第九章钻孔弯曲与测量研究报告.ppt

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式o第十章 钻孔弯曲与测量 1、什么是钻孔弯曲 2 2、钻孔为什么会弯曲、钻孔为什么会弯曲 3 3、如何确知钻孔弯曲、如何确知钻孔弯曲 4 4、钻孔弯曲的防治、钻孔弯曲的防治国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 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，实际钻孔轨迹往往偏离设计轨迹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，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，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，会引起桩基倾斜，影响桩基承载力2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 一、钻孔轨迹的基本要素q 顶角（）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角石油称为井斜角q 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q 孔深，孔口到钻孔轨迹上某点的钻孔轴线长度q 垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的Z坐标长度。

第一节 概 述 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程三、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，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（）/m；后者是rad/mo 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， 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 第一节 概 述 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程四、处理钻孔弯曲问题时注意事项q 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；q 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）；q 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 第一节 概 述 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二 节 钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒(或弯曲)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； 粗径钻具倾斜面方向稳定。

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q 钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转q 如果钻柱公转，钻头在不同时刻朝着不同方向钻进，只产生扩壁作用，而不导致钻孔弯曲因此，钻孔弯曲是在钻柱自转的情况下发生的 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程二、钻孔弯曲的原因1、地质因素：1.1 岩石的各向异性q 垂直于岩层方向碎岩效率高，平行于层理方向效率低，因此，在倾斜岩层中钻进极易产生垂直于层面的方向弯曲（俗称顶层进）q 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45时，钻孔弯强最大 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程q 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，也是造成孔斜的重要原因q 当钻头与岩层斜交时，钻头切削具在孔底A、B 两点处所遇回转阻力不同钻头A点切削具逆层切削的阻力P大于B点切削具顺层切削的阻力N，这时图中的A点可看作是钻头回转的瞬心，即钻孔轴线有沿F方向偏移的趋势。

第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 软硬互层q 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；q 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，结果基本保持着原来的方向；q 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q 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(俗称顺层跑)这也说明钻进中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程地质因素软硬互层 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程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 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2. 技术因素2.1 设备安装p 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p 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2.2 钻具结构尺寸1）粗径钻具的刚度：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： 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2）钻头唇部形状q 钻进各向异性岩石遇层角为锐角时，钻头唇部形状影响：q 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 第二节 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，而左部破岩阻力大因此，有一翻转力矩M0作用在钻头上，使钻孔有向左偏斜的趋势2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程q 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。

q 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形唇面钻头钻进时，钻孔弯强小 3) 粗径钻具的长度和孔壁间隙q 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偏倒角qDc-孔径；D1、D-岩心管及钻头直径；L-粗径钻具长度q 显然，孔壁间隙或粗径钻具，都会使偏倒角，从而钻孔弯曲强度 采用肋骨钻头会增大孔壁间隙 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.工艺因素-可采取措施的主观因素3.1 钻进方法q 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向压力和转数，钻孔弯曲强度较小3.2 钻进规程参数q 钻压过大粗径钻具弯曲钻头靠壁侧偏倒角达最大钻具回转摩擦阻钻具自转几率导致钻孔弯曲q 转速过高钻柱离心力横向振动和扩壁孔壁间隙 q 泵量过大冲刷、破坏软岩孔壁孔壁间隙 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程q 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 ，增加孔斜。

三、钻孔弯曲的规律 (1) 均质岩石钻孔弯曲强度不均质岩石，岩石各向异性钻孔弯曲强度(2) 层理、片理发育的岩石钻孔“顶层进” 弯曲遇层角45左右钻孔弯曲强度最大3) 软硬互层岩石中钻孔从软入硬时，弯曲强度，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 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程(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，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与导向管安装不正， 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，顶角和方位角都发生变化 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程一、测量钻孔弯曲的原理1. 顶角测量原理1.1 液面水平原理（氢氟酸测斜）q 把2030浓度的氢氟酸注入玻璃管中1/3长度。

将试管密装在接头内q 同钻杆下孔待测位置静止1525min，提钻取出根据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角q 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q 还可以用显影液、化学浆液等 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 重锤原理q 利用地球重力场，框架绕a轴灵活转动，b轴与a轴垂直，b轴中点是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，刻度盘因重力永远下垂q 当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0对准弧形竖板的标线顶角为0；q 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第四节 钻孔弯曲的测量及仪器2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 2. 方位角测量原理q 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；该角度是水平面上的角度q 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；q 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，可用地面定向原理或陀螺原理。

第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.1 地磁场定向原理q 利用磁针或磁敏感元件(磁通门)确定钻孔的方位角q 测量时罗盘处于水平状态且0线必须指向钻孔弯曲方向q 为此，罗盘转轴应垂直于钻孔弯曲平面，并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与钻孔弯曲平面一致，偏重块与180线同侧这样0线必定指向钻孔弯曲方向q 0线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角 第四节 钻孔弯曲的测量及仪器2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 2. 多点全测仪q 采用非电量电测法由罗盘测量的方位角和用悬锤测量的顶角通过电阻（弧形电阻件和环形电阻件）转换成电量如JJX-2、JJX-3、KXP-1、JX641GA、SJX77、SSJX77和CX-3601等型号q 采用直流平衡电桥测量电路，将方位电阻和顶角电阻分别作为两个直流平衡电桥的被测电阻和一臂，电桥的另三个臂连接标准已知电阻，利用可变电阻调节电桥的平衡q 可变电阻（平衡电阻）值的变化及所代表的方位角或顶角值，可由地面仪器面板的刻度盘读出。

第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理2022/1/19中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 KXP-1型测斜仪适用于46mm以上的非磁性钻孔仪器的井下探管和地面操作箱用三心电缆连接测量灵敏系统主要有铝合金框架、方位角、顶角测量系统。