工程钻探主讲人：杜振川 工程钻探学课件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（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角方位角（α）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；θ————开孔顶角；α——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①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②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③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。
④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20 m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aaˊ轴灵活转动，bbˊ轴与aaˊ轴垂直相交，两轴构成框架平面。
在bbˊ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°；当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板倾斜一个角度，此角度就是钻孔顶角θ工程钻探学课件工程钻探学课件2、方位角测量原理1）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，使罗盘保持水平偏重块与180°线同侧，这样，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工程钻探学课件第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器二、钻孔轨迹的绘制一般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工程钻探学课件第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器二、钻孔轨迹的绘制目前，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工程钻探学课件工程钻探学课件第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器二、钻孔轨迹的绘制工程钻探学课件工程钻探学课件第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 二、钻孔轨迹的绘制工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进在钻探施工中，利用自然造斜规律，采取人工造斜手段，或者两者并用，按照预定的轨迹钻达预定目标的钻孔称为定向钻孔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工程钻探学课件第五节 定向钻进定向井定向井 工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进海油陆采是在海边的陆地上钻延伸到海上油层的水平井国内目前最大位移2051.22m工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进““阶梯式阶梯式””水平井水平井(L2-P1)(L2-P1) 工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进486mS9-P1井S-5井芒硝江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通 。
工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进一、定向钻孔分类2、受控定向钻孔即单纯采用人工造斜手段或绘合利用人工造斜手段与地层造斜规律，钻达目的层位的钻孔自然造斜与人工造斜，可在某一孔段同时使用，也可在不同孔段分别使用按施工技术方法的不同，可分为：1、初级定向钻孔即采用常规钻具并利用地层和工艺造斜规律，通过移动孔位，改变开孔顶角，扭转开孔方位角等方法钻达目的层位的钻孔工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进一、定向钻孔分类按孔身轨迹的不同，可分为：1、平面弯曲定向钻孔包括孔身轨迹在某一垂直平面内只有顶角弯曲而无方位变化（或方位角变化很小）的钻孔；在某一倾斜平面内顶角和方位角都有变化的钻孔；以及在水平平面内只有方位角弯曲而无顶角变化（或顶角变化很小）的钻孔（坑道钻中用之）工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进一、定向钻孔分类按孔身轨迹的不同，可分为：2、空间弯曲定向钻孔包括孔身轨迹某段在某一曲面内既有顶角变化又有方位角变化的钻孔；以及顶角不变、方位角发生变化的螺旋线状钻孔空间弯曲定向钻孔特别适用于岩层造斜作用强烈、钻孔顶角和方位角自然弯曲规律都很明显的矿区另外，钻孔需要绕过地下障碍物时，也可采用此类钻孔。
工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进一、定向钻孔分类按钻孔结构形态，又可分为：1、单孔底定向钻孔即只有主孔而无分枝孔的定向钻孔2、多孔底定向孔即既有主孔又有分枝孔的定向钻孔主孔只有一个，而分枝孔可能是一个也可能是多个从主孔中分出来的枝孔，称为一级分枝孔，从分枝孔中再分出来的枝孔，称为二级分枝孔工程钻探学课件工程钻探学课件第五节 定向钻进一、定向钻孔分类2。