钻孔弯曲及测量kejian.ppt

中国地质大学勘查与基础工程系 六、钻孔弯曲与测量 （一）钻孔弯曲概念 （二）钻孔弯曲的原因和规律 （三）钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 （四）钻孔弯曲的预防与纠正 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。 顶角（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角。 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。 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。 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。 （二）钻孔弯曲的原因和规律 1、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。 钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。 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。 1）地质因素： （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。 （2）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。 （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）钻具结构尺寸 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： （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。 （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↑。 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。 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。 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