钻孔弯曲与测量 DRILLING 主讲人:吴翔 勘察与基础工程系 2004724
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 DRILLING 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
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
v第一节概述 乳言曲局测量 Deflection &lo感ging 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。 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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
v第二节钻孔空间位置要素 乳言曲局测量 Deflection &lo感ging 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,把钻孔弯曲桯度控制在允许的范围之內。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 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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
v一钻孔轨迹的基本要素 乳言曲局测量 Deflection &lo感ging 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 xIN: 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° 7 E 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 z(H) 钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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
v一钻孔轨迹的基本要素 乳言曲局测量 Deflection &lo感ging 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: (xo,yo,zo) xa=Co+Lasinecosa r(N) ya=yo +lasinasina 2a=Zo+LAcoSE 式中:,y0,20孔口坐标; ,风,孤—一钻孔轴线上点A的坐标; 0一开孔顶角; A(Ia,ya=) a一开孔方位角; (H) LA—孔口至测点钻孔轴线的长度。 直线型钻孔轨迹图 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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； θ—开孔顶角； α—开孔方位角； LA—孔口至测点钻孔轴线的长度
v二钻孔轨迹弯曲强度 乳言曲局测量 Deflection &lo感ging 钻孔轨迹的曲程瘦实质上是指钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化量 可用曲率或弯强表示。曲率的单位是rad/m,弯强的单位是° 它们的关东是:i=k×360/2x=573k 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曲强度 顶角弯强:钻孔轴线单位长度上顶角的变化量,=(0-0)/(LbL) 方位角弯强:钻孔轴线单位长度的方位角变化量:=(a0-a)(b-L) 全弯强:钻孔轴线单位长度的全角变化量。i=(0-y)(La-L 如果某一孔段既有顶角又有方位角变化,则产生全弯曲角y,钻孔轨迹上A、 B两点的全弯曲角y可用下式计算: y=coSBrcosBB+sineAsinBcos(aB-al) 钻孔全弯强对于校核钴杆柱王作的安全性和粗径钴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。 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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γ, 钻孔轨迹上A、 B两点的全弯曲角γ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。 i = k 360/ 2π = 57.3k iα = (αB − αA)/(LB − LA) i = (γB − γA)/(LB − LA) γ =cosθAcosθB + sinθAsinθBcos(αB −αA)
v第三节钻孔弯曲的原因和规律 孔弯曲训量 Deflection &lo感ging 、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 中国地质大学勘察与基础工程系2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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
v第三节钻孔弯曲的原因和规律 孔弯曲训量 Deflection &lo感ging 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 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 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
v第三节钻孔弯曲的原因和规律 孔弯曲训量 Deflection &lo感ging 二、钻孔弯曲的原因 1.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 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21
Deflection&Logging 钻孔弯曲与测量 中国地质大学勘察与基础工程系 2021/2/21 第三节 钻孔弯曲的原因和规律 二、钻孔弯曲的原因 1. 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45º时，钻孔弯强最大