岩土钻掘工程10.ppt

第十章 钻孔弯曲与测量; 第一节 概 述 ; 一、钻孔轨迹的基本要素 顶角（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角。石油称为井斜角。 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。 垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的Z坐标长度。;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： 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。 ;三、弯曲强度（简称弯强）的概念 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。 弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（°）/m；后者是rad/m。 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。 ;四、处理钻孔弯曲问题时注意事项 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； 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）； 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。 ; 第二 节 钻孔弯曲的原因和规律 ;二、钻孔弯曲的原因 1、地质因素： 1.1 岩石的各向异性 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）。 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45o时，钻孔弯强最大。;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。 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。 ;1.2 软硬互层 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； 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； 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。 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。;地质因素——软硬互层 ;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。 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。 ;2. 技术因素 2.1 设备安装 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。 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： ;2）钻头唇部形状 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;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。 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;3.工艺因素--可采取措施的主观因素 3.1 钻进方法 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 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。 转速过高→钻柱离心力↑→横向振动和扩壁→孔壁间隙↑。 泵量过大→冲刷、破坏软岩孔壁→孔壁间隙↑。 ;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