第八章 钻孔弯曲与定向钻进

斜的孔壁上。孔斜给升降钻具带来困难，同时也增加了非
钻进时间。从而大大地降低了钻探效率。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 钻孔偏斜的危害性 ②增加钻探成本 由于孔斜增加了钻具的磨损，缩短了钻具的使用寿命。在钻
探施工中容易出现断杆事故，更严重的是造成卡钻等重大孔
内事故。而且增加了人力、动力和材料的消耗和浪费，从而 大大增加钻探成本。
第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念 钻孔弯曲给地质成果和钻探施工都会带来不良后果。
对于钻探施工来说，由于孔身偏斜或过分弯曲，钻具在孔内 弯曲变形严重，钻具与孔壁摩擦阻力增加，必然导致钻杆磨
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。 钻孔弯曲超过允许范围而达不到地质目的时，则需要纠斜或 重新钻孔。这就要耗费大量人力、物力和时间，增加经费开 支，延误工期，推迟地质勘探进度。
加测点。测斜不及时，或测斜次数不足，会贻误纠斜的时机，
从而造成钻孔歪斜增加，资料不可靠，甚至钻孔报废。
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 一、钻孔弯曲测量原理 1、顶角测量原理 利用自由液面测量钻孔顶角的原理 如将液体注入一圆筒形容器内，再将 此容器下入钻孔中，使容器轴线与钻
孔轴线重合或平行，此时圆筒形容器
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 钻孔偏斜的危害性 ③易造成测井事故
钻孔发生偏斜后，孔壁易坍塌、掉块，下测井仪器和
电缆往往比较困难，而且容易发生埋卡仪器和电缆事故。
④影响地质资料的可靠性
钻孔偏斜对地质构造、岩煤层产状、煤层厚度、埋藏深度、 储量计算和今后设计开采等都有很大的影响。有时由于孔 斜过大，达不到钻孔设计的预期目的而造成报废。
第八章 钻孔弯曲与定向钻进
第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念
钻孔弯曲给地质成果和钻探施工都会带来不良后果。 对于地质成果来说，由于未按预定目标点穿过矿体或其他 地质层位，就有可能歪曲矿体产状、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。
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2、方位角测量原理 1）地磁场定向原理
测量时罗盘处于水平状态，并且罗盘 上0°线指向钻孔弯曲方向。为此在 罗盘下部装有重块，使罗盘保持水平。
偏重块与180°线同侧，这样，在倾
斜钻孔中0°线必定指向钻孔弯曲方 向。此时，0°线与磁针指北方向的 夹角就是钻孔的磁方位角
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 二、钻孔轨迹的绘制 一般把钻孔轨迹表示在垂直平面和水平平面上。 在垂直平面上绘制剖面图，而且，第一，使图上每一点的 孔深与空间钻孔轴线对应点的孔深一致；第二，使图上每 一点的顶角与空间钻孔对应点的顶角一致。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进
第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念
钻探生产实践表明，绝大多数钻孔都有不同程度的弯曲。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。现行规范规定，钻孔顶角最大允许弯曲度是：垂
直孔不超过2°/100m，倾斜孔不超过3°/100m，随着钻孔加 深允许递增计算。钻孔方位角最大允许弯曲度，则可根据孔 深和矿床类型等情况具体确定。
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 为了随时掌握与控制钻孔轨迹的变化，预防与纠正钻孔弯曲
或者实现定向钻进，必须测量钻孔的空间位置—测斜。
测斜就是测量钻孔的3个基本要素：顶角、方位角和孔深。 按规范要求，垂直孔每20 m测斜一次，倾斜孔每25m测斜一 次。但是在地质构造复杂、勘探网度较密、容易发生孔斜的矿 区，或者在进行纠斜、施工定向孔及特殊工程孔时，应适当增
倾斜方向弯曲。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 1、地质方面 5）软、硬岩层换层时，
钻孔的顶角和方位角易发
生变化。当钻头由软岩层 进入硬岩层时，如钻孔轴 线与岩层层面夹角小于 30°，则钻孔易顺岩层倾
斜方向弯曲
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 1、地质方面 5）软、硬岩层换层时，
钻孔的顶角和方位角易发
生变化。当钻头由硬岩层 进入软岩层时，钻孔向硬 岩层倾斜方向弯曲，但弯 曲不大
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 2、钻探技术上的原因 钻探技术上原因主要指钻塔、钻机安装不合格，立轴角度不
符合设计要求，天轮，立轴、孔口三者不在同一中心线上。
第八章 钻孔弯曲与定向钻进
第一节 钻孔弯曲与定向钻进的概念
在钻探工作中，为了达到一定的地质目标，必须根据地质 要求和施工条件，合理设计钻孔轨迹（即孔身在地下空间延
伸的路径）。但是，在施工过程中，由于种种因素的影响，
实际的钻孔轨迹往往偏离设计的钻孔轨迹。这种现象称为钻 孔偏斜或钻孔弯曲。
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第五节 定向钻进
一、定向钻孔分类
按孔身轨迹的不同，可分为： 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。 空间弯曲定向钻孔特别适用于岩层造斜作用强烈、钻孔顶角 和方位角自然弯曲规律都很明显的矿区。另外，钻孔需要绕 过地下障碍物时，也可采用此类钻孔。
第五节 定向钻进
二、定向钻进方法
根据工作原理，定向方法可分为：
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第五节 定向钻进
一、定向钻孔分类 按施工技术方法的不同，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绘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。自然造斜与人工造斜，可在
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 二、钻孔轨迹的绘制
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 二、钻孔轨迹的绘制
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第五节 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，按照预定的轨迹钻达预定目标的钻孔称为定向 钻孔。由于定向钻孔能更好地保证钻探质量，节省钻探进尺， 并能解决一些工程难题，所以得到了日益广泛的应用。
面上，有不同可钻性的岩石存在，由于钻进时压力和速度的
不同，使钻头的钻进方向发生改变而造成钻孔偏斜。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 1、地质方面 1）钻头在松软地层中遇到 大砾石时，钻孔易沿砾石
斜面弯曲
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 1、地质方面 2）钻孔遇到裂隙，而裂隙 方向与钻孔方向相近时，
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第五节 定向钻进
一、定向钻孔分类
2、多孔底定向孔
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第五节 定向钻进
二、定向钻进方法
根据工作原理，定向方法可分为：
1、直接定向
按需要的角度使造斜工具面向（即造斜工具对称面的空间位
置）对于磁北或某一指定方向实行定向。 直接定向常用的敏感元件是磁针、磁性调制元件和陀螺马达。
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第五节 定向钻进
定向井
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第五节 定向钻进
海油陆采是在海边的陆地上钻延伸到海上油层的水平井。 国内目前最大位移2051.22m。
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第五节 定向钻进
“阶梯式”水平井(L2-P1)
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第五节 定向钻进
S9-P1井 S-5井
芒硝 486m
江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。
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。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空间位置要素 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
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空间位置要素
钻孔在空间的轨迹基本要 素是顶角、方位角和孔深。
如图所示，在三维坐标系
中原点O代表开孔点，x 轴代表南北方向，y轴代 表东西方向，z轴代表向 下方向。OABC是钻孔的
空间轨迹。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空间位置要素 其基本要素为： 顶角（θ）钻孔轨迹某点切线
或使用弯曲钻具，钻具组合垂直性、稳定性差，粗径钻具短， 导向性差。加重钻具数量不够，钻头使用不当等原因使钻孔 发生偏斜。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 3、钻探操作上的原因 主要指操作不一致，给压不均匀，忽大忽小。遇有变层， 如由软变硬时，没有及时采取减压钻进，如由硬变软时，
某一孔段同时使用，也可在不同孔段分别使用。
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第五节 定向钻进
一Hale Waihona Puke Baidu定向钻孔分类
按孔身轨迹的不同，可分为： 1、平面弯曲定向钻孔
包括孔身轨迹在某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顶角变化（或顶角变化 很小）的钻孔（坑道钻中用之）。
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第五节 定向钻进
一、定向钻孔分类
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。
在水平平面上绘制钻孔水平投影。水平投影反映空间钻孔
每点方位角的变化。
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 二、钻孔轨迹的绘制
目前，通常是按一定测距测量钻孔顶角和方位角，而不是连
续测斜。因此，只能根据各测点的测斜数据计算出各测点的 空间坐标，然后画出钻孔轨迹。采用的计算方法主要有：全 角半距法、均角全距法、曲率半径法和最小曲率法等几种。 钻探中常用的是均角全距法和曲率半径法。
内水平液面呈椭圆形，椭圆长轴ab既 在水平面内，又在钻孔弯曲平面内。 因此，长轴ab与钻孔轴线的夹角是钻 孔的倾角。它的余角就是钻孔的顶角。
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 一、钻孔弯曲测量原理 1、顶角测量原理 重锤测量钻孔顶角的原理 如图，框架可绕aaˊ轴灵活转动，
bbˊ轴与aaˊ轴垂直相交，两轴构
正东，Z轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第二节 钻孔空间位置要素
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。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 钻孔弯曲的原因可分为地质、技术和工艺3个方面。 钻孔在软硬互层的倾斜岩层中钻进时，因钻头在同一个接触
没有及时提动钻具，采取重新扫孔钻进。钻机转速选用不
当，给水量掌握不好以及钢粒钻进时投砂量不合理等。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 钻孔偏斜的危害性 ①降低钻探效率 在钻探过程中，由于孔斜，常常使钻具不能快速回转，钻 具压力不能有效地传递到孔底，而消耗在弯曲的钻具和歪
钻孔沿裂隙方向弯曲
3）钻孔遇溶洞或老窿时易发生 弯曲。 4）断层、节理发育，岩脉穿插 多的地方钻孔易偏斜，且递增幅 度大。
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第八章 钻孔弯曲与定向钻进 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 1、地质方面 5）软、硬岩层换层时，
钻孔的顶角和方位角易发
生变化。当钻头由软岩层 进入硬岩层时，如钻孔轴 线与岩层层面夹角大于 30°，钻孔向垂直于岩层
成框架平面。在bbˊ轴中点o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。
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第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器 一、钻孔弯曲测量原理 1、顶角测量原理 重锤测量钻孔顶角的原理 当仪器在垂直孔内时，刻度盘上
的0°正对准弧形竖板T上的标线，
即顶角为0°； 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