国家课程：岩土钻掘工程学钻孔弯曲与测量市公开课特等奖市赛课微课一等奖课件

第十章钻孔弯曲与测量1、什么是钻孔弯曲

2、钻孔为何会弯曲

3、怎样确知钻孔弯曲

4、钻孔弯曲防治国家精品课程第1页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系

第一节概述

钻进(井)工程施工中因为自然和技术原因影响,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。地质结果危害歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度,影响对矿体评价、结构判断和储量计算准确程度。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。其它方面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,会引发桩基倾斜,影响桩基承载力。第2页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系一、钻孔轨迹基本要素顶角（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间夹角。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钻孔轴线长度。垂深,孔口到钻孔轨迹上某点Z坐标长度。

第一节概述第3页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系利用钻孔轨迹基本要素，可算出轨迹上每点空间坐标。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。轨迹上空间坐标计算以下:式中:x0,y0,z0——孔口坐标；xA,yA,zA——钻孔轴线上点A坐标；θ——开孔顶角；α——开孔方位角；LA——孔口至测点钻孔轴线长度。

第一节概述第4页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系三、弯曲强度（简称弯强）概念为说明钻孔轨迹弯曲程度,取单位孔身长度顶角改变,称顶角弯强。单位孔身长度方位角改变,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。假如把现有顶角改变,又有方位角改变钻孔轨迹看成是钻进速度向量改变轨迹,则在某一孔段这种向量方向改变,可用钻孔全弯曲角表示。单位孔身长度全弯曲角称全弯强。全弯强越大,表明钻孔弯曲程度愈强烈。

第一节概述第5页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系四、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,采取办法进行钻孔弯曲防治（防斜和治斜）；结合施工条件采取定向钻进技术。在进行防斜、治斜和定向钻进时,都必须定时测斜。

第一节概述

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第二节钻孔弯曲原因和规律

一、钻孔弯曲条件存在孔壁间隙,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)力是钻孔弯曲必要条件；而粗径钻具倾斜面方向稳定是产生钻孔弯曲充分条件。钻具倾斜面稳定在某一方向时,钻柱只自转不公转。假如钻柱公转,钻头在不一样时刻朝着不一样方向钻进,只产生扩壁作用,而不造成钻孔弯曲。所以,钻孔弯曲是在钻柱自转情况下发生。第7页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系二、钻孔弯曲原因1.地质原因：1.1岩石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，所以，在倾斜岩层中钻进极易产生垂直于层面方向弯曲（俗称顶层进）。钻孔弯强与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角大小相关。遇层角约为45º时，钻孔弯强最大。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第8页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系同时钻头在岩层片理和层理作用下，产生偏离钻孔中心旋转，也是造成孔斜主要原因。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一样。钻头A点切削具逆层切削阻力P大于B点切削具顺层切削阻力N，这时图中A点可看作是钻头回转瞬心，即钻孔轴线有沿F方向偏移趋势。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第9页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系1.2软硬互层钻孔以锐角从软岩进入硬岩时,因为软、硬部分抗破碎阻力不一样,使钻孔朝着垂直于层面方向弯曲；从硬岩进入软岩时,则钻具轴线有偏离层面法线方向趋势。但因为上方孔壁较硬,限制了钻具偏倒,结果基本保持着原来方向；钻孔经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。超出此值时钻孔顶层进；低于此值时钻孔将沿硬岩层面下滑(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。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第10页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系地质原因——软硬互层

第二节钻孔弯曲原因和规律

第11页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系除上述地质原因影响以外,钻进含有卵石、砾石或漂石岩层时,钻孔延伸受到岩石硬块妨碍,钻孔往往朝着轻易经过方向偏斜。此时顶角和方位角弯曲无一定规律。钻孔碰到大裂隙、交角又不大时,孔身往往沿裂隙面方向延伸。斜孔穿过较厚涣散岩石或溶洞及老窿时,孔身则趋于下垂。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第12页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系2.技术原因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，都会使钻孔偏离设计轨迹。这些原因主要是在开始阶段起作用，但钻孔开始弯斜会给以后钻孔留下严重影响。2.2钻具结构尺寸1）粗径钻具刚度: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。粗径钻具临界长度:

第二节钻孔弯曲原因和规律

第13页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系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

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伴随椭圆度增大而加剧,因为钻孔向碎岩阻力最小侧破碎加紧了。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。所以,有一翻转力矩M0作用在钻头上,使钻孔有向左偏斜趋势。第14页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系钻具唇部为内锥形,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)粗径钻具长度和孔壁间隙孔壁间隙--粗径钻具外径与孔径间间隙。粗径钻具在钻孔中偏倒角Dc--孔径；D1.D--岩心管及钻头直径；L--粗径钻具长度。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↑。采取肋骨钻头会增大孔壁间隙。

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第15页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系3.工艺原因--可采取办法主观原因3.1钻进方法不一样钻进方法造成不一样孔壁间隙。普通钢粒钻进孔斜最大,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↑→造成钻孔弯曲。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↑。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第16页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系当然,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、片剪发育岩石钻孔“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↑,即使从硬进入软岩层时,弯曲强度较小,但最终弯曲趋势仍与顶层进。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第17页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系(4)穿过涣散非胶结岩石、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改变小；反之改变大。普通,方位角弯曲与钻具回转方向一致。顶角靠近零时方位改变不定。(6)在近似水平岩层中钻垂直孔,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,钻孔朝安装不正方向偏斜。(8)钢粒钻斜孔时,因为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改变。

第二节钻孔弯曲原因和规律

第18页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系一、测量钻孔弯曲原理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。依据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。因为毛细作用对算得顶角必须校正。为防止校正计算可利用倾斜仪来直接测定。还能够用显影液、化学浆液等。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第19页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系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0º对准弧形竖板标线顶角为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。第四节钻孔弯曲测量及仪器第20页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系2.方位角测量原理依据定义，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夹角；该角度是水平面上角度。在无磁性干扰或干扰很小孔段中，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)孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理或陀螺原理。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第21页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系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,并使罗盘保持水平。另外,罗盘上0º与180º连线及框架上偏重块都与钻孔弯曲平面一致,偏重块与180º线同侧。这么0º线必定指向钻孔弯曲方向。0º线与磁针指北方向夹角就是钻孔磁方位角。

第四节钻孔弯曲测量及仪器第22页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系2.多点全测仪采取非电量电测法。由罗盘测量方位角和用悬锤测量顶角经过电阻（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。采取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被测电阻和一臂，电桥另三个臂连接标准已知电阻，利用可变电阻调整电桥平衡。可变电阻（平衡电阻）值改变及所代表方位角或顶角值，可由地面仪器面板刻度盘读出。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第23页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系KXP-1型测斜仪适合用于46mm以上非磁性钻孔。仪器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。测量系统顶角和方位角电阻与集流环内环、外环相接。直流电机转动时控制输出端以2r/min转速控制凸轮,使仪器依次展现“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。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第24页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系在石油钻井中广泛使用石英挠性电容式加速度计测量顶角(井斜角)。用磁通门传感器测量地磁场强度、地磁倾角、井眼方位和磁性工具面。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理充电电池筒控制部分减震环电路保护筒T型头开启按钮通讯端口状态指示灯电源开关第25页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系2.惯性定向法2.1陀螺仪工作原理陀螺支撑于本身转轴及内、外环转轴上,三轴垂直正交于与陀螺重心重合点,陀螺含有三个方向自由度。在无摩擦情况下,三自由度高速旋转陀螺在空间方向保持不变,这个特征称作陀螺仪定轴性。陀螺还含有进动性,即外框架转轴上有干扰力矩时,内框架转轴进动,使陀螺轴发生倾斜,所以要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰力矩时,外框架转轴转动,使陀螺轴产生漂移,所以要进行漂移量修正。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第26页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系介绍定向井和随钻测量技术在油田应用定向井

国内最大陆上丛式井在384m×110m区域内布置了6排42口定向井,丛式井共穿过550个油气层,深达2,046.9m。第27页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系海油陆采是在海边陆地上钻延伸到海上油层水平井。国内当前最大位移2051.22m。介绍定向井和随钻测量技术在油田应用第28页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系“阶梯式”水平井(L2-P1)

介绍定向井和随钻测量技术在油田应用第29页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系泥浆脉冲式MWD用于定向井钻井举例。介绍定向井和随钻测量技术在油田应用第30页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系486mS9-P1井S-5井芒硝

江苏开采芒硝两井之间在2629m处连通。MWD用于对接井采矿举例第31页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系电磁波随钻测量（MWD）系统第32页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系介绍定向井和随钻测量技术在油田应用第33页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系四、测斜数据处理1.测斜误差产生与消除测斜目标是求得测点处钻孔顶角与方位真值。但只能以某种精度迫近。允许误差:顶角±0.5~1°方位角±4~5°。系统误差是仪器本身或测斜方法不正确造成，服从一定规律。如:零漂和温漂，仪器轴线与钻孔轴线不一致。随机误差是多原因综合影响结果，屡次重复测量随机误差服从正态分布。迟缓误差是电子元件老化和机械零件内应力改变引发。疏忽误差是一个显然与事实不符误差，主要由操作者粗枝大叶或偶然外界干扰引发。第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第34页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系2.在测斜数据基础上绘制钻孔轨迹钻孔测斜并非连续测量,每隔25m一个点,轨迹是折线。通惯用均角全距法进行计算,即把每一段测斜间距两组测斜数据平均值作为该孔段顶角和方位角值。在计算机已普及今天,可按式（10-16）快速求出各测点三维坐标,并绘出钻孔轨迹垂直和水平投影图。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第35页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系

3.建立矿区（施工区）孔斜规律数学模型

在孔斜规律显著矿区设计自然定向孔是处理孔斜问题有效路径；假如已知矿区孔斜规律便可预测下一个（批）钻孔弯曲趋势。

第三节钻孔弯曲测量仪器与数据处理第36页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系第四节钻孔弯曲预防与纠正一、钻孔弯曲预防1.在设计钻孔时应考虑预防钻孔弯曲1.1按照地层条件设计钻孔布置钻孔时,尽可能使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向；松软、破碎、厚覆盖层、裂隙及溶洞地层应尽可能设计垂直孔。1.2按钻孔弯曲规律设计钻孔孔斜规律显著、岩层倾角大、无法垂直钻孔地层,应利用地层自然弯曲规律,辅以人工控制弯曲办法,设计“初级定向孔”。第37页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系第五节钻孔弯曲预防与纠正若弯曲规律是方位稳定而顶角偏离，有以下几个设计方法:(1)沿勘探线平移法由o’点开孔打不到靶点a，可在勘探线上后移孔位。过a点引bo’平行线，与地面交于点o即为后移孔位。

第38页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系第五节钻孔弯曲预防与纠正(2)增大开孔倾角法当移动孔位受到地形限制,而按原设计又无法钻至预定靶点时,可依据倾角弯曲规律,用增大开孔倾角方法钻进,γ1是调整后开孔倾角。若已知钻孔弯曲规律是顶角基本稳定而方位角改变较大时,应按方位角改变规律调整钻孔设计。第39页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系第五节钻孔弯曲预防与纠正2.确保安装质量,把好换径关安装地基要平整、坚实、稳固。钻机立轴倾角方向符合设计要求,“三点一线”。孔口管固定牢,方位和倾角符合设计要求。粗径钻具要直,长度要逐步加长至10m左右。换径带导向综合式异径钻具。3.采取合理钻具结构钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具等形式组合钻具对预防和纠正钻井弯曲有显著效果。第40页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系第五节钻孔弯曲预防与纠正3.1钟摆钻具钟摆力（减斜）Fd为:可看出，当钻孔顶角一定时增大减斜力路径:加大切点以下钻具质量，选取厚壁钻铤；在略高于切点位置上装一扶正器，提升切点位置，或增大切点以下钻铤长度来增大钻具质量。另外，采取扶正器还可减小下部钻具倾斜角和增斜力，从而深入加大钻具防斜能力。第41页2024/11/25中国地质大学勘查与基础工程系