云顶集团第六章_钻孔弯曲与测量

　　云顶集团第六章_钻孔弯曲与测量钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具的结构和尺寸。钻杆柱为一细长柔性 杆件，由于存在孔壁间隙，在压力的作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，产生水平 分力，使粗径钻具偏倒。所以，使粗径钻具倾倒或弯曲的力是客观存在的，粗径 钻具在孔底的偏倒角ε决定于孔壁间隙b和粗径钻具长度L，即：

　　开孔阶段引起钻孔弯曲的技术因素有： 钻机基础不平； 钻机立轴安装不正确； 未下孔口管或孔口管方向不合要求； 钻进参数不合理等 开孔阶段的钻孔弯曲会影响整个钻孔轴线轨迹，使钻孔轨迹产生很大 的偏差。

　　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。

　　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。

　　方位角是该点的切线在水平面上的投影与 正北方向之间的夹角，按顺时针方向计算。 有磁方位和地理方位。 0°～360°

　　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

　　粗径钻具越长，钻具的偏倒角越小。但直径小而长度过大，刚度不足，钻具 会被压弯，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。粗径钻具的临界长度 可按下式计算：

　　钢粒钻进时孔壁间隙最大，因此孔斜最大。 硬质合金钻进时孔壁间隙次之，一般孔斜中等。 金刚石钻进孔壁间隙最小，通常只有1～3mm，在钻具刚度足够时，孔斜最小。

　　钻压过大，会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏 倒角可能达到最大值，并且钻具与孔壁摩擦阻力增加，钻具只围绕自身轴 线自转而不作公转，此时钻具倾斜面有固定方向，从而导致钻孔弯曲。 转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用， 结果孔壁间隙增加。 钻压过小，转速过低，则进尺慢，效率低，钻头停留在孔底时间长，也会扩 大孔壁间隙，增加孔斜。 冲洗液量过大，特别是在较软的岩层中，液流会冲刷、破坏孔壁。使孔壁间 隙剧增，为钻具偏倒、钻孔弯曲提供条件。

　　软硬互层 钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，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。 钻孔遇层角：所谓钻孔遇层角就是钻孔轴 线与其在岩石层面上的正投影的夹角。 钻孔遇层角存在着临界值。一般在10-20 度。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)。 当遇层角约为45º 时，钻孔弯强最大。

　　利用钻孔轨迹的基本要素云顶集团·(中国)官方网站，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：

　　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。

　　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，效率最低云顶集团·(中国)官方网站，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rad／m，弯强的单位是°/m。 它们的关系是： i  k  360 / 2π  57.3k 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。

　　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。

　　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。

　　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

　　测量顶角度必须符合两个条件：一是：该角度代表测点钻孔轴线与铅垂 线的夹角；二是：该角度在钻孔弯曲平面内。

　　在变质岩(如结晶片岩、片麻岩等)中钻进时，钻孔弯曲强度大于在沉积岩（如页岩） 中钻进时的弯强，更大于在岩浆岩(如花岗岩、辉绿岩)中钻进时的弯强； 均质岩石钻进的钻孔弯曲强度小于在非均质岩石中的弯强，且岩石的各向异性程度越 高，则钻孔弯曲强度越大； 层理、片理和软硬互层中钻进，钻孔朝着垂直于层理面、片理面的方向弯曲； 松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋向下垂直位置；钻遇硬包裹体时，可能朝任意方 向弯曲； 层理水平或接近水平的岩石中钻进垂直孔时，即使岩石各向异性很强，软硬不均程度 很大，钻孔也不会产生较大弯曲； 孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，则钻孔弯曲强度大； 钻孔顶角小，方位变化大；钻孔顶角大，方位变化小。顶角超过30º时，方位趋于稳 定，按一般规律方位角弯曲往往与钻具回转的方向一致。

　　顶角弯强：钻孔轴线单位长度上顶角的变化量； 全弯强：钻孔轴线单位长度的全角变化量。 i  γB  γA/ LB  LA

　　iα  αB  αA/ LB  LA 方位角弯强：钻孔轴线单位长度的方位角变化量；

　　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： cos γ  cosθ cosθ  sinθ sinθ cos(α  α ) 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。

　　把20～30％浓度的氢氟酸注入长度为100～150mm内径为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。

　　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。

　　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（θA）

　　悬锤测量钻孔顶角的原理是利用地球 重力场，如下图所示。框架可绕a轴灵活 转动云顶集团·(中国)官方网站，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0º正对准弧形竖板了 上的标线º；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。

　　而从硬岩进入软岩时，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。

　　由于有毛细管的作用，试管形成了如右图所示的蚀痕曲面。由此测出的 顶角必须校正，按下式可求出实际顶角θ： θ=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。

　　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，研究钻孔弯曲的原因、 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