鉆孔彎曲與測量

1、鉆孔彎曲與測量鉆孔彎曲與測量 本章主要內容本章主要內容 1 1、什么是鉆孔彎曲、什么是鉆孔彎曲Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述 鉆進(井)工程施工中，由于自然和技術因素的影響，實際的鉆實際的鉆孔軌跡往往偏離設計軌跡。這種現象稱為鉆孔彎曲或鉆孔偏斜孔軌跡往往偏離設計軌跡。這種現象稱為鉆孔彎曲或鉆孔偏斜。p 地質成果危害地質成果危害 歪曲礦體產狀、打丟礦體、遺漏斷層或改變勘探網度，從而影響對礦體的評價、構造的判斷和儲量計算的精確程度。o 鉆探施工危害鉆探施工危害 鉆具在孔內彎曲變形嚴重，鉆具與孔壁摩擦阻力增加，磨損加劇，

2、鉆桿折斷事故增多，升降鉆具困難，鉆進功耗增加和鉆進速度下降。o 其他方面的危害其他方面的危害 水文水井鉆探中，由于鉆孔彎曲，可能會造成深井泵無法下入到鉆孔中，或引起深井泵的過早損壞。 在鉆孔樁施工中，會引起樁基傾斜，影響樁基承載力。Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第二節(jié)第二節(jié) 鉆孔空間位置要素鉆孔空間位置要素 要完全避免鉆孔彎曲是很困難的。但是，應當采用一切可能的措施，把鉆孔彎曲程度控制在允許的范圍之內。從鉆探工藝與技術角度出發(fā)，了解鉆孔在地下空間的位置，研究鉆彎曲的原因、機理和規(guī)律性，從而采取相應的對策，進行防斜和糾斜。因此了解鉆孔在地下

3、空間的位置是我們研究鉆孔彎曲的第一步，這包括下面兩個方面的內容： 鉆孔軌跡的基本要素 鉆孔軌跡彎曲強度 Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 一一 鉆孔軌跡的基本要素鉆孔軌跡的基本要素 為了解鉆孔軌跡在地下空間的位置，表征其空間形態(tài)，就必須了解和控制鉆孔軌跡要素。圖中0代表開孔點，X軸代表南北，Y軸代表東西，Z軸代表地下方向，0ABC是鉆孔的空間軌跡。其基本要素包括：p 頂角鉆孔軌跡上某點的頂角是該點的切線與鉆孔軌跡上某點的頂角是該點的切線與鉛垂線之間的夾角，鉛垂線之間的夾角，其余角稱為鉆孔傾角。頂角變化的范圍是090o 方位角鉆孔軌跡上某點的方

4、位角是該點的切線鉆孔軌跡上某點的方位角是該點的切線在水平面上的投影與真北方向之間的夾在水平面上的投影與真北方向之間的夾角，角，有磁方位和地理方位。0360o 對應的鉆孔孔深鉆孔軌跡上某點的孔深是孔口到該點的鉆孔軸線的長度鉆孔軌跡上某點的孔深是孔口到該點的鉆孔軸線的長度Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 一一 鉆孔軌跡的基本要素鉆孔軌跡的基本要素利用鉆孔軌跡的基本要素，可以計算出軌跡上每一點的空間坐標，如下右圖所示。假設鉆孔軌跡為一斜直線，坐標系的原點為孔口，X軸取正北方向，Y軸取正東方向，Z軸鉛垂向下。根據鉆孔各個深度上(即測點)的頂角和方位角

5、。軌跡上的空間坐標計算如下：式中：-孔口坐標；鉆孔軸線上點A的坐標；開孔頂角；開孔方位角； 孔口至測點鉆孔軸線的長度。 Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 二二 鉆孔軌跡彎曲強度鉆孔軌跡彎曲強度可用曲率k或彎強i表示。曲率的單位是radm，彎強的單位是/m。它們的關系是：鉆孔軌跡的彎曲強度可分為頂角彎曲強度、方位角彎曲強度和全彎曲強度。鉆孔軸線單位長度上頂角的變化量；：鉆孔軸線單位長度的方位角變化量；鉆孔軸線單位長度的全角變化量。 如果某一孔段既有頂角又有方位角變化，則產生全彎曲角, 鉆孔軌跡上A、B兩點的全彎曲角可用下式計算：鉆孔全彎強對于校

6、核鉆桿柱工作的安全性和粗徑鉆具入孔的可通過性有實際意義。也是設計定向鉆孔軌跡的一個重要參數。k./ki3572360 ABABLL/i ABABLL/i ABABLL/i)cos(sinsincoscosABBABADeflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 一、鉆孔彎曲的條件一、鉆孔彎曲的條件 造成鉆孔彎曲的根本原因是粗徑鉆具軸線偏離鉆孔軸線。造成鉆孔彎曲的根本原因是粗徑鉆具軸線偏離鉆孔軸線。粗徑鉆具軸線偏離鉆孔軸線的方式，可能是偏倒，也可能是彎曲。因此，產生鉆孔彎曲必要而充分的條件是：p 存在

7、孔壁間隙，存在孔壁間隙，為粗徑鉆具提供偏倒(或彎曲)的空間n具備傾倒或彎曲的力，具備傾倒或彎曲的力，為粗徑鉆具軸線偏離鉆孔軸線提供動力n粗徑鉆具傾斜面方向穩(wěn)定。粗徑鉆具傾斜面方向穩(wěn)定。保持偏倒(或彎曲)和力的方向穩(wěn)定 孔壁間隙和傾倒(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(wěn)定是產生鉆孔彎曲的充分條件。鉆具傾斜面穩(wěn)定在某一方向時，鉆桿柱只自轉而不公轉運動。因此，鉆鉆孔彎曲是在鉆桿柱自轉的情況下發(fā)生的?？讖澢窃阢@桿柱自轉的情況下發(fā)生的。如果鉆桿柱公轉，則必定帶動偏倒或彎曲的粗徑鉆具圍繞鉆孔軸線轉動，使鉆頭在不同的時刻朝著不同的方向鉆進，這只能產生擴壁作用，而不導致鉆孔彎曲。 Def

8、lection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 二、鉆孔彎曲的原因二、鉆孔彎曲的原因 形成鉆孔彎曲的原因大致可分為三類： 地質因素 技術因素 工藝方面的原因Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 二、鉆孔彎曲的原因二、鉆孔彎曲的原因p地質因素 影響鉆孔彎曲的地質因素主要是巖石的各向異性和軟硬互巖石的各向異性和軟硬互層層。地質因素是客觀存在的，只能通過工藝技術措施來減弱甚至抵消它的促斜作用p巖石的各向異性 某

9、些具有層理、片理等構造特征的巖石，其可鉆性具有明顯的各向異性。如右圖所示，鉆頭沿垂直于巖層方向鉆進的巖石破碎效率最高，而平行于層理的方向，效率最低，傾斜方向的破巖效率居中。因此，在傾斜巖層中鉆進時，極易產生鉆孔向垂直于層面的方向彎曲。 鉆孔彎曲強度與巖石各向異性強弱和鉆孔遇層角的大小有關。所謂鉆孔遇層角就是鉆孔軸線與其在層面上的正投影的夾角。當遇層角約為45時，鉆孔彎強最大。Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 二、鉆孔彎曲的原因二、鉆孔彎曲的原因p 地質因素p 軟硬互層 鉆孔以銳角穿過軟硬

10、巖層界面，從軟巖進入硬巖時從軟巖進入硬巖時，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；而而從硬巖進入軟巖時，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。線方向延伸。 鉆孔遇層角存在著臨界值。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(wěn)定是客觀存在的。Deflection&Logging 202

11、2-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 二、鉆孔彎曲的原因二、鉆孔彎曲的原因p地質因素p軟硬互層Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 二、鉆孔彎曲的原因二、鉆孔彎曲的原因p 技術因素p 開孔階段 開孔階段引起鉆孔彎曲的技術因素有： 鉆機基礎不平； 鉆機立軸安裝不正確； 未下孔口管或孔口管方向不合要求； 主動鉆桿過長 鉆進參數不合理等 開孔階段的鉆孔彎曲會影響整個鉆孔軸線軌跡，使鉆孔軌跡產生很大 的偏差。Deflection&Loggi

12、ng 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 p 鉆進階段 鉆進過程中造成鉆孔彎曲的技術是鉆具的結構和尺寸。鉆桿柱為一細長柔性桿件，由于存在孔壁間隙，在壓力的作用下，鉆桿柱將產生彎曲變形，產生水平分力，使粗徑鉆具偏倒。所以，使粗徑鉆具傾倒或彎曲的力是客觀存在的使粗徑鉆具傾倒或彎曲的力是客觀存在的，粗徑鉆具在孔底的偏倒角決定于孔壁間隙b b和粗徑鉆具長度L L，即： 粗徑鉆具越長，鉆具的偏倒角越小，但直徑小而長度過大，剛度不足，鉆具會被壓彎，即使孔壁間隙不大也會使鉆孔產生較大的彎曲。粗徑鉆具的臨界長度可按下式計算：Lbsin1Def

13、lection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 3.工藝方面的因素p 鉆進方法 鋼粒鉆進時孔壁間隙最大，因此孔斜最大。 硬質合金鉆進時孔壁間隙次之，一般孔斜中等。 金剛石鉆進孔壁間隙最小，通常只有13mm，在鉆具剛度足夠時，孔斜最小。p 鉆進規(guī)程參數 鉆壓過大鉆壓過大，會造成鉆桿柱甚至粗徑鉆具彎曲，使鉆頭緊靠孔壁一側，此時偏倒角可能達到最大值，并且鉆具與孔壁摩擦阻力增加，鉆具圍繞只圍繞自身軸線自轉而不作公轉，此時鉆具傾斜面有固定方向，從而導致鉆孔彎曲。 轉速過高轉速過高，鉆桿柱回轉離心力增大，從而加劇鉆具的

14、橫向振動和擴壁作用，結果孔壁間隙增加。 鉆壓過小，轉速過低鉆壓過小，轉速過低，則進尺慢，效率低，鉆頭停留在孔底時間長，也會擴大孔壁間隙，增加孔斜。 沖洗液量過大沖洗液量過大，特別是在較軟的巖層中，液流會沖刷、破壞孔壁。使孔壁間隙劇增，為鉆具偏倒、鉆孔彎曲提供條件。 Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第三節(jié)第三節(jié) 鉆孔彎曲的原因和規(guī)律鉆孔彎曲的原因和規(guī)律 三、鉆孔彎曲的某些規(guī)律性三、鉆孔彎曲的某些規(guī)律性 鉆孔彎曲的規(guī)律性不是絕對的，而是表現為一種趨勢，通常有以下一些趨勢：p在變質巖(如結晶片巖、片麻巖等)中鉆進時，鉆孔彎曲強度大于在沉積巖（如頁

15、巖）中鉆進時的彎強，更大于在巖漿巖(如花崗巖、輝綠巖)中鉆進時的彎強；p均質巖石鉆進的鉆孔彎曲強度小于在非均質巖石中的彎強，且?guī)r石的各向異性程度越高，則鉆孔彎曲強度越大；p層理、片理和軟硬互層中鉆進，鉆孔朝著垂直于層理面、片理面的方向彎曲；p松散非膠結巖石、大溶洞時，鉆孔趨向下垂直位置；鉆遇硬包裹體時，可能朝任意方向彎曲；p層理水平或接近水平的巖石中鉆進垂直孔時，即使巖石各向異性很強，軟硬不均程度很大，鉆孔也不會產生較大彎曲；o孔壁間隙大，粗徑鉆具短，鉆具剛度差，則鉆孔彎曲強度大；鉆孔頂角小，方位變化大；鉆孔頂角大，方位變化小。頂角超過30時，方位趨于穩(wěn)定，按一般規(guī)律方位角彎曲往往與鉆具回轉的

16、方向一致。Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器 為了隨時掌握與控制鉆孔空間位置的變化，預防與糾正鉆孔彎曲，在鉆進中必須測量鉆孔軌跡各孔段上的基本參素即：頂角、方位角和孔深。這一工作稱為鉆孔彎曲度測量簡稱測斜。 鉆孔彎曲的測量原理包括頂角測量原理和方位角測量原理， 孔深測量一般只是借助電纜（測繩）或鉆桿將測斜儀下入到指定深度來控制。 頂角測量原理頂角測量原理 1、液面水平原理（氫氟酸測斜） 2、懸錘原理 方位角測量原理方位角測量原理 1、地磁場定向原理 2、地面定向原理 Deflection&Log

17、ging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系一、頂角測量原理一、頂角測量原理 測量頂角度必須符合兩個條件：測量頂角度必須符合兩個條件：該角度代表測點鉆孔軸線與鉛垂線的夾角；該角度在鉆孔彎曲平面內。p 液面水平原理（氫氟酸測斜） 把2030濃度的氫氟酸注入長度為100150mm內徑為1525mm的玻璃試管中。注入量為試管長度的13左右。然后，將盛有氫氟酸的玻璃試管裝在特制的接頭內，用橡膠塞加以密封。用鉆桿將其下到孔內待測位置，靜止停留1525min后，提鉆取出試管。由于氫氟酸對玻璃的腐蝕作用，在試管上留有液面痕跡。根據液面的高低，就可算出頂角。 由于有毛細管的作用，試管形成了如右圖所

18、示的蝕痕曲面。由此測出的頂角必須校正，按下式可求出實際頂角： =+E 式中鉆孔的實際頂角，-玻璃試管上實測頂角，E校正角為了避免計算和校正上的麻煩，可以利用傾斜儀來直接測定。 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系一、頂角測量原理一、頂角測量原理液面水平原理（氫氟酸測斜） 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系一、頂角測量原理一、頂角測量原理p 懸錘原理 懸錘測量鉆孔頂角的原理是利用地球重力場，如下圖所示?？?/p>

19、架可繞a軸靈活轉動，b軸與a軸垂直相交，在b軸中點0懸掛一能靈活轉動的弧形刻度盤，刻度盤轉動面與鉆孔彎曲平面一致，刻度盤因重力作用永遠下垂。當儀器在垂直孔內時，刻度盤上的0正對準弧形豎板了上的標線，即頂角為0；當儀器在傾斜孔內時，弧形豎板傾斜一個角度，此角度就是鉆孔頂角。 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器懸錘原理測量鉆孔頂角示意圖Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系二、方位角測量原理二、方位角測量原理 根據鉆孔方位角的定義，方位角的測量必須滿足兩個條件： 一是該角度必須是鉆孔軸線上某點的切線方向與地北的夾角；一是該角度必須是鉆孔軸

20、線上某點的切線方向與地北的夾角； 其二該角度必須是水平面上的角度其二該角度必須是水平面上的角度。 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。 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系二、方位角測量原理二、方位角測量原理p 地磁定向原理 地磁場定向原理是利用羅盤磁針的指北特性或磁敏感元件(磁通門)確定傾斜鉆孔的方位角。因此，測量時羅盤必須處于水平狀態(tài)，并且羅盤上0線必須指向鉆孔彎曲方向。為

21、了滿足這些要求，羅盤的轉動軸應垂直于鉆孔彎曲平面，并且在其下部裝有重塊，使羅盤保持水平。此外，羅盤上0與180連線及框架上的偏重塊都在框架的垂直平分平面內(即鉆孔彎曲平面內)，偏重塊與180線同側。這樣一來，在傾斜鉆孔中180線必定指向鉆孔彎曲方向。此時，0線與磁針指北方向的夾角就是鉆孔的磁方位角。(如右圖) 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器地磁場定向原理圖鉆孔方位角示意圖Deflection&Logging 2022-3-16中國地質大學勘察與基礎工程系二、方位角測量原理二、方位角測量原理p地面定向原理 在地面將定位方向傳到孔內各個測點。如圖，取地面定位方向為OA，其方位角為0，鉆孔彎曲方向為OB，其方位角為1，AOB 1- 0。若令AOB，則在鉆孔橫截面上的角，即為終點角。 式中：-定位與鉆孔傾斜方向方位角差； -終點角； -測點處鉆孔頂角。 該原理應用的具體方法有鉆桿定向法、環(huán)測定向法和陀螺慣性定向法。 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔彎曲的測量鉆孔彎曲的測量及儀器地面場定向原理圖鉆孔方位角示意圖cos tgtgDeflection&Loggin