钻孔弯曲与纠正培训课件.doc

钻孔弯曲与纠正培训课件概念：钻进(井)工程施工中，由于自然和技术因素影响，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，影响桩基承载力第一节　钻孔空间位置要素避免钻孔弯曲: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 了解钻孔在地下空间的位置是研究钻孔弯曲的第一步，包括钻孔轨迹的基本要素和钻孔轨迹弯曲强度两个方面内容一、钻孔轨迹的基本要素钻孔要素： 钻孔的天顶角：轴线与铅垂线之间的夹角(α)，变化0～90； 钻孔倾角：轴线与水平面之间的夹角(β)，与顶角互余； 钻孔的方位角：轴线与投影于水平面与正北之间的夹角，有磁方位和地理方位。

0～360 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设钻孔轨迹为一斜直线，坐标系的原点为孔口，X轴取正北、Y轴取正东方向，Z轴铅垂向下据钻孔各深度上(即测点)的顶角和方位角轨迹上的空间坐标计算如下：孔口坐标Xo,Yo,Zo) 钻孔轴线上A点坐标 ; θ—开孔顶角；α—开孔方位角；LA—孔口至测点钻孔轴线的长度二、钻孔轨迹弯曲强度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rad／m，弯强的单位是/m二者关系：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γ, 钻孔轨迹上A、B两点的全弯曲角γ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第二节　钻孔弯曲的测量及仪器为了随时掌握与控制钻孔空间位置的变化，预防与纠正钻孔弯曲，在钻进中必须测量钻孔轨迹各孔段上的基本参素即：顶角、方位角和孔深。

这一工作称为钻孔弯曲度测量简称测斜钻孔弯曲的测量原理包括顶角测量原理和方位角测量原理，孔深测量一般只是借助电缆（测绳）或钻杆将测斜仪下入到指定深度来控制顶角测量原理: 1、液面水平原理（氢氟酸测斜）; 2、悬锤原理;方位角测量原理:1、地磁场定向原理; 2、地面定向原理 一、顶角测量原理测量顶角度必须符合两个条件：该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角；该角度在钻孔弯曲平面内1、液面水平原理（氢氟酸测斜） 把20%～30％的氢氟酸注入长度为100～150mm内径15～25mm的玻璃试管中注入量为试管长度的1／3左右然后，将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制的接头内，用橡胶塞加以密封用钻杆将其下到孔内待测位置，静止停留15～25min后，提钻取出试管由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用，在试管上留有液面痕迹根据液面的高低，就可算出顶角1、液面水平原理（氢氟酸测斜）由于有毛细管的作用，试管形成了蚀痕曲面由此测出的顶角必须校正，按下式可求出实际顶角： θ=θ′+E; 式中θ—钻孔的实际顶角，θ′ —玻璃试管上实测顶角，E—校正角（为了避免计算和校正上的麻烦，可以利用倾斜仪来直接测定）。

2、悬锤原理原理是利用地球重力场 框架可绕a轴灵活转动，b轴与a轴垂直相交，在b轴中点0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当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0正对准弧形竖板上的标线，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二、方位角测量原理根据定义，方位角的测量必须满足两个条件：角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角；该角度必须是水平面上的角度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；在有磁屏蔽(如在套管内)或磁干扰较大(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1、地磁定向原理地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元件(磁通门)确定倾斜钻孔的方位角测量时罗盘必须处于水平状态，并且罗盘上0线必须指向钻孔弯曲方向罗盘转动轴应垂直于钻孔弯曲平面，在其下部装有重块，使罗盘保持水平 罗盘上0与180连线及框架上的偏重块都在框架的垂直平分平面内(即钻孔弯曲平面内)，偏重块与180线同侧这样，在倾斜钻孔中180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。

2、地面定向原理在地面将定位方向传到孔内各个测点取地面定位方向为OA，其方位角为α0，钻孔弯曲方向为OB，其方位角为α1，∠AOB＝ α1- α0若令∠A′O′B′＝ф，则在钻孔横截面上的ф角，即为终点角 式中：α-定位与钻孔倾斜方向方位角差；ф-终点角；θ-测点处钻孔顶角该原理应用的具体方法有钻杆定向法、环测定向法和陀螺惯性定向法3、陀螺定向原理陀螺(top) ：指绕一个支点高速转动的刚体，通常特指对称陀螺（一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴）大家小时候都玩过的陀螺就是一例陀螺一边自转，一边绕一个固定轴旋转（一般是虚的），叫“旋进”(precession)，又称回转效应(gyroscopic effect)旋进要在一定的初始条件和外力矩作用下产生，比如游戏陀螺快要“坏了”时，还有旋转的硬币快要停下时，都是旋进的实例陀螺旋进是日常生活中常见的现象 陀螺仪的原理：陀螺高速回转的回转轴具有守恒性，即在无外力作用情况下，它在宇宙空间将指向恒定的方向，且不会改变如将陀螺悬挂起来并使其轴保持水平方向，在地球转动影响下，陀螺轴将指向地轴所在的子午面，并有围绕子午面作往复摆动的特性。

利用这种特性可以测定真北方向用这种原理制成的仪器称为陀螺罗盘根据这个原理，用它来保持方向，制造出来的仪器叫陀螺仪生活实例：骑自行车时，轮子转得越快越不易倒，因为车轴有一股保持水平的力量陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟数万转，可以工作很长时间然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统在矿山建设中广泛用作定向仪器，提高井下控制导线的精度，减少支导线复测工作量；在钻探中用它测定孔斜方位陀螺仪是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器但它必需转得够快，或者惯量够大(即角动量要够大)不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性就像我们可以轻易改变旋转中车轮转轴的方向一样所以测量定向及设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是靠内部所提供的动力，使其保持高速转动 陀螺定向原理是利用陀螺马达高速旋转所产生的定轴特性来测量方位角的可用于磁性矿体和磁屏蔽情况下测量钻孔弯曲度高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、外环的转轴上，三轴在空间相互垂直正交并交于一点，该点与陀螺的重心重合，使陀螺电机具有三个方向的自由度三自由度高速旋转的陀螺转子轴，在轴承无磨擦的情况下，在空间的方向保持不变，这个特性称作陀螺仪的定轴性。

陀螺还具有进动性，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，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，因此要进行漂移量修正4、JDL—1型陀螺测斜仪结构主要分3部分上半部是一组由电容、电感构成的回路，将电缆里的400Hz交流和直流测量信号分开；中部是由两个自由框架组成的测量系统；下部是锁紧和修正系统 由两个伺服电动机、两套减速齿轮以及正反向继电器和限位接触器等组成探管最下部，有一个长腰形的凸块，用以装入保护管底部的凹槽，以保证探管处于对准外管母线的正确位置除孔内探管外，全套仪器还包括有地面测量面板，用以控制和监测孔内仪器的工作状态，并利用电位补偿原理、度盘读数方式测出钻孔顶角和终点角；整流稳压器，将交流电经整流、滤波和稳压后，输出ll V及20～25V两档直流电压，提供给仪器测量面板和变流器；用以将整流稳压器提供的直流电源转变成3相400Hz交流电，驱动陀螺马达悬锤测量顶角原理：　在顶框11上，装有偏心重块3，它使顶角重锤1永远处于钻孔倾斜面内在框架11下端，固定有方位电位计在陀螺外框架的中央装有陀螺电机6，它装在陀螺房内。

仪器轴相当于I轴，框架5能围绕此轴回转陀螺房两侧用轴承支撑在框架5上，陀螺房带着陀螺能围绕此轴回转，此轴为II轴，陀螺电机的轴17为III轴，支撑在陀螺房内陀螺电机以21500r/min的高速作逆时针方向回转陀螺外框5的上端有方位电位计电刷12（位置由陀螺的方向）方位电位计4固定在顶角框架11的下端，使电位计的一端永远保持在钻孔倾斜面内电位计的一端至电刷的夹角就是测量的终点角在顶角较小时，此角就认为是方位角修正系统由接触摆锤7、伺服电机14及极化继电器等组成当II轴进动时，III轴倾斜，使摆锤接触点与相应的一组接点相接触，驱动极化继电器，接通伺服电机的一组线圈，使电机在框架5的I轴上施加一个反力矩，从而使II轴向相反方向进动，使III轴回到水平位置锁紧装置：可减少地面定向及运输过程中陀螺各轴振动锁紧时陀螺III轴方向与外管上的定向母线差90度,这对起始定向很重要如在定向时陀螺不锁紧，III轴将不在定向位置上，无法计算框架误差锁紧装置由自由电机15通过减速机构带动推杆滑轮8作上下移动在框架5下有一个圆弧形斜面凸轮（未标出），滑轮上移时一般先顶住凸轮，并通过它带动框架5转动，直到滑轮接触到凸轮最低点时5转动停止。

滑轮继续上行，通过顶卡18使陀螺锁紧要松开陀螺时，可使自由电机15反转，滑轮下移，顶卡松开，使陀螺自由，在凸轮最高处可使陀螺全部松开从滑轮锁紧到松开，约需4分钟时间3.钻孔弯曲规律 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，可由偏倒或弯曲引起　产生钻孔弯曲的充要条件： 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即：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1、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或抵消它的促斜作用（1）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。