钻孔弯曲与测量.ppt

1、钻孔弯曲与测量，发表者：吴翔调查与基础工程系2004-7-24，本章主要内容为： 1，钻孔弯曲2，钻孔为何弯曲3，钻孔弯曲4，如何知道钻孔弯曲的防治，2020/7/29，中国地质高等院校调查与基础这个现象地质成果危害会歪曲矿床的产状、打掉矿床、忽略断层或改变勘探网度，影响矿床评价、构造判断和蕴藏量核算的准确性。 钻井工程在钻具孔内弯曲变形严重，钻具与孔壁摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻困难，导致钻井工作量增加和钻井速度降低。 在其他方面的危害水文供水井挖掘中，由于挖掘哩溜歪斜，可能导致深井泵不能进入挖掘或引起深井泵早期损伤。 钻孔灌注桩施工引起桩基础倾斜，影响桩基础承载力。20

2、20/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程类、第二节钻孔空间位置要素，完全避免钻孔弯曲是困难的。 但是，必须采取尽可能的措施，将钻头的弯曲程度控制在允许范围内。 从钻井技术和技术的角度，了解钻井在地下空间的位置，研究钻井弯曲的原因、反应历程和规定性，从而采取相应的措施，进行防治倾斜和倾斜修正。 因此，了解钻头在地下空间的位置是我们研究钻头弯曲的第一个一头地，它包括以下两个方面的内容：钻头轨迹的基本要素钻头轨迹弯曲强度，2020/7/29，中国地质高等院校调查与基础工程系统，钻头轨迹的基本要素，钻头轨迹在地下空间的位置， 为了表现其空间形态，必须解和控制钻孔轨迹的图中的0是开孔点，x轴是南北

3、，y轴是东西，z轴是地下方向，0ABC是钻孔的空间轨迹。 其基本要素为，顶角的钻头轨迹上的某点的顶角为该点的切线与铅垂线间的夹角，将其馀角称为钻头倾角。 顶角变化的范围是090方位角钻孔轨迹上的某一点的方位角是该点的切线在水平面上的心理投射与正北方向之间的大头针倾角，包括磁方位和地理方位。 与0360对应的钻孔轨迹上的某一点的钻孔深度是从孔到该点的钻孔轴线的长度，2020/7/29、中国地质高等院校调查和基础工程系、钻孔轨迹的基本要素，能够利用钻孔轨迹的基本要素计算出轨迹上各点的空间坐标。 钻头轨道为斜直线，坐标系的原点为节流孔，x轴为正北方向，y轴为正东方向，z轴为铅垂向下。 基于钻头每个深

4、度(即测量点)的顶角和方位角。 轨迹上的空间坐标修正如下：式中： x0、y0、z0-孔坐标xA、yA、zA钻头轴线上的点a的坐标开孔顶角开孔方位角LA从孔到测量点的钻头轴线的长度。2020/7/29、中国地质高等院校调查和基础工程系、两个钻头轨迹的弯曲强度、钻头轨迹的弯曲程度，实质上可以用曲率k或弯曲强度I表示钻头轨迹单位长度的钻头弯曲角度变化量。 曲率单位为radm，弯曲强度单位为/m。 关于这些个的关系，钻头轨迹的弯曲强度可以分为顶角弯曲强度、方位角弯曲强度、全曲弯曲强度。 顶角弯曲强度：钻头轴线每单位长度的顶角变化量方位角弯曲强度：钻头轴线每单位长度的方位角变化量全部弯曲强度：钻头轴每单

5、位长度的全角变化量。 如果某孔段顶角和方位角发生变化，则产生全曲弯角，钻头轨迹上a、b两点的全曲弯角可以用下式修正：钻头的全曲弯强度对验证钻柱的工作安全性和粗径钻孔的通过性有实际意义。 也是设定、修订定向钻孔轨道的重要残奥仪表。、2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程系、第三节钻头弯曲的原因与规律、一、钻头弯曲条件引起的钻头弯曲的根本原因是粗径钻头轴线偏离钻头轴线。 粗径钻头轴线偏离钻头轴线的方式，可能是偏倒或哩溜歪斜。 因此，产生孔弯曲的必要条件是存在孔壁间隙，在对粗径钻头施加偏倒(或弯曲)的空间具备倾倒或弯曲的力，由于粗径钻头轴线偏离孔的轴线，因此施加动力的粗径钻头的倾斜面方向

6、稳定。 保持片偏移(或弯曲)和力的方向稳定孔壁间隙和片偏移(或弯曲)力是钻头弯曲的必要条件，粗径钻头的倾斜面方向稳定是钻头发生弯曲的一盏茶条件。 当钻头的倾斜面向某个方向稳定时，钻柱只能自转而不能公转运动。 因此，钻孔的弯曲是在钻柱自转时发生的。 钻柱公转时，必须使倒下或弯曲的粗径钻头围绕钻头轴线旋转，使钻头以不同的时间节点向不同的方向移动。 这只会产生扩壁作用，不会导致钻头弯曲。2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程体系、第三节钻孔弯曲的原因与规律、二、钻孔弯曲的原因形成钻孔弯曲的原因大致可分为三类：地质要素技术要素工艺的原因、2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程地

7、质要素客观存在， 只能通过技术措施来削弱或抵消其倾斜作用的岩石各向异性现象，具有层理、片状构造等结构特征的岩石，其可钻性有明显的各向异性现象。 如右图所示，钻头进入垂直于岩层方向的岩石破碎效率最高，平行于层理方向效率最低，倾斜方向的破岩效率居中央。 因此，潜入倾斜岩层时，钻头容易向与层面垂直的方向弯曲。 钻头的弯曲强度与岩石的各向异性现象强弱和钻头的遭遇层角大小有关。 钻头的遭遇层角是指钻头轴线与其层面的正投影的夹角。 层角约为45时，钻头弯曲最大。2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程体系、第三节钻头弯曲的原因与规律、二、钻头弯曲的原因地质因素软硬互层钻头以锐角通过坚硬岩层界面，

8、由软岩进入坚硬岩石时，由于坚硬部分抗破碎力的不同，钻头向与层面垂直的方向弯曲，而由坚硬岩石进入坚硬岩石但是，由于上方的孔壁硬，钻头的倒塌受到限制，结果几乎维持原来方向的钻孔通过硬岩进入软岩，从软岩进入硬岩，最终沿层面法线方向延伸。 钻孔遇到层的角度有阈值。 如果超过该值，则钻头的掌门人等级进入。如果低于该值，则钻头沿着坚硬的岩石层下降(通称顺层走)。 这也表明，中粗径钻头的倾斜面方向稳定是客观存在的。2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系、第三节钻头弯曲的原因与规律、二、钻头弯曲的原因地质因素与软硬互层、2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系、第三节钻头弯曲的原因与

9、规律、二、 二钻头立轴的安装不正确，未下小孔管或小孔管的方向所要求的活动钻头杆过长，残奥表不合理等开孔阶段的钻头弯曲，会影响钻头轴线轨迹整体，给钻头轨迹带来较大的偏差。2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础施工体系、第三节开挖弯曲的原因与规律、开挖阶段开挖过程中引起开挖弯曲的技术是钻井工具的结构和尺寸。 钻柱是细长的柔性杆，由于有孔壁的间隙，在压力的作用下，钻柱弯曲变形，产生水平分力，打倒粗径钻。因此，使粗径钻头倾倒或弯曲的力客观存在，粗径钻头在孔底的偏倒角是孔壁间隙b和粗径钻头长度l，即粗径钻头越长，钻头的偏倒角越小，但直径越小，长度过大，刚性不足，钻头弯曲粗径钻头的临界长度可以由下

10、式修正：2020/7/29，中国地质高等院校调查和基础工程系，第三节钻头弯曲的原因和规律，3 .工艺方面因素的挖掘方法是钢粒挖掘时孔壁间隙最大，故孔倾斜最大。 硬质合金进入时的孔壁的间隙如下，一般孔会倾斜等。 金刚石进入孔壁的间隙最小，通常只有13mm，钻头刚性一盏茶时，孔的倾斜最小。 如果钻进规程残奥表的钻压过大，钻柱或粗径的钻就会弯曲，钻接近孔壁侧，偏倒角可能达到最大值，钻与孔壁的摩擦阻力增加，钻不绕自身轴线自转公转。 此时，钻头的倾斜面有一定方向，钻头会弯曲。 如果转速过高，钻柱的旋转离心力增大，钻头的横向振动和扩壁作用进行，结果，孔壁间隙增加。 钻压过小，转速过低，尺度慢效率差，钻头在

11、孔底停留时间长，扩大孔壁的间隙，增加孔的斜度。 洗涤液量过大，特别是在柔软的岩层，液流冲洗孔壁，破坏孔壁。 使孔壁间隙激增，提供钻头倒塌、钻头弯曲的条件。2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程体系、第三节钻孔弯曲的原因与规律、三、有钻孔弯曲的规定性钻孔弯曲的规定性并非绝对，而是作为一种趋势出现，通常在进入变质岩(如结晶片岩、片麻岩等)中时均质岩石进入的钻孔弯曲强度是非均质岩石岩石各向异性现象程度越高钻头弯曲强度越大的层理，进入片状构造和软硬互层中，钻孔为层理面，垂直于片状构造面方向哩溜歪斜松散的非胶着岩石，在大溶洞的情况下，钻头向下垂直位置钻孔为硬包裹体时， 可向任意方向弯曲的层理

12、水平或接近水平的岩石上插入垂直的孔，即使岩石的各向异性现象强，软硬不均匀的程度大，即使钻孔也不会产生大的弯曲，孔壁的间隙大，粗径钻头短，钻头刚性差，钻头弯曲强度大，钻头的顶角小顶角超过30时，方位有稳定的倾向，以一般的规则方位角弯曲，大多与钻头旋转的方向一致。2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程体系、第四节钻孔弯曲测量与仪器，为了随时掌握和控制钻孔空间位置的变化，预防和纠正钻孔弯曲，必须测量钻孔中钻孔轨迹各孔段的基本要素顶角、方位角和孔深。 此作业称为钻头弯曲度测量，简称倾斜测量。 钻头弯曲测量原理包括顶角测量原理和方位角测量原理，孔深度测量通常只需用电缆(绳索)或钻杆将倾斜修正

13、控制在指定的深度。 顶角测定原理1、液位原理(氢氟酸倾斜测定) 2、锤原理方位角测定原理1、地磁场定向原理2、地面定向原理、2020/7/29、中国地质高等院校调查和基础工程系统、一、顶角测定原理测定顶角度必须满足两个条件该角度在钻头的弯曲平面内。 液位原理(氢氟酸试验斜向)是将2030浓度的氢氟酸注入长度100150mm内径1525mm的玻璃试管中。 注入量为试管长的13左右。 之后，将加入氢氟酸的玻璃试管放入特制的接头中，用橡胶塞密封。 用钻头下降至孔内的待测位置，静止1525分钟后，抬起钻头取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用，试管上残留有液面痕迹。 可从液面的高度计算顶角。 由于毛细管

14、的作用，试管形成了如右图所示的蚀刻痕曲面。 这样测量的顶角必须校正，可以用下式求出实际顶角：=用e式测量钻头的实际顶角，用玻璃试管实测顶角，e校正角为了避免校正算法和校正上的工夫，可以用倾斜校正直接测量。第四节钻头弯曲的测量与仪器、2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系、一顶角测量原理液位原理(氢氟酸测量斜)、第四节钻头弯曲的测量与仪器、2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系信息帧可绕a轴自由旋转，b轴与a轴正交， 在b轴中点0处悬挂可自由旋转的拱形刻度盘，刻度盘的回转面与钻头的弯曲面一致，刻度盘在重力作用下永远垂下。 设备在垂直孔内时，刻度盘上的0为圆弧状的竖板上

15、的标线，即顶角正对0的设备在倾斜孔内时，圆弧状的纵板倾斜钻头的顶角即角度。第四节钻孔弯曲测量与仪器、锤原理测量钻孔顶角模式图、2020/7/29、中国地质高等院校勘察与基础工程系统、二、方位角测量原理按照钻孔方位角的定义，方位角测量必须满足两个条件。 一个是这个角度必须是钻头轴线上某一点的切线方向和地北的角度。 其第二个角度必须是水平面上的角度。 在没有干扰作用或干扰作用小的区段中，能够利用地磁场的取向原理，在磁屏蔽(例如，套管内)或干扰作用大的(例如，存在磁性矿物)的孔部中，由于磁大头针丧失取向能力，因此能够利用地面的取向原理。 第四节钻孔弯曲测量与仪器、2020/7/29、中国地质高等院校

16、勘察与基础工程体系、二、方位角测量原理地磁场定向原理地磁场定向原理利用指南针的指北特性或磁力仪(磁力仪)确定倾斜钻孔的方位角。 因此，测量时指南针必须是水平的，指南针上的0线指向钻头的弯曲方向。 为了满足这些个的要求，指南针的旋转轴必须垂直于钻头的弯曲平面，在其下部安装一个重物，使指南针呈水平状态。 而且，圆规上的连接0和180的线与信息帧上的偏重的分支摇滾乐位于信息帧的垂直二等分平面内(即，钻头弯曲面内)，偏重的分支摇滾乐与180线位于同一侧。 这样，在倾斜钻头中，180线必定指向钻头的弯曲方向。 此时，0线和磁针指向北方的夹角为钻头的磁方位角。 (如右图)、第四节钻头弯曲测量与仪器、地磁场

17、定向原理图钻头方位角示意图、2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系统、二、方位角测量原理地面方向原理将定位方向传递至孔内各测量点。 图中，设地面定位方向为OA，其方位角为0，钻孔弯曲方向为OB，其方位角为1，AOB 1- 0。 AOB表示钻孔横截面上的拐角是终点拐角。 式中： -在定位和钻头倾斜方向方位角差终点测量钻头的顶角。 该原理应用的具体方法是钻杆定向法、环测量定向法、陀螺惯性定向法。第四节钻弯测量与仪器、地企业上市方向原理图钻方位角示意图、2020/7/29、中国地质高等院校调查与基础工程系统、陀螺方向原理陀螺方向原理利用陀螺电机高速旋转定轴特性测量方位角。 磁性矿体和磁屏蔽时可以用来测量钻头的弯曲度。 如图所示，高速旋转的陀螺仪由自身的旋转轴以及内外环的旋转轴支承，三轴在空间上相互正交且相交于一点，此点与陀螺仪的重心重叠，使陀螺仪电动机具有三个方向的自由度。 3自由度高速旋转的陀螺转子轴，在轴承没有摩擦的情况下，空间的方向