岩土钻掘工程学教学课件PPT钻孔弯曲与测量.ppt

第十章 钻孔弯曲与测量 1、什么是钻孔弯曲 2 2、钻孔为什么会弯曲、钻孔为什么会弯曲 3 3、如何确知钻孔弯曲、如何确知钻孔弯曲 4 4、钻孔弯曲的防治、钻孔弯曲的防治 国家精品课程 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 一、钻孔轨迹的基本要素 q 顶角（）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之 间的夹角。石油称为井斜角。 q 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。 q 孔深，孔口到钻孔轨迹上某点的钻孔轴线 长度。 q 垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的z坐标长 度。 第一节 概 述 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 q 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； 开孔顶角； 开孔方位角； la孔口至测点钻孔轴线的长度。 第一节 概 述 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 三、弯曲强度（简称弯强）的概念 o 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。 o 弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（）/m；后者是rad/m。 o 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 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。 第一节 概 述 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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 q 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； q 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 ）； q 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。 第一节 概 述 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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 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。 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。 q 钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。 q 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。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 二、钻孔弯曲的原因 1、地质因素： 1.1 岩石的各向异性 q 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）。 q 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45时，钻孔弯强最大。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 q 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 。 q 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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 1.2 软硬互层 q 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； q 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； q 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。 q 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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 地质因素软硬互层 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 q 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。 q 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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2. 技术因素 2.1 设备安装 p 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。 p 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 钻具结构尺寸 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： 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2）钻头唇部形状 q 钻进各向异性岩石遇层角为锐角时，钻头唇 部形状影响： q 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 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 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。 q 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。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 q 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。 q 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 q 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 qdc-孔径；d1、d-岩心管及钻头直径；l-粗径钻具长度。 q 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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 3.工艺因素-可采取措施的主因素 3.1 钻进方法 q 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 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 q 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 阻钻具自转几率导致钻孔弯曲。 q 转速过高钻柱离心力横向振动和扩壁孔壁间隙。 q 泵量过大冲刷、破坏软岩孔壁孔壁间隙。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 q 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左右钻孔弯曲 强度最大。 (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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 (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 任意方向弯曲。 (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 一致。顶角接近零时方位变化不定。 (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， 钻孔朝安装不正的方向偏斜。 (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。 第二节 钻孔弯曲的原因和规律 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 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） q 把2030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。 q 同钻杆下孔待测位置静止1525min，提钻取出。根据 氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。 q 由于毛细作用对算得的顶角必须校正。为避免校正计 算可利用倾斜仪来直接测定。 q 还可以用显影液、化学浆液等。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 1.2 重锤原理 q 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。 q 当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0对准弧形 竖板的标线顶角为0； q 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。 第四节 钻孔弯曲的测量及仪器 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2. 方位角测量原理 q 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。 q 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； q 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 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 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2.1 地磁场定向原理 q 利用磁针或磁敏感元件(磁通门)确定钻孔的方位角。 q 测量时罗盘处于水平状态且0线必须指向钻孔弯曲 方向。 q 为此，罗盘转轴应垂直于钻孔弯曲平面，并使罗盘 保持水平。此外，罗盘上0与180连线及框架上的偏 重块都与钻孔弯曲平面一致，偏重块与180线同侧 。这样0线必定指向钻孔弯曲方向。 q 0线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。 第四节 钻孔弯曲的测量及仪器 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2. 多点全测仪 q 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。 q 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。 q 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。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 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68s。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 o 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 )。 o 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 钻孔弯曲的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 启动按钮 通讯端口 状态指示灯 电源开关 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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 p 陀螺支撑于自身转轴及内、外环转轴上，三轴垂直正交于 与陀螺重心重合点，陀螺具有三个方向的自由度。在无摩 擦的情况下，三自由度高速旋转的陀螺在空间的方向保持 不变，这个特性称作陀螺仪的定轴性。 p 陀螺还具有进动性，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，因此要进行水平修正； 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，因此要进行漂移量修正。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 定向井定向井 国内最大的陆上丛式井在384m 110m的区域 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。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 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。 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 “ “阶梯式阶梯式” ”水平井水平井(l2-p1)(l2-p1) 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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 的举例。 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 486m s9-p1井 s-5井 芒硝 江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。 mwd用于对接井采矿举例 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 电磁波随钻测量（ mwd）系统 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 四、测斜数据处理 1. 测斜误差的产生与消除 q 测斜目的是求得测点处钻孔顶角与方位的真值。但只能以某种精度逼近 。允许误差：顶角0.51方位角45。 q 系统误差是仪器本身或测斜方法不正确造成的，服从一定规律。如：零 漂和温漂，仪器轴线与钻孔轴线不一致。 q 随机误差是多因素综合影响的结果，多次重复测量的随机误差服从正态 分布。 q 缓慢误差是电子元件老化和机械零件内应力变化引起的。 q 疏忽误差是一种显然与事实不符的误差，主要由操作者粗枝大叶或偶然 的外界干扰引起的。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 2. 在测斜数据的基础上绘制钻孔轨迹 q 钻孔测斜并非连续测量，每隔25m一个点，轨迹是折线。 q 通常用均角全距法进行计算，即把每一段测斜间距的两组测斜数据的平均值作 为该孔段的顶角和方位角值。 q 在计算机已普及的今天，可按式（10-16）快速求出各测点的三维坐标，并绘 出钻孔轨迹的垂直和水平投影图。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *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 q 在孔斜规律明显的矿区设计自然定向孔是解决孔斜问题的有效途径；如果 已知矿区孔斜规律便可预测下一个（批）钻孔的弯曲趋势。 第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第四节 钻孔弯曲的预防与纠正 一、钻孔弯曲的预防 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 q 布置钻孔时，尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向； q 松软、破碎、厚覆盖层、裂隙及溶洞地层应尽量设计垂直孔。 1.2 按钻孔弯曲规律设计钻孔 q 孔斜规律明显、岩层倾角大、无法垂直钻孔的地层，应利用地层的自然 弯曲规律，辅以人工控制弯曲措施，设计“初级定向孔”。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第五节 钻孔弯曲的预防与纠正 q 若弯曲规律是方位稳定而顶角偏离，有如下几 种设计方法： (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的平行线，与地面交于点o即为 后移的孔位。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第五节 钻孔弯曲的预防与纠正 (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，可根据倾角弯曲规律， 用增大开孔倾角的方法钻进，1是调整后的 开孔倾角。 q 若已知钻孔弯曲规律是顶角基本稳定 而方位角变化较大时，应按方位角变 化规律调整钻孔设计。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第五节 钻孔弯曲的预防与纠正 2. 保证安装质量，把好换径关 q 安装地基要平整、坚实、稳固。 q 钻机立轴倾角方向符合设计要求，“三点一线”。 q 孔口管固定牢，方位和倾角符合设计要求。 q 粗径钻具要直，长度要逐渐加长至10m左右。 q 换径带导向的综合式异径钻具。 3. 采用合理的钻具结构 钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具等形式的组合钻具对防止和纠正钻井弯 曲有明显的效果。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第五节 钻孔弯曲的预防与纠正 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的途径：加大切点以下钻具质 量，选用厚壁钻铤；在略高于切点的位置上装一扶正器，提高切点的 位置，或增大切点以下钻 铤长度来增大钻具质量。此外，采用扶正器还可减小下 部钻具的倾斜角和增斜力，从而进一步加大钻具的防斜能力。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学 国家精品课程 *中国地质大学勘查与基础工程系 第五节 钻孔弯曲的预防与纠正 3.