国家精品课程岩土钻掘工程学第10章__钻孔弯曲与测量

国家精品课程
岩土钻掘工程学
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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；
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 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：
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
(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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
(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
(5) 钻孔顶角大时方位角变化小；反之变化大。一般，方位角弯曲与钻具回转方向
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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
孔壁间隙--粗径钻具外径与孔径间的间隙。粗径钻具在钻孔中的偏倒角
为磁针失去定向能力，可用地面定向原理或陀螺原理。
Fra Baidu bibliotek
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第四节 钻孔弯曲的测量及仪器
2.1 地磁场定向原理 利用磁针或磁敏感元件(磁通门)确定钻孔的方位角。 测量时罗盘处于水平状态且0º线必须指向钻孔弯曲
方向。 为此，罗盘转轴应垂直于钻孔弯曲平面，并使罗盘
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↑→ 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↑。
2020/10/24
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第一节 概 述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二 节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
一、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。
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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
国家精品课程
第十章 钻孔弯曲与测量
1、什么是钻孔弯曲 2、钻孔为什么会弯曲 3、如何确知钻孔弯曲 4、钻孔弯曲的防治
第一节 概 述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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
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 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。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第一节 概 述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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；
算可利用倾斜仪来直接测定。 还可以用显影液、化学浆液等。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第四节 钻孔弯曲的测量及仪器
1.2 重锤原理 利用地球重力场，框架绕a轴灵活转动，b轴与
a轴垂直，b轴中点是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 重力永远下垂。 当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0º对准弧形 竖板的标线顶角为0º； 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。
可变电阻（平衡电阻）值的变化及所代表的方位角或顶角值，可由地面 仪器面板的刻度盘读出。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理
国家精品课程
岩土钻掘工程学
KXP-1型测斜仪适用于46mm以上的非磁性钻孔。仪器的井下探管和地面操作 箱用三心电缆连接。 测量灵敏系统主要有铝合金框架、方位角、顶角测量系统。测量系统的顶角和 方位角电阻与集流环的内环、外环相接。 直流电机转动时控制输出端以2r/min的转速控制凸轮，使仪器依次呈现“自 由”、“接触”、“锁紧”三种状态。 仪器呈“接触”时，全部顶角和方位角电阻接到地面操作箱。 呈“锁紧”时，被测顶角和方位角电阻被短路，读出顶角和方位角。 在孔内测量时每个状态变换都要停6~8s。
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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，
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第一节 概 述
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
保持水平。此外，罗盘上0º与180º连线及框架上的 偏重块都与钻孔弯曲平面一致，偏重块与180º线同 侧。这样0º线必定指向钻孔弯曲方向。 0º线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理
第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理
国家精品课程
岩土钻掘工程学
一、测量钻孔弯曲的原理
1. 顶角测量原理 1.1 液面水平原理（氢氟酸测斜） 把20~30％浓度的氢氟酸注入玻璃管中1/3长度。将试
管密装在接头内。 同钻杆下孔待测位置静止15~25min，提钻取出。根据
氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。 由于毛细作用对算得的顶角必须校正。为避免校正计
中国地质大学勘查与基础工程系
第一节 概 述
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2. 方位角测量原理 根据定义，钻孔方位角测量必须满足两个条件：该角度是钻孔轴线某点
切线方向与地北的夹角；该角度是水平面上的角度。 在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原理； 在有磁屏蔽(如在套管内)或磁干扰较大(如存在磁性矿体)的孔段中，因
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
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。
(6) 在近似水平的岩层中钻垂直孔，即使岩石各向异性强，软硬不均，钻孔也不会 产生较大的弯曲。
(7) 孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，钻孔弯曲强度大。立轴与导向管安装 不正，
(8) 钢粒钻斜孔时，由于钢粒集中于孔底左下方，孔身向右上方弯曲，顶角和方位 角都发生变化。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2. 多点全测仪
采用非电量电测法。由罗盘测量的方位角和用悬锤测量的顶角通过电阻 （弧形电阻件和环形电阻件）转换成电量。如JJX-2、JJX-3、KXP-1、 JX641GA、SJX77、SSJX77和CX-3601等型号。
采用直流平衡电桥测量电路，将方位电阻和顶角电阻分别作为两个直流 平衡电桥的被测电阻和一臂，电桥的另三个臂连接标准已知电阻，利用 可变电阻调节电桥的平衡。
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。
2020/10/24
国家精品课程
岩土钻掘工程学
地质因素——软硬互层
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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。
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。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
岩土钻掘工程学
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
随着椭圆度的增大而加剧，因为钻孔向碎岩阻力最小侧破碎加快了。 钻头唇部为外锥形时，钻头唇面右部破岩阻力小，而左部破岩阻力大。因
此，有一翻转力矩M0作用在钻头上，使钻孔有向左偏斜的趋势。
Dc--孔径；D1、D--岩心管及钻头s直in径1；2LD-c-粗2径DL1钻具D长度。
显然，孔壁间隙↑或粗径钻具↓，都会使偏倒角↑，从而钻孔弯曲强度↑ 。采用 肋骨钻头会增大孔壁间隙。
2020/10/24
中国地质大学勘查与基础工程系
第二节 钻孔弯曲的原因和规律
国家精品课程
岩土钻掘工程学
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