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钻孔弯曲与测量 主讲人 吴翔勘察与基础工程系2004 7 24 本章主要内容 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 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 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 实际的钻孔轨迹往往偏离设计轨迹 这种现象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 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 钻探施工危害钻具在孔内弯曲变形严重 钻具与孔壁摩擦阻力增加 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 其他方面的危害水文水井钻探中 由于钻孔弯曲 可能会造成深井泵无法下入到钻孔中 或引起深井泵的过早损坏 在钻孔桩施工中 会引起桩基倾斜 影响桩基承载力 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第二节钻孔空间位置要素 要完全避免钻孔弯曲是很困难的 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 从钻探工艺与技术角度出发 了解钻孔在地下空间的位置 研究钻弯曲的原因 机理和规律性 从而采取相应的对策 进行防斜和纠斜 因此了解钻孔在地下空间的位置是我们研究钻孔弯曲的第一步 这包括下面两个方面的内容 钻孔轨迹的基本要素钻孔轨迹弯曲强度 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 一钻孔轨迹的基本要素 为了解钻孔轨迹在地下空间的位置 表征其空间形态 就必须了解和控制钻孔轨迹要素 图中0代表开孔点 X轴代表南北 Y轴代表东西 Z轴代表地下方向 0ABC是钻孔的空间轨迹 其基本要素包括 顶角钻孔轨迹上某点的顶角是该点的切线与铅垂线之间的夹角 其余角称为钻孔倾角 顶角变化的范围是0 90 方位角钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线在水平面上的投影与真北方向之间的夹角 有磁方位和地理方位 0 360 对应的钻孔孔深钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 一钻孔轨迹的基本要素 利用钻孔轨迹的基本要素 可以计算出轨迹上每一点的空间坐标 如下右图所示 假设钻孔轨迹为一斜直线 坐标系的原点为孔口 X轴取正北方向 Y轴取正东方向 Z轴铅垂向下 根据钻孔各个深度上 即测点 的顶角和方位角 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 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 二钻孔轨迹弯曲强度 钻孔轨迹的弯曲程度实质上是指钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化量可用曲率k或弯强i表示 曲率的单位是rad m 弯强的单位是 m 它们的关系是 钻孔轨迹的弯曲强度可分为顶角弯曲强度 方位角弯曲强度和全弯曲强度 顶角弯强 钻孔轴线单位长度上顶角的变化量 方位角弯强 钻孔轴线单位长度的方位角变化量 全弯强 钻孔轴线单位长度的全角变化量 如果某一孔段既有顶角又有方位角变化 则产生全弯曲角 钻孔轨迹上A B两点的全弯曲角 可用下式计算 钻孔全弯强对于校核钻杆柱工作的安全性和粗径钻具入孔的可通过性有实际意义 也是设计定向钻孔轨迹的一个重要参数 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 一 钻孔弯曲的条件造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线 粗径钻具轴线偏离钻孔轴线的方式 可能是偏倒 也可能是弯曲 因此 产生钻孔弯曲必要而充分的条件是 存在孔壁间隙 为粗径钻具提供偏倒 或弯曲 的空间具备倾倒或弯曲的力 为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力粗径钻具倾斜面方向稳定 保持偏倒 或弯曲 和力的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 钻具倾斜面稳定在某一方向时 钻杆柱只自转而不公转运动 因此 钻孔弯曲是在钻杆柱自转的情况下发生的 如果钻杆柱公转 则必定带动偏倒或弯曲的粗径钻具围绕钻孔轴线转动 使钻头在不同的时刻朝着不同的方向钻进 这只能产生扩壁作用 而不导致钻孔弯曲 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 二 钻孔弯曲的原因形成钻孔弯曲的原因大致可分为三类 地质因素技术因素工艺方面的原因 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 二 钻孔弯曲的原因地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层 地质因素是客观存在的 只能通过工艺技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用岩石的各向异性某些具有层理 片理等构造特征的岩石 其可钻性具有明显的各向异性 如右图所示 钻头沿垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高 而平行于层理的方向 效率最低 倾斜方向的破岩效率居中 因此 在倾斜岩层中钻进时 极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲 钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关 所谓钻孔遇层角就是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角 当遇层角约为45 时 钻孔弯强最大 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 二 钻孔弯曲的原因地质因素软硬互层钻孔以锐角穿过软硬岩层界面 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 而从硬岩进入软岩时 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 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 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 二 钻孔弯曲的原因地质因素软硬互层 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 二 钻孔弯曲的原因技术因素开孔阶段开孔阶段引起钻孔弯曲的技术因素有 钻机基础不平 钻机立轴安装不正确 未下孔口管或孔口管方向不合要求 主动钻杆过长钻进参数不合理等开孔阶段的钻孔弯曲会影响整个钻孔轴线轨迹 使钻孔轨迹产生很大的偏差 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 钻进阶段钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具的结构和尺寸 钻杆柱为一细长柔性杆件 由于存在孔壁间隙 在压力的作用下 钻杆柱将产生弯曲变形 产生水平分力 使粗径钻具偏倒 所以 使粗径钻具倾倒或弯曲的力是客观存在的 粗径钻具在孔底的偏倒角 决定于孔壁间隙b和粗径钻具长度L 即 粗径钻具越长 钻具的偏倒角越小 但直径小而长度过大 刚度不足 钻具会被压弯 即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲 粗径钻具的临界长度可按下式计算 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 3 工艺方面的因素钻进方法钢粒钻进时孔壁间隙最大 因此孔斜最大 硬质合金钻进时孔壁间隙次之 一般孔斜中等 金刚石钻进孔壁间隙最小 通常只有1 3mm 在钻具刚度足够时 孔斜最小 钻进规程参数钻压过大 会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲 使钻头紧靠孔壁一侧 此时偏倒角可能达到最大值 并且钻具与孔壁摩擦阻力增加 钻具围绕只围绕自身轴线自转而不作公转 此时钻具倾斜面有固定方向 从而导致钻孔弯曲 转速过高 钻杆柱回转离心力增大 从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用 结果孔壁间隙增加 钻压过小 转速过低 则进尺慢 效率低 钻头停留在孔底时间长 也会扩大孔壁间隙 增加孔斜 冲洗液量过大 特别是在较软的岩层中 液流会冲刷 破坏孔壁 使孔壁间隙剧增 为钻具偏倒 钻孔弯曲提供条件 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第三节钻孔弯曲的原因和规律 三 钻孔弯曲的某些规律性钻孔弯曲的规律性不是绝对的 而是表现为一种趋势 通常有以下一些趋势 在变质岩 如结晶片岩 片麻岩等 中钻进时 钻孔弯曲强度大于在沉积岩 如页岩 中钻进时的弯强 更大于在岩浆岩 如花岗岩 辉绿岩 中钻进时的弯强 均质岩石钻进的钻孔弯曲强度小于在非均质岩石中的弯强 且岩石的各向异性程度越高 则钻孔弯曲强度越大 层理 片理和软硬互层中钻进 钻孔朝着垂直于层理面 片理面的方向弯曲 松散非胶结岩石 大溶洞时 钻孔趋向下垂直位置 钻遇硬包裹体时 可能朝任意方向弯曲 层理水平或接近水平的岩石中钻进垂直孔时 即使岩石各向异性很强 软硬不均程度很大 钻孔也不会产生较大弯曲 孔壁间隙大 粗径钻具短 钻具刚度差 则钻孔弯曲强度大 钻孔顶角小 方位变化大 钻孔顶角大 方位变化小 顶角超过30 时 方位趋于稳定 按一般规律方位角弯曲往往与钻具回转的方向一致 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 为了随时掌握与控制钻孔空间位置的变化 预防与纠正钻孔弯曲 在钻进中必须测量钻孔轨迹各孔段上的基本参素即 顶角 方位角和孔深 这一工作称为钻孔弯曲度测量简称测斜 钻孔弯曲的测量原理包括顶角测量原理和方位角测量原理 孔深测量一般只是借助电缆 测绳 或钻杆将测斜仪下入到指定深度来控制 顶角测量原理1 液面水平原理 氢氟酸测斜 2 悬锤原理方位角测量原理1 地磁场定向原理2 地面定向原理 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 一 顶角测量原理测量顶角度必须符合两个条件 该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角 该角度在钻孔弯曲平面内 液面水平原理 氢氟酸测斜 把20 30 浓度的氢氟酸注入长度为100 150mm内径为15 25mm的玻璃试管中 注入量为试管长度的1 3左右 然后 将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制的接头内 用橡胶塞加以密封 用钻杆将其下到孔内待测位置 静止停留15 25min后 提钻取出试管 由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用 在试管上留有液面痕迹 根据液面的高低 就可算出顶角 由于有毛细管的作用 试管形成了如右图所示的蚀痕曲面 由此测出的顶角必须校正 按下式可求出实际顶角 E式中 钻孔的实际顶角 玻璃试管上实测顶角 E 校正角为了避免计算和校正上的麻烦 可以利用倾斜仪来直接测定 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 一 顶角测量原理液面水平原理 氢氟酸测斜 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 一 顶角测量原理悬锤原理悬锤测量钻孔顶角的原理是利用地球重力场 如下图所示 框架可绕a轴灵活转动 b轴与a轴垂直相交 在b轴中点0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 当仪器在垂直孔内时 刻度盘上的0 正对准弧形竖板了上的标线 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 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 悬锤原理测量钻孔顶角示意图 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 二 方位角测量原理根据钻孔方位角的定义 方位角的测量必须满足两个条件 一是该角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角 其二该角度必须是水平面上的角度 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 因为磁针失去定向能力 可用地面定向原理 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 二 方位角测量原理地磁定向原理地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元件 磁通门 确定倾斜钻孔的方位角 因此 测量时罗盘必须处于水平状态 并且罗盘上0 线必须指向钻孔弯曲方向 为了满足这些要求 罗盘的转动轴应垂直于钻孔弯曲平面 并且在其下部装有重块 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在框架的垂直平分平面内 即钻孔弯曲平面内 偏重块与180 线同侧 这样一来 在倾斜钻孔中180 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 如右图 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 地磁场定向原理图钻孔方位角示意图 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 二 方位角测量原理地面定向原理在地面将定位方向传到孔内各个测点 如图 取地面定位方向为OA 其方位角为 0 钻孔弯曲方向为OB 其方位角为 1 AOB 1 0 若令 A O B 则在钻孔横截面上的 角 即为终点角 式中 定位与钻孔倾斜方向方位角差 终点角 测点处钻孔顶角 该原理应用的具体方法有钻杆定向法 环测定向法和陀螺惯性定向法 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 地面场定向原理图钻孔方位角示意图 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 陀螺定向原理陀螺定向原理是利用陀螺马达高速旋转所产生的定轴特性来测量方位角的 可用于磁性矿体和磁屏蔽情况下测量钻孔弯曲度 如图 高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内 外环的转轴上 三轴在空间相互垂直正交并交于一点 该点与陀螺的重心重合 使陀螺电机具有三个方向的自由度 三自由度高速旋转的陀螺转子轴 在轴承无磨擦的情况下 在空间的方向保持不变 这个特性称作陀螺仪的定轴性 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 第四节钻孔弯曲的测量及仪器 2020 2 11 中国地质大学勘察与基础工程系 二 方位角测量原理