第十章鉆孔彎曲與測量1、什么是鉆孔彎曲

2、鉆孔為什么會彎曲

3、如何確知鉆孔彎曲

4、鉆孔彎曲的防治國家精品課程2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系

第一節概述

鉆進(井)工程施工中由于自然和技術因素的影響，實際鉆孔軌跡往往偏離設計軌跡——稱為鉆孔彎曲或鉆孔偏斜。地質成果危害歪曲礦體產狀、打丟礦體、遺漏斷層或改變勘探網度，影響對礦體的評價、構造的判斷和儲量計算的精確程度。鉆探施工危害鉆具在孔內彎曲變形嚴重，摩擦阻力增加，磨損加劇，鉆桿折斷事故增多，升降鉆具困難，功耗增加和鉆進速度下降。其他方面的危害水井鉆探中深井泵無法下入或過早損壞。鉆孔樁施工中，會引起樁基傾斜，影響樁基承載力。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系

一、鉆孔軌跡的基本要素頂角（θ）鉆孔軌跡某點切線與鉛垂線之間的夾角。石油稱為井斜角。方位角（α）鉆孔軌跡某點切線在水平面上的投影與真北方向夾角，按順時針方向計。孔深，孔口到鉆孔軌跡上某點的鉆孔軸線長度。垂深，孔口到鉆孔軌跡上某點的Z坐標長度。

第一節概述2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系三、彎曲強度（簡稱彎強）的概念為說明鉆孔軌跡的彎曲程度，取單位孔身長度的頂角變化，稱頂角彎強。單位孔身長度的方位角變化，稱為方位角彎強。彎強與數學上曲率概念等同。前者單位是（°）/m；后者是rad/m。如果把既有頂角變化，又有方位角變化的鉆孔軌跡看成是鉆進速度向量變化的軌跡，則在某一孔段這種向量方向的變化，可用鉆孔全彎曲角表示。單位孔身長度的全彎曲角稱全彎強。全彎強越大，表明鉆孔彎曲程度愈強烈。

第一節概述2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系四、處理鉆孔彎曲問題時注意事項及時測量鉆孔彎曲，準確測知鉆孔的空間位置，在處理地質資料時加以校正；研究鉆孔彎曲規律和原因，采取措施進行鉆孔彎曲的防治（防斜和治斜）；結合施工條件采用定向鉆進技術。在進行防斜、治斜和定向鉆進時，都必須定期測斜。

第一節概述

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第二節鉆孔彎曲的原因和規律

一、鉆孔彎曲的條件存在孔壁間隙，為粗徑鉆具提供偏倒(或彎曲)空間；具備傾倒或彎曲力，為粗徑鉆具偏離鉆孔軸線提供動力；

粗徑鉆具傾斜面方向穩定?？妆陂g隙和傾倒(或彎曲)力是鉆孔彎曲的必要條件；而粗徑鉆具傾斜面方向穩定是產生鉆孔彎曲的充分條件。鉆具傾斜面穩定在某一方向時，鉆柱只自轉不公轉。如果鉆柱公轉，鉆頭在不同時刻朝著不同方向鉆進，只產生擴壁作用，而不導致鉆孔彎曲。因此，鉆孔彎曲是在鉆柱自轉的情況下發生的。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系同時鉆頭在巖層片理和層理的作用下，產生偏離鉆孔中心的旋轉，也是造成孔斜的重要原因。當鉆頭與巖層斜交時，鉆頭切削具在孔底A、B兩點處所遇回轉阻力不同。鉆頭A點切削具逆層切削的阻力P大于B點切削具順層切削的阻力N，這時圖中的A點可看作是鉆頭回轉的瞬心，即鉆孔軸線有沿F方向偏移的趨勢。

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系1.2軟硬互層鉆孔以銳角從軟巖進入硬巖時，由于軟、硬部分抗破碎阻力的不同，使鉆孔朝著垂直于層面的方向彎曲；從硬巖進入軟巖時，則鉆具軸線有偏離層面法線方向的趨勢。但由于上方孔壁較硬，限制了鉆具偏倒，結果基本保持著原來的方向；鉆孔通過硬巖進入軟巖又從軟巖進入硬巖時，最終還是沿層面法線方向延伸。鉆孔遇層角存在著臨界值。超過此值時鉆孔頂層進；低于此值時鉆孔將沿硬巖的層面下滑(俗稱順層跑)。這也說明鉆進中粗徑鉆具傾斜面方向穩定是客觀存在的。

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系地質因素——軟硬互層

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系2.技術因素2.1設備安裝鉆機基礎不平，立軸安裝不正確，未下孔口管或孔口管方向不合要求，都會使鉆孔偏離設計軌跡。這些因素主要是在開始階段起作用，但鉆孔開始的彎斜會給以后的鉆孔留下嚴重的影響。2.2鉆具結構尺寸1）粗徑鉆具的剛度：粗徑鉆具直徑較小而長度過長，則剛度可能不足，會失穩彎曲。粗徑鉆具的臨界長度：

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系2）鉆頭唇部形狀鉆進各向異性巖石遇層角為銳角時，鉆頭唇部形狀影響：鉆頭唇部為平面形狀或橢圓形狀時，孔底向碎巖阻力最小方向偏移。同時

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

隨著橢圓度的增大而加劇，因為鉆孔向碎巖阻力最小側破碎加快了。鉆頭唇部為外錐形時，鉆頭唇面右部破巖阻力小，而左部破巖阻力大。因此，有一翻轉力矩M0作用在鉆頭上，使鉆孔有向左偏斜的趨勢。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系鉆具唇部為內錐形，則孔底左邊破碎較為強烈，鉆孔向右偏斜。在各向異性巖石中使用內錐形或半球形唇面的鉆頭鉆進時彎強最大。使用平面形唇面鉆頭鉆進時，鉆孔彎強小。

3)粗徑鉆具的長度和孔壁間隙孔壁間隙--粗徑鉆具外徑與孔徑間的間隙。粗徑鉆具在鉆孔中的偏倒角Dc--孔徑；D1、D--巖心管及鉆頭直徑；L--粗徑鉆具長度。顯然，孔壁間隙↑或粗徑鉆具↓，都會使偏倒角↑，從而鉆孔彎曲強度↑。采用肋骨鉆頭會增大孔壁間隙。

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系當然，若鉆進規程參數不合理，鉆速過低，鉆具在孔壁長時間研磨也會擴大間隙，增加孔斜。三、鉆孔彎曲的規律

(1)均質巖石鉆孔彎曲強度＜不均質巖石，巖石各向異性↑鉆孔彎曲強度↑(2)層理、片理發育的巖石鉆孔“頂層進”彎曲。遇層角45°左右鉆孔彎曲強度最大。(3)軟硬互層巖石中鉆孔從軟入硬時，彎曲強度↑，雖然從硬進入軟巖層時，彎曲強度較小，但最終彎曲趨勢仍與頂層進。

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系(4)穿過松散非膠結巖石、大溶洞時，鉆孔趨于下垂。鉆孔碰到硬包裹體時可能朝任意方向彎曲。(5)鉆孔頂角大時方位角變化小；反之變化大。一般，方位角彎曲與鉆具回轉方向一致。頂角接近零時方位變化不定。(6)在近似水平的巖層中鉆垂直孔，即使巖石各向異性強，軟硬不均，鉆孔也不會產生較大的彎曲。(7)孔壁間隙大，粗徑鉆具短，鉆具剛度差，鉆孔彎曲強度大。立軸與導向管安裝不正，鉆孔朝安裝不正的方向偏斜。(8)鋼粒鉆斜孔時，由于鋼粒集中于孔底左下方，孔身向右上方彎曲，頂角和方位角都發生變化。

第二節鉆孔彎曲的原因和規律

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系一、測量鉆孔彎曲的原理1.頂角測量原理1.1液面水平原理（氫氟酸測斜）把20~30％濃度的氫氟酸注入玻璃管中1/3長度。將試管密裝在接頭內。同鉆桿下孔待測位置靜止15~25min，提鉆取出。根據氫氟酸腐蝕痕跡算出頂角。由于毛細作用對算得的頂角必須校正。為避免校正計算可利用傾斜儀來直接測定。還可以用顯影液、化學漿液等。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系

2.方位角測量原理根據定義，鉆孔方位角測量必須滿足兩個條件：該角度是鉆孔軸線某點切線方向與地北的夾角；該角度是水平面上的角度。在無磁性干擾或干擾很小的孔段中，可利用地磁場定向原理；在有磁屏蔽(如在套管內)或磁干擾較大(如存在磁性礦體)的孔段中，因為磁針失去定向能力，可用地面定向原理或陀螺原理。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系2.1地磁場定向原理利用磁針或磁敏感元件(磁通門)確定鉆孔的方位角。測量時羅盤處于水平狀態且0o線必須指向鉆孔彎曲方向。為此，羅盤轉軸應垂直于鉆孔彎曲平面，并使羅盤保持水平。此外，羅盤上0o與180o連線及框架上的偏重塊都與鉆孔彎曲平面一致，偏重塊與180o線同側。這樣0o線必定指向鉆孔彎曲方向。0o線與磁針指北方向的夾角就是鉆孔的磁方位角。

第四節鉆孔彎曲的測量及儀器2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系

2.多點全測儀采用非電量電測法。由羅盤測量的方位角和用懸錘測量的頂角通過電阻（弧形電阻件和環形電阻件）轉換成電量。如JJX-2、JJX-3、KXP-1、JX641GA、SJX77、SSJX77和CX-3601等型號。采用直流平衡電橋測量電路，將方位電阻和頂角電阻分別作為兩個直流平衡電橋的被測電阻和一臂，電橋的另三個臂連接標準已知電阻，利用可變電阻調節電橋的平衡?？勺冸娮瑁ㄆ胶怆娮瑁┲档淖兓八淼姆轿唤腔蝽斀侵担捎傻孛鎯x器面板的刻度盤讀出。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系在石油鉆井中廣泛使用石英撓性電容式加速度計測量頂角(井斜角)。用磁通門傳感器測量地磁場強度、地磁傾角、井眼方位和磁性工具面。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理充電電池筒控制部分減震環電路保護筒T型頭啟動按鈕通訊端口狀態指示燈電源開關2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系2.慣性定向法2.1陀螺儀工作原理陀螺支撐于自身轉軸及內、外環轉軸上，三軸垂直正交于與陀螺重心重合點，陀螺具有三個方向的自由度。在無摩擦的情況下，三自由度高速旋轉的陀螺在空間的方向保持不變，這個特性稱作陀螺儀的定軸性。陀螺還具有進動性，即外框架轉軸上有干擾力矩時，內框架轉軸進動，使陀螺軸發生傾斜，因此要進行水平修正；而內框架轉軸上有干擾力矩時，外框架轉軸轉動，使陀螺軸產生漂移，因此要進行漂移量修正。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系“階梯式”水平井(L2-P1)

簡介定向井和隨鉆測量技術在油田的應用2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系泥漿脈沖式MWD用于定向井鉆井的舉例。簡介定向井和隨鉆測量技術在油田的應用2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系486mS9-P1井S-5井芒硝

江蘇開采芒硝的兩井之間在2629m處連通。MWD用于對接井采礦舉例2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系電磁波隨鉆測量（MWD）系統2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系簡介定向井和隨鉆測量技術在油田的應用2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系四、測斜數據處理1.測斜誤差的產生與消除測斜目的是求得測點處鉆孔頂角與方位的真值。但只能以某種精度逼近。允許誤差：頂角±0.5~1°方位角±4~5°。系統誤差是儀器本身或測斜方法不正確造成的，服從一定規律。如：零漂和溫漂，儀器軸線與鉆孔軸線不一致。隨機誤差是多因素綜合影響的結果，多次重復測量的隨機誤差服從正態分布。緩慢誤差是電子元件老化和機械零件內應力變化引起的。疏忽誤差是一種顯然與事實不符的誤差，主要由操作者粗枝大葉或偶然的外界干擾引起的。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系2.在測斜數據的基礎上繪制鉆孔軌跡鉆孔測斜并非連續測量，每隔25m一個點，軌跡是折線。通常用均角全距法進行計算，即把每一段測斜間距的兩組測斜數據的平均值作為該孔段的頂角和方位角值。在計算機已普及的今天，可按式（10-16）快速求出各測點的三維坐標，并繪出鉆孔軌跡的垂直和水平投影圖。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系

3.建立礦區（施工區）孔斜規律數學模型在孔斜規律明顯的礦區設計自然定向孔是解決孔斜問題的有效途徑；如果已知礦區孔斜規律便可預測下一個（批）鉆孔的彎曲趨勢。

第三節鉆孔彎曲的測量儀器與數據處理2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第四節鉆孔彎曲的預防與糾正一、鉆孔彎曲的預防1.在設計鉆孔時應考慮預防鉆孔彎曲1.1按照地層條件設計鉆孔

布置鉆孔時，盡量使鉆孔垂直于巖層層面及巖層走向；松軟、破碎、厚覆蓋層、裂隙及溶洞地層應盡量設計垂直孔。1.2按鉆孔彎曲規律設計鉆孔孔斜規律明顯、巖層傾角大、無法垂直鉆孔的地層，應利用地層的自然彎曲規律，輔以人工控制彎曲措施，設計“初級定向孔”。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第五節鉆孔彎曲的預防與糾正若彎曲規律是方位穩定而頂角偏離，有如下幾種設計方法：

(1)沿勘探線平移法由o’點開孔打不到靶點a，可在勘探線上后移孔位。過a點引bo’的平行線，與地面交于點o即為后移的孔位。

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第五節鉆孔彎曲的預防與糾正(2)增大開孔傾角法當移動孔位受到地形限制，而按原設計又無法鉆至預定靶點時，可根據傾角彎曲規律，用增大開孔傾角的方法鉆進，γ1是調整后的開孔傾角。若已知鉆孔彎曲規律是頂角基本穩定而方位角變化較大時，應按方位角變化規律調整鉆孔設計。

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第五節鉆孔彎曲的預防與糾正2.保證安裝質量，把好換徑關安裝地基要平整、堅實、穩固。鉆機立軸傾角方向符合設計要求，“三點一線”。孔口管固定牢，方位和傾角符合設計要求。粗徑鉆具要直，長度要逐漸加長至10m左右。換徑帶導向的綜合式異徑鉆具。3.采用合理的鉆具結構鐘擺鉆具、偏重鉆具和滿眼鉆具等形式的組合鉆具對防止和糾正鉆井彎曲有明顯的效果。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第五節鉆孔彎曲的預防與糾正3.1鐘擺鉆具鐘擺力（減斜）Fd為：可看出，當鉆孔頂角一定時增大減斜力的途徑：加大切點以下鉆具質量，選用厚壁鉆鋌；在略高于切點的位置上裝一扶正器，提高切點的位置，或增大切點以下鉆鋌長度來增大鉆具質量。此外，采用扶正器還可減小下部鉆具的傾斜角和增斜力，從而進一步加大鉆具的防斜能力。

2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工程系第五節鉆孔彎曲的預防與糾正

3.2偏重鉆具在普通鉆鋌的一側鉆一排淺窩造成偏重，回轉時產生離心力。偏重鉆鋌防斜宜用高轉速。偏重鉆鋌盡量接近鉆頭，鉆鋌的減重部分距軸線盡可能遠。鉆鋌重邊和輕邊的質量差為鉆鋌總重0.5％~5％，偏重鉆鋌一般9m左右就能起到良好的糾斜作用。2023/2/7中國地質大學勘查與基礎工