第七章钻孔弯曲文档格式.docx

1、在勘探矿床时，通常钻孔沿勘探线布置，勘探线的方位角与钻孔开孔方位角一致,这时钻孔轨迹的水平投影与勘探线相吻合，而孔身的剖面就代表钻孔的真实位置。（二）曲线型钻孔 对于曲线型钻孔来说,钻孔轨迹上的每一点可能具有不同顶角和方位角。在这种情况下,钻孔轨迹上任一点的顶角应理解为该点钻孔轴线的切线与铅垂线的夹角;而方位角则是该点钻孔轴线切线的水平投影与正北方向的夹角，见图 72。如果钻孔轨迹只有顶角变化,而无方位角变化,则这样的钻孔轨迹是垂直平面内的曲线。顶角变化亦称为顶角弯曲。顶角增大时,称顶角上漂；顶角减小时,称顶角下垂。在这种情况下钻孔轨迹的水平投影是一直线,而它的剖面是一曲线。这种曲线可能拟合为

2、单一的圆弧、抛物线或其它曲线；也可能拟合为不同直径的圆弧或其它曲线组成的复杂曲线。如果钻孔轨迹既有顶角变化,又有方位角变化,则这样的钻孔轨迹既可能是空间曲线，也可能是倾斜平面内的曲线。方位角变化称为方位弯曲。方位角增大时,方位弯曲为正值；方位角减小时,方位弯曲为负值。在这种情况下，钻孔轨迹的水平投影和孔身剖面都是曲线。如果只有方位角变化,而无顶角变化,则钻孔轨迹呈螺旋状,为一空间曲线。对于曲线型钻孔，钻孔轨迹上每一点坐标可按曲线形状具体计算。为了方便起见,在生产实践中有时把曲线化为折线。用均角全距法进行计算。图 。图 72曲线型钻孔轨迹图图 73 曲线型钻孔轨迹坐标按折线计算图 （7-）式中:

3、x0,y,z0孔口坐标，m;l测点间距,m;i测点的顶角（）;i测点的方位角（i测点编号；n测点数。（三）钻孔轨迹弯曲程度为了说明曲线型钻孔轨迹的弯曲程度,采用弯曲强度（简称弯强）的概念。单位孔身长度的顶角变化,称为顶角弯强。单位孔身长度的方位角变化,称为方位角弯强。弯强与数学上曲率的概念等同。前者的单位是（）m;后者的单位是rad/。顶角弯强用表示。若某一孔段顶角变化均匀,则有：（）/ （7）相邻两测点顶角的增量，（）；相邻两测点的孔身长度,。方位角弯强用表示。若某一孔段方位角变化均匀。则有： （）/ （74）相邻两测点方位角的增量，（0）；L相邻两测点的孔身长度,m。如果把既有顶角变化、又

4、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的变化，反映了钻孔轴线的全弯曲角。全弯曲角用下式计算。见图 74： （7-）相邻两测点之间的全弯曲角;1，1,1上测点A钻进速度方向分别与，Y，Z轴方向之间夹角的余弦;2，2，2下测点B钻进速度方向分别与,Y，Z轴方向之间夹角的余弦。由式7-1知：； （-6）1,1上测点A的顶角和方位角，（，2下测点B的顶角和方位角，（）。将7-6代入,就得到:而,所以有: （7-7） （） （-8）经过变换和整理7-7式可以写成:1、分别为上、下两测点的顶角差值和方位角差值,（亦即：（） （7-9）钻孔轨迹的全弯强是单位孔身长度的全身变

5、化量,即：）m （710）相邻两测点全弯曲角,（L相邻两测点的孔身长度，m。图 74 曲线型钻孔某段全弯曲角和全弯强计算图例如，有一钻孔的轨迹为空间曲线，上测点的顶角15,方位角1下测点顶角2，方位角=两测点同孔身长度L =25m。求该段钻孔的顶角弯强、方位角弯强和全弯强。钻孔轨迹弯强与曲率的关系为: （7-11）i弯强，（）/；K曲率，d/m;R曲率半径，m。曲线钻孔各点的切线与铅垂线所组成的垂直平面称为终点平面。因此,垂直孔没有终点平面;倾斜直线孔,只有一个终点平面，该平面与钻孔方位一致；当钻孔只发生顶角弯曲，而无方位角弯曲时,也只有一个终点平面;当钻孔发生方位角弯曲时，在钻孔不同点终点平

6、面有自己的方向，这一方向与开孔方位角不同。（四）钻孔弯曲度在施工过程中,凡是钻孔实际轴线偏离了设计的钻孔轴线（包括顶角和方位）,都叫做钻孔弯曲。简称为孔斜。钻孔弯曲度，就是实际钻孔轴线偏离设计钻孔轴线的度数或程度。它是衡量钻探质量的重要指标之一。在施工过程中，对各种类型的钻孔轴心线允许偏离的范围是根据各项工程的性质与要求确定的。地质岩心钻探操作规程规定:钻孔顶角的最大允许弯曲度，在每10m间距内，直孔不得超过,斜孔不得超过,随着钻孔的加深可以递增计算。钻孔方位角的最大允许偏离度，应根据钻孔的深度和矿床的类型等情况而定。如勘探煤矿的钻孔,其方位角的偏离规定为:不超过设计方位20的为甲级钻孔,不超

7、过0的为乙级钻孔。目前,有的队也以见矿点不超过勘探网距/31/4为标准来衡量。二、钻孔弯曲的影响钻孔弯曲度若超过了地质设计的要求，不仅给钻进工作带来很多困难，重要的是对地质勘探成果造成严重的危害。（一）在地质工作方面。钻孔过度弯曲不仅会降低取心质量,而且不能穿过预定的见矿点,或者从设计的勘探线偏到另一条勘探线，从而得不到符合客观实际的地质资料，造成地质情况失真，影响对矿床的合理评价,也给矿山开采设计带来错误。例如图 75所示的情况。（1）钻孔弯曲不能按设计要求穿过预定的构造带（未发现断层）时。会使地质构造的形态和位置被歪曲，如图75所示。（2）钻孔弯曲使控矿的间距减小或增加时,会造成矿产储量计

8、算失真。图 75b为控矿间距减小，就会减少可计算的矿产储量；图7-5c右为控矿间距增大，会使储量级别降低。（3）钻孔弯曲未见到矿时,会使预计要见到的矿层被打漏掉。如图 75c所示。（4）钻孔顺层跑,与矿体平行钻进时,就不能穿透矿体,歪曲矿体厚度,如图5所示。（5）相邻两个钻孔,若相向弯曲时,可能把小矿体歪曲成大矿体。如图 5e所示。（二）在钻探工作方面图 75 钻孔弯曲对地质成果的影响情况（1）钻孔弯曲过大，钻具回转阻力增大，造成钻具在孔内回转困难。（2）钻孔弯曲过大,容易引起钻具折断，同时升降钻具、起下套管也很困难。（）因钻具的一部分紧贴孔壁,难于确定合理的真实的孔底钻压，压力损失大，不仅增

9、大了动力消耗,而且金刚石钻进开不出高转速。（4）弯曲严重的孔段，如岩（矿）层破碎不完整，受钻具的强烈敲击。极易引起孔壁坍塌、掉块，从而造成卡、埋钻事故。（5）在弯曲的钻孔中发生孔内事故不易处理,往往使孔内事故更加复杂化。（6）因钻孔弯曲而达不到地质设计要求，就必须纠斜,从而增加工作量,影响施工进度。综上所述,钻孔弯曲既影响钻探施工的速度，又关系到矿产储量计算、矿体空间位置和岩层构造的准确性,因此，在钻探工作中必须根据引起钻孔弯曲的原因,积极预防钻孔弯曲，并按规定要求及时准确地测量钻孔弯曲度，掌握钻进中孔身的空间位置，如果钻孔偏斜的方向和角度超过地质设计要求，就应采取措施进行矫正，将钻孔弯曲度控

10、制在允许范图内。第二节 钻孔弯曲的原因钻孔之所以发生弯曲，是粗径钻具在回转碎岩过程中偏离设计钻孔轴线方向而引起的。一般促使粗径钻具偏斜的因素有二:一是钻头底面受到偏斜力矩或粗径钻具受到与设计钻孔轴线不一致的斜向力;二是孔壁对粗径钻具导向不够或粗径钻具刚性差。造成粗径钻具的偏斜条件主要有:岩层的岩性及产状、地质构造以及某些特殊地层等；钻探设备的质量及安装、开孔钻进以及粗径钴具结构尺寸等；钻进方法、钻进技术参数及操作技术等。因此,产生钻孔弯曲的原因可以简单归纳为:地质构造、施工技术和钻进工艺三个方面。一、地质构造方面的原因由于钻进不同的地层以及岩层的产状不规则，软硬不均或松散无胶结或胶结差的破碎带

11、、砾石层、断层、溶洞等地质条件的因素是造成钻孔弯曲的重要原因之一。1各向异性的岩层对有层理和片理构造的岩石。当外力垂直其层面或平行其片理作用时,它们表现的力学性质指标是不一致的,称为岩石的各向异性。在层理和片理构造的岩石中钻进。由于层状岩石的各向异性，钻头朝着钻进阻力最小的垂直于层面方向偏斜。因此，钻孔的顶角和方位角都趋向垂直岩层层面方向弯曲。异向性越强的岩石，钻孔弯曲的程度越大。一般来说,火成岩体岩石的各向异性不明显,钻孔弯曲程度小些;变质岩类（如片麻岩）和层理发育的沉积岩（如片岩、页岩等）的各向异性强，钻孔弯曲程度也大。目前，衡量岩石各向异性的指标尚未统一。表 1所列,是按照可钻性、压人硬

12、度、夹层特点将岩石分类，作为按孔斜弯曲程度划分的岩石分类。对I类岩石,孔底钻速差最大,故对钻具产生多种偏斜力,使孔斜率的变化最大。对类岩石,孔底存在钻速差,孔斜率有所增大,但变化较平稳。对类岩石，由于成分均一，各向异性不明显,故孔斜率小。若遇偶然情况，如局部裂隙带，硬夹层，砾石层等,会引起孔斜率增大,但穿过上述层位之后,钻孔方向又趋稳定。表 71 孔斜弯曲程度划分的岩石分类岩石分类岩石成分均质岩石物理力学性质不同岩性的夹层各向异性各向异性系数换层程度夹层硬度差按可钻性按硬度压入硬度16Pa可钻性等级成分极不均匀,变化大强各向异性（片理等）1.5.2.0频繁（层厚数毫米至数厘米）20026级之差

13、成分不均匀0.1061.25中等（层厚几米至教十米）5201级之差成分均匀弱各向异性或均质的.9511.5少量（层厚至数百米）00小于1级之差钻孔弯曲规律如下:（1）钻孔顶角的变化钻进直孔或斜孔，当遇层角为锐角时,钻孔一般趋向于与岩层层面或层理面相垂直的方向弯曲,如图 76所示。图 76 钻孔顶角变化图 钻孔方位角变化1-设计钻孔轴线;2-理论钻孔轴线:2-实际钻孔轴线（2）钻孔方位角的变化当钻孔轴线与岩层走向交角较大时，钻孔方位角逐渐趋向于垂直岩层走向偏斜,如图 77所示。其中，遇层角（钻孔轴线与岩层走向线之间小于90的夹角）在钻孔轴线左侧时，向左偏斜；在钻孔轴线右侧时,向右偏斜;等于90

14、时，钻孔方位角不易偏斜。此外，方位角偏斜程度与钻具旋转方向有关：当钻具顺时针方向旋转时,在钻孔轴线右侧比它在左侧时的偏斜程度更大。2.倾斜的软硬不均的交错岩层钻孔穿过倾斜的软硬互层时,因软硬岩石抵抗破碎的能力不同，使孔底产生不均匀破碎,造成钻速差,引起钻孔顶角及方位角的变化。钻孔偏斜的方向和顶角变化率，取决于钻孔轴线与岩层面的夹角（遇层角）和软硬岩石的硬度差,差值越大,钻孔弯曲率越大。（）钻孔顶角的变化由软岩层向硬岩层钻进：如图 8所示,顶角的变化随遇层角的大小及软硬岩层的硬度差而有不同。当遇层角小于，且互层的软硬相差较大时，钻孔则沿硬岩层上盘弯曲,俗称“顺层跑”（a）;当遇层角大于30时,钻

15、孔将向与硬岩层层面相垂直的方向弯曲,俗称“顶层进”（b）。当遇层角在530之间时,钻孔弯曲一般没有规律，可能沿岩层接触面弯曲，也可能沿相反方向弯曲。图 8 钻孔由软至硬岩时的弯曲情况（）1（）由硬岩层向软岩层钻进：如图 79所示。当遇层角艿为锐角时，钻孔顶角向硬岩层惯向弯曲,若遇层角越大，且软硬岩层接触面的倾角越大,则弯曲程度也越大。图 79 钻孔由硬至软岩弯曲情况钻进软硬互层，由硬岩层再进人软岩层,当后两岩层的硬度差小,且硬岩的厚度较大。钻孔顶角不再弯曲。仍是顶层进；当后两岩层的硬度差大。硬岩层厚度较小。钻孔顶角也可能向下弯曲。如图 710所示。图 0 钻孔穿过软硬互层的弯曲情况 （2）钻孔

16、方位角的变化有两种情况：由于钻头顺时针方向旋转，硬岩界面阻力A大于软岩界面阻力B,见图 1（a）。钻头围绕点产生附加力矩M促使钻头发生偏斜;同时钻头受到水平力R（P2-P）的作用也使其偏斜。加之,粗径钻具位于软岩层中易扩大孔壁。因此,钻孔的方位角,沿岩层走向往右偏斜（顺岩层倾斜方向看）。由于钻头顺时针方向旋转，硬岩层界面B点阻力远远大于A点阻力。见图71（b）钻头围绕B点产生附加力矩M促使钻头偏斜，同样钻头受到水平力R（P2P）也使之发生偏斜。但粗径钻具处于硬岩层中而偏斜程度有所减小。因此总的趋势是：钻孔的方位角向后，并沿岩层走向往左偏斜（顺岩层倾斜方向看）。3地质构造复杂和自然破碎的地层在这

17、类地层钻进，钻孔也会发生顶角和方位角的变化。（1）在松散的流砂层或破碎层钻进斜孔时，因其具有流散性，故在钻具的自重作用下，钻孔极易下垂。（2）遇大溶洞时，斜孔钻进由于重力作用,钻孔顶角会急剧缩小而向下弯曲,直孔钻进由于孔底不规则，粗径钻具也易偏离钻孔轴线而发生弯曲。（3）钻进中，遇到大的裂隙或断层,其方向和角度又与钻孔的方向和角度相近似时,钻孔会沿裂隙或断层的方向和倾角发生弯曲。（4）在松散的地层中遇到大的砾石、卵石等坚硬的包裹体时,钻孔会沿其斜面弯曲。图 7 钻孔方位角的变化P-软岩层中旋转阻力;P2-硬岩层中旋转阻力二、施工技术工艺方面的原因.设备性能及安装钻机陈旧或性能不良，不能保证粗径

18、钻具的一定方向和角度时,就会发生钻孔弯曲。如钻机的回转给进部件导向性能差,立轴导管松旷，立轴箱固定不牢，油压钻机滑道松旷等。钻机没有水平地安装在固定的基础上或地基填方多，不坚固，使得基台枕受力不均，造成钻机倾斜；塔上滑车、钻机立轴和钻孔没在同一轴线上；钻机立轴（或转盘）没有准确地固定在既定的倾角和方位上，这些都会导致钻孔的严重弯曲。如图712所示。原设计钻孔为直孔。其轴线为OO1，孔深为L,在安装时，若立轴偏斜角,则R=L1tg，R为偏离原孔底（O1点）的半径OA1,角越大,L1越长,则R值越大。2.开孔换径钻孔在开孔时,使用的钻具同心度差;随着钻孔的延深而没及时加长粗径钻具;在下定向管时，它

19、与钻孔不同心,上下固定不牢而旷动,不起导向作用也会引起钻孔弯曲。换径或扩孔时，没有使用导向钻具，或导向钻具太短等都容易造成钻孔弯曲。图 71 钻机立轴偏离设计的钻孔轴线3.钻进方法及钻进工艺技术钻进方法不同时,孔径与钻具（主要是粗径钻具）之间的间隙也不相同,而两者之间的间隙,是造成钻具在孔内偏斜的重要条件。如图 73所示,间隙越大,则钻具轴心线与钻孔轴心线的夹角愈大，钻具偏斜也越严重。其关系如下;f一孔径与粗径钻具外径之差（即孔壁间隙的二倍）；L粗径钻具长度。图 73 钻具在孔内偏斜示意图一般来说,钻进扩孔现象为:硬质合金钻进钻孔直径为钻头直径的为11.倍；金刚石钻进的孔壁间隙最小,在78级岩

20、石中,间隙为1.0mm，1112级岩石中,仅为0.05。上述可见，硬合金钻进比金刚石钻进可能引起的钻孔弯曲度大。但是，钻孔的弯曲与粗径钻具的刚度有密切的关系。小口径金刚石粗径钻具刚度相对还是比较小,因而对易孔斜地层。小口径金刚石钻进的孔斜率也会增大。不视地质和设备条件而盲目采用强力钻进技术参数,贪图进尺,也会促使钻孔弯曲率增大。如钻压过大，钻杆弯曲严重,迫使粗径钻具上端靠向孔壁，使粗径钻具轴线偏离原孔轴线；过高的转速,会使钻具离心力增大，从而加剧了钻具的横向振动，扩大了孔璧；钻进松软地层时，冲洗液量过大，冲刷孔壁严重，使孔壁间隙急剧增大，所有这些不恰当的钻进技术参数都会增大钻孔的弯曲率。此外，

21、在处理孔内事故时，由于技术措施和操作不当，也可能造成孔斜。三、钻具结构方面1.钻具的级配钻具在孔底工作时,当钻压增加到临界值时，钻杆柱就失去直线稳定的形状而发生弯曲，且与孔壁有接触点,称为切点，当钻杆柱在钻孔中处于弯曲状态时，则钻具不再保持原始孔轴线方向，而对孔壁产生侧压力作用，因而在钻进中就会发生钻孔弯曲。当钻具级配不合理，钻孔与钻杆柱的间隙比差增大时,钻杆柱的挠度增大，弯曲钻杆柱对孔壁的侧压力也愈大，钻孔弯曲率也就越大。2.钻具的刚性钻具在孔底钻进，主要是靠粗径钻具在孔内导正。一般来说,粗径钻具刚性愈好，在孔内导正愈好,钻具轴线与钻孔轴线愈接近,则孔斜率愈小；如果粗径钻具刚性差，而作用力超

22、过极限时,则钻具发生弯曲。此时钻具与钻孔二轴线形成夹角（轴偏角），于是钻头偏斜钻进而造成钻孔弯曲。因此，粗径钻具的刚性愈差，其弯曲越严重,则轴偏角越大,钻孔弯曲也就越严重。 3.粗径钻具长度如前述，根据以下公式可以看出:当间隙一定时,增加粗径钻具长度L，则轴偏角迅速减小,孔斜率也会减小。但是,当增加到一定程度后,再增加L,则减小很少。因此，粗径钻具长度有一合理的长度值。4.粗径钻具质量粗径钻具质量差,如:不圆、不同心,钻进时钻头工作不稳定，易扩大孔壁而造成钻孔弯曲。第三节 钻孔弯曲的测量在钻孔施工中，通过对钻孔弯曲的测量（即测斜）,取得顶角和方位角数据。可以达到以下三个目的：（1）及时了解施工

23、钻孔在地下孔间的延伸趋势，以便及早防斜和纠斜，使钻孔弯曲度控制在允许范围以内。（2）掌握已施工的钻孔轴线在地下空间的座标位置，以及摸清钻孔弯曲规律,设计施工定向钻孔。（）控制钻孔穿矿部位的座标位置，以便计算矿产储量和进行矿山开采设计。在钻进过程中，必须按规定的测点间距及时测量钻孔弯曲度,不应只在终孔后对各测点一起连续测量，一般要求直孔每50m测一点，斜孔每5m测一点，但在易于孔斜的复杂地层中钻进,或钻进定向孔和特殊工程孔时，则应根据设计要求,适当加密其测点。此外,在下套管前后,换径钻进一段距离和穿过溶洞等之后应进行测斜。孔深、顶角和方位角三个测斜参效要齐全、对应,测斜记录要正确、完全,必要时应

24、选用精确的作图方法，按测点画图以指导防斜、治斜等工作。为了得到完全切合实际的钻孔资料，必须随时掌握与控制钻孔空间位置的变化，以便预防和纠正钻孔的偏斜。应按要求及时进行钻孔顶角和方位角的测量工作。测量钻孔顶角和方位角的仪器称为测斜仪。随着我国科学技术的发展,生产和使用的测斜仪种类较多且各有特点。一、Y一2型测斜仪JXY一型测斜仪适用于非磁性矿区直径大于80m的钻孔内测量顶角和方位角。仪器结构简单，使用方便，利用机械定时钟锁卡后,提升到地面读数。因此，它是目前应用最广的测斜仪器。（一）仪器的主要技术性能（）顶角测量范围:60顶角测量误差:在03之间不大于1在3062（2）方位角测量范围:30;方位

25、角测量误差：不大于4（在4时）。（3）最大承受液压；710Pa。（4）定时钟最大工作时间：11i，最小为1min。（）仪器尺寸:外径75mm,全长19mm,总重：33g。（二）仪器作用原理该仪器利用重锤原理测量顶角，利用磁针指北原理测量方位角，在被测点依靠定时钟锁卡装置达到测量目的。（三）仪器结构仪器的主体是由测量系组成。如图 1所示。图 714 J一2型测斜仪结构图-上轴；2定时挺针;-下轴;-定位齿条;5倾斜角刻度盘；6-框架；-里套筒;8-重锤;-胶木盖;10-罗盘盒盖;11-磁针;1-定时旋纽;13保护筒；14水平轴承；-轴承座;6-埋头螺钉;7-轴承；18-罗盘盒底；-定位座;20防

26、震橡皮垫;21-钢珠全部测量机构都安装在框架6上，在框架上承板开有一孔，作轴套用。在框架的下部装有下轴3，当框架装入里套简（仪器壳）时,安装在里套筒上面的上轴1正好插入上承板的孔内，作为框板的上支承点,而下轴插在轴承座1的轴承7（型号为D23）内，并依靠装在埋头螺钉16上的2mm钢珠1支撑，使框架能在里套筒内灵活转动。在框架的一边装有铅制重锤8,当测量系倾斜时,由于重锤的偏心作用,使框架平面始终与倾斜面垂直,在框架上部装有一罗盘，罗盘由罗盘盒盖和罗盘盒底18组成，在罗盘盒中间磁针轴上装有一磁针11,磁针涂红白二色，红色指北,白色指南,以指北红指针作为读数依据，可以在罗盘刻度盘上读出被测点的方位

27、角,罗盘度数分有180格，每格2度。整个罗盘盒由水平轴承14支承，使罗盘在仪器倾斜时,在重锤的作用下始终保持在水平位置。在罗盘下面连接着倾斜角刻度器,它既起重锤作用,使罗盘保持水平,又可根据刻度器上所列的刻度，通过定位座19上的标线，读出被测点的顶角。框架的下部装有机械定时钟12。在定时钟的背面装有凸轮,凸轮受定时钟控制，当钟走到一定位置,凸轮就推动杠杆,杠杆抬高定时挺针2和定位齿条4,使磁针和倾斜角刻度器都处于锁紧状态，仪器即可读数。此时定时钟因仪器锁紧而停止走动,定时钟正面的旋钮盘12的刻度指示正好回到零。定时钟旋钮盘刻度指示一格为5min,最大指示为110min,至少开动1in，定时钟才能启动。整个测量系统放在保护筒13内,上下放有防震橡皮垫,用胶木盖固定。仪器外套铜管保护测量仪器主体在密封状况下工作。如图 75所示