定向鉆進(jìn)原理與應(yīng)用

定向鉆進(jìn)原理與應(yīng)用

課時(shí)：30學(xué)時(shí)教材：《受控定向鉆探技術(shù)》

參考書(shū)：《鉆孔彎曲和定向鉆探》

《定向鉆進(jìn)工藝原理》《定向鉆井》Inglis.T.A.等主講人：蔣國(guó)盛（教授）吳翔（副教授）

勘查與基礎(chǔ)工程系

2005-3-28課程簡(jiǎn)介

1、該課程是安排在巖土鉆掘工程學(xué)課程之后講授的一門(mén)實(shí)用性專(zhuān)業(yè)新技術(shù)類(lèi)的課程。課程以巖土鉆掘工程學(xué)為基礎(chǔ)，是巖土鉆掘工程學(xué)相關(guān)內(nèi)容的深化，涉及到設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械、電子儀器、測(cè)試技術(shù)等內(nèi)容，要求學(xué)生具有專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和專(zhuān)業(yè)課知識(shí)。

2、課程計(jì)劃課時(shí)。根據(jù)新一輪教學(xué)計(jì)劃，課程為30課時(shí)，對(duì)涉及到巖土鉆掘工程學(xué)等課程的基礎(chǔ)性?xún)?nèi)容（如鉆孔彎曲、測(cè)斜原理、防斜機(jī)理等）一般不作詳細(xì)講解，重點(diǎn)講授以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

（1）鉆孔軸線(xiàn)空間坐標(biāo)計(jì)算及定向鉆孔軸線(xiàn)軌跡設(shè)計(jì)。（2）人工彎曲工具（造斜工具）的作用原理及受控定向鉆孔施工工藝。（3）人工彎曲工具在孔內(nèi)的定向原理及儀器。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室教材及參考書(shū)

1、教材：

《受控定向鉆探技術(shù)》，江天壽等編，地質(zhì)出版社。該書(shū)側(cè)重于技術(shù)方法的應(yīng)用，理論與實(shí)際結(jié)合，收集了大量的實(shí)踐性公式與數(shù)據(jù)，對(duì)該技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用具有較高的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。缺點(diǎn)：基本概念及有關(guān)理論講解不透，邏輯性較差。

2、參考書(shū)：

《鉆孔彎曲和定向鉆探》、《定向鉆進(jìn)工藝原理》，吳光琳，成都科技大學(xué)，—理論性較強(qiáng)。

《定向鉆井》Inglis.T.A.（英）石油工業(yè)出版社，—國(guó)外石油定向鉆井。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室學(xué)習(xí)要求

1、加強(qiáng)課堂紀(jì)律。2、按要求完成相關(guān)內(nèi)容的自習(xí)和作業(yè)（設(shè)計(jì)與計(jì)算）。3、考核方式：閉卷考試。第一章

概述

一、定向鉆探與定向鉆孔二、受控定向探技術(shù)中的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（一）定向鉆探技術(shù)發(fā)展背景。地質(zhì)勘探的一般方法：區(qū)域地質(zhì)調(diào)查——物探與化探——鉆探普查——布置勘探網(wǎng)進(jìn)行鉆探詳查和詳勘——定點(diǎn)取樣，提交礦床報(bào)告。常規(guī)鉆探方法：根據(jù)地質(zhì)或設(shè)計(jì)部門(mén)的要求——設(shè)計(jì)鉆孔位置、深度、軌跡形式，一般是各種類(lèi)型的直線(xiàn)孔（垂直孔居多，也最合理）——進(jìn)行鉆孔技術(shù)方案設(shè)計(jì)——提出彎曲度等技術(shù)要求——施工時(shí)，采取防斜、保直措施保證鉆孔達(dá)到勘探要求。我國(guó)70~80年代對(duì)鉆探普查的規(guī)范：孔斜＜1.5o~2.0o/100m。這也是根據(jù)當(dāng)時(shí)的鉆探技術(shù)水平而制定的。其精度到底如何？能否滿(mǎn)足現(xiàn)代鉆探與鉆井的要求？2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔每百米2.0o鉆孔的水平偏距如下：

由表中可知：鉆孔精度很低，淺孔鉆探尚可滿(mǎn)足要求，中深孔則偏距過(guò)大。在一些極易造成孔斜的地層，有時(shí)每百米2.0o的要求往往也難以達(dá)到，造成孔斜超差，鉆孔報(bào)廢。

鉆孔深

100米

水平偏距

1.75米

鉆孔深

400米

水平偏距

27.8米

鉆孔深

200米

水平偏距

7.00米

鉆孔深

500米

水平偏距

43.5米

鉆孔深

300米

水平偏距

15.7米

鉆孔深

800米

水平偏距＞110米

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定向鉆探與定向鉆孔隨著鉆探與鉆井工程向深部的發(fā)展，對(duì)勘探精度要求的不斷提高，1.5o~2.0o/100m已不能滿(mǎn)足要求，設(shè)計(jì)部門(mén)提出了0.5o/100m的要求，常規(guī)鉆探技術(shù)要達(dá)到這一要求是非常困難的，鉆探技術(shù)中研制了種類(lèi)繁多的防斜、穩(wěn)斜機(jī)具，取得了一定的成效，但仍然無(wú)法從根本上解決這一技術(shù)問(wèn)題。

70~80年代，隨著我國(guó)的改革開(kāi)放政策，機(jī)械、電子、測(cè)試、材料加工等技術(shù)的發(fā)展，研究、引進(jìn)和開(kāi)發(fā)受控定向鉆進(jìn)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)展，利用地層自然彎曲規(guī)律鉆孔和采用人工強(qiáng)制手段改變鉆孔軌跡在此基礎(chǔ)上迅速發(fā)展起來(lái)，鉆探與鉆井工程由過(guò)去的被動(dòng)防斜轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)地人為控制，實(shí)現(xiàn)了鉆探史上的一次飛躍。

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定向鉆探與定向鉆孔（二）國(guó)內(nèi)外定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

1、國(guó)外定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。國(guó)外定向鉆進(jìn)技術(shù)研究始于20年代，由于鉆孔彎曲引起地租界爭(zhēng)議，1924年美國(guó)A·安德森(Anderson)設(shè)計(jì)了測(cè)斜儀。1929年，他測(cè)量記錄255口井的空間位置，發(fā)現(xiàn)深度2000m的鉆井水平位移竟達(dá)177m，井斜角(頂角)超過(guò)65o。

稍晚，在俄克拉荷馬

(Oklahoma)油田兩臺(tái)鉆機(jī)施工的兩口井井身相遇，結(jié)果鉆到同一井中。這是從用頓鉆打井改為用轉(zhuǎn)盤(pán)鉆井之后，人們首次意識(shí)到井彎的嚴(yán)重性，并想方設(shè)法采取對(duì)策糾正井斜。

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定向鉆探與定向鉆孔（二）國(guó)內(nèi)外定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

30年代前后，蘇聯(lián)卡彼柳什尼柯夫（Капелющииков)和美國(guó)沙彭伯格

(Scharpenberg)幾乎同時(shí)研究渦輪鉆。由于勘探海底油田，有意識(shí)地利用或制造井彎現(xiàn)象，打定向井采油。才促進(jìn)了定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。

1930年，美國(guó)在加里福尼亞

(California)亨廷頓海灘（HuntingtonBeach）施工了兩口深入海底的定向井。

1934年，蘇聯(lián)在巴庫(kù)

(Баку)也開(kāi)始從海岸向近海底部打定向井，勘探里海海濱下方的油田。

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定向鉆探與定向鉆孔

1941年后，二次世界大戰(zhàn)刺激石油需求量增加，石油開(kāi)發(fā)投向海底。在海濱向海底打定向井，建海上平臺(tái)鉆叢式井。到1957年，完成了100多萬(wàn)米多井底井。1956年，美國(guó)施密斯工具公司

研制了螺桿鉆，60年代用于定向鉆井。70年代，在深井定向鉆進(jìn)中，西方國(guó)家廣泛采用螺桿鉆。

80年代，為準(zhǔn)確控制定向井井身軌跡，普遍采用隨鉆測(cè)量技術(shù)，即MWD(MeasurementWhileDrilling)技術(shù)。在鉆井過(guò)程中可即刻了解井身的空間位置和造斜工具的面向。井底馬達(dá)、隨鉆測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助鉆進(jìn)CAD(ComputerAidsDrilling)技術(shù)的應(yīng)用，使石油天然氣定向鉆井達(dá)到成熟的階段。

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定向鉆探與定向鉆孔

2、我國(guó)定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展我國(guó)定向鉆進(jìn)始于50年代。1956年，玉門(mén)油田鉆成第一口定向井，1962年起，四川油田進(jìn)行了多種型式的渦輪鉆定向鉆進(jìn)試驗(yàn)。70年代以來(lái)，我國(guó)海洋定向鉆井迅速發(fā)展，在渤海灣海面打叢式井，在一座鉆井平臺(tái)上施工多達(dá)12口定向井。除渦輪鉆外，還用螺桿鉆作為造斜工具。1977～1982年，全國(guó)共完成定向井316口，平均井深2478.9m。1982年，在新疆柯克亞地區(qū)施工了柯10-3救援井，井深3820m，最大井斜角19o45′，距靶心最小距離為4.78m，在井底進(jìn)行爆炸后，壓入泥漿才把火撲滅。

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定向鉆探與定向鉆孔

2、我國(guó)定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展自1986年，通過(guò)攻關(guān)及推廣，各油田“七五”期間鉆各類(lèi)定向井4317口，掌握了定向井、叢式井優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件包，包括叢式井開(kāi)發(fā)油田平臺(tái)數(shù)和平臺(tái)位置的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，三維繞障井和三維多目標(biāo)井設(shè)計(jì)技術(shù)?！鞍宋濉逼陂g，重點(diǎn)攻關(guān)“石油水平井鉆井成套技術(shù)研究”，到1997年鉆成長(zhǎng)、中、短半徑三類(lèi)水平井共153口，掌握了水平井井眼軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，建立了水平井下部鉆拄大撓度受力分析模型，以及水平井井眼軌跡預(yù)測(cè)模型，定向鉆進(jìn)技術(shù)總體上達(dá)到了90年代國(guó)際先進(jìn)水平。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔通過(guò)研究與引進(jìn)，我國(guó)石油勘探部門(mén)基本上擁有了國(guó)外專(zhuān)用于定向井的先進(jìn)工具、儀器，如無(wú)線(xiàn)隨鉆測(cè)量?jī)x、有線(xiàn)隨鉆測(cè)量?jī)x、單點(diǎn)陀螺測(cè)斜儀、磁性單點(diǎn)和多點(diǎn)井下照相測(cè)斜儀、井下動(dòng)力鉆具等。北京石油勘探機(jī)械廠和大港石油機(jī)械廠還引進(jìn)了美國(guó)斯密斯公司戴納螺桿鉆具制造技術(shù)。西安儀器廠引進(jìn)單、多點(diǎn)測(cè)斜儀與MWD生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)的MWD測(cè)量?jī)x已用于鉆井作業(yè)，可以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需要。另一方面依靠國(guó)內(nèi)力量，自行研制新型工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)具國(guó)產(chǎn)化，定向鉆進(jìn)機(jī)具裝備水平不斷提高。

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定向鉆探與定向鉆孔

二、定向鉆進(jìn)與定向鉆井（孔）的含義

1、定向鉆進(jìn)的含義

石油鉆井中對(duì)定向鉆進(jìn)技術(shù)的定義為沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軸線(xiàn)鉆達(dá)目的層位的鉆井方法。地質(zhì)勘探中對(duì)定向鉆進(jìn)技術(shù)的定義是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行延伸鉆到預(yù)定目標(biāo)的一種鉆進(jìn)方法。國(guó)外有文獻(xiàn)認(rèn)為是為了鉆達(dá)到一個(gè)預(yù)定的地下目標(biāo)，使井眼在特定方向偏斜的工藝和科學(xué)。

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定向鉆探與定向鉆孔定義的內(nèi)涵本質(zhì)定向鉆進(jìn)是有預(yù)定目標(biāo)的，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該目標(biāo)可以是地下某一點(diǎn)，也可以井眼軸線(xiàn)或特定方向和角度；采用一些科學(xué)的人為可以控制的技術(shù)方法與機(jī)具有目的地將井孔軸線(xiàn)由彎變直或由直變彎，使之鉆達(dá)到目標(biāo)要求。

2、定向鉆井（孔）的含義。定向鉆井是指用定向鉆進(jìn)方法控制井孔軌跡鉆到預(yù)定目標(biāo)的鉆井。它與常規(guī)鉆井的區(qū)別：定向鉆井設(shè)計(jì)有特殊的軌跡，鉆進(jìn)中必須研究和利用地層自然彎曲規(guī)律、井眼控制理論或人工造斜工具控制井眼軌跡，最終鉆達(dá)預(yù)定目標(biāo)要求。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

3、關(guān)于“靶區(qū)”與“靶點(diǎn)”的含義為了控制定向井軸線(xiàn)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)時(shí)偏離不大，在定向井設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)預(yù)定目標(biāo)事先規(guī)定了一定的范圍，該范圍是井孔軸線(xiàn)到達(dá)預(yù)定目標(biāo)時(shí)的允許偏差區(qū)域，稱(chēng)為靶區(qū)。靶區(qū)的形狀和大小可以是以靶點(diǎn)為圓心的一定半徑的圓或圓筒，也可以是以靶點(diǎn)為中心，離靶心一定偏線(xiàn)距和沿線(xiàn)距的距形或正方形。目的層急傾時(shí)，靶區(qū)還可給定在垂直面或目的層傾斜面上。預(yù)定的目標(biāo)為靶點(diǎn)，一般為靶區(qū)的中心。井孔軸線(xiàn)鉆到預(yù)定靶區(qū)稱(chēng)為“中靶”，反之則稱(chēng)之為“脫靶”。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

三、定向鉆孔的類(lèi)型

（一）按施工技術(shù)方法分類(lèi)

1、自然彎曲定向孔。利用地層在一定鉆進(jìn)條件下的自然彎曲規(guī)律設(shè)計(jì)鉆孔軸線(xiàn)，通過(guò)移動(dòng)孔位或改變開(kāi)孔頂角、方位角，采用常規(guī)鉆進(jìn)技術(shù)工藝，必要時(shí)利用井斜控制理論輔以一般的增斜、減斜措施，達(dá)到基本按設(shè)計(jì)的鉆孔軸線(xiàn)鉆達(dá)目的層的鉆孔。自然彎曲定向孔又稱(chēng)初級(jí)定向孔。

2、人工彎曲定向孔。采用人工造斜工具與技術(shù)強(qiáng)制進(jìn)行人工彎曲，并克服鉆孔自然彎曲的影響，或者利用鉆孔自然彎曲規(guī)律與人工造斜工具強(qiáng)制進(jìn)行人工彎曲相結(jié)合，使鉆孔按設(shè)計(jì)軌跡鉆達(dá)目的層的鉆孔。又稱(chēng)受控定向孔。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（二）按設(shè)計(jì)井眼軸線(xiàn)形狀分類(lèi)

1、兩維平面定向井。是指井眼軸線(xiàn)軌跡只在某個(gè)鉛垂平面（水平平面）上變化的定向井，井斜角（方位角）是變化的，而方位角（井斜角）是不變的。

2、三維定向井。指井眼軸線(xiàn)軌跡在三維空間中變化的定向井。井眼軸線(xiàn)可以是任意三維空間內(nèi)，也可以在三維空間的某個(gè)傾斜平面上。既有井斜角的變化，又有井斜方位角的變化。軌跡型式有曲線(xiàn)型、折線(xiàn)型、直線(xiàn)與曲線(xiàn)的多種組合。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（三）按設(shè)計(jì)最大井斜角分類(lèi)

1、低斜度定向井。設(shè)計(jì)的最大井斜角不超過(guò)15o，這種定向井由于井斜角小，鉆進(jìn)時(shí)方位不易控制，鉆井難度較大。

2、中斜度定向井。設(shè)計(jì)最大井斜角在15o一45o之間，鉆進(jìn)時(shí)井斜、方位較易控制，鉆進(jìn)難度相對(duì)較小，是使用最多的一種。

3、大斜度定向井。設(shè)計(jì)最大井斜角在46o一85o之間，其斜度大，水平位移大，增加了鉆進(jìn)難度和成本。

4、水平井。井斜角在86o一120o之間，并沿(近)水平方向鉆進(jìn)一定長(zhǎng)度。水平井鉆進(jìn)較難，需要特殊設(shè)備、鉆具、工具、儀器以及特殊工藝。

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定向鉆探與定向鉆孔

4、水平井。

根據(jù)增斜段的曲率半徑，水平井又可細(xì)分為長(zhǎng)、中、（中短）、短四種曲率半徑的水平井。

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定向鉆探與定向鉆孔

（四）按鉆井井底結(jié)構(gòu)分類(lèi)

1、單底定向井（孔）。只有一個(gè)主干井眼的定向井。

2、多底定向井（孔）。主干井(首先完成的鉆井)鉆進(jìn)后，再?gòu)闹鞲删畠?nèi)開(kāi)出其他分支井的定向井。它又分一級(jí)和多級(jí)分支定向井。

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定向鉆探與定向鉆孔（1）一級(jí)分支定向孔。所有分支孔從同一主孔分支。

a．平面型一級(jí)分支定向孔。如單向羽狀孔、雙向羽狀孔。

b．空間型一級(jí)分支孔。支孔從主孔按任一選定順序向幾個(gè)方向彎曲到達(dá)預(yù)定目標(biāo)，它又稱(chēng)空間型集束孔。（2）多級(jí)分支定向孔。主干孔中有分枝孔，分枝孔中再有分支孔。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（五）按一個(gè)井場(chǎng)或平臺(tái)鉆井?dāng)?shù)分類(lèi)

1、單一定向井。

2、雙筒井。用一臺(tái)鉆機(jī)交叉作業(yè)，同時(shí)鉆出井口相距很近的兩口定向井。

3、叢式井(組)。凡在一個(gè)井場(chǎng)或平臺(tái)上，有計(jì)劃的鉆幾口或幾十口定向井和一口直井，這些井統(tǒng)稱(chēng)叢式井(組)。隨著定向井技術(shù)的發(fā)展，定向井的種類(lèi)不斷呈現(xiàn)更加豐富的內(nèi)容。

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定向鉆探與定向鉆孔

四、定向鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用范圍

（一）在石油、天然氣鉆井工程中應(yīng)用

1、在海洋鉆井平臺(tái)上鉆叢式定向井?？刂戚^大面積的油氣構(gòu)造。生產(chǎn)設(shè)施集中在平臺(tái)上，節(jié)省建造平臺(tái)費(fèi)用。

2、勘探和開(kāi)發(fā)近海岸油氣田。使鉆井定向彎曲，鉆達(dá)海底油氣層，節(jié)約海上鉆井平臺(tái)的建設(shè)費(fèi)用(圖1—3，B)。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

3、用定向井控制斷層，查明油水界面或斷層面的位置(c)。

4、避開(kāi)地表障礙物，勘探和開(kāi)發(fā)障礙物下方的油氣田。

5、糾正已斜的井眼或繞過(guò)井內(nèi)落魚(yú)而進(jìn)行側(cè)鉆。

6、打定向井探采鹽丘突起下部的油氣層。含油構(gòu)造有時(shí)與鹽丘構(gòu)造共生，部分鹽丘可能直接覆蓋在油藏上面，直井鉆遇鹽層可能導(dǎo)至沖蝕、鉆井液漏失和腐蝕等問(wèn)題。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

7、井噴無(wú)法處理或油氣井失火，鉆定向救援井與原井銜接控制井噴或撲滅火災(zāi)(圖1—3，F(xiàn))。

8、鉆大斜度井或水平井，防止氣錐和水錐問(wèn)題；增加井眼在產(chǎn)層中的延伸長(zhǎng)度；增大平臺(tái)的泄流面積，在裂縫性油藏能鉆遇多條裂縫，提高單井的產(chǎn)量。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（二）在固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘鉆探中的應(yīng)用1、鉆孔糾斜。當(dāng)鉆孔孔斜超過(guò)地質(zhì)規(guī)定時(shí)，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行定向糾斜，挽救鉆孔免于報(bào)廢。2、補(bǔ)取巖礦心。當(dāng)鉆孔巖礦心采取率未滿(mǎn)足地質(zhì)規(guī)定要求或打丟礦層時(shí)，側(cè)鉆或偏斜鉆進(jìn)補(bǔ)取巖礦心；3、偏斜鉆進(jìn)繞過(guò)事故孔段或復(fù)雜的地質(zhì)孔段如地下大溶洞、老窿或坑道等。4、在鉆孔自然彎曲嚴(yán)重的礦區(qū)，利用自然彎曲規(guī)律施工初級(jí)定向孔。5、在地表開(kāi)孔地理位置有陡山、建筑物、沼澤、湖泊、河流、森林等限制條件時(shí)，修路、機(jī)臺(tái)設(shè)置、搬遷安裝極為困難，設(shè)計(jì)定向孔可避開(kāi)上述障礙。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔6、礦體埋藏較深，覆蓋流砂、卵礫石層鉆進(jìn)困難；或上部巖層嚴(yán)重漏失，坍塌；或巖石非常堅(jiān)硬，鉆進(jìn)效率極低，可用垂直—傾斜定向孔代替斜孔施工，或采用分支孔鉆進(jìn)，避免多次重復(fù)穿過(guò)復(fù)雜地層，改善鉆進(jìn)工藝條件。

7、勘探陡斜礦體或平行礦脈時(shí)，施工單底定向孔或羽狀分支孔，可以增大鉆孔遇層角，獲得代表性強(qiáng)的地質(zhì)資料，并減少鉆探工作量。8、勘探網(wǎng)度較密，從地表施工鉆孔時(shí)，孔斜容易超過(guò)允許彎曲度，在此種情況下，可打分枝定向孔，以保證鉆探質(zhì)量，節(jié)約鉆探工作量。9、礦床補(bǔ)充勘探。礦區(qū)勘探相鄰鉆孔揭露目的層的間距超出勘探級(jí)別要求時(shí)，采用受控定向鉆探技術(shù)，在相鄰兩鉆孔之間補(bǔ)充勘探，滿(mǎn)足勘探網(wǎng)距精度。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（三）在其他工程上的應(yīng)用1、供水井。鉆多孔底定向井多次穿過(guò)含水裂隙或沿含水裂隙鉆單孔底定向井，可增加出水量。2、開(kāi)發(fā)地殼深部“干熱巖”體的能量。鉆兩口定向井，用水力壓裂法使兩井連通，形成一個(gè)地下熱倉(cāng)和封閉回路，用—口井向下注冷水，干熱巖將冷水加熱，另一口井抽出高溫蒸氣進(jìn)行發(fā)電。3、在城市建筑物、道路及江河等地，鉆定向孔非開(kāi)挖鋪設(shè)電纜或管道。4、在礦山工程中，鉆高要求的垂直孔，如坑道通風(fēng)孔、處理水淹坑道的垂直孔，要求鉆孔垂直進(jìn)入靶區(qū)較小的坑道內(nèi)。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔5、在礦山豎井預(yù)定井位，施工高精度定向孔，了解地下巖層水文地質(zhì)與工程地質(zhì)情況，確定是否適宜在該處建井。6、用于豎井注漿孔。在流砂和其他不穩(wěn)定含水層掘進(jìn)豎井是一項(xiàng)極復(fù)雜、危險(xiǎn)和昂貴的工程。豎井周?chē)鷰r石需進(jìn)行預(yù)先加固，為此在豎井周?chē)摄@叢式孔，鉆孔密集排成圓圈，用鉆孔灌漿或用凍結(jié)法加固鉆孔。要求鉆孔嚴(yán)格保持垂直，或者鉆孔上部為垂直段，下部定向進(jìn)入豎井井簡(jiǎn)圈的一定圈徑范圍。

7、在煤層中鉆定向排放孔抽瓦斯，保證采煤時(shí)的安全。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔8、對(duì)接孔采鹽。過(guò)去，在鉆孔采鹽時(shí)，一直采用單井對(duì)流水溶采鹵法，這種采鹵技術(shù)存在較多缺點(diǎn)，如礦產(chǎn)回采率不足20％，鹵井壽命短，產(chǎn)量低，采出的鹵水濃度低而且不穩(wěn)定等。雙井對(duì)接連通水溶采鹵可克服上述一系列缺點(diǎn)。數(shù)十年來(lái)，鹽業(yè)系統(tǒng)探索了幾種使兩井能連通的方法(壓裂法，自然溶通法等)，但并不是很理想，采用定向鉆進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩井對(duì)接、三井對(duì)接甚至更多的井眼對(duì)接，極大地提高采鹽鹵水量。9、地下核爆炸試驗(yàn)后，為了快速有效而安全地取樣，必須采用定向鉆進(jìn)和設(shè)計(jì)定向孔，快速準(zhǔn)確鉆到地下核爆炸區(qū)域取樣。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

受控定向探技術(shù)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題地質(zhì)勘探中，高精度受控定向鉆探技術(shù)相對(duì)較困難和復(fù)雜，特別是地質(zhì)鉆孔的孔徑小，在某些方面比石油定向鉆井的難度還大。施工高精度地質(zhì)受控定向孔，需要研究解決的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題主要有以下幾個(gè)方面。

1、研究鉆孔自然彎曲的原因、規(guī)律，預(yù)防或利用的有效方法。

2、精確測(cè)量鉆孔空間位置的儀器。

3、快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)和計(jì)算定向孔軸線(xiàn)軌跡。

4、高效、可靠地人工造(糾)斜工具，即可改變鉆孔頂角，也可改變鉆孔的方位角。

5、準(zhǔn)確、快速、可靠的定向器具。

6、定向孔技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益的合理評(píng)價(jià)。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

受控定向探技術(shù)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題其中的主要技術(shù)關(guān)鍵是：

1、根據(jù)已知地質(zhì)條件，合理地設(shè)計(jì)定向鉆孔軸線(xiàn)軌跡。

2、能可靠地控制人工彎曲工具改變鉆孔軌跡，且造斜強(qiáng)度穩(wěn)定、可調(diào)。

3、能準(zhǔn)確、可靠地對(duì)造斜工具定向和測(cè)量鉆孔的頂角，方位角。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二章

定向鉆孔軸線(xiàn)軌跡的

設(shè)計(jì)計(jì)算

一、鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)二、鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算三、定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法四、初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)五、受控定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

一、鉆孔軸線(xiàn)鉆探與鉆井工程中，各類(lèi)鉆孔（或鉆井）的特征通常是在空間用一條線(xiàn)來(lái)描述，這條線(xiàn)代表鉆孔軸線(xiàn)，是鉆孔軸線(xiàn)的軌跡線(xiàn)，所以，我們把表征鉆孔空間形態(tài)的軌跡線(xiàn)稱(chēng)之為鉆孔軸線(xiàn)。

l、設(shè)計(jì)鉆孔軸線(xiàn)。鉆孔施工前，根據(jù)地質(zhì)目的、工程要求和施工條件，對(duì)所要施工的鉆孔進(jìn)行軸線(xiàn)軌跡設(shè)計(jì)并繪制出設(shè)計(jì)軸線(xiàn)的軌跡。設(shè)計(jì)鉆孔軸線(xiàn)一般是采用數(shù)學(xué)的原理設(shè)計(jì)成各種連續(xù)的軌跡線(xiàn)，一般為直線(xiàn)、曲線(xiàn)的不同組合。設(shè)計(jì)鉆孔軸線(xiàn)要能達(dá)到工程目的要求，且在工程施工中容易被實(shí)現(xiàn)，對(duì)鉆孔施工起指導(dǎo)作用。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

2、實(shí)際鉆孔軸線(xiàn)。鉆頭沿孔底破碎面中心移動(dòng)時(shí)形成的點(diǎn)的實(shí)際幾何軌跡。實(shí)際鉆孔軌跡十分復(fù)雜，不可能與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)完全吻合。只能是與設(shè)計(jì)鉆孔軸線(xiàn)接近。由于實(shí)際鉆孔軌跡是由無(wú)窮多個(gè)點(diǎn)連續(xù)組成，軌跡點(diǎn)空間位置的連續(xù)測(cè)定極為困難，也沒(méi)有必要（即使測(cè)量也有誤差），因而實(shí)際鉆孔軸線(xiàn)是無(wú)法繪制的，它僅具有抽象意義。

3、與實(shí)際近似的鉆孔軸線(xiàn)。對(duì)鉆孔軸線(xiàn)有限點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，并以測(cè)量計(jì)算的數(shù)據(jù)為依據(jù)，用直線(xiàn)或曲線(xiàn)的形式描述鉆孔軸線(xiàn)在空間的形態(tài)變化。它并不是實(shí)際鉆孔軸線(xiàn)，僅與實(shí)際鉆孔軸線(xiàn)近似，但卻具有實(shí)用意義。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

二、鉆孔軸線(xiàn)空間要素（參數(shù)）

鉆孔軸線(xiàn)的空間形態(tài)可以用軸線(xiàn)上的一些參數(shù)來(lái)表征。

定向鉆孔軸線(xiàn)的空間要素包括：鉆孔軸線(xiàn)上各點(diǎn)的頂角、方位角和孔深，靶點(diǎn)的垂深和水平位移，曲線(xiàn)段的曲率或彎曲強(qiáng)度，以及鉆孔軸線(xiàn)的遇層角等。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)（一）確定鉆孔軸線(xiàn)空間位置的幾何參數(shù)

1、頂角（井斜角）

軌跡上某點(diǎn)的頂角是該點(diǎn)的切線(xiàn)與鉛垂線(xiàn)之間的夾角，一般用θ表示。

2、方位角鉆孔軌跡上某點(diǎn)的方位角是該點(diǎn)的切線(xiàn)在水平面上的投影與真北方向之間的夾角，一般用α表示，并且從真北方向開(kāi)始按順時(shí)針?lè)较蛴?jì)算。

3、孔深孔軌跡上某點(diǎn)的孔深是孔口到該點(diǎn)的鉆孔軸線(xiàn)的長(zhǎng)度。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

根據(jù)鉆孔軌跡的基本要素，就可以利用一定的計(jì)算方法，求出軌跡上每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)。

A點(diǎn)的水平距

=X0、Y0、Z0——孔口坐標(biāo)；

XA、YA、ZA——鉆孔軸線(xiàn)A點(diǎn)的坐標(biāo)；、

——鉆孔軸線(xiàn)的頂角、方位角；

——孔口至測(cè)點(diǎn)A鉆孔軸線(xiàn)的長(zhǎng)度。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

（二）表征鉆孔軸線(xiàn)彎曲程度的參數(shù)當(dāng)鉆孔彎曲時(shí)，用彎曲強(qiáng)度或曲率、曲率半徑來(lái)表征鉆孔彎曲的強(qiáng)烈程度。

1、彎曲強(qiáng)度鉆孔彎曲強(qiáng)度是指鉆孔軸線(xiàn)單位長(zhǎng)度上頂角或方位角變化的度數(shù)。

當(dāng)鉆孔軸線(xiàn)只有頂角變化時(shí),用頂角彎曲強(qiáng)度表示，當(dāng)鉆孔軸線(xiàn)只有方位角變化時(shí)，用方位角彎曲強(qiáng)度表示，當(dāng)鉆孔軸線(xiàn)即有頂角變化，又有方位角變化時(shí)，用全彎曲強(qiáng)度表示。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)（1）頂角彎曲強(qiáng)度：（2）方位角彎強(qiáng)：

式中：

,——A、B兩點(diǎn)的鉆孔頂角，(o)；

αA，αB

——A、B兩點(diǎn)的鉆孔方位角，(o)；

,——A、B兩點(diǎn)的孔深，m；

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)（3）全彎曲強(qiáng)度：

如果某一孔段既有頂角又有方位角變化，則產(chǎn)生全彎曲角γ。全彎曲角γ如圖所示,

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

根據(jù)圖形和公式：①只要已知鉆孔軸線(xiàn)上變化前后的頂角與方位角，就可求出該段軸線(xiàn)對(duì)應(yīng)的全彎曲角。②是全彎曲角的水平投影角，只要已知空間角的兩鄰邊與鉛垂線(xiàn)BO的夾角、空間角在水平面的投影角（Δα），就能求出全彎曲角。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

2、曲率（K）與曲率半徑（R）曲率是鉆孔軸線(xiàn)彎曲強(qiáng)度的另一種表述形式，定義與彎曲強(qiáng)度相同，單位為弧度。彎曲強(qiáng)度、曲率與曲率半徑是定向鉆孔設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)常用的參數(shù)。其相互間的關(guān)系為：

曲率半徑（R）為：

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

（三）靶點(diǎn)垂深（H）與水平位移（S）

1、靶點(diǎn)垂深：定向鉆孔的靶點(diǎn)相對(duì)于開(kāi)孔點(diǎn)的垂直深度。

2、水平位移：定向鉆孔的靶點(diǎn)相對(duì)于開(kāi)孔點(diǎn)的垂直深度。靶點(diǎn)垂深與水平位移是定向鉆孔軸線(xiàn)軌跡設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

（四）鉆孔軸線(xiàn)的遇層角（δ）

固體礦床勘探，尤其是產(chǎn)狀陡斜、形態(tài)復(fù)雜的礦體，往往對(duì)鉆孔軸線(xiàn)穿過(guò)礦體時(shí)的遇層角有所要求，以使取出的礦心有較好的代表性。鉆孔軸線(xiàn)遇層角：鉆孔軸線(xiàn)在遇層點(diǎn)（靶點(diǎn)）的切線(xiàn)與其在層面上的射影所夾的銳角。一般過(guò)礦層遇層角不應(yīng)小于30o。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

1、鉆孔軸線(xiàn)靶點(diǎn)處的切線(xiàn)方向與礦層傾向平行時(shí)（1）鉆孔軸線(xiàn)的方位與礦層傾向相反時(shí)：設(shè)：鉆孔軸線(xiàn)靶點(diǎn)處的頂角為，

礦層傾角為，鉆孔軸線(xiàn)遇層角為則：

，

若已知礦層傾角為和鉆孔軸線(xiàn)最小遇層角為，求鉆孔軸線(xiàn)滿(mǎn)足要求的最小入礦頂角為則：2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)

1、鉆孔軸線(xiàn)靶點(diǎn)處的切線(xiàn)方向與礦層傾向平行時(shí)（2）鉆孔軸線(xiàn)的方位與礦層傾向一致時(shí)：

若已知礦層傾角為和最小遇層角為，求鉆孔軸線(xiàn)滿(mǎn)足要求的最小入礦頂角則：2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線(xiàn)及其有關(guān)參數(shù)2、當(dāng)鉆孔軸線(xiàn)的切線(xiàn)方向與礦層傾向不平行時(shí)（任意方向入礦）如圖，BC為鉆孔軸線(xiàn)靶點(diǎn)處的切線(xiàn)，C為靶點(diǎn)，入礦頂角，CD為BC在礦層平面上的射影，F(xiàn)C為BC在水平面上的投影，礦層傾角為，遇層角

，設(shè)為鉆孔軸線(xiàn)方位角與礦層反傾向方位角的差值，可以推導(dǎo)出遇層角的計(jì)算公式為：2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

第二節(jié)鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算的基本原理：

將鉆孔軸線(xiàn)分成若干小段，根據(jù)每一小段端點(diǎn)的測(cè)斜數(shù)據(jù)，將每一小段鉆孔軸線(xiàn)看作為直線(xiàn)或曲線(xiàn)進(jìn)行疊加計(jì)算。鉆孔軸線(xiàn)空間位置的計(jì)算方法：

現(xiàn)行的計(jì)算方法主要有全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半徑法和最小曲率法。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

一、空間坐標(biāo)系的建立

1、相對(duì)地理坐標(biāo)系：孔口為原點(diǎn)，X軸正向指向地理正北（與磁北間有磁偏角λ，東磁偏角和西磁偏角），Y軸指向地理正東，Z軸鉛垂指向地心。在此坐標(biāo)系下，將磁方位角修正為地理方位角。，

將孔口的絕對(duì)地理坐標(biāo)疊加到計(jì)算出的各點(diǎn)相對(duì)坐標(biāo)值上，相對(duì)地理坐標(biāo)就轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)地理坐標(biāo)。

2、相對(duì)勘探線(xiàn)坐標(biāo)系：孔口為原點(diǎn)，X軸正向指向勘探線(xiàn)方位（一般是磁方位角），Y軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，Z軸鉛垂指向地心。。在此坐標(biāo)系下，將方位角減去勘探線(xiàn)方位，計(jì)算的坐標(biāo)為相對(duì)勘探線(xiàn)坐標(biāo)。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算二、鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算（一）全角半距法1、計(jì)算模型（1）將相鄰兩測(cè)點(diǎn)之間的孔段看作為直線(xiàn)；（2）該直線(xiàn)的頂角、方位角是每段直線(xiàn)下端點(diǎn)的頂角、方位角；（3）整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)是直線(xiàn)與直線(xiàn)相互連接的空間折線(xiàn)。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算2、計(jì)算公式

式中：——上測(cè)點(diǎn)鉆孔軸線(xiàn)坐標(biāo)；

——下測(cè)點(diǎn)鉆孔軸線(xiàn)坐標(biāo)；

——上，下測(cè)點(diǎn)鉆孔軸線(xiàn)長(zhǎng)度；

——下測(cè)點(diǎn)鉆孔頂角，磁方位角，（o）；

——當(dāng)選擇坐標(biāo)系為地理坐標(biāo)系時(shí)，為當(dāng)?shù)氐拇牌?；?dāng)選擇坐標(biāo)系為礦區(qū)相對(duì)坐標(biāo)系時(shí)，為勘探線(xiàn)方位角。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算3、計(jì)算方法特點(diǎn)

（1）計(jì)算方法極為簡(jiǎn)單、方便。（2）將兩測(cè)點(diǎn)間的鉆孔軸線(xiàn)看作為直線(xiàn)，且直線(xiàn)的頂角、方位角是下端點(diǎn)的頂角、方位角，極不合理。（3）在增斜段計(jì)算的水平位移偏大，垂直深度偏小，而在減斜段則相反，計(jì)算誤差很大。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

（二）全角半距法

1、計(jì)算模型（1）相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的鉆孔軸線(xiàn)為兩段直線(xiàn)連成的折線(xiàn)。折線(xiàn)中每段直線(xiàn)的長(zhǎng)度等于兩點(diǎn)間鉆孔軸線(xiàn)長(zhǎng)度的一半。（2）上半段直線(xiàn)用上測(cè)點(diǎn)的頂角、方位角，下半段直線(xiàn)用下測(cè)點(diǎn)的頂角、方位角。（3）整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)是一條折點(diǎn)更多的折線(xiàn)。其實(shí)質(zhì)是把弧型孔段用兩點(diǎn)的切線(xiàn)來(lái)代替。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算2、計(jì)算公式式中：

——上測(cè)點(diǎn)鉆孔頂角，磁方位角；

其他符號(hào)意義同上。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算3、計(jì)算方法特點(diǎn)（1）計(jì)算較為簡(jiǎn)單。（2）兩點(diǎn)間的鉆孔軸線(xiàn)分段更小，且綜合考慮了上下兩測(cè)點(diǎn)的頂角、方位角。（3）上、下兩測(cè)點(diǎn)頂角對(duì)軌跡計(jì)算所引起的誤差起相互補(bǔ)償?shù)淖饔?，結(jié)果誤差較小。特別是在鉆孔彎曲曲率半徑較大時(shí)有較高的精度。

2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算（三）均角全距法

1、計(jì)算模型（1）將相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的鉆孔軸線(xiàn)看作為直線(xiàn)。（2）該直線(xiàn)的頂角、方位角分別為上、下兩測(cè)點(diǎn)的頂角、方位角的平均值。（3）整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)仍是直線(xiàn)與直線(xiàn)連接的折線(xiàn)。其實(shí)質(zhì)是以弦代弧。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算2、計(jì)算公式式中符號(hào)意義同上。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

3、計(jì)算方法特點(diǎn)（1）此法比全角全距法稍復(fù)雜一些，但比全角半距法簡(jiǎn)單，是現(xiàn)場(chǎng)手算常常采用的方法。（2）以上、下兩測(cè)點(diǎn)頂角、方位角的平均值作為軸線(xiàn)的計(jì)算角度，降低了增斜段和減斜段水平水平位移、垂直深度的計(jì)算誤差。（3）在測(cè)點(diǎn)間距較大、曲率半徑較小時(shí)有一定誤差。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算（四）曲率半徑法（行進(jìn)曲線(xiàn)法）

1、計(jì)算模型（1）將相鄰兩測(cè)點(diǎn)間的鉆孔軸線(xiàn)看作為直立圓柱面上的一條弧線(xiàn)。（2）弧線(xiàn)的展開(kāi)，彎曲強(qiáng)度是定值，即頂角彎曲強(qiáng)度是定值。（3）整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)仍是空間不同曲率圓弧組成的弧線(xiàn)。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

2、計(jì)算公式推導(dǎo)如圖示，A、B是孔身軌跡上相鄰的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，A′、B′是其水平投影。AB孔段在垂直平面上的展開(kāi)線(xiàn)呈圓弧形，弧長(zhǎng)等于測(cè)程△L，頂角從變化到。而孔段的水平投影也呈圓弧形，方位角由變化到。假定頂角彎強(qiáng)為定值，而方位角彎強(qiáng)和全彎強(qiáng)則不斷變化，則AB孔段的計(jì)算公式如下：

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算孔段在垂直平面展開(kāi)圖上：

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

在水平投影圖上：

的曲率半徑；2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算上的弧微分ds′在X軸上的投影為dx

全段弧在X軸上的投影為

同理可證：

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算根據(jù)上式，應(yīng)用曲率半徑法計(jì)算整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)軌跡坐標(biāo)的一般公式為：

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

3、計(jì)算方法特點(diǎn)（1）將兩測(cè)點(diǎn)之間的孔身軌跡看作是圓弧，比較切合實(shí)際，計(jì)算誤差較小。（2）計(jì)算方法復(fù)雜，手算時(shí)速度慢。

幾種特殊情況：（1）若

，則鉆孔軸線(xiàn)為垂直孔，坐標(biāo)不變。（2）若

；

時(shí)，R趨于無(wú)窮大是直線(xiàn)，r仍是曲線(xiàn)。（3）若

；

時(shí)，R、r都趨于無(wú)窮大，是直線(xiàn)。（4）若

；

時(shí)，R是曲線(xiàn)，r趨于無(wú)窮大是直線(xiàn)。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

（五）最小曲率法

1、計(jì)算模型（1）將相鄰兩測(cè)點(diǎn)之間的鉆孔軸線(xiàn)軌跡看作為空間某個(gè)平面上的一條圓弧線(xiàn)，并且具有最小曲率。（2）圓弧在空間全彎曲強(qiáng)度不變是定值，頂角彎曲強(qiáng)度和方位角彎曲強(qiáng)度則可能是變化的。（3）整個(gè)鉆孔軌跡則是圓弧組成的空間曲線(xiàn)。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

2、計(jì)算公式推導(dǎo)如圖示，A、B是軌跡上兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)，它們?cè)谕粌A斜平面內(nèi)，全彎強(qiáng)是定值。最小曲率法與全角半距法有相似之處，計(jì)算AB孔段對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)變量可以借用全角半距法公式進(jìn)行計(jì)算，但全角半距法是將鉆孔軸線(xiàn)看作折線(xiàn)AC和CB來(lái)計(jì)算的，而最小曲率法是將鉆孔軸線(xiàn)看作為圓弧來(lái)計(jì)算的，因此，必須在全角半距法公式中引入將折線(xiàn)

AC、CB圓化為的修正系數(shù)KS，該系數(shù)又稱(chēng)圓化系數(shù)。

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算式中：γ——鉆孔軸線(xiàn)相鄰兩測(cè)點(diǎn)孔段的全彎曲角，（弧度）

其他符號(hào)意義同上

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鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

最小曲率法計(jì)算整個(gè)鉆孔軸線(xiàn)軌跡坐標(biāo)的一般公式為：

3、計(jì)算方法特點(diǎn)（1）此法的假定條件具有廣泛的代表性，它特別適合于人工連續(xù)造斜時(shí)孔身軌跡的空間狀態(tài)。（2）計(jì)算精度高。缺點(diǎn)是計(jì)算手續(xù)麻煩，不便采用手算。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第二節(jié)

鉆孔軸線(xiàn)空間位置計(jì)算

作業(yè)：某鉆孔彎曲度測(cè)量數(shù)據(jù)如下表，已知區(qū)域?yàn)槲鞔牌?.5度，試用三種計(jì)算方法計(jì)算鉆孔軸線(xiàn)各測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)地理坐標(biāo)。

測(cè)點(diǎn)12345678測(cè)點(diǎn)孔深L（m）

255075100125150175200測(cè)點(diǎn)頂角

θ（o）

048.510.313.016.520.024.0測(cè)點(diǎn)磁方位角α（o）

3.510.014.018.725.832.039.747.52/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第三節(jié)

定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

第三節(jié)

定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

一、定向鉆孔設(shè)計(jì)的一般原則

(一)

滿(mǎn)足定向孔施工目的和要求

1、根據(jù)定向孔目的、用途選擇合適的定向孔類(lèi)型與鉆孔軌跡形式。

如勘探埋藏深的急傾斜礦體宜設(shè)計(jì)垂直平面彎曲型單向羽狀分枝定向孔；詳勘埋藏深的水平或緩傾斜礦體宜設(shè)計(jì)空間型集束孔；滅火井要準(zhǔn)確鉆達(dá)“靶心”，宜設(shè)計(jì)井身軌跡嚴(yán)加控制的單底定向井；繞過(guò)孔內(nèi)事故孔段只需在事故孔段上部偏斜開(kāi)出新孔能代替原孔即可。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

2、嚴(yán)格按照孔口位置、靶點(diǎn)位置、靶區(qū)范圍、見(jiàn)礦遇層角等要求設(shè)計(jì)定向孔軸線(xiàn)。

一般情況下，遇層角不應(yīng)小于30°。靶區(qū)的設(shè)置包括靶點(diǎn)位置、靶區(qū)形狀和大小，主要與勘探網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀有關(guān)。靶區(qū)范圍一般取靶點(diǎn)的偏線(xiàn)距、沿線(xiàn)距、偏高距分別為線(xiàn)距、孔距或標(biāo)高距的1／4一l／5。靶點(diǎn)一般定在主礦層的中點(diǎn)，也可定在見(jiàn)礦點(diǎn)和出礦點(diǎn)。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（二）選擇合理的鉆孔軸線(xiàn)的設(shè)計(jì)順序

1、單孔軸線(xiàn)的合理設(shè)計(jì)順序。如開(kāi)孔點(diǎn)或分支點(diǎn)已定，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從上往下，即從開(kāi)孔點(diǎn)逐段推移到靶點(diǎn)。如開(kāi)孔點(diǎn)或分支點(diǎn)未定，設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)選擇從下往上，即從靶點(diǎn)逐段推移確定至開(kāi)孔點(diǎn)。

2、多孔底鉆孔主孔和分支孔的合理設(shè)計(jì)順序。其原則是先主（干）孔，后分支孔。

3、分支孔的合理設(shè)計(jì)順序。當(dāng)選用“從下往上”的順序施工多孔底鉆孔時(shí)，分支孔應(yīng)從下往上順序設(shè)計(jì)(先設(shè)計(jì)、施工主干孔1，然后設(shè)計(jì)施工分支孔2，之后是分支孔3)。當(dāng)必需選用“從上往下”的順序施工多孔底鉆孔時(shí)，分支孔應(yīng)從上往下順序設(shè)計(jì)(3——2——1)。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（三）充分利用地層的自然彎曲規(guī)律人工造斜成本較高。設(shè)計(jì)定向孔時(shí)，應(yīng)充分利用地層的自然彎曲規(guī)律，順其自然。鉆孔自然彎曲利用的基本原則是：

1、在鉆孔自然彎曲規(guī)律比較明顯的礦區(qū)，如果定向鉆孔精度要求不高，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)施工初級(jí)定向孔。

2、單底定向孔設(shè)計(jì)時(shí)，鉆孔方向應(yīng)盡可能順自然彎曲方向設(shè)計(jì)，孔身軌跡及人工造斜段的造斜強(qiáng)度應(yīng)充分考慮地層的自然彎曲強(qiáng)度。

3、設(shè)計(jì)“從下往上”順序施工的多孔底鉆孔時(shí)，主孔應(yīng)盡可能利用鉆孔自然彎曲規(guī)律。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（四）

選擇易于鉆進(jìn)的鉆孔軸線(xiàn)軌跡剖面型式鉆孔軸線(xiàn)軌跡型式越復(fù)雜，鉆進(jìn)難度越大，成本越高。三維定向孔比兩維定向孔復(fù)雜。三維定向孔中，空間任意彎曲型定向孔又比空間平面彎曲型定向孔復(fù)雜。兩維和三維定向孔中，直線(xiàn)-曲線(xiàn)-直線(xiàn)型鉆孔身只有一個(gè)人工彎曲段，容易施工。因此，在可能的情況下，應(yīng)選擇兩維直線(xiàn)-曲線(xiàn)-直線(xiàn)型孔身剖面型式。必須設(shè)計(jì)三維定向孔時(shí)，應(yīng)盡可能選擇空間平面彎曲型。垂直開(kāi)孔和近垂直開(kāi)孔比傾斜開(kāi)孔便于鉆進(jìn)和起下鉆具。因此，在可能的情況下，應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)直孔或小頂角開(kāi)孔（開(kāi)孔頂角一般不超過(guò)5°），并且該頂角的開(kāi)孔段應(yīng)有足夠長(zhǎng)度。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（五）選擇合適的造斜強(qiáng)度

定向孔造斜孔段應(yīng)均勻造斜，避免急彎，并設(shè)計(jì)和選擇合適的造斜強(qiáng)度。造斜強(qiáng)度大，造斜孔段短，這對(duì)降低造斜成本有利，但過(guò)大會(huì)因急劇彎曲而影響正常鉆進(jìn)。造斜強(qiáng)度小，能保證順利施工，但造斜孔段長(zhǎng)，成本隨之增加。因此，合適的造斜強(qiáng)度應(yīng)是在確保造斜后正常施工的前提下，盡可能縮短造斜孔段長(zhǎng)度。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法巖心鉆探保證粗徑鉆具順利下入孔內(nèi)的鉆孔極限彎曲強(qiáng)度和采用孔底動(dòng)力鉆具造斜時(shí)，保證動(dòng)力鉆具順利下入孔內(nèi)的孔身極限彎曲強(qiáng)度可分別用下式估算。；

式中：——鉆孔直徑(m)；

——鉆頭直徑(m)；

——巖心管直徑(m)；

——粗徑鉆具長(zhǎng)(m)；——鉆頭直徑與動(dòng)力鉆具直徑差(m)；

——間隙值，軟巖膨脹地層，硬地層

(m)；

——?jiǎng)恿︺@具長(zhǎng)度(m)；上式的計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)際出入較大，有待進(jìn)一步完善。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法根據(jù)工程實(shí)踐，人工造斜段的彎曲強(qiáng)度選擇如下：

1、巖心鉆探鉆孔彎曲強(qiáng)度的選取如所示（螺桿鉆具造斜）。繩索取心鉆桿0.2-0.5°/m，

普通鉆桿0.3-0.8°/m。

分支鉆進(jìn)造斜強(qiáng)度可在1-1.5°/m。實(shí)際上，很多不是分支鉆進(jìn)時(shí)，螺桿鉆造斜時(shí)，局部孔段的超過(guò)1°/m的實(shí)踐已不少，此時(shí)鉆桿并未發(fā)生折斷，但值得注意的是所選擇的造斜強(qiáng)度與連續(xù)造斜的孔段長(zhǎng)度有關(guān)，連續(xù)造斜的孔段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，則造斜強(qiáng)度應(yīng)選取較小值。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

2、石油鉆井中，由于鉆井直徑相對(duì)較大，鉆桿與鉆具結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所鉆進(jìn)的地層以沉積巖為主，通常采用1.5o/100ft—2.5o/100ft的造斜強(qiáng)度來(lái)獲得較為合理的井眼曲率，但在一些特殊情況下，也可采用較高的造斜強(qiáng)度。

3、定向鉆進(jìn)技術(shù)在運(yùn)用于非開(kāi)挖鋪管時(shí)，造斜強(qiáng)度的選擇主要應(yīng)考慮所鋪設(shè)的管線(xiàn)直徑，一般取鉆孔的曲率半徑R≥1200D，式中的D代表所鋪設(shè)的管線(xiàn)直徑，若所鋪設(shè)的管線(xiàn)為柔性管線(xiàn)，則D為鉆桿的直徑。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（六）選擇恰當(dāng)?shù)脑煨?分支)點(diǎn)選擇造斜(分支)點(diǎn)的原則是：

1、造斜(分支)點(diǎn)的巖層易于造斜鉆進(jìn)，它應(yīng)是：地層較完整、穩(wěn)定，巖石硬度中等，可鉆性不超過(guò)8級(jí)。

2、造斜(分支)點(diǎn)應(yīng)避開(kāi)礦層和礦化帶，選在對(duì)巖心采取率不作要求的孔段。

3、單孔底定向孔的造斜點(diǎn)應(yīng)盡可能選在鉆孔上部，這樣造斜段較小的彎曲角就可獲得較長(zhǎng)的水平距。

4、分支孔的分支點(diǎn)位置應(yīng)適中。分支點(diǎn)位置的選擇一方面要考慮節(jié)約更多的進(jìn)尺，另方面要考慮分支孔造斜孔段造斜和鉆進(jìn)的可行性及費(fèi)用，一般不宜選在鉆孔的下部孔段。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

（七）鉆孔結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮孔身剖面形狀和造斜工具類(lèi)型鉆進(jìn)油氣定向井時(shí)，表層套管、技術(shù)套管的下入與設(shè)計(jì)的孔身剖面形狀有關(guān)。用螺桿鉆施工造斜孔段時(shí)，它與孔徑之間的級(jí)配應(yīng)合理，否則會(huì)直接影響造斜效果。螺桿鉆具工作時(shí)，需要的泵量大，與孔徑最好有一個(gè)級(jí)差（螺桿鉆具與孔壁間隙最小不能小于3mm）。

（八）選擇鉆孔軸線(xiàn)軌跡計(jì)算方法應(yīng)與設(shè)計(jì)質(zhì)檢部門(mén)一致

（九）必須對(duì)定向孔的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行預(yù)測(cè)應(yīng)從技術(shù)、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)、時(shí)間及社會(huì)效益方面綜合考慮。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

三、定向鉆孔設(shè)計(jì)內(nèi)容定向鉆孔設(shè)計(jì)內(nèi)容很多，有的由地質(zhì)規(guī)定（即給定的設(shè)計(jì)條件），有的要擇優(yōu)選取，有的要計(jì)算或繪圖求得。在進(jìn)行定向孔各項(xiàng)內(nèi)容的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循上述設(shè)計(jì)的依據(jù)和原則。定向孔設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：

l、選擇和確定礦區(qū)用定向孔施工的鉆孔。

2、確定礦區(qū)定向孔孔底結(jié)構(gòu)型式（指單孔底鉆孔和多孔底鉆孔）和施工技術(shù)方法類(lèi)型（指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律和人工造斜）。

3、選擇和確定定向孔孔身剖面型式。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

4、確定開(kāi)孔點(diǎn)坐標(biāo)或開(kāi)孔范圍、靶點(diǎn)坐標(biāo)、靶區(qū)范圍、穿礦遇層角、靶點(diǎn)至終孔點(diǎn)的距離及礦層傾角。

5、選擇造斜點(diǎn)（分支點(diǎn)）位置和造斜孔段的造斜強(qiáng)度?？梢赃x取幾組不同數(shù)值擇優(yōu)確定。

6、求出孔身剖面(鉆孔軌跡)參數(shù)，包括各孔段的頂角、方位角、長(zhǎng)度、垂深、水平位移以及定向鉆孔中靶孔深和終孔孔深。當(dāng)開(kāi)孔位置未定時(shí)，還要求出開(kāi)孔位置及開(kāi)孔頂角和方位角。

7、繪制設(shè)計(jì)的孔身剖面軌跡。

8、確定鉆孔結(jié)構(gòu)。上述內(nèi)容中，設(shè)計(jì)定向鉆孔軸線(xiàn)和求出鉆孔軸線(xiàn)參數(shù)是要解決的主要任務(wù)。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

四、定向鉆孔軸線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法

1、繪圖法。將給定和選定的數(shù)據(jù)通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，查表、量取和借助繪圖工具，繪制出鉆孔軸線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，然后經(jīng)量度或計(jì)算求得各軸線(xiàn)段的參數(shù)值。這種方法簡(jiǎn)便，但有不足之處，當(dāng)孔段曲率半徑比鉆孔深度大若干倍時(shí)，增加了繪圖困難，當(dāng)鉆孔頂角或方位角變化小時(shí)，難以量得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，當(dāng)鉆孔軸線(xiàn)為空間型時(shí)，給繪圖增加了麻煩。

2、計(jì)算法。計(jì)算法（即解析法）是將給定和選定的數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算，求得各軸線(xiàn)段的參數(shù)值，然后繪制鉆孔軸線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算法根據(jù)選用公式的不同，有不同的計(jì)算方法。計(jì)算法準(zhǔn)確、可靠、精度高，使用比較廣泛。

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定向鉆孔設(shè)計(jì)的原則、內(nèi)容和方法

3、查圖法。主要在油、氣定向井中使用。這種方法需要事先作一套圖表，每張圖表代表某一種鉆孔軸線(xiàn)剖面型式的造斜曲線(xiàn)圖。給定和選定數(shù)據(jù)后，按選擇的鉆孔軸線(xiàn)剖面型式查相應(yīng)的造斜曲線(xiàn)圖，讀出各軸線(xiàn)段的參數(shù)值（角度是近似值）。

4、圖板法。事先把某一種鉆孔軸線(xiàn)剖面的典型結(jié)構(gòu)部分制作成圖板，而且圖板曲線(xiàn)部分的曲率半徑已選定。這樣，在給定和選定數(shù)據(jù)（選擇的曲線(xiàn)段彎曲半徑應(yīng)與圖板曲線(xiàn)部分的曲率半徑一致）后，通過(guò)作圖和移動(dòng)圖板即可量度和計(jì)算各軸線(xiàn)段的參數(shù)值。

5、微機(jī)計(jì)算法。利用微機(jī)編程計(jì)算軸線(xiàn)參數(shù)值，還可繪制鉆孔軸線(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖。計(jì)算法中的計(jì)算公式是該方法的基礎(chǔ)，其設(shè)計(jì)定向孔軸線(xiàn)速度快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、直觀，使用也較廣泛。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

第四節(jié)

初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

由于地質(zhì)因素、工藝技術(shù)因素的影響，鉆孔軸線(xiàn)往往發(fā)生彎曲，在鉆孔彎曲規(guī)律特別明顯的礦區(qū)，可以設(shè)計(jì)施工初級(jí)定向鉆孔，但其前提是：充分掌握區(qū)域鉆孔彎曲規(guī)律，必須利用數(shù)學(xué)或幾何的方法，對(duì)區(qū)域已完成的大量的鉆孔歷史資料進(jìn)行分析、歸納，準(zhǔn)確找出鉆孔彎曲規(guī)律。其方法主要有統(tǒng)計(jì)作圖法、相關(guān)分析法。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第四節(jié)

初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

一、鉆孔分類(lèi)與規(guī)律分析分析（一）鉆孔的分類(lèi)劃分將礦區(qū)內(nèi)已完成的鉆孔分類(lèi)劃分，目的在于找出同類(lèi)鉆孔的自然彎曲規(guī)律，不同類(lèi)型的鉆孔，其彎曲規(guī)律是不盡相同的。鉆孔分類(lèi)的依據(jù)為：

1、鉆孔所鉆地層的性質(zhì)和產(chǎn)狀。

2、鉆孔結(jié)構(gòu)和開(kāi)孔角度。

3、鉆探設(shè)備和管材。

4、鉆進(jìn)方法和碎巖工具。

5、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)和工藝技術(shù)措施。所謂同類(lèi)鉆孔就是指在以上5個(gè)方面基本相同的鉆孔。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

（二）鉆孔彎曲規(guī)律分析

1、統(tǒng)計(jì)作圖法（1）對(duì)礦區(qū)巳峻工的鉆孔進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)計(jì)算每組中鉆孔每隔25m或50m的頂角和方位角，然后求出每組鉆孔各點(diǎn)的平均角度。（2）建立坐標(biāo)系時(shí)，通常以勘探線(xiàn)方向作為x軸方向。垂直于勘探線(xiàn)的方向作為y軸方向，地下方向是z軸方向，開(kāi)孔點(diǎn)為原點(diǎn)。選用一種鉆孔軸線(xiàn)軌跡計(jì)算方法，計(jì)算各點(diǎn)的x，y、z坐標(biāo)。（3）根據(jù)計(jì)算出的各點(diǎn)x，y、z坐標(biāo)，以一定的比例尺在透明紙上繪出孔身軌跡在勘探線(xiàn)剖面上的投影和在水平面上的投影。這兩個(gè)投影就是反映鉆孔自然彎曲規(guī)律的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)例如某礦區(qū)有一組鉆孔，每隔50m測(cè)斜一次，其平均頂角和方位角數(shù)值如表所列，勘探線(xiàn)方位為280°。采用均角全距法計(jì)算的x、y、z坐標(biāo)增量和累計(jì)值也列于表中。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，選用適當(dāng)?shù)谋壤?，?huà)出兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn):即反映孔身自然彎曲趨勢(shì)的孔身軌跡的垂直投影和水平投影

（圖1-9），供設(shè)計(jì)初級(jí)定向孔使用。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

2、相關(guān)分析法揭示鉆孔自然彎曲趨勢(shì)更好的方法是相關(guān)分析法，又稱(chēng)回歸分析法。即利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理，求出反映鉆孔自然彎曲趨勢(shì)的回歸方程（數(shù)學(xué)模型）。通常設(shè)孔深為自變量，頂角和方位角為因變量，建立回歸方程反映鉆孔頂角、方位角隨孔深變化的規(guī)律。數(shù)學(xué)模型比作圖法能更精確地體現(xiàn)孔斜趨勢(shì)，隨著近代計(jì)算科學(xué)的發(fā)展和微機(jī)的應(yīng)用，可以很快處理大量的實(shí)際測(cè)斜數(shù)據(jù)，并且以較高的信度反映出鉆孔空間位置的變化規(guī)律。

（1）首先對(duì)地質(zhì)和工藝技術(shù)條件相同的一組鉆孔按一定孔深間距計(jì)算出平均頂角和方位角。（2）根據(jù)計(jì)算的平均頂角和平均方位角初繪鉆孔頂角和方位角隨孔深變化的趨勢(shì)曲線(xiàn)。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

（3）選擇一定的方程式對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行擬合。

擬合時(shí)可令y=或，x=。此處x是自變量，y是因變量。

如果x和y之間是線(xiàn)性關(guān)系，則擬合方程式為y=a+bx

，如果x和y之間是非線(xiàn)性關(guān)系，也可以轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性關(guān)系進(jìn)行擬合。例如，x和y之間為指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即y=aebx

，則兩邊取對(duì)數(shù)得

lny=lna+bx

，令lny=Y，Ina=A，指數(shù)函數(shù)關(guān)系就轉(zhuǎn)化為：Y=A+bx

若x和y之間為冪函數(shù)關(guān)系，即y=axb

，則兩邊取對(duì)數(shù)得

lny=lna+blnx令lny=Y，lna=A，lnx=X，冪函數(shù)關(guān)系就轉(zhuǎn)化為：Y=A+bX

若x和y之間為拋物線(xiàn)關(guān)系，即y=a+b，令=X，拋物線(xiàn)函數(shù)關(guān)系就轉(zhuǎn)化為：y=a+bX

。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)（4）上述方程式中a和b稱(chēng)為回歸系數(shù)；根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理“最小二乘法”

確定a和b的數(shù)值。它們的計(jì)算式是：式中，Xi，Yi——各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)值或換算值；，——平均值，，；

n——測(cè)點(diǎn)數(shù)（樣本數(shù)）

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)（5）回歸方程中各變量間的相關(guān)性檢驗(yàn)。

一般用相關(guān)系數(shù)來(lái)表示。

通常0<<1，越近于1，表示x與y的線(xiàn)性關(guān)系越密切。值低于某一臨界值時(shí)，相關(guān)關(guān)系即不顯著。此臨界值可根據(jù)信度要求及樣本數(shù)的多少，從相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表中查得。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)如果某一礦區(qū)鉆孔頂角和方位角隨孔深而變化，難以選擇合適的回歸曲線(xiàn)類(lèi)型時(shí)，也可以采用多項(xiàng)式

y=b0+b1x+b2x2+……+bpxp來(lái)作回歸方程。因?yàn)槎囗?xiàng)式可以擬合非常廣泛的各種曲線(xiàn)。只要令x=x1，x2=x2，…

xp=xp

，上述多項(xiàng)式就可以化成多元線(xiàn)性回歸方程式，即

y=b0+b1x1+b2x2+…+bpxp

，

與前述一元線(xiàn)性回歸相同，用最小二乘原理來(lái)確定式中的系數(shù)b0，b2，…

bp

,不過(guò)通常建立多元線(xiàn)性回歸方程時(shí)，計(jì)算非常麻煩，一般都借助計(jì)算機(jī)。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

二、利用鉆孔自然彎曲趨勢(shì)設(shè)計(jì)初級(jí)定向鉆孔求得反映區(qū)域鉆孔自然彎曲趨勢(shì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)或回歸方程式后，即可利用這些標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)或回歸方程進(jìn)行初級(jí)定向孔設(shè)計(jì)。

（一）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法設(shè)計(jì)初級(jí)定向孔的實(shí)質(zhì)就是利用這些標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)確定新孔的孔身軌跡和開(kāi)孔位置。如果所統(tǒng)計(jì)的區(qū)域鉆孔只有頂角變化，而方位角變化不明顯，或者只有方位角變化，而頂角變化不明顯，則設(shè)計(jì)初級(jí)定向孔時(shí)只須利用垂直面上的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)或者水平面上的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)即可。如果區(qū)域鉆孔既有方位角變化，又有頂角變化，則要利用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)下面簡(jiǎn)述頂角和方位都變化的情況。

1、首先將畫(huà)有垂直面上孔身標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的透明紙蒙在勘探線(xiàn)剖面上。使標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)原點(diǎn)O與原設(shè)計(jì)孔開(kāi)孔點(diǎn)O′重合。

2、然后沿水平線(xiàn)移動(dòng)透明紙，直到標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)見(jiàn)礦點(diǎn)T相交，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)與地面交于O1，O‘O1的水平距就是新孔位沿著勘探線(xiàn)方向應(yīng)該移動(dòng)的距離。2/6/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查教研室第四節(jié)

初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

3、將畫(huà)有水平面上孔身標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的透明紙蒙在地質(zhì)平面圖上，使此標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)原點(diǎn)O與O1點(diǎn)的水平投影O1′重合，然后沿垂直于勘探線(xiàn)的方向移動(dòng)透明紙，直到標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)與設(shè)計(jì)見(jiàn)礦點(diǎn)T的水平投影T′相交，此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)原點(diǎn)新處的位置O2′就是最終確定的新孔位。O1′O2′是新孔位離開(kāi)勘探線(xiàn)的距離。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)除采取上述平移法之外，還可采取扭角法，即孔位不變，通過(guò)改變新孔開(kāi)孔頂角和方位角，使鉆孔軸線(xiàn)穿過(guò)原定見(jiàn)礦點(diǎn)。扭角法的優(yōu)點(diǎn)是孔位保持在原處，缺點(diǎn)是開(kāi)孔頂角和方位角變了，鉆孔遇層角也就變了，孔身自然彎曲趨勢(shì)將隨之發(fā)生一定的改變。因此，其施工精確度可能不如平移法。

標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法設(shè)計(jì)初級(jí)定向孔方法簡(jiǎn)單，但精確程度不如回歸方程法。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

（二）回歸方程法與標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法一樣，如果區(qū)域鉆孔頂角和方位角只有一個(gè)參數(shù)彎曲明顯，而另一個(gè)參數(shù)彎曲不明顯，則只須利用頂角隨孔深變化的回歸方程或方位角隨孔深變化的回歸方程進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果頂角、方位角同時(shí)彎曲，則用兩個(gè)回歸方程進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)步驟如下：

1、根據(jù)相同條件下一組鉆孔的測(cè)斜數(shù)據(jù)，計(jì)算出各孔段的平均頂角和平均方位角，并建立和的回歸方程。為方便起見(jiàn)，一般建立相對(duì)勘探線(xiàn)坐標(biāo)系（以x軸代表勘探線(xiàn)方向。方位角是以勘探線(xiàn)方向?yàn)槠瘘c(diǎn)計(jì)算的，方位角應(yīng)減去勘探線(xiàn)方位角）。

2、根據(jù)所求得的回歸方程計(jì)算出不同孔深的頂角和方位角。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

3、根據(jù)各孔段的孔深、頂角和方位角，選用一種鉆孔軸線(xiàn)軌跡計(jì)算方法計(jì)算出不同孔深下的x，y、z

坐標(biāo)。

4、根據(jù)設(shè)計(jì)初級(jí)定向孔的靶點(diǎn)的垂深

zt

，計(jì)算出靶點(diǎn)的孔深Lt，終孔頂角θt

和終孔方位角αt

。

如果設(shè)計(jì)的靶點(diǎn)垂深

zt

在zn

和zn-1

之間，則靶點(diǎn)孔深Lt必定在Ln

和Ln-1

之間。粗略地認(rèn)為孔深的增加與垂深的增加成正比，則可得到

；

代入回歸方程和，計(jì)算出終孔頂角θt和終孔方位角αt

。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)

5、根據(jù)計(jì)算出靶點(diǎn)的孔深Lt，終孔頂角θt和終孔方位角αt，計(jì)算出靶點(diǎn)的坐標(biāo)xt

、yt

，xt

、yt就是保證鉆孔到達(dá)設(shè)計(jì)靶點(diǎn)中靶開(kāi)孔點(diǎn)要移動(dòng)的距離。

6、如果地形造成開(kāi)孔點(diǎn)地面標(biāo)高與設(shè)計(jì)見(jiàn)礦點(diǎn)垂直上方的地面標(biāo)高相差較大時(shí)，則應(yīng)對(duì)開(kāi)孔點(diǎn)位置、開(kāi)孔頂角、開(kāi)孔方位角和鉆孔深度進(jìn)行修正計(jì)算。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)大致地認(rèn)為孔深增減與垂深增減成比例，則有

；

式中，△L——孔深增量或減量；

△z——標(biāo)高增量或減量；開(kāi)孔點(diǎn)標(biāo)高低于靶點(diǎn)垂直上方地面標(biāo)高時(shí)，△z取負(fù)號(hào)，否則取正號(hào)；

L1——鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)以下第一計(jì)算點(diǎn)孔深，

Z1——鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)以下第一計(jì)算點(diǎn)垂深。修正后的孔深

Lc

=Lt+△L

此處，Lt——原來(lái)計(jì)算出的靶點(diǎn)孔深。

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初級(jí)定向鉆孔軸線(xiàn)設(shè)計(jì)修正后的開(kāi)孔頂角θc和方位角αc為：

式中，θ0、θ1——開(kāi)孔點(diǎn)與其下第一計(jì)算點(diǎn)的頂角；

α0

、α1——開(kāi)孔點(diǎn)與其下第一計(jì)算點(diǎn)的方位角；

iθ

、iα——開(kāi)孔點(diǎn)與其下第一計(jì)算點(diǎn)之間的頂角彎強(qiáng)、方位彎強(qiáng)；

L1——開(kāi)孔點(diǎn)以下第一計(jì)算點(diǎn)孔深；