国家精品课程岩土钻掘工程学第10章__钻孔弯曲与测量

第十章钻孔弯曲与测量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、钻孔弯曲的防治国家精品课程岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10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。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查与基础工程系一、钻孔轨迹的基本要素顶角（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角。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。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国家精品课程2019/8/10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；θ——开孔顶角；α——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国家精品课程2019/8/10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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。弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（°）/m；后者是rad/m。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国家精品课程2019/8/10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，准确测知钻孔的空间位置，在处理地质资料时加以校正；研究钻孔弯曲规律和原因，采取措施进行钻孔弯曲的防治（防斜和治斜）；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国家精品课程2019/8/10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。钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。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。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10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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）。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45º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国家精品课程2019/8/10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。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国家精品课程2019/8/10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，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；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。第二节钻孔弯曲的原因和规律岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10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国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查与基础工程系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。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国家精品课程2019/8/10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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。2.21）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国家精品课程2019/8/10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。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。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10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LDDDsinc1221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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国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查与基础工程系3.工艺因素--可采取措施的主观因素3.1钻进方法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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↑→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↑。第二节钻孔弯曲的原因和规律岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10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(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国家精品课程2019/8/10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(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(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，(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国家精品课程2019/8/10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）把20~30％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。同钻杆下孔待测位置静止15~25min，提钻取出。根据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。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。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国家精品课程2019/8/10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。当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0º对准弧形竖板的标线顶角为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。第四节钻孔弯曲的测量及仪器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查与基础工程系2.方位角测量原理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。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国家精品课程2019/8/10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)确定钻孔的方位角。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。此外，罗盘上0º与180º连线及框架上的偏重块都与钻孔弯曲平面一致，偏重块与180º线同侧。这样0º线必定指向钻孔弯曲方向。0º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国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查与基础工程系2.多点全测仪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。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。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国家精品课程2019/8/10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6~8s。第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理岩土钻掘工