第七章-定向钻进技术

工作原理：
在孔内放置钻具并定向后，施加 压力，转动件Ⅰ上部沿花键8下移， 压力通过上凸肩11传给弹簧10和 外壳9，因此滑快4顶向孔壁，再 继续加压时，楔体3连同钻头1向 滑快移动的反方向偏移，锁紧齿 12脱开锁紧圈，之后就可回转钻 具，此时轴向压力仍然传给外壳， 滑块4和滚柱5切人孔壁岩石内， 并防止外壳转动，使偏斜力保持 一定的方向．从而使钻孔定向弯 曲。
第七章 定向钻进技术
内
容
一、定向钻进的特点和应用范围 二、定向钻孔孔身剖面的设计
三、定向钻进的技术手段
第一节、定向钻进的特点和应用范围
什么是定向钻进？
在钻探施工中，利用自然造斜规律，采 取人工造斜手段，或者两者并用，使钻孔按 照预定轨迹延伸，达到顶定目标的钻进方法， 称为定向钻进。
定向钻进有那些优点？ 节省钻探进尺；较好地保证钻探质量；减 少防斜和纠斜的额外耗费；避免孔斜超差或扎 内事故造成的工作量报废。 如果在一个基台上搞一基多孔或一孔多枝， 还可节省修筑道路、平整场地、赔偿青苗、折 卸、搬迁、安装设备等费用。
按钻孔结构形态，又可分为： 1．单孔底定向钻孔 即只有主孔而无分枝孔的定向钻孔。 2．多孔底定向孔 即既有主孔又有分枝孔的定向钻孔。主孔只有一个，而分 枝孔可能是一个也可能是多个。 从主孔中分出来的枝孔，称为一级分枝孔。 从分枝孔中再分出来的枝孔，称为二级分枝孔。
羽状孔：分枝孔方向相同；（图a,b)
二、定向钻孔设计的内容
定向钻孔孔身剖面的设计，是指导施工的依据和定向钻进 能否成功的首要条件。设计之前必须充分掌握原始资料。这 些资料包括： (1)钻孔的目的和作用
(2)勘探地区的地质情况 (3)地表对孔位限制条件 (4)勘探地区已施工钻孔的测斜资料及钻孔弯曲规律 (5)拟采用的造斜工具的结构及造斜能力；勘探地区以往用过 的造斜手段及其效果 (6)见矿点或其它控制目标的垂直深度和水平距
结
束
只能在孔内进行。
3、随钻定向（MWD-Measurement While Drilling) 把测斜定向仪器放在钻杆柱内，一边钻 进，一边连续测知钻杆方位、顶角和造斜 工具的面向，这些数据能在地面记录和反 应出来，从而能及时调整造斜工具的面向， 做到随时控制造斜方向。
二、钻具组合造斜 1、保直钻具（稳斜钻具）组合 工作原理与防斜用的满眼钻具相同。 利用扶正器稳斜。 2、增斜钻具组合 用于增斜钻孔，以增大钻孔顶角。 利用塔式钻具：大钻头和短粗径；或带万向节的增 斜钻具。 3、减斜钻具组合 原理：悬锤原理、偏重原理。 利用钟摆钻具和偏重钻铤
第三节 定向钻进的技术手段 一、定向方法：
1、直接定向 按需要的角度使造斜工具面（即造斜工具对称面得空间 位置）向对于磁北或某一指定方向实行定向。 在地表或在孔内进行。 2、间接定向 在测知造斜点钻孔方位角和顶角的基础上，根据造斜 需要的方位和顶角，先计算出造斜工具面和钻孔倾斜面得 夹角（又称安装角或工具面向角），然后，使造斜按安装 角定位，从而实现其对磁北方向的定向。
孔身剖面设计的内容：
1．确定定向钻孔的类型和孔身剖面型式 钻孔类型和孔身剖面型式决定于：钻孔的目的和作用；钻 孔地质条件及在此条件下地层造斜规律；施工的可能性和安 全性；按此孔身剖面钻进的经济合理性等。 2．确定定向钻孔把区范围和遇层角 在已知靶点(见矿点或其它控制目标)的基础上，施工部门应 根据造斜工具能力、技术水平、矿体产状、勘探网度和岩层 性质等情况，与地质技术部门商定靶区范围和遇层角。 3. 确定主孔和分支孔的施工方法 4. 确定分岔点和造斜点 • 确定定向钻孔曲线段的曲率半径 • 确定定向钻孔空间轨迹参数 • 进行经济效益预估
三、偏心楔造斜
偏心楔(导斜器)是进行人工定向钻孔最主要 的工具。它按设计要求的方位在孔内固定后，就 可用导斜钻具沿偏心楔的导斜槽钻出新孔，从而
实现定向钻进，纠正钻孔弯曲，补取岩矿心，或
绕过事故钻具。
分类：开口式和闭口试，不带导向管和带导向管。
固定式和可取式；一次使用和多次使用。
主要参数： 楔顶角：不易过大，在3º 左右 导斜槽直径：比导斜钻头直径达1-3mm。 加工：圆钢铣制、钢材浇铸或套管切制。 定位：用卡瓦固紧、水泥或化学浆液固结、 或涨体固定等。
4.螺杆钻 优点：结构简单、易损件少、工作可靠、维修方便； 转速与流量成正比，扭矩与泵压成正比，可获得小 转速大扭矩； 长度短，可做成弯外管型，有利于定向钻进。
YL-54螺杆钻: 旁通阀1，螺杆马达2，万向节3等组成。 旁通阀的工作原理：
造斜钻头： （1）尽可能不取心； （2）底唇面凹型； （3）外侧刃：保径尅取 岩石； （4）中心小孔； （5）岩心容纳装置； （6）少的金刚石覆盖面 积。
扇状孔：分枝孔方向互成180°(图c,d)； 集束孔或丛式孔：分枝孔朝向四面八方(图e,f)。
多孔底定向钻孔结构形态实例
不论是单底孔，还是多底孔，其主孔和分枝孔最常用的孔身 剖面型式有： (1)曲线型；
(2)直线一曲线型；
(3)曲线一直ຫໍສະໝຸດ Baidu型；
(4)直线一曲线一直线型。
直线可以是垂直线也可以是斜直线，曲线可以是曲率半径单 一的圆弧，也可以是不同曲率半径圆弧织成的弧线。
按孔身轨迹的不同，可分为： 1．平面弯曲定向钻孔 包括孔身轨迹在其一垂直平面内只有顶角弯曲而无方位变化(或 方位角变化很小)的钻孔；在某一倾斜平面内顶角和方位角都有 变化的钻孔，以及在水平平面内只有方位角弯曲而无倾角变化( 或顶角变化很小)的钻孔(坑道钻中用之)。 2．空间弯曲定向钻孔 包括孔身轨迹某段在某一曲面内既有顶角变化又有方位角变化 的钻孔，以及顶角不变，方位角发生变化的螺旋线状钻孔。
五、孔底动力机造斜钻具
1.概述： 孔底动力机+造斜件=孔底动力机造斜钻具 优点：钻杆不回转，减少磨损和折断、卡钻； 钻头回转切削岩石，充分利用功率； 可随钻测量，精确控制钻进方向； 孔身平滑，造斜时孔径不变。 孔底动力机：涡轮钻、螺杆钻、电钻
2.涡轮钻 泥浆直接驱动，无需电气系统,橡胶件少，适合地热 井。 但：转速高；工作不稳定；冲洗液压力降大（5060atm)、钻头动力小；泥浆比重小于：1.7-1.8。 3、电钻 优点：不受泥浆性能影响，可用高粘度和加重泥浆、 空气钻井；控制灵活，容易实现自动化。 不足：结构复杂，制造麻烦，转速高，增加电气控 制设备。
孔段中取出式导斜器
其结构仅固定机构与前者略有不同。有燕尾 键的下按体为圆柱状，其底部有母扣与钻杆相接， 从而实现可在钻孔中任何位置不需架桥便能导斜 钻出新孔。
四、无楔体连续导斜器造斜
这种导斜器不用楔子的楔面导斜。它由两个主要部 件组成：造斜件I(转子)和导向件Ⅱ (定子)。
结构：
Ⅰ部件包括可伸缩杆7， 带有 花键8和上下出凸肩11和2，后者 坐于滚动轴承上。杆7带有锁紧齿 12及复位弹簧10，最下部接钻头1。 Ⅱ部件包括带有锁紧齿的外 壳9，内装若干轴承，其下部有45 °斜面的两个楔体6和3，二者间 通过T形槽与滑快4连接，其上安 置滚柱5。
一半成为敞开段，便于导斜钻具能够顾 利通过，敞开段的下部便是导斜槽。整 个管体长约4．5—5．5米，敞开段长约 2．5—3米．导斜槽的长度和顶角与开口
式偏心楔相同。
固定式偏心楔
固定在孔内，导斜钻进后不 再取出的导斜装置称固定式偏心楔。 它分开口式与闭口式式两种。
取出式偏心楔
这种偏心楔用自动定向装置在孔
4．打控喷、灭火等救援并；
5．用定向孔开采地下固体矿产，或排出瓦斯； 6．敷设地下电缆或管道；
7．打有特殊要求的灌浆孔或冻结孔；
8．用定向孔查明要开凿竖井处的岩层等。
第二节 定向钻孔孔身剖面的设计
一、定向钻孔分类和孔身剖面型式 按施工技术方法不同，可分为： 1．初级定向钻孔 即采用常规钻具并利用地层和工艺造斜规律，通过移动孔位， 改变开孔顶角，扭转开孔方位角等方法钻达目的层位的钻孔。 2．受控定向钻孔 即单纯采用人工造斜手段或综合利用人工造斜手段与地层造 斜规律，钻达目的层位的钻孔。
开口式偏心楔
如图所示。上部为敞开的凹形
导斜槽，下部为完整管体，底部有 岩心管螺纹，可连接固定装置或加 长管。导斜槽的顶角根据设计要求 而定，一船为3°—7°，其长度需
依管径与顶角计算确定。
闭口式偏心楔
用一根完整的管子加工而成，上下 两端均有螺纹，上与套管或定向装置连
接，下与加长管连接。管子中上部割去
定向钻进的使用范围： (一)由于地面情况限制而使用定向钻进
（a）障碍物界外施工
（b）山高坡陡移位开钻
（c）充分利用海上平台
（二）由于地质条件要求而使用定向钻进
（d）勘探陡 倾斜矿体
（e）避免多次 穿过复杂岩层
（f）强造斜岩 层将斜就斜
（g）矿层与围岩 产状不一，必须 人工造斜
(三)由于工程技术需要而使用定向钻探 1．补取岩矿芯； 2．绕过孔内事故孔段或地下坑道及老窿； 3．打多孔底孔，增加矿芯量，出水量，出油量，地下爆破 装药量；
内定向，用楔紧机构固定。当导斜出
的新孔完工后，可从孔内用钻杆或钩
子打捞出来。分孔底取出式与孔段中 取出式两种类型。 它随导斜钻具下人孔内，一个导 斜回次终了后，又随导斜钻具一起提
出钻孔。主要用于孔底纠斜，造斜或
配合施工定向钻孔。
孔底取出式偏心楔
导斜槽底部为弯月状，固定机构由 楔体座和下楔体组成，用燕尾键连接。 偏心楔下入孔底后，楔体座沿下楔体的 燕尾槽下移与孔壁挤紧从而固定。导出 的新斜孔能切去1／3—1／5老孔底。