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1、工程钻探学课件,工程钻探,主讲人：杜振川,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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
2、的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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
3、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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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（）钻孔轨迹某点
4、切线与铅垂线之间的夹角。,方位角（）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。,工程钻探学课件,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轴取正东，Z轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：,工程钻探学课件,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；开孔顶角；开孔方位角；LA孔口至测点钻孔轴线的长度。,工程钻探学课件,第八章 钻孔弯曲与
5、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。,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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，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
6、多的地方钻孔易偏斜，且递增幅度大。,工程钻探学课件,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，钻孔向垂直于岩层倾斜方向弯曲。,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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
7、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,工程钻探学课件,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。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。,工程钻探学课件,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
8、钻进，如由硬变软时，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。,工程钻探学课件,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,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。,工程钻探学课件,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,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
9、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。,工程钻探学课件,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,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。,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。,工程钻探学课件,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
10、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。,工程钻探学课件,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，此时圆筒形容器内水平液面呈椭圆形，椭圆长轴ab既在水
11、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。,工程钻探学课件,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aa轴灵活转动，bb轴与aa轴垂直相交，两轴构成框架平面。在bb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。,工程钻探学课件,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
12、倾斜一个角度，此角度就是钻孔顶角,工程钻探学课件,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,工程钻探学课件,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。在水平平面上绘制钻孔水平投影。水平投影反映空间钻
13、孔每点方位角的变化。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,二、钻孔轨迹的绘制,工程钻探学课件,第四节 钻孔弯曲的测量方法与仪器,二、钻孔轨迹的绘制,工程钻探学课件,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
14、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。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,“阶梯式”水平井(L2-P1),工程钻探学课件,第五节 定向钻进,江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,一、定向钻孔分类,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，可在某一孔段
15、同时使用，也可在不同孔段分别使用。,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。,工程钻探学课件,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：,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）。,工程钻探学课件,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
16、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。,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,一、定
17、向钻孔分类,2、多孔底定向孔,工程钻探学课件,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。,工程钻探学课件,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：,2）间接定向 在测知造斜点钻孔方位和顶角的基础上，根据造斜需要的方位和顶角，先计算出造斜工具面与钻孔倾斜面（即造斜点孔身的切线与铅垂线所决定的平面）的夹角（又称安装角或造斜工具面向角），然后，使造斜工具按安装角定位，从而实现其对于磁北方向的定向
18、。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,二、定向钻进方法,3）随钻定向,随钻定向是把测斜定向仪器放在钻杆柱内，一边钻进，一边连续测知钻孔方位、顶角和造斜工具的面向，这些数据能在地面记录和反映出来，从而能及时调整造斜工具面向，做到随时控制没斜方向。这种技术称为M WD(Measurement While Drilling）技术。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,三、造斜工具,1）钻具组合,在常规钻具上适当增加一些部件，如扶正器、万向节、钻挺、支撑接头等，就可以起到增斜、减斜或保直的作用。,2）造斜楔,造斜楔又称偏心楔。它是利用其
19、倾斜楔面迫使钻孔改变定向方位，并且在造斜点形成急剧的弯曲。,工程钻探学课件,1-楔体；2一上涨体；3一锥块；4-上锥体；5一固定螺钉；6一连接管；7一连杆；8一下涨体；9一下锥体,JUX型固定式造斜楔,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,三、造斜工具,3）机械式连续造斜器,此种连续造斜器又称无楔体连续造斜器。它利用专门机构产生偏斜力实现定向造斜。,机械式连续造斜器由导向（定子）和造斜（转子）两部分组成。工作时造斜部分不断回转，而导向部分则一面定位于某一方向，不产生角位移，以保证造斜部分朝预定的方向前进；另一方面又与造斜部分一起沿钻孔轴线向下滑移。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,三、造斜工具,
20、偏心钻具,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,三、造斜工具,偏心钻具,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,三、造斜工具,偏心钻具,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,四、定向钻孔施工工艺,1、建立人工孔底,施工单底受控定向孔时，通常造斜点从孔底开始，在下造斜楔造斜或用连续造斜器钻具直接造斜之前，必须清理孔底。清理孔底的目的在于去除孔底残留岩心，排净孔底堆积的岩粉和钻粉，磨平孔底和修整孔底附近的孔壁，以利下入造斜楔并将其牢固地固定在孔底。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,四、定向钻孔施工工艺,1、建立人工孔底,施工多孔底受控定向孔时，分枝点往往选择在主孔中部，在这种情况下，事先必须“架桥”，建立人工
21、孔底。常用的“架桥”方法有两种，一种是下木塞堵孔，然后填以碎石或灌注水泥等胶结材料，建立“水泥桥”；另一种是下金属塞，建立“金属桥”。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,四、定向钻孔施工工艺,2、定向下造斜工具,这是最关键的工序，定向准确与否直接关系到孔身延伸方向。将组合好的造斜钻具下到预定孔深处，用定向仪给定向接头或弯接头母线定向。确认定向准确后，连续造斜器即可开动钻进。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,四、定向钻孔施工工艺,3、造斜钻进用机械式连续造斜器进行造斜钻进时，造斜器下到孔底，大泵量冲孔后，应先加压（约为钻头所需压力的70左右），然后开车慢转钻进，约5min后，再用较大压力、泵量和中等转速的正常规程钻进。,工程钻探学课件,第五节 定向钻进,四、定向钻孔施工工艺,造斜之后，转入普通方法钻进之前，必须修整人工弯曲孔段的孔壁，用专门钻具扩扫钻孔，以便以后稳斜钻进的钻具能顺利通过。造斜之后应进行测斜。如果造斜钻进后孔身急剧偏离原定方向，可灌注水泥，然后用长粗径钻具（3.5-5m）钻进，使孔身回到原来方向。然后重新造斜。,
