第八章 钻孔弯曲与定向钻进

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1、工程钻探学课件,工程钻探,主讲人：杜振川,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念,在钻探工作中，为了达到一定的地质目标，必须根据地质要求和施工条件，合理设计钻孔轨迹（即孔身在地下空间延伸的路径）。但是，在施工过程中，由于种种因素的影响，实际的钻孔轨迹往往偏离设计的钻孔轨迹。这种现象称为钻孔偏斜或钻孔弯曲。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念,钻孔弯曲给地质成果和钻探施工都会带来不良后果。 对于地质成果来说，由于未按预定目标点穿过矿体或其他地质层位，就有可能歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度，从而影响对矿

2、体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念,钻孔弯曲给地质成果和钻探施工都会带来不良后果。,对于钻探施工来说，由于孔身偏斜或过分弯曲，钻具在孔内弯曲变形严重，钻具与孔壁摩擦阻力增加，必然导致钻杆磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻具困难，钻进功耗增加和钻进速度下降。 钻孔弯曲超过允许范围而达不到地质目的时，则需要纠斜或重新钻孔。这就要耗费大量人力、物力和时间，增加经费开支，延误工期，推迟地质勘探进度。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念,钻探生产实践表明，绝大多数钻孔都有不同程

3、度的弯曲。但是应当采用一切可能的措施，把钻孔弯曲程度控制在允许的范围之内。现行规范规定，钻孔顶角最大允许弯曲度是：垂直孔不超过2/100m，倾斜孔不超过3/100m，随着钻孔加深允许递增计算。钻孔方位角最大允许弯曲度，则可根据孔深和矿床类型等情况具体确定。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第二节 钻孔空间位置要素,钻孔在空间的轨迹基本要素是顶角、方位角和孔深。 如图所示，在三维坐标系中原点O代表开孔点，x轴代表南北方向，y轴代表东西方向，z轴代表向下方向。OABC是钻孔的空间轨迹。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第二节 钻孔空间位置要素,其基本要素为：,顶角（）钻孔轨

4、迹某点切线与铅垂线之间的夹角。,方位角（）钻孔轨迹某点切线在水平面上的投影与真北方向夹角，按顺时针方向计。,孔深，孔口到钻孔轨迹上某点的钻孔轴线长度。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第二节 钻孔空间位置要素,利用钻孔轨迹基本要素，可算出轨迹上每点的空间坐标。设钻孔轨迹为一斜直线，坐标原点为孔口，X轴取正北，Y轴取正东，Z轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第二节 钻孔空间位置要素,式中：x0,y0,z0 孔口坐标；xA, yA, zA钻孔轴线上点A的坐标；开孔顶角；开孔方位角； LA孔口至测点钻孔轴线的长度。,工程钻探学课件,第八章

5、 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,钻孔弯曲的原因可分为地质、技术和工艺3个方面。,钻孔在软硬互层的倾斜岩层中钻进时，因钻头在同一个接触面上，有不同可钻性的岩石存在，由于钻进时压力和速度的不同，使钻头的钻进方向发生改变而造成钻孔偏斜。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,1、地质方面,1）钻头在松软地层中遇到大砾石时，钻孔易沿砾石斜面弯曲,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,1、地质方面,2）钻孔遇到裂隙，而裂隙方向与钻孔方向相近时，钻孔沿裂隙方向弯曲,3）钻孔遇溶洞或老窿时易发生弯曲。 4）断层、节理

6、发育，岩脉穿插多的地方钻孔易偏斜，且递增幅度大。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,1、地质方面,5）软、硬岩层换层时，钻孔的顶角和方位角易发生变化。当钻头由软岩层进入硬岩层时，如钻孔轴线与岩层层面夹角大于30，钻孔向垂直于岩层倾斜方向弯曲。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,1、地质方面,5）软、硬岩层换层时，钻孔的顶角和方位角易发生变化。当钻头由软岩层进入硬岩层时，如钻孔轴线与岩层层面夹角小于30，则钻孔易顺岩层倾斜方向弯曲,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,1、地质方面

7、,5）软、硬岩层换层时，钻孔的顶角和方位角易发生变化。当钻头由硬岩层进入软岩层时，钻孔向硬岩层倾斜方向弯曲，但弯曲不大,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,2、钻探技术上的原因,钻探技术上原因主要指钻塔、钻机安装不合格，立轴角度不符合设计要求，天轮，立轴、孔口三者不在同一中心线上。或使用弯曲钻具，钻具组合垂直性、稳定性差，粗径钻具短，导向性差。加重钻具数量不够，钻头使用不当等原因使钻孔发生偏斜。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,3、钻探操作上的原因,主要指操作不一致，给压不均匀，忽大忽小。遇有变层，如由软变硬时，没

8、有及时采取减压钻进，如由硬变软时，没有及时提动钻具，采取重新扫孔钻进。钻机转速选用不当，给水量掌握不好以及钢粒钻进时投砂量不合理等。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,钻孔偏斜的危害性,降低钻探效率,在钻探过程中，由于孔斜，常常使钻具不能快速回转，钻具压力不能有效地传递到孔底，而消耗在弯曲的钻具和歪斜的孔壁上。孔斜给升降钻具带来困难，同时也增加了非钻进时间。从而大大地降低了钻探效率。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,钻孔偏斜的危害性,增加钻探成本,由于孔斜增加了钻具的磨损，缩短了钻具的使用寿命。在钻探施工中容易出

9、现断杆事故，更严重的是造成卡钻等重大孔内事故。而且增加了人力、动力和材料的消耗和浪费，从而大大增加钻探成本。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与定向钻进,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,钻孔偏斜的危害性,易造成测井事故钻孔发生偏斜后，孔壁易坍塌、掉块，下测井仪器和电缆往往比较困难，而且容易发生埋卡仪器和电缆事故。,影响地质资料的可靠性,钻孔偏斜对地质构造、岩煤层产状、煤层厚度、埋藏深度、储量计算和今后设计开采等都有很大的影响。有时由于孔斜过大，达不到钻孔设计的预期目的而造成报废。,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,为了随时掌握与控制钻孔轨迹的变化，预防与纠正钻孔弯曲或者实现定向钻

10、进，必须测量钻孔的空间位置测斜。 测斜就是测量钻孔的3个基本要素：顶角、方位角和孔深。,按规范要求，垂直孔每5m测斜一次，倾斜孔每25m测斜一次。但是在地质构造复杂、勘探网度较密、容易发生孔斜的矿区，或者在进行纠斜、施工定向孔及特殊工程孔时，应适当增加测点。测斜不及时，或测斜次数不足，会贻误纠斜的时机，从而造成钻孔歪斜增加，资料不可靠，甚至钻孔报废。,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,一、钻孔弯曲测量原理,1、顶角测量原理,利用自由液面测量钻孔顶角的原理,如将液体注入一圆筒形容器内，再将此容器下入钻孔中，使容器轴线与钻孔轴线重合或平行，此时圆筒形容器内水平液面呈椭圆形，椭圆长轴

11、ab既在水平面内，又在钻孔弯曲平面内。因此，长轴ab与钻孔轴线的夹角是钻孔的倾角。它的余角就是钻孔的顶角。,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,一、钻孔弯曲测量原理,1、顶角测量原理,重锤测量钻孔顶角的原理,如图，框架可绕aa轴灵活转动，bb轴与aa轴垂直相交，两轴构成框架平面。在bb轴中点o悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘，刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻度盘因重力作用永远下垂。,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,一、钻孔弯曲测量原理,1、顶角测量原理,重锤测量钻孔顶角的原理,当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0正对准弧形竖板T上的标线，即顶角为0； 当仪器在倾斜孔内

12、时，弧形竖板倾斜一个角度，此角度就是钻孔顶角,工程钻探学课件,2、方位角测量原理,地磁场定向原理,测量时罗盘处于水平状态，并且罗盘上0线指向钻孔弯曲方向。为此在罗盘下部装有重块，使罗盘保持水平。此外，罗盘上0与180连线及框架上的偏重块都在垂直且平分框架的平面内（即钻孔弯曲平面内），偏重块与180线同侧。这样一来，在倾斜钻孔中0线必定指向钻孔弯曲方向。此时，0线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,二、非磁性矿区常用测斜仪,1、JXY-2型磁针测斜仪 2、JJX-3型磁针测斜仪,三、磁性矿区常用测斜仪,1、JDP-1型连环测斜仪 2、 JXK

13、-2型连环测斜仪 3、JDL-1型陀螺测斜仪 4、JXT-1型陀螺测斜仪,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,对测斜数据进行误差评估，确认测量结果可靠之后，就根据这些资料绘制钻孔轨迹图。为方便起见，把钻孔轨迹表示在垂直平面和水平平面上。 在垂直平面上绘制剖面图，而且，第一，使图上每一点的孔深与空间钻孔轴线对应点的孔深一致；第二，使图上每一点的顶角与空间钻孔对应点的顶角一致。 在水平平面上绘制钻孔水平投影。水平投影反映空间钻孔每点方位角的变化。,工程钻探学课件,目前，通常是按一定测距测量钻孔顶角和方位角，而不是连续测斜。因此，只能根据各测点的测斜数据计算出各测点的空间坐标，然后画出钻孔轨迹。

14、采用的计算方法主要有：全角半距法、均角全距法、曲率半径法和最小曲率法等几种。钻探中常用的是均角全距法和曲率半径法。,第五节 钻孔轨迹的绘制,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,1、均角全距法,这种方法是把相邻两测点之间的钻孔轨迹看作直线。每段直线的顶角和方位角都取上、下测点顶角和方位角的平均值。整个钻孔轨迹表现为由许多直线段组成的折线。图中原点o为开孔点，x轴为钻孔设计方向（通常为勘探线方向），y轴为垂直于勘探线的方向，z轴为地下铅直方向。,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,1、均角全距法,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,1、均角全距法,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制

15、,1、均角全距法,根据上式求出各测点的三维坐标和水平位移后，即可画出钻孔剖面线和水平投影。,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,2、曲率半径法,这种方法是把相邻两测点之间的钻孔轨迹看作一段圆弧。钻孔剖面线圆弧和水平投影圆弧的中心角分别是上、下两测点顶角之差和方位角之差。剖面线圆弧长度是上、下两测点的间距。整个钻孔轨迹表现为由许多曲率半径不等的圆弧连成的弧线。 取原点o为开孔点，x轴代表钻孔设计方向（通常取勘探线方向），y轴垂直于x轴，z轴代表地下方向。,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,2、曲率半径法,工程钻探学课件,第五节 钻孔轨迹的绘制,2、曲率半径法,工程钻探学课件,第五节 钻

16、孔轨迹的绘制,2、曲率半径法,求出钻孔轨迹各点的三维坐标和水平位移后，用相应的曲率半径作圆弧连接各点，即可得到钻孔剖面线和水平投影。,工程钻探学课件,第六节 定向钻进,定向钻孔：按照预定的轨迹钻达预定目标的钻孔称为定向钻孔。 在钻探施工中，利用自然造斜规律或采取人工造斜手段，或者两者并用， 达到造斜的目的。 由于定向钻孔能更好地保证钻探质量，节省钻探进尺，并能解决一些工程难题，所以得到了日益广泛的应用。,工程钻探学课件,第六节 定向钻进,在工程上，特别是在非开挖技术行业中，定向钻进一直是主要的增长领域。目前，在天然气、自来水、电力和电信部门、污水管和其它重力管线的铺设，定向钻进已是一种普通的施工工艺，最近由于在施工精度上的改善，定向钻进应用技术也在日益扩大。,工程钻探学课件,第六节 定向钻进,定向钻进的工作原理是采用定向钻进技术。 工作原理：利用非对称钻头斜面反力作用，来改变钻进方向和调解钻头射入角度，从而实现定向钻进。,工程钻探学课件,第六节 定向钻进,