第八章--钻孔弯曲与测量LU课件

工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节 概概 述述 钻进钻进(井井)工程施工中由于自然和技术因素的影响，工程施工中由于自然和技术因素的影响，实际钻孔轨迹往实际钻孔轨迹往往偏离设计轨迹往偏离设计轨迹称为钻孔弯曲或钻孔偏斜称为钻孔弯曲或钻孔偏斜。地质成果危害地质成果危害 歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度，影响对矿体歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度，影响对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。钻探施工危害钻探施工危害 钻具在孔内弯曲变形严重，摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事钻具在孔内弯曲变形严重，摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻具困难，功耗增加和钻进速度下降。故增多，升降钻具困难，功耗增加和钻进速度下降。其他方面的危害其他方面的危害 水井钻探中深井泵无法下入或过早损坏。钻孔桩施工中，会引起桩水井钻探中深井泵无法下入或过早损坏。钻孔桩施工中，会引起桩基倾斜，影响桩基承载力。基倾斜，影响桩基承载力。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 第一节 工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素o顶角（顶角（）钻孔轨迹某点切线与铅）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角。石油称为井斜角。垂线之间的夹角。石油称为井斜角。o方位角（方位角（）钻孔轨迹某点切线在）钻孔轨迹某点切线在水平面的投影与正北方向夹角，从水平面的投影与正北方向夹角，从正北方向按顺时针方向计。正北方向按顺时针方向计。q孔深孔深，孔口到钻孔轨迹上某点的钻，孔口到钻孔轨迹上某点的钻孔轴线长度。孔轴线长度。q垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的Z Z坐标长度。坐标长度。第一节第一节 概概 述述 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 一、钻孔轨迹工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系q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，孔轨迹为一斜直线，坐标原点为孔口，X X轴取正北，轴取正北，Y Y轴取正东，轴取正东，Z Z轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：式中：式中：x x0 0,y y0 0,z z0 0 孔口坐标；孔口坐标；x xA A,y yA A,z zA A钻孔轴线上点钻孔轴线上点A A的坐标；的坐标；开孔顶角；开孔顶角；开孔方位角；开孔方位角；L LA A孔口至测点钻孔轴线的长度。孔口至测点钻孔轴线的长度。第一节第一节 概概 述述 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系利用钻孔轨迹基本工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系二、弯曲强度（简称弯强）的概念二、弯曲强度（简称弯强）的概念o为说明钻孔轨迹的弯曲程度，取单位孔身长度的顶角变化，为说明钻孔轨迹的弯曲程度，取单位孔身长度的顶角变化，称顶角弯强。单位孔身长度的方位角变化，称为方位角弯强。称顶角弯强。单位孔身长度的方位角变化，称为方位角弯强。o弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（）/m；后者是；后者是rad/m。o如果把既有顶角变化，又有方位角变化的钻孔轨迹看成是钻如果把既有顶角变化，又有方位角变化的钻孔轨迹看成是钻进速度向量变化的轨迹，则在某一孔段这种向量方向的变化，进速度向量变化的轨迹，则在某一孔段这种向量方向的变化，可用钻孔全弯曲角表示。单位孔身长度的全弯曲角称全弯强。可用钻孔全弯曲角表示。单位孔身长度的全弯曲角称全弯强。全弯强越大，表明钻孔弯曲程度愈强烈。全弯强越大，表明钻孔弯曲程度愈强烈。第一节第一节 概概 述述 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系二、弯曲强度（简工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系三、处理钻孔弯曲问题时注意事项三、处理钻孔弯曲问题时注意事项o及时测量钻孔弯曲，准确测知钻孔的空间位置，在处理地及时测量钻孔弯曲，准确测知钻孔的空间位置，在处理地 质资料时加以校正；质资料时加以校正；o研究钻孔弯曲规律和原因，采取措施进行钻孔弯曲的防治研究钻孔弯曲规律和原因，采取措施进行钻孔弯曲的防治（防斜和治斜）；（防斜和治斜）；o结合施工条件采用定向钻进技术。在进行防斜、治斜和定向结合施工条件采用定向钻进技术。在进行防斜、治斜和定向钻进时，都必须定期测斜。钻进时，都必须定期测斜。第一节第一节 概概 述述 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系三、处理钻孔弯曲工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 第二第二 节节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒(或弯曲或弯曲)空间；空间；具备倾倒或弯曲力，为粗径钻具偏离钻孔轴线提供动力；具备倾倒或弯曲力，为粗径钻具偏离钻孔轴线提供动力；粗径钻具倾斜面方向稳定。粗径钻具倾斜面方向稳定。孔孔壁壁间间隙隙和和倾倾倒倒(或或弯弯曲曲)力力是是钻钻孔孔弯弯曲曲的的必必要要条条件件；而而粗粗径径钻具倾斜面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。钻具倾斜面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。o钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。o如如果果钻钻柱柱公公转转，钻钻头头在在不不同同时时刻刻朝朝着着不不同同方方向向钻钻进进，只只产产生生扩扩壁壁作作用用，而而不不导导致致钻钻孔孔弯弯曲曲。因因此此，钻钻孔孔弯弯曲曲是是在在钻钻柱柱自自转的情况下发生的。转的情况下发生的。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 第二 节 工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素：、地质因素：1.1 1.1 岩石的各向异性岩石的各向异性o垂直于岩层方向碎岩效率高，平行于垂直于岩层方向碎岩效率高，平行于层理方向效率低，因此，在倾斜岩层层理方向效率低，因此，在倾斜岩层中钻进极易产生垂直于层面的方向弯中钻进极易产生垂直于层面的方向弯曲曲（俗称顶层进）（俗称顶层进）。o钻孔弯强与岩石各向异性强弱和钻孔钻孔弯强与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。遇层角约为遇层角的大小有关。遇层角约为4545时，时，钻孔弯强最大。钻孔弯强最大。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系二、钻孔弯曲的原工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系q同时钻头在岩层片理和层理的作用下，同时钻头在岩层片理和层理的作用下，产生偏离钻孔中心的旋转，也是造成产生偏离钻孔中心的旋转，也是造成孔斜的重要原因。孔斜的重要原因。q当钻头与岩层斜交时，钻头切削具在当钻头与岩层斜交时，钻头切削具在孔底孔底A、B 两点处所遇回转阻力不同。两点处所遇回转阻力不同。钻头钻头A点切削具逆层切削的阻力点切削具逆层切削的阻力P大于大于B点切削具顺层切削的阻力点切削具顺层切削的阻力N，这时图，这时图中的中的A点可看作是钻头回转的瞬心，点可看作是钻头回转的瞬心，即钻孔轴线有沿即钻孔轴线有沿F方向偏移的趋势。方向偏移的趋势。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系同时钻头在岩层片工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系1.2 1.2 软硬互层软硬互层o钻孔以锐角从软岩进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻力钻孔以锐角从软岩进入硬岩时，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；的不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲；o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。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，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原但由于上方孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原来的方向；来的方向；o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。面法线方向延伸。o钻孔遇层角存在着临界值。超过此值时钻孔顶层进；低于此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值时钻孔将沿硬岩的层面下滑(俗称顺层跑俗称顺层跑)。这也说明钻进。这也说明钻进中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的。中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系1.2 软硬互层工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系地质因素软硬互层 第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系地质因素软硬工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系q除上述地质因素的影响以外，钻进含有卵石、砾石或漂石的除上述地质因素的影响以外，钻进含有卵石、砾石或漂石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，钻孔往往朝着容易岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，钻孔往往朝着容易通过的方向偏斜。此时顶角和方位角的弯曲无一定的规律。通过的方向偏斜。此时顶角和方位角的弯曲无一定的规律。q钻孔遇到大裂隙、交角又不大时，孔身往往沿裂隙面的方向钻孔遇到大裂隙、交角又不大时，孔身往往沿裂隙面的方向延伸。斜孔穿过较厚的松散岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋延伸。斜孔穿过较厚的松散岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋于下垂。于下垂。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系除上述地质因素的工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系2.2.技术因素技术因素2.1 2.1 设备安装设备安装o钻机基础不平，立轴安装不正确，未下孔口管或孔口管方向钻机基础不平，立轴安装不正确，未下孔口管或孔口管方向不合要求，都会使钻孔偏离设计轨迹。不合要求，都会使钻孔偏离设计轨迹。o这些因素主要是在开始阶段起作用，但钻孔开始的弯斜会给这些因素主要是在开始阶段起作用，但钻孔开始的弯斜会给以后的钻孔留下严重的影响。以后的钻孔留下严重的影响。2.2 2.2 钻具结构尺寸钻具结构尺寸1 1）粗径钻具的刚度）粗径钻具的刚度：粗径钻具直径较小而长度过长，则刚度可：粗径钻具直径较小而长度过长，则刚度可能不足，会失稳弯曲。粗径钻具的临界长度：能不足，会失稳弯曲。粗径钻具的临界长度：第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系2.技术因素 工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系2 2）钻头唇部形状）钻头唇部形状o钻进各向异性岩石遇层角为锐角时，钻进各向异性岩石遇层角为锐角时，钻头唇部形状影响：钻头唇部形状影响：o钻头唇部为平面形状或椭圆形状时，钻头唇部为平面形状或椭圆形状时，孔底向碎岩阻力最小方向偏移。同时孔底向碎岩阻力最小方向偏移。同时 第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 随着椭圆度的增大而加剧，因为钻孔向碎岩阻力最小侧破碎随着椭圆度的增大而加剧，因为钻孔向碎岩阻力最小侧破碎加快了。加快了。q钻头唇部为外锥形时，钻头唇面右部破岩阻力小，而左部破钻头唇部为外锥形时，钻头唇面右部破岩阻力小，而左部破岩阻力大。因此，有一翻转力矩岩阻力大。因此，有一翻转力矩M M0 0作用在钻头上，使钻孔有作用在钻头上，使钻孔有向左偏斜的趋势。向左偏斜的趋势。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系2）钻头唇部形状工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系q钻具唇部为内锥形，则孔底左边破碎较钻具唇部为内锥形，则孔底左边破碎较为强烈，钻孔向右偏斜。为强烈，钻孔向右偏斜。q在各向异性岩石中使用内锥形或半球形在各向异性岩石中使用内锥形或半球形唇面的钻头钻进时弯强最大。使用平面唇面的钻头钻进时弯强最大。使用平面形唇面钻头钻进时，钻孔弯强小。形唇面钻头钻进时，钻孔弯强小。3)3)粗径钻具的长度和孔壁间隙粗径钻具的长度和孔壁间隙q孔壁间隙孔壁间隙-粗径钻具外径与孔径间的间隙。粗径钻具在钻孔中的粗径钻具外径与孔径间的间隙。粗径钻具在钻孔中的偏倒角偏倒角qDc-孔径；孔径；D1、D-岩心管及钻头直径；岩心管及钻头直径；L-粗径钻具长度。粗径钻具长度。q显然，孔壁间隙显然，孔壁间隙或粗径钻具或粗径钻具，都会使偏倒角，都会使偏倒角，从而钻孔弯曲，从而钻孔弯曲强度强度。采用肋骨钻头会增大孔壁间隙。采用肋骨钻头会增大孔壁间隙。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系钻具唇部为内锥形工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系3.工艺因素工艺因素-可采取措施的主观因素3.1 钻进方法钻进方法o不同钻进方法导致不同的孔壁间隙。一般钢粒钻进孔斜最大，不同钻进方法导致不同的孔壁间隙。一般钢粒钻进孔斜最大，硬合金钻进次之，金刚石钻进最小。冲击回转钻进较低的轴硬合金钻进次之，金刚石钻进最小。冲击回转钻进较低的轴向压力和转数，钻孔弯曲强度较小。向压力和转数，钻孔弯曲强度较小。3.2 钻进规程参数钻进规程参数o钻压过大钻压过大粗径钻具弯曲粗径钻具弯曲钻头靠壁侧钻头靠壁侧偏倒角达最大偏倒角达最大钻钻具回转摩擦阻具回转摩擦阻钻具自转几率钻具自转几率导致钻孔弯曲。导致钻孔弯曲。o转速过高转速过高钻柱离心力钻柱离心力横向振动和扩壁横向振动和扩壁孔壁间隙孔壁间隙。o泵量过大泵量过大冲刷、破坏软岩孔壁冲刷、破坏软岩孔壁孔壁间隙孔壁间隙。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系3.工艺因素-工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系q当然，若钻进规程参数不合理，钻速过低，钻具在孔壁长时当然，若钻进规程参数不合理，钻速过低，钻具在孔壁长时间研磨也会扩大间隙间研磨也会扩大间隙，增加孔斜。，增加孔斜。三、钻孔弯曲的规律三、钻孔弯曲的规律(1)(1)均质岩石钻孔弯曲强度不均质岩石，岩石各向异性均质岩石钻孔弯曲强度不均质岩石，岩石各向异性钻钻孔弯曲强度孔弯曲强度(2)(2)层理、片理发育的岩石钻孔层理、片理发育的岩石钻孔“顶层进顶层进”弯曲。遇层角弯曲。遇层角4545左右钻孔弯曲强度最大。左右钻孔弯曲强度最大。(3)(3)软硬互层岩石中钻孔从软入硬时，弯曲强度软硬互层岩石中钻孔从软入硬时，弯曲强度，虽然从硬，虽然从硬进入软岩层时，弯曲强度较小，但最终弯曲趋势仍与顶层进。进入软岩层时，弯曲强度较小，但最终弯曲趋势仍与顶层进。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系当然，若钻进规程工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系(4)穿过松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋于下垂。钻孔碰到硬包穿过松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋于下垂。钻孔碰到硬包裹体时可能朝任意方向弯曲。裹体时可能朝任意方向弯曲。(5)钻孔顶角大时方位角变化小；反之变化大。一般，方位角弯曲与钻孔顶角大时方位角变化小；反之变化大。一般，方位角弯曲与钻具回转方向一致。顶角接近零时方位变化不定。钻具回转方向一致。顶角接近零时方位变化不定。(6)在近似水平的岩层中钻垂直孔，即使岩石各向异性强，软硬不均，在近似水平的岩层中钻垂直孔，即使岩石各向异性强，软硬不均，钻孔也不会产生较大的弯曲。钻孔也不会产生较大的弯曲。(7)孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，钻孔弯曲强度大。立轴孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，钻孔弯曲强度大。立轴与导向管安装不正，与导向管安装不正，钻孔朝安装不正的方向偏斜。钻孔朝安装不正的方向偏斜。(8)钢粒钻斜孔时，由于钢粒集中于孔底左下方，孔身向右上方弯曲，钢粒钻斜孔时，由于钢粒集中于孔底左下方，孔身向右上方弯曲，顶角和方位角都发生变化。顶角和方位角都发生变化。第二节第二节 钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的原因和规律 2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系(4)穿过松散工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系一、测量钻孔弯曲的原理一、测量钻孔弯曲的原理1.顶角测量原理顶角测量原理1.1 液面水平原理（氢氟酸测斜）液面水平原理（氢氟酸测斜）o把把2030浓度的氢氟酸注入玻璃管中浓度的氢氟酸注入玻璃管中1/3长长度。将试管密装在接头内。度。将试管密装在接头内。o同钻杆下孔待测位置静止同钻杆下孔待测位置静止1525min，提钻取，提钻取出。根据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。出。根据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。o由于毛细作用对算得的顶角必须校正。为避由于毛细作用对算得的顶角必须校正。为避免校正计算可利用倾斜仪来直接测定。免校正计算可利用倾斜仪来直接测定。o还可以用显影液、化学浆液等。还可以用显影液、化学浆液等。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系一、测量钻孔弯曲工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系1.2 重锤原理重锤原理o利用地球重力场，框架绕利用地球重力场，框架绕a轴灵活转动，轴灵活转动，b轴与轴与a轴垂直，轴垂直，b轴中点是能灵活转动轴中点是能灵活转动的弧形刻度盘，刻度盘转动面与钻孔的弧形刻度盘，刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻度盘因重力永远下弯曲平面一致，刻度盘因重力永远下垂。垂。o当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0对对准弧形竖板的标线顶角为准弧形竖板的标线顶角为0；o当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板倾斜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一个角度，此角度就是钻孔顶角。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系1.2 重锤原理工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 2.2.方位角测量原理方位角测量原理o根据定义，钻孔方位角测量必须满足两个条件：该角度是根据定义，钻孔方位角测量必须满足两个条件：该角度是钻孔轴线某点切线方向与地北的夹角；该角度是水平面上钻孔轴线某点切线方向与地北的夹角；该角度是水平面上的角度。的角度。o在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原理；理；o在有磁屏蔽在有磁屏蔽(如在套管内如在套管内)或磁干扰较大或磁干扰较大(如存在磁性矿体如存在磁性矿体)的孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理或的孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理或陀螺原理。陀螺原理。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 2.方位角工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系2.1 2.1 地磁场定向原理地磁场定向原理o利用磁针或磁敏感元件利用磁针或磁敏感元件(磁通门磁通门)确定钻孔的方位角。确定钻孔的方位角。o测量时罗盘处于水平状态且测量时罗盘处于水平状态且0线必须指向钻孔弯曲方线必须指向钻孔弯曲方向。向。o0线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。o将磁方位角加上或减去磁偏角可得到真北方位角。将磁方位角加上或减去磁偏角可得到真北方位角。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2.2 2.2 地面定向原理地面定向原理q将地面定向方位传至孔内，以此来测量钻孔方位角。将地面定向方位传至孔内，以此来测量钻孔方位角。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系2.1 地磁场定工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 二、非磁性矿区全测仪二、非磁性矿区全测仪q单点全测仪。单点全测仪。每下孔一次只能测一个顶角和方位角，每下孔一次只能测一个顶角和方位角，JXYJXY2 2，罗盘测方，罗盘测方位，悬锤测顶角。位，悬锤测顶角。q多点全测仪。多点全测仪。每下孔一次能测多个顶角和方位角，每下孔一次能测多个顶角和方位角，KXPKXP1 1，罗盘测方位，罗盘测方位，悬锤测顶角。悬锤测顶角。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 二、非磁性矿区工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系三三.磁性矿区全测法（惯性定向法）磁性矿区全测法（惯性定向法）3.1 陀螺仪工作原理陀螺仪工作原理o陀螺支撑于自身转轴及内、外环转轴上，三轴陀螺支撑于自身转轴及内、外环转轴上，三轴垂直正交于与陀螺重心重合点，陀螺具有三个垂直正交于与陀螺重心重合点，陀螺具有三个方向的自由度。在无摩擦的情况下，三自由度方向的自由度。在无摩擦的情况下，三自由度高速旋转的陀螺在空间的方向保持不变，这个高速旋转的陀螺在空间的方向保持不变，这个特性称作陀螺仪的特性称作陀螺仪的定轴性定轴性。o陀螺还具有陀螺还具有进动性进动性，即外框架转轴上有干扰力，即外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进动，使陀螺轴发生倾斜，矩时，内框架转轴进动，使陀螺轴发生倾斜，因此要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰因此要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转动，使陀螺轴产生漂移，力矩时，外框架转轴转动，使陀螺轴产生漂移，因此要进行漂移量修正。因此要进行漂移量修正。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系三.磁性矿区全工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系简介定向井和随钻测量技术在油田的应用简介定向井和随钻测量技术在油田的应用定向井定向井 国内最大的陆上丛式井在国内最大的陆上丛式井在384m 110m的区域内布置了的区域内布置了6排排42口定向井，口定向井，丛式井共穿过丛式井共穿过550个油气层，深达个油气层，深达2,046.9m。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系简介定向井和随钻工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系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。国内目前最大位移移2051.22m2051.22m。简介定向井和随钻测量技术在油田的应用简介定向井和随钻测量技术在油田的应用2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系海油陆采是在海边工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系“阶梯式阶梯式阶梯式阶梯式”水平井水平井水平井水平井(L2-P1)(L2-P1)(L2-P1)(L2-P1)简介定向井和随钻测量技术在油田的应用简介定向井和随钻测量技术在油田的应用2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系“阶梯式”水平井工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系泥浆脉冲泥浆脉冲式式MWD用于定向用于定向井钻井的井钻井的举例。举例。简介定向井和随钻测量技术在油田的应用简介定向井和随钻测量技术在油田的应用2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系泥浆脉冲式MWD工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系486mS9-P1井井S-5井井芒硝 江苏开采芒硝的两井之间在江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。处连通。MWD用于对接井采矿举例用于对接井采矿举例2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系486mS9-P工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系电磁波随钻测量电磁波随钻测量（MWD）系统）系统2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系电磁波随钻测量（工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系四、四、测斜数据处理测斜数据处理1.1.测斜误差的产生与消除测斜误差的产生与消除q测斜目的是求得测点处钻孔顶角与方位的真值。但只能以某测斜目的是求得测点处钻孔顶角与方位的真值。但只能以某种精度逼近。允许误差：顶角种精度逼近。允许误差：顶角0.51方位角方位角45。q系统误差是仪器本身或测斜方法不正确造成的，服从一定规系统误差是仪器本身或测斜方法不正确造成的，服从一定规律。如：零漂和温漂，仪器轴线与钻孔轴线不一致。律。如：零漂和温漂，仪器轴线与钻孔轴线不一致。q随机误差是多因素综合影响的结果，多次重复测量的随机误随机误差是多因素综合影响的结果，多次重复测量的随机误差服从正态分布。差服从正态分布。q缓慢误差是电子元件老化和机械零件内应力变化引起的。缓慢误差是电子元件老化和机械零件内应力变化引起的。q疏忽误差是一种显然与事实不符的误差，主要由操作者粗枝疏忽误差是一种显然与事实不符的误差，主要由操作者粗枝大叶或偶然的外界干扰引起的。大叶或偶然的外界干扰引起的。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系四、测斜数据处理工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系2.2.在测斜数据的基础上绘制钻孔轨迹在测斜数据的基础上绘制钻孔轨迹q钻孔测斜并非连续测量，每隔钻孔测斜并非连续测量，每隔25m一个点，轨迹是折线。一个点，轨迹是折线。q通常用均角全距法进行计算，即把每一段测斜间距的两组测斜数通常用均角全距法进行计算，即把每一段测斜间距的两组测斜数据的平均值作为该孔段的顶角和方位角值。据的平均值作为该孔段的顶角和方位角值。q在计算机已普及的今天，可按式（在计算机已普及的今天，可按式（10-16）快速求出各测点的三）快速求出各测点的三维坐标，并绘出钻孔轨迹的垂直和水平投影图。维坐标，并绘出钻孔轨迹的垂直和水平投影图。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系2.在测斜数据工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系 3.3.建立矿区（施工区）孔斜规律数学模型建立矿区（施工区）孔斜规律数学模型q在孔斜规律明显的矿区设计自然定向孔是解决孔斜问题的有在孔斜规律明显的矿区设计自然定向孔是解决孔斜问题的有效途径；如果已知矿区孔斜规律便可预测下一个（批）钻孔效途径；如果已知矿区孔斜规律便可预测下一个（批）钻孔的弯曲趋势。的弯曲趋势。第三节第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系 3.建立矿工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正一、钻孔弯曲的预防一、钻孔弯曲的预防1.1.在设计钻孔时应考虑预防钻孔弯曲在设计钻孔时应考虑预防钻孔弯曲1.1 按照地层条件设计钻孔按照地层条件设计钻孔 o布置钻孔时，尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向；布置钻孔时，尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向；o松软、破碎、厚覆盖层、裂隙及溶洞地层应尽量设计垂直孔。松软、破碎、厚覆盖层、裂隙及溶洞地层应尽量设计垂直孔。1.2 按钻孔弯曲规律设计钻孔按钻孔弯曲规律设计钻孔 o孔斜规律明显、岩层倾角大、无法垂直钻孔的地层，应利用孔斜规律明显、岩层倾角大、无法垂直钻孔的地层，应利用地层的自然弯曲规律，辅以人工控制弯曲措施，设计地层的自然弯曲规律，辅以人工控制弯曲措施，设计“初级初级定向孔定向孔”。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正q若弯曲规律是方位稳定而顶角偏离，若弯曲规律是方位稳定而顶角偏离，有如下几种设计方法：有如下几种设计方法：(1)沿勘探线平移法沿勘探线平移法 由由o点开孔打不到靶点点开孔打不到靶点a，可在勘探线，可在勘探线上后移孔位。过上后移孔位。过a点引点引bo的平行线，与的平行线，与地面交于点地面交于点o即为后移的孔位。即为后移的孔位。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正 (2)增大开孔倾角法增大开孔倾角法 当移动孔位受到地形限制，而按原当移动孔位受到地形限制，而按原设计又无法钻至预定靶点时，可根设计又无法钻至预定靶点时，可根据倾角弯曲规律，用增大开孔倾角据倾角弯曲规律，用增大开孔倾角的方法钻进，的方法钻进，1是调整后的开孔倾角。是调整后的开孔倾角。o若已知钻孔弯曲规律是顶角基若已知钻孔弯曲规律是顶角基本稳定而方位角变化较大时，本稳定而方位角变化较大时，应按方位角变化规律调整钻孔应按方位角变化规律调整钻孔设计。设计。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正2.保证安装质量，把好换径关保证安装质量，把好换径关o安装地基要平整、坚实、稳固。安装地基要平整、坚实、稳固。o钻机立轴倾角方向符合设计要求，钻机立轴倾角方向符合设计要求，“三点一线三点一线”。o孔口管固定牢，方位和倾角符合设计要求。孔口管固定牢，方位和倾角符合设计要求。o粗径钻具要直，长度要逐渐加长至粗径钻具要直，长度要逐渐加长至10m左右。左右。o换径带导向的综合式异径钻具。换径带导向的综合式异径钻具。3.3.采用合理的钻具结构采用合理的钻具结构 钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具等形式的组合钻具对防止钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具等形式的组合钻具对防止和纠和纠正钻井弯曲有明显的效果。正钻井弯曲有明显的效果。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正3.1 3.1 钟摆钻具钟摆钻具钟摆力（减斜）钟摆力（减斜）Fd为为：可看出，当钻孔顶角一定时可看出，当钻孔顶角一定时增大减斜力的途径：增大减斜力的途径：加大切点加大切点以下钻具质量，选用厚壁钻铤；在略高于切点的位置上装以下钻具质量，选用厚壁钻铤；在略高于切点的位置上装一扶正器，提高切点的位置，或增大切点以下钻一扶正器，提高切点的位置，或增大切点以下钻铤长度来增大钻具质量。此外，采用扶正器还可减小下铤长度来增大钻具质量。此外，采用扶正器还可减小下部钻具的倾斜角和增斜力，从而进一步加大钻具的防斜能部钻具的倾斜角和增斜力，从而进一步加大钻具的防斜能力。力。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正 3.2 偏重钻具偏重钻具o在普通钻铤的一侧钻一排浅窝造成在普通钻铤的一侧钻一排浅窝造成偏重，回转时产生离心力。偏重，回转时产生离心力。o偏重钻铤防斜宜用高转速。偏重钻偏重钻铤防斜宜用高转速。偏重钻铤尽量接近钻头，钻铤的减重部分铤尽量接近钻头，钻铤的减重部分距轴线尽可能远。距轴线尽可能远。o钻铤重边和轻边的质量差为钻铤总钻铤重边和轻边的质量差为钻铤总重重0.55，偏重钻铤一般，偏重钻铤一般9m左左右就能起到良好的纠斜作用。右就能起到良好的纠斜作用。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正 3.3 满眼钻具满眼钻具o满眼钻具由满眼钻具由35个与钻头直径相近的扶正器和外径较大的钻个与钻头直径相近的扶正器和外径较大的钻铤组成，可以增大钻具的刚度减小钻头倾斜角，保持钻具铤组成，可以增大钻具的刚度减小钻头倾斜角，保持钻具在孔内居中，能限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力。在孔内居中，能限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力。o使用满眼钻具时，要注意计算扶正器的安装位置，并经常使用满眼钻具时，要注意计算扶正器的安装位置，并经常检查扶正器的磨损情况，一般应保证扶正器与孔壁的间隙检查扶正器的磨损情况，一般应保证扶正器与孔壁的间隙小于小于1mm发挥发挥“满眼满眼”的作用。的作用。o满眼钻具用于垂孔钻进时，虽然可以消除或限制工艺因素满眼钻具用于垂孔钻进时，虽然可以消除或限制工艺因素对孔斜的影响，削弱地质因素的促斜作用，但不能完全避对孔斜的影响，削弱地质因素的促斜作用，但不能完全避免孔斜，属被动垂孔钻进系统。免孔斜，属被动垂孔钻进系统。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正二、钻孔弯曲的纠正二、钻孔弯曲的纠正1 1、使顶角下垂的方法、使顶角下垂的方法 o在松散、溶洞地层中钻进时，钻具具有自然下垂的趋势。在松散、溶洞地层中钻进时，钻具具有自然下垂的趋势。而在其他地层，可采用组合式钻具而在其他地层，可采用组合式钻具(钟摆、偏重钻铤钟摆、偏重钻铤)等。等。2 2、使顶角上漂的方法、使顶角上漂的方法 o一般具有自然上漂的倾向。采用短岩心管一般具有自然上漂的倾向。采用短岩心管(约为普通岩心管约为普通岩心管的的2/3)2/3)，适当加大钻压与水量；钢粒钻进时可选大钢粒、，适当加大钻压与水量；钢粒钻进时可选大钢粒、增大投砂量；或采用大直径钻头配小直径岩心管组成塔式增大投砂量；或采用大直径钻头配小直径岩心管组成塔式钻具，扩大孔壁间隙，促使钻具上漂。钻具，扩大孔壁间隙，促使钻具上漂。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术工程钻探与取样技术2024/6/10中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节 钻孔弯曲的预防与纠正钻孔弯曲的预防与纠正3、方位角偏斜纠正、方位角偏斜纠正o在钻孔方位顺钻头回转方向偏斜时在钻孔方位顺钻头回转方向偏斜时(右旋右旋)，采取左旋钻具，采取左旋钻具的方法纠正。这种方法对钢粒钻进具有一定效果。的方法纠正。这种方法对钢粒钻进具有一定效果。4、对顶角和方位角均有较大偏斜时的纠正、对顶角和方位角均有较大偏斜时的纠正o采用一般纠斜方式不能奏效时，可在弯曲异常的孔段灌注采用一般纠斜方式不能奏效时，可在弯曲异常的孔段灌注水泥，然后用导向钻具重新开孔的方法纠斜，此法适用于水泥，然后用导向钻具重新开孔的方法纠斜，此法适用于中硬以上岩层。此外，还可以采用在孔内下偏心楔或用连中硬以上岩层。此外，还可以采用在孔内下偏心楔或用连续造斜器的方法纠斜。续造斜器的方法纠斜。2023/8/8中国地质大学勘查与基础工程系第四节 钻孔弯