（一）钻孔弯曲的条件

粗径钻具轴线偏离钻孔轴线是造成钻孔弯曲的根本原因。发生粗径钻具轴线偏离钻孔 轴线有两个条件：一是要有引起偏斜或弯曲的力，二是要有容许偏斜或弯曲的间隙。但仅 有粗径钻具的偏斜或弯曲，而偏斜或弯曲的方向不定，在不同时刻朝向不同的方向，则钻 头在孔底仅能产生扩大孔壁的作用，钻孔仍不会弯曲。因此，发生钻孔弯曲必须同时具备 以下条件：

（1）存在孔壁间隙，为粗径钻具偏斜或弯曲提供空间；

（2）具备偏斜或弯曲的力，为粗径钻具偏斜或弯曲提供动力；

（3）粗径钻具偏斜或弯曲面的方向稳定。

孔壁间隙和偏斜力或弯曲力是发生钻孔弯曲的必要条件，而粗径钻具倾斜面或弯曲面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。

1.孔壁间隙

在现有的钻进方法中，为保证冲洗液顺畅地排除岩屑，钻头直径往往大于粗径钻具直径，同时，钻头在钻进过程中不可避免地还要产生一定程度的扩壁，所以孔壁与粗径钻具 之间的间隙必然存在。

孔壁间隙值可按下式计算^［64］：

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式中：D_k、D_t、D_g分别为钻孔、钻头与岩心管直径，mm。

2.偏斜力或弯曲力

钻进过程中，不论以何种形式对钻头施加轴向压力，往往都会导致粗径钻具偏斜或弯 曲。在粗径钻具直径较大、长度较小的情况下，它可视为一刚体，而钻杆柱直径较小时为 一细长柔性杆件。当钻具到达孔底时，在钻柱自重加压或钻机给进系统加压的作用下，钻 杆柱将产生弯曲变形，轴向压力将沿弯曲钻杆传至波峰处，使粗径钻具偏斜，此时异径接 头上端接触孔壁，成为支点，使钻头与孔壁接触处产生一个侧向力。在粗径钻具直径较 小，长度较大（特别是小口径金刚石钻具）的情况下，它类似于两端铰支的压杆，因而可 能失稳而弯曲。粗径钻具临界长度按下式计算：

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式中：P——轴向压力，N；

E——钢的弹性模数，Pa；

J——粗径钻具截面的轴惯性矩，m⁴,

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D₁，D₂——岩心管的外径和内径，m⁴；

K——动载系数，K＝0.6～0.8。

由此可见，使粗径钻具偏斜或弯曲的力也是客观存在的，但是，最终钻孔是否产生弯曲，还将取决于粗径钻具偏斜或弯曲的方向是否稳定。

3.粗径钻具倾斜面方向稳定

在各向异性岩石中钻进，如果钻头以锐角穿过层理面或片理面时，由于孔底和孔壁的 不均匀破碎，孔底截面是椭圆形，椭圆长轴方向趋于与层面仰起线方向一致。椭圆起导向 作用，再加上偏斜力矩的影响，使粗径钻具倾斜面稳定在垂直于层面走向的方向。在软硬 互层岩石中钻进，如果钻头以锐角穿过软硬岩层界面时，由于孔底不同部分的阻力差，产 生偏斜力矩，此力矩也会使粗径钻具倾斜面稳定在垂直于层面走向的方向。当钻具倾斜面 稳定在某一方向时，钻杆柱只作自转而不作公转运动，就会导致钻孔弯曲。

（二）钻孔弯曲原因分析

钻孔弯曲的原因，可以归纳为三方面：一是地质因素方面的原因；二是技术装备方面的原因；三是钻进工艺方面的原因。

地质因素是客观存在的，只能通过工艺技术措施或研究摸清矿区钻孔弯曲规律，有意识地改变钻孔设计参数来减轻甚至抵消其造斜作用，而钻进工艺因素是主观因素，可以采 取人为措施加以控制。

1.地质因素

影响钻孔弯曲的地质因素主要是地层中岩石的各向异性和地层倾角及软硬互层。

（1）岩石的各向异性：岩石的各向异性指的是岩石在不同方向上具有不同的硬度和强 度等物理力学性质。岩石各向异性与岩石的层理、片理、微裂隙性和流纹性等构造特性有 关，通常以各向异性系数K_a表示，即：

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式中：H_max——平行于层理方向上的岩石硬度；

H_min——垂直于层理方向上的岩石硬度。

K_a的变化范围为1.1～1.75。Ka的数值越大，岩石的各向异性越强，其造斜能力越强。

（2）地层倾角：对钻进来讲，某些具有层理、片理等构造特征的岩石，其可钻性具有明显的各向异性。如图9-1所示，钻头垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高，而平行 于层理的方向，效率最低，倾斜方向的破岩效率居中。因此，当地层倾角较大时，极易产 生钻孔向垂直于层面的方向弯曲（俗称顶层进）。

图9-1 在各向异性岩层中钻进示意图

作为影响钻孔弯曲的地质因素，地层倾角实际上表现为钻孔遇层角（δ）。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δ为45° 时，钻孔弯曲强度最大。所 以说，钻孔弯曲强度除与岩石各向异性强弱有关外，还与钻孔遇层角（δ）的大小直接相 关（图9-2）。

图9-2 地层变化及钻孔遇层角对钻孔弯曲影响一般规律示意图

（3）软硬互层：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，限制了钻具偏斜，结果是基本保持 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（图9-3）。

图9-3 软硬互层地层对钻孔弯曲影响一般规律示意图

钻孔遇层角存在着临界值。超过此值时，钻孔顶层进；低于此值时，钻孔将沿硬岩的 层面下滑（俗称顺层跑）。临界值的大小决定于硬岩的硬度和钻头的类型，通常为15° 左右。

在多数情况下，岩石均具有各向异性的机械性质，这些岩石在垂直层理或片理的方向 钻进时的可钻性等级低，钻进效率高。同样钻进规程，钻进效率随着钻具遇层角的减小而 降低。据有关资料介绍，一些各向异性岩石的硬度，在由垂直片理面方向变为平行方向时 增大一倍以上。因而，在钻孔中心线与层理面、片理面成锐角的钻孔时，就为孔底破碎不 均匀创造了客观条件，而使钻孔在垂直平面和水平面内同时产生弯曲，直到钻孔与上述平 面成一定位置达到力平衡为止。

2.技术装备因素

影响钻孔弯曲的技术装备因素主要是指钻机的性能、安装以及孔口管的固定等方面。

钻机的性能不好，回转给进机构导向性差，立轴角度控制部件不紧密，滑道松旷等都会对钻孔弯曲产生影响。

除钻机本身性能外，钻机安装质量也非常重要。如果钻机安装不周正、不水平、不牢固，立轴中心线和钻孔设计轴线（顶角、方位角）不一致，立轴中心、钻孔中心和天车前 缘切点不在一条直线上，钻孔轴线都会偏离设计轴线，导致钻孔弯曲。另外，孔口管固定 不正、不牢，甚至偏离了钻孔设计轴线，也会导致钻孔偏斜。

上述技术装备因素直接影响钻孔的初始状态，是控制钻孔弯曲的前提和基础，因此，采用性能优良的钻机，把好钻机、孔口管安装质量关是减少钻孔弯曲的必要条件，对深孔 钻探非常重要。

3.钻进技术方法及工艺因素

影响钻孔弯曲的钻进技术方法及工艺因素主要是指不同的钻进方法，孔底钻具的组合结构、级配、刚性、长度、钻进技术参数，以及开孔、换径技术措施等。

不同的钻进技术方法，其碎岩方式不同，采用的钻具不同，钻具与孔壁之间的间隙大 小不同，这对钻孔的弯曲有着重要的影响。冲击钻进与回转钻进相比，不仅破碎岩石效率 高，而且冲击产生的应力集中，且与钻具轴线方向一致，可有效防止钻孔弯曲。

粗径钻具在孔底的偏斜角ε取决于孔壁间隙和粗径钻具长度，即：

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式中：b——孔壁间隙，m；

L——粗径钻具长度，m。

钻进技术参数主要应根据地质因素选择，如果选择不当，将对钻孔弯曲产生重要影响。

钻进过程中如果钻压过大，会造成钻杆甚至粗径钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此 时偏斜角可能达到最大值，并且钻具与孔壁摩擦阻力增加，钻具只围绕自身轴线自转而不 作公转，此时钻具倾斜面有固定方向，从而导致钻孔弯曲。若转速过高，钻杆柱回转离心 力增大，从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用，使孔壁间隙增加，容易产生钻孔弯曲。若 冲洗液量过大，特别是在较软的岩层中，液流会冲刷、破坏孔壁。冲洗液质量不好，在易 坍塌地层会产生“大肚子”孔段，这些都会使孔壁间隙剧增，为钻具偏斜、钻孔弯曲提供 条件。

另外，开孔和换径也是造成钻孔偏斜的重要环节，如果不采取有效措施，容易导致孔 斜。深孔钻进，如果开孔即发生偏斜，即使顶角偏差不大，也会产生很大的水平偏距；更 重要的是，若方位角偏差较大，将会导致不能有效穿过矿体，直接影响钻孔质量，严重的 甚至造成钻孔报废。

（三）钻孔弯曲的一般规律

在钻进过程中，钻孔弯曲往往与某些地质剖面的特性有关。钻孔弯曲的规律性不是绝 对的、一成不变的，而是表现为一种趋势，并且这种趋势经常被各种各样因素引起的偶然 性偏斜所复杂化。地质因素对钻孔弯曲影响具有以下一般规律：

（1）在均质岩石中钻进时，钻孔弯曲强度小于在非均质岩石中钻进时的弯曲强度，并且岩石的各向异性程度越高，则钻孔弯曲强度越大。

（2）如无工艺技术因素影响，在水平或接近水平的层理发育岩石中钻进垂直孔时，即使岩石各向异性很强，软硬不均程度很大，钻孔也不会产生较大弯曲。

（3）在层理、片理发育和软硬互层的岩石中钻进时，钻孔总体朝着垂直于层理面、片理面的方向弯曲。当钻孔以锐角从软岩进入硬岩，而遇层角又小于临界值时，则钻孔沿硬 岩层面顺层跑，方位变化较大，且无一定规律。钻孔遇层角大于临界值，钻孔方位垂直于 层面走向时，顶角增大而方位角稳定；钻孔方位与层面走向斜交时，既有顶角增大又有方 位角变化，方位变化一般趋向于与层面走向垂直。

另外，钻具结构等技术工艺因素对钻孔弯曲的影响有以下规律：

（1）孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，则钻孔弯曲强度大。

（2）钻孔顶角小，方位变化大；钻孔顶角大，方位变化小。方位角变化方向多与钻具回转方向一致，但在顶角接近于零的钻孔中，方位角变化方向难以确定。

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文章来源：天狐定制

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