Ka的數值越大，岩石的各向異性越強，其造斜能力越強。

（2）地層傾角：對鑽進來講，某些具有層理、片理等構造特徵的岩石，其可鑽性具有明顯的各向異性。如圖9-1所示，鑽頭垂直於岩層方向鑽進的岩石破碎效率最高，而平行 於層理的方向，效率最低，傾斜方向的破巖效率居中。因此，當地層傾角較大時，極易產 生鑽孔向垂直於層面的方向彎曲（俗稱頂層進）。

圖9-1 在各向異性岩層中鑽進示意圖

作為影響鑽孔彎曲的地質因素，地層傾角實際上表現為鑽孔遇層角（δ）。所謂鑽孔遇層角就是鑽孔軸線與其在層面上的正投影的夾角。當δ為45° 時，鑽孔彎曲強度最大。所 以說，鑽孔彎曲強度除與岩石各向異性強弱有關外，還與鑽孔遇層角（δ）的大小直接相 關（圖9-2）。

圖9-2 地層變化及鑽孔遇層角對鑽孔彎曲影響一般規律示意圖

（3）軟硬互層：鑽孔以銳角穿過軟硬岩層介面，從軟巖進入硬巖時，由於軟、硬部分抗破碎阻力的不同，使鑽孔朝著垂直於層面的方向彎曲；而從硬巖進入軟巖時，則鑽具軸 線有偏離層面法線方向的趨勢。但由於上方孔壁較硬，限制了鑽具偏斜，結果是基本保持 著原來的方向；鑽孔透過硬巖進入軟巖又從軟巖進入硬巖時，最終還是沿層面法線方向延 伸（圖9-3）。

圖9-3 軟硬互層地層對鑽孔彎曲影響一般規律示意圖

鑽孔遇層角存在著臨界值。超過此值時，鑽孔頂層進；低於此值時，鑽孔將沿硬巖的 層面下滑（俗稱順層跑）。臨界值的大小決定於硬巖的硬度和鑽頭的型別，通常為15° 左右。

在多數情況下，岩石均具有各向異性的機械性質，這些岩石在垂直層理或片理的方向 鑽進時的可鑽性等級低，鑽進效率高。同樣鑽進規程，鑽進效率隨著鑽具遇層角的減小而 降低。據有關資料介紹，一些各向異性岩石的硬度，在由垂直片理面方向變為平行方向時 增大一倍以上。因而，在鑽孔中心線與層理面、片理面成銳角的鑽孔時，就為孔底破碎不 均勻創造了客觀條件，而使鑽孔在垂直平面和水平面內同時產生彎曲，直到鑽孔與上述平 面成一定位置達到力平衡為止。

2。技術裝備因素

影響鑽孔彎曲的技術裝備因素主要是指鑽機的效能、安裝以及孔口管的固定等方面。

鑽機的效能不好，迴轉給進機構導向性差，立軸角度控制部件不緊密，滑道松曠等都會對鑽孔彎曲產生影響。

除鑽機本身效能外，鑽機安裝質量也非常重要。如果鑽機安裝不周正、不水平、不牢固，立軸中心線和鑽孔設計軸線（頂角、方位角）不一致，立軸中心、鑽孔中心和天車前 緣切點不在一條直線上，鑽孔軸線都會偏離設計軸線，導致鑽孔彎曲。另外，孔口管固定 不正、不牢，甚至偏離了鑽孔設計軸線，也會導致鑽孔偏斜。

上述技術裝備因素直接影響鑽孔的初始狀態，是控制鑽孔彎曲的前提和基礎，因此，採用效能優良的鑽機，把好鑽機、孔口管安裝質量關是減少鑽孔彎曲的必要條件，對深孔 鑽探非常重要。

3。鑽進技術方法及工藝因素

影響鑽孔彎曲的鑽進技術方法及工藝因素主要是指不同的鑽進方法，孔底鑽具的組合結構、級配、剛性、長度、鑽進技術引數，以及開孔、換徑技術措施等。

不同的鑽進技術方法，其碎巖方式不同，採用的鑽具不同，鑽具與孔壁之間的間隙大 小不同，這對鑽孔的彎曲有著重要的影響。衝擊鑽進與迴轉鑽進相比，不僅破碎岩石效率 高，而且衝擊產生的應力集中，且與鑽具軸線方向一致，可有效防止鑽孔彎曲。

粗徑鑽具在孔底的偏斜角ε取決於孔壁間隙和粗徑鑽具長度，即：

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式中：b——孔壁間隙，m；

L——粗徑鑽具長度，m。

鑽進技術引數主要應根據地質因素選擇，如果選擇不當，將對鑽孔彎曲產生重要影響。

鑽進過程中如果鑽壓過大，會造成鑽桿甚至粗徑鑽具彎曲，使鑽頭緊靠孔壁一側，此 時偏斜角可能達到最大值，並且鑽具與孔壁摩擦阻力增加，鑽具只圍繞自身軸線自轉而不 作公轉，此時鑽具傾斜面有固定方向，從而導致鑽孔彎曲。若轉速過高，鑽桿柱迴轉離心 力增大，從而加劇鑽具的橫向振動和擴壁作用，使孔壁間隙增加，容易產生鑽孔彎曲。若 沖洗液量過大，特別是在較軟的岩層中，液流會沖刷、破壞孔壁。沖洗液質量不好，在易 坍塌地層會產生“大肚子”孔段，這些都會使孔壁間隙劇增，為鑽具偏斜、鑽孔彎曲提供 條件。

另外，開孔和換徑也是造成鑽孔偏斜的重要環節，如果不採取有效措施，容易導致孔 斜。深孔鑽進，如果開孔即發生偏斜，即使頂角偏差不大，也會產生很大的水平偏距；更 重要的是，若方位角偏差較大，將會導致不能有效穿過礦體，直接影響鑽孔質量，嚴重的 甚至造成鑽孔報廢。

（三）鑽孔彎曲的一般規律

在鑽進過程中，鑽孔彎曲往往與某些地質剖面的特性有關。鑽孔彎曲的規律性不是絕 對的、一成不變的，而是表現為一種趨勢，並且這種趨勢經常被各種各樣因素引起的偶然 性偏斜所複雜化。地質因素對鑽孔彎曲影響具有以下一般規律：

（1）在均質岩石中鑽進時，鑽孔彎曲強度小於在非均質岩石中鑽進時的彎曲強度，並且岩石的各向異性程度越高，則鑽孔彎曲強度越大。

（2）如無工藝技術因素影響，在水平或接近水平的層理髮育岩石中鑽進垂直孔時，即使岩石各向異性很強，軟硬不均程度很大，鑽孔也不會產生較大彎曲。

（3）在層理、片理髮育和軟硬互層的岩石中鑽進時，鑽孔總體朝著垂直於層理面、片理面的方向彎曲。當鑽孔以銳角從軟巖進入硬巖，而遇層角又小於臨界值時，則鑽孔沿硬 岩層面順層跑，方位變化較大，且無一定規律。鑽孔遇層角大於臨界值，鑽孔方位垂直於 層面走向時，頂角增大而方位角穩定；鑽孔方位與層面走向斜交時，既有頂角增大又有方 位角變化，方位變化一般趨向於與層面走向垂直。

另外，鑽具結構等技術工藝因素對鑽孔彎曲的影響有以下規律：

（1）孔壁間隙大，粗徑鑽具短，鑽具剛度差，則鑽孔彎曲強度大。

（2）鑽孔頂角小，方位變化大；鑽孔頂角大，方位變化小。方位角變化方向多與鑽具迴轉方向一致，但在頂角接近於零的鑽孔中，方位角變化方向難以確定。