基于砂泥岩地层采空区钻孔偏斜率的统计研究

党东生

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安 710077）

1 概述

在钻探工程中，钻孔偏斜普遍存在，特别是在复杂地质条件下的深孔钻探中，钻孔偏斜更加严重。而钻孔能否达到目标预定区域对工程的成败起到关键性的作用。钻孔偏斜率的影响因素很多，不同条件下的钻孔偏斜率不尽相同。本文结合工程实例，对实测数据进行统计计算分析，得出不同深度钻孔的钻孔偏斜率均值，其反映了此类设备在该类地层中的社会正常钻探水平；并通过分析不同区段钻孔偏斜率进而推断地层特征及其扰动情况。其可为类似工程活动提供一定的参考依据和工程借鉴。

2 计算原理

钻孔在钻进过程中的实际运动轨迹是一个三维曲线。钻探过程中一般采用测斜仪沿钻孔轨迹等间距测量。测斜仪每次可直接测量得到测点处的偏斜角和偏斜方位角，每个点的数值反映该测点距离上下测程之半范围，也就是代表该点上下之半点距的钻孔倾斜趋势。

根据直接测量成果可计算出当前钻进深度处钻孔铅垂投影长度（即孔底实际高程）和钻孔水平投影长度（孔底落点相对孔口的偏移距离），进而计算出钻孔偏斜率。

对钻孔偏斜率的计算，一般采用解析几何法，假设钻孔每个测点之间（第一个测点与孔口）的轨迹为直线。

测点在东西方向上的偏距为：

测点在南北方向上的偏距为：

yi=li·sinθi·cosαi

测点相对孔口的偏距为：

同理，得钻孔铅垂投影长度为：

则，某测点处钻孔偏斜率：

式中：li——测点与上一个测点（孔口与第一个测点）之间的连线；

θi——测点测量偏斜角；

αi——测点测量偏斜方位角。

3 工程实例

3.1 项目概况

某采空区治理项目，条带式开采，有两个采区，开采宽度50m，长度分别200m 和500m。采空区处于非充分采动、不充分垮落、全部充水状态，采空区内部仍存在较大空间或裂隙。

注浆钻孔沿采区长度布置，钻孔间距15m。钻孔结构：开孔孔径150mm，终孔孔径不小于91mm，变径位置：钻进至基岩20m，钻孔孔深：以设计孔深作为控制，且应进入采空区（或煤层）底板不小于3m。

采空区平均埋深538.8m，覆盖层平均厚度256.8m，基岩平均厚度274.9m，采厚2.8m，采空区地下水平均埋深455.7m，水位平均高程-417.37m。

项目区域地层由上至下主要为：

（1）第四系（Q）：该层包括更新统和全新统。主要由粘土、砂质粘土、粘土质砂、砂及砂砾层组成，属河、湖相沉积。平均厚度256.78m。

（2）上二叠统上石盒子组（P2sh1）：主要由黄绿、灰、紫红等杂色泥岩、粉砂岩及灰绿色砂岩组成，属干热条件下的河流、湖泊相沉积。该层平均厚度190.7m，泥岩占50%以上，与下石盒子组呈整合接触。

（3）下二叠统下石盒子组（P1sh1）：主要由黄绿、灰绿、灰、紫等杂色泥岩、粉砂岩、灰绿色砂岩组成，属干热条件下的河流、湖泊相沉积，以本组底部为一层不稳定的中粗粒砂岩与下伏山西组地层呈整合接触。该层平均厚度56.12m。

（4）下二叠统山西组（P1s）：主要由浅灰、灰白及灰绿色砂岩，深灰、灰黑色粉砂岩，泥岩及煤层组成，该层平均厚52.37m，未穿透。

根据项目区岩土体工程地质特征及成因，可将其划分为三大岩类、五大岩层组，其岩土性质如表1所示。

表1 岩（土）体工程地质分类表

3.2 钻探及测量设备

（1）钻探设备。项目钻孔实施设备选用TXB-1600 型钻机和TXJ-1600 型钻机进行钻进，总计20 台钻机，每台钻机主要岗位人员均配备具有多年从业经历，经验丰富的老技术工人。

（2）测斜设备。测斜仪选用上海力擎地质仪器有限公司KXP-3D 型数字罗盘测斜仪，如图1 所示。其偏斜方位角分辨率为0.1°，偏斜角分辨率为0.01°，仪器适用于直径大于∅46mm 的非磁性岩层和矿层钻孔内测斜。

仪器通过无线手持设备测量探棒在钻孔内任意位置的测斜数据。仪器结构利用铅垂和大地磁场方法分别测量钻孔的偏斜角与偏斜方位角。仪器共分两部分，井上地面控制仪和井下测斜仪探管，其工作原理是利用平衡电桥测量电路。

3.3 测斜成果计算与分析

项目所有实施钻孔均超过500m，实施过程中，开孔后每百米测斜一次，测至终孔，测斜位置分别为100m、200m、300m、400m、500m 及终孔深度。每次测量可直接测得钻孔的偏斜角θ和偏斜方位角α。依据测量成果及第2节计算原理计算钻孔偏斜率。

据现场测量，取18#钻孔作为算例，其100m 处，测量偏斜角0.3°，偏斜方位角87°；200m 处，偏斜角0.4°，偏斜方位角88°；300m 处，偏斜角1.3°，偏斜方位角17.6°；400m处，偏斜角0.5°，偏斜方位角31°；500m处，偏斜角1°，偏斜方位角10.5°；543.5m处（终孔深度），偏斜角1.8°，偏斜方位角13°。依据测斜成果，列表计算得出18#钻 孔 在100m、200m、300m、400m、500m 及543.5m 处（终孔深度）的钻孔偏斜率分别为0.52%、0.61%、0.97%、0.95%、1.08%、1.24%，其如表2所示。

表2 18#钻孔测试数据计算表

在岩土工程参数统计中，算数平均值可以作为某批数据的典型代表，用于反映资料分布的集中情况或中心趋势。故本次数据统计以算数平均值作为统计对象。

本次研究应用项目实施过程中采集的84个钻孔的测斜数据进行统计分析，计算出其在100m、200m、300、400m、500m及终孔深度处的钻孔偏斜率均值，即100m处钻孔偏斜率均值为0.60%；200m 处钻孔偏斜率均值为0.73%；300m处钻孔偏斜率均值为0.89%；400m处钻孔偏斜率均值为0.98%；500m 处钻孔偏斜率均值为1.21%，终孔深度543.5m处钻孔偏斜率为1.36%。其曲线走势如图2所示。

为便于对比特别定义钻孔偏斜率变化率，其定义为后一测段与前一测段钻孔平均偏斜率每米的变化值。故计算出每一测量回次的平均钻孔偏斜率变化，如表3所示。

表3 平均钻孔偏斜率随深度的变化率

据表3，统计平均钻孔偏斜率在0～549m内随钻孔深度呈正增长，其变化率在0～100m范围内增幅最大，1000～400m 范围内波动增长，但其变化率相对较小；在400m至终孔范围内变化率相对突然增大。

4 结论

（1）砂泥岩地区，相似条件下采空区钻孔，0～100m 范围内钻孔偏斜率均值为0.60%；0～200m 范围内钻孔偏斜率均值为0.73%；0～300m范围内钻孔偏斜率均值为0.89%；0～400m 范围内孔偏斜率均值为0.98%；0～500m 范围内钻孔偏斜率均值为1.21%；0～549m范围内钻孔偏斜率均值为1.36%。以上数值可以作为此类地层采空区钻孔偏斜率的控制参考值。

（2）实测范围内，钻孔偏斜率随钻孔深度的增加而逐渐增大，但在不同的段位其钻孔偏斜率变化率明显不同。

（3）0～100m 范围内，钻孔偏斜率增速较大，分析其原因，一是100m 范围内地层松散，导致钻孔偏斜率较大；二是100m范围内钻杆配重较轻。

（4）100～400m范围内钻孔偏斜率变化率较小，基本稳定。该范围内地层相对比较稳定，受外界扰动较小。

（5）400m 至终孔，钻孔偏斜率变化率突然增大。结合地层综合分析，其原因为400m至终孔范围内由于受采空区影响，岩层破碎，导致钻孔偏斜率增速较大。