采矿课件钻孔弯曲与测量

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,*,中国地质大学勘察与基础工程系,单击此处编辑母版标题样式,Deflection&Logging,钻孔弯曲与测量,钻孔弯曲与测量,主讲人：吴 翔,勘察与基础工程系,2004-7-24,本章主要内容,1、什么是钻孔弯曲,2、钻孔为什么会弯曲,3、如何确知钻孔弯曲,4、钻孔弯曲的防治,第一节 概 述,钻进(井)工程施工中，由于自然和技术因素的影响，,实际的钻孔轨迹往往偏离设计轨迹。这种现象称为钻孔弯曲或钻孔偏斜,。,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，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。,钻探施工危害,钻具在孔内弯曲变形严重，钻具与孔壁摩擦阻力增加，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。,其他方面的危害,水文水井钻探中，由于钻孔弯曲，可能会造成深井泵无法下入到钻孔中，或引起深井泵的过早损坏。,在钻孔桩施工中，会引起桩基倾斜，影响桩基承载力。,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,第二节 钻孔空间位置要素,要完全避免钻孔弯曲是很困难的。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。从钻探工艺与技术,角度出发，了解钻孔在地下空间的位置，研究钻弯曲的原因、机理,和规律性，从而采取相应的对策，进行防斜和纠斜。因此了解钻孔,在地下空间的位置是我们研究钻孔弯曲的第一步，这包括下面两个,方面的内容：,钻孔轨迹的基本要素,钻孔轨迹弯曲强度,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,一 钻孔轨迹的基本要素,为了解钻孔轨迹在地下空间的位置，表征其空间形态，就必须了,解和控制钻孔轨迹要素。,图中0代表开孔点，X轴代表南北，Y轴代表,东西，Z轴代表地下方向，0ABC是钻孔的空间轨迹。其基本要素包括：,顶角,钻孔轨迹上某点的顶角是该点的切线与,铅垂线之间的夹角，,其余角称为钻孔倾,角。顶角变化的范围是090,方位角,钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线,在水平面上的投影与真北方向之间的夹,角，,有磁方位和地理方位。0360,对应的钻孔孔深,钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,一 钻孔轨迹的基本要素,利用钻孔轨迹的基本要素，可以计算出轨迹上每一点的空间坐标，如下右,图所示。假设钻孔轨迹为一斜直线，坐标系的原点为孔口，X轴取正北方,向，Y轴取正东方向，Z轴铅垂向下。根据钻孔各个深度上(即测点)的顶角,和方位角。轨迹上的空间坐标计算如下：,式中：,x,0,y,0,z,0,-,孔口坐标；,x,A,y,A,z,A,钻孔轴线上点A的坐标；,开孔顶角；,开孔方位角；,L,A,孔口至测点钻孔轴线的长度。,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,二 钻孔轨迹弯曲强度,钻孔轨迹的弯曲程度实质上是指钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化量,可用曲率,k,或弯强,i,表示。曲率的单位是,radm,，弯强的单位是,/m,。,它们的关系是：,钻孔轨迹的弯曲强度可分为顶角弯曲强度、方位角弯曲强度和全弯曲强度。,顶角弯强,：,钻孔轴线单位长度上顶角的变化量；,方位角弯强,：钻孔轴线单位长度的方位角变化量；,全弯强,：,钻孔轴线单位长度的全角变化量,。,如果某一孔段既有顶角又有方位角变化，则产生全弯曲角,钻孔轨迹上A、B两点的全弯曲角,可用下式计算：,钻孔全弯强对于校核钻杆柱工作的安全性和粗径钻具入孔的可通过性有实际,意义。也是设计定向钻孔轨迹的一个重要参数。,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,一、钻孔弯曲的条件,造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线。,粗径钻具轴,线偏离钻孔轴线的方式，可能是偏倒，也可能是弯曲。因此，产生钻孔,弯曲必要而充分的条件是：,存在孔壁间隙，,为粗径钻具提供偏倒(或弯曲)的空间,具备倾倒或弯曲的力，,为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力,粗径钻具倾斜面方向稳定。,保持偏倒(或弯曲)和力的方向稳定,孔壁间隙和倾倒(或弯曲)力是钻孔弯曲的必要条件；而粗径钻具倾斜,面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。,钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻杆柱只自转而不公转运动。因此，,钻,孔弯曲是在钻杆柱自转的情况下发生的。,如果钻杆柱公转，则必定带动,偏倒或弯曲的粗径钻具围绕钻孔轴线转动，使钻头在不同的时刻朝着不,同的方向钻进，这只能产生扩壁作用，而不导致钻孔弯曲。,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,二、钻孔弯曲的原因,形成钻孔弯曲的原因大致可分为三类,：,地质因素,技术因素,工艺方面的原因,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,第三节 钻孔弯曲的原因和规律,二、钻孔弯曲的原因,地质因素,影响钻孔弯曲的地质因素主要是,岩石的各向异性和软硬互,层,。,地质因素是客观存在的，只能通过工艺技术措施来减弱,甚至抵消它的促斜作用,岩石的各向异性,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。如右图所示，钻头沿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，在倾斜岩层中钻进时，极易产,生钻孔向垂直于层面的方向弯曲。,钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有,关。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。当遇层角约为,45,时，钻孔弯强最大。,11/28/2024,中国地质大学勘察与基础工程系,第三节,钻,钻孔弯曲的,原,原因和规律,二、钻孔弯,曲,曲的原因,地质因素,软硬互层,钻孔以锐角,穿,穿过软硬岩,层,层界面，,从软岩进入,硬,硬岩时,，由于软、,硬部分抗破,碎,碎阻力的不,同,同，使钻孔,朝,朝着垂直于,层,层面的方向,弯,弯曲；,而,从硬岩进入,软,软岩时，,则钻具轴线,有,有偏离层面,法,法线方向的,趋,趋势。但由,于上方孔壁,较,较硬，限制,了,了钻具偏倒,，,，结果基本,保,保持着原来,的,的方向；,钻孔通过硬,岩,岩进入软岩,又,又从软岩进,入,入硬岩时，,最,最终还是沿,层,层面法,线方向延伸,。,。,钻孔遇层角,存,存在着临界,值,值。,超过此值时,，,，钻孔顶层,进,进；低于此,值时，钻孔,将,将沿硬岩的,层,层面下滑(俗称顺层跑)。这也说,明,明钻进中粗,径钻具倾斜,面,面方向稳定,是,是客观存在,的,的。,12/20/2022,中国地质大,学,学勘察与基,础,础工程系,第三节,钻,钻孔弯曲的,原,原因和规律,二、钻孔弯,曲,曲的原因,地质因素,软硬互层,12/20/2022,中国地质大,学,学勘察与基,础,础工程系,第三节,钻,钻孔弯曲的,原,原因和规律,二、钻孔弯,曲,曲的原因,技术因素,开孔阶段,开孔阶段引,起,起钻孔弯曲,的,的技术因素,有,有：,钻机基础不,平,平；,钻机立轴安,装,装不正确；,未下孔口管,或,或孔口管方,向,向不合要求,；,；,主动钻杆过,长,长,钻进参数不,合,合理等,开孔阶段的,钻,钻孔弯曲会,影,影响整个钻,孔,孔轴线轨迹,，,，使钻孔轨,迹,迹产生很大,的偏差。,12/20/2022,中国地质大,学,学勘察与基,础,础工程系,第三节,钻,钻孔弯曲的,原,原因和规律,钻进阶段,钻进过程中,造,造成钻孔弯,曲,曲的技术是钻具的结构,和,和尺寸。钻杆柱为,一,一细长柔性,杆件，由于,存,存在孔壁间,隙,隙，在压力,的,的作用下，,钻,钻杆柱将产,生,生弯曲变形,，,，产生水平,分力，使粗,径,径钻具偏倒,。,。所以，,使粗径钻具,倾,倾倒或弯曲,的,的力是客观,存,存在的，,粗径,钻具在孔底,的,的偏倒角,决定于孔壁,间,间隙,b,和粗径钻具,长,长度,L,，即：,粗径钻具越,长,长，钻具的,偏,偏倒角越小,，,，但直径小,而,而长度过大,，,，刚度不足,，,，钻具,会被压弯，,即,即使孔壁间,隙,隙不大也会,使,使钻孔产生,较,较大的弯曲,。,。粗径钻具,的,的临界长度,可按下式计,算,算：,12/20/2022,中国地质大,学,学勘察与基,础,础工程系,第三,节,节,钻,钻,孔,孔弯,曲,曲的,原,原因,和,和规,律,律,3.,工,工艺,方,方面,的,的因,素,素,钻进,方,方法,钢粒,钻,钻进,时,时孔,壁,壁间,隙,隙最,大,大，,因,因此,孔,孔斜,最,最大,。,。,硬质,合,合金,钻,钻进,时,时孔,壁,壁间,隙,隙次,之,之，,一,一般,孔,孔斜,中,中等,。,。,金刚,石,石钻,进,进孔,壁,壁间,隙,隙最,小,小，,通,通常,只,只有13mm，,在,在钻,具,具刚,度,度足,够,够时,，,，孔,斜,斜最,小,小。,钻进,规,规程,参,参数,钻压,过,过大,，会,造,造成,钻,钻杆,柱,柱甚,至,至粗,径,径钻,具,具弯,曲,曲，,使,使钻,头,头紧,靠,靠孔,壁,壁一,侧,侧，,此,此时,偏,偏,倒角,可,可能,达,达到,最,最大,值,值，,并,并且,钻,钻具,与,与孔,壁,壁摩,擦,擦阻,力,力增,加,加，,钻,钻具,围,围绕,只,只围,绕,绕自,身,身轴,线自,转,转而,不,不作,公,公转,，,，此,时,时钻,具,具倾,斜,斜面,有,有固,定,定方,向,向，,从,从而,导,导致,钻,钻孔,弯,弯曲,。,。,转速,过,过高,，钻,杆,杆柱,回,回转,离,离心,力,力增,大,大，,从,从而,加,加剧,钻,钻具,的,的横,向,向振,动,动和,扩,扩壁,作,作用,，,，,结果,孔,孔壁,间,间隙,增,增加,。,。,钻压,过,过小,，,，转,速,速过,低,低,，则,进,进尺,慢,慢，,效,效率,低,低，,钻,钻头,停,停留,在,在孔,底,底时,间,间长,，,，也,会,会扩,大孔,壁,壁间,隙,隙，,增,增加,孔,孔斜,。,。,冲洗,液,液量,过,过大,，特,别,别是,在,在较,软,软的,岩,岩层,中,中，,液,液流,会,会冲,刷,刷、,破,破坏,孔,孔壁,。,。使,孔,孔壁,间,间,隙剧,增,增，,为,为钻,具,具偏,倒,倒、,钻,钻孔,弯,弯曲,提,提供,条,条件,。,。,12/20/2022,中国,地,地质,大,大学,勘,勘察,与,与基,础,础工,程,程系,第三,节,节,钻,钻,孔,孔弯,曲,曲的,原,原因,和,和规,律,律,三,、,、,钻,钻,孔,孔,弯,弯,曲,曲,的,的,某,某,些,些,规,规,律,律,性,性,钻,孔,孔,弯,弯,曲,曲,的,的,规,规,律,律,性,性,不,不,是,是,绝,绝,对,对,的,的,，,，,而,而,是,是,表,表,现,现,为,为,一,一,种,种,趋,趋,势,势,，,，,通,通,常,常,有,有,以,以,下,下,一,一,些,些,趋,趋,势,势,：,：,在,变,变,质,质,岩,岩(,如,如,结,结,晶,晶,片,片,岩,岩,、,、,片,片,麻,麻,岩,岩,等,等),中,中,钻,钻,进,进,时,时,，,，,钻,钻,孔,孔,弯,弯,曲,曲,强,强,度,度,大,大,于,于,在,在,沉,沉,积,积,岩,岩,（,（,如,如,页,页,岩,岩,）,）,中,中,钻,钻,进,进,时,时,的,的,弯,弯,强,强,，,，,更,更,大,大,于,于,在,在,岩,岩,浆,浆,岩,岩(,如,如,花,花,岗,岗,岩,岩,、,、,辉,辉,绿,绿,岩,岩),中,中,钻,钻,进,进,时,时,的,的,弯,弯,强,强,；,；,均,质,质,岩,岩,石,石,钻,钻,进,进,的,的,钻,钻,孔,孔,弯,弯,曲,曲,强,强,度,度,小,小,于,于,在,在,非,非,均,均,质,质,岩,岩,石,石,中,中,的,的,弯,弯,强,强,，,，,且,且,岩,岩,石,石,的,的,各,各,向,向,异,异,性,性,程,程,度,度,越,越,高,高,，,，,则,则,钻,钻,孔,孔,弯,弯,曲,曲,强,强,度,度,越,越,大,大,；,；,层,理,理,、,、,片,片,理,理,和,和,软,软,硬,硬,互,互,层,层,中,