【采礦課件】鉆孔彎曲與測(cè)量

鉆孔彎曲與測(cè)量

勘察與基礎(chǔ)工程系2004-7-24本章主要內(nèi)容

1、什么是鉆孔彎曲2、鉆孔為什么會(huì)彎曲3、如何確知鉆孔彎曲4、鉆孔彎曲的防治第一節(jié)概述

鉆進(jìn)(井)工程施工中，由于自然和技術(shù)因素的影響，實(shí)際的鉆孔軌跡往往偏離設(shè)計(jì)軌跡。這種現(xiàn)象稱(chēng)為鉆孔彎曲或鉆孔偏斜。地質(zhì)成果危害

歪曲礦體產(chǎn)狀、打丟礦體、遺漏斷層或改變勘探網(wǎng)度，從而影響對(duì)礦體的評(píng)價(jià)、構(gòu)造的判斷和儲(chǔ)量計(jì)算的精確程度。鉆探施工危害

鉆具在孔內(nèi)彎曲變形嚴(yán)重，鉆具與孔壁摩擦阻力增加，磨損加劇，鉆桿折斷事故增多，升降鉆具困難，鉆進(jìn)功耗增加和鉆進(jìn)速度下降。其他方面的危害

水文水井鉆探中，由于鉆孔彎曲，可能會(huì)造成深井泵無(wú)法下入到鉆孔中，或引起深井泵的過(guò)早損壞。在鉆孔樁施工中，會(huì)引起樁基傾斜，影響樁基承載力。11/24/2022第二節(jié)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(yīng)當(dāng)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(nèi)。從鉆探工藝與技術(shù)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(jī)理和規(guī)律性，從而采取相應(yīng)的對(duì)策，進(jìn)行防斜和糾斜。因此了解鉆孔在地下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(gè)方面的內(nèi)容：

鉆孔軌跡的基本要素鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度

11/24/2022一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(kāi)孔點(diǎn)，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：頂角鉆孔軌跡上某點(diǎn)的頂角是該點(diǎn)的切線與鉛垂線之間的夾角，其余角稱(chēng)為鉆孔傾角。頂角變化的范圍是0°～90°方位角鉆孔軌跡上某點(diǎn)的方位角是該點(diǎn)的切線在水平面上的投影與真北方向之間的夾角，有磁方位和地理方位。0°～360°對(duì)應(yīng)的鉆孔孔深鉆孔軌跡上某點(diǎn)的孔深是孔口到該點(diǎn)的鉆孔軸線的長(zhǎng)度11/24/2022一鉆孔軌跡的基本要素利用鉆孔軌跡的基本要素，可以計(jì)算出軌跡上每一點(diǎn)的空間坐標(biāo)，如下右圖所示。假設(shè)鉆孔軌跡為一斜直線，坐標(biāo)系的原點(diǎn)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(jù)鉆孔各個(gè)深度上(即測(cè)點(diǎn))的頂角和方位角。軌跡上的空間坐標(biāo)計(jì)算如下：式中：x0,y0,z0--孔口坐標(biāo)；xA,yA,zA—鉆孔軸線上點(diǎn)A的坐標(biāo)；θ—開(kāi)孔頂角；α—開(kāi)孔方位角；LA—孔口至測(cè)點(diǎn)鉆孔軸線的長(zhǎng)度。

11/24/2022二鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度鉆孔軌跡的彎曲程度實(shí)質(zhì)上是指鉆孔軌跡單位長(zhǎng)度鉆孔彎曲角度的變化量可用曲率k或彎強(qiáng)i表示。曲率的單位是rad／m，彎強(qiáng)的單位是°/m。它們的關(guān)系是：鉆孔軌跡的彎曲強(qiáng)度可分為頂角彎曲強(qiáng)度、方位角彎曲強(qiáng)度和全彎曲強(qiáng)度。頂角彎強(qiáng)：鉆孔軸線單位長(zhǎng)度上頂角的變化量；方位角彎強(qiáng)：鉆孔軸線單位長(zhǎng)度的方位角變化量；全彎強(qiáng)：鉆孔軸線單位長(zhǎng)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(chǎn)生全彎曲角γ,鉆孔軌跡上A、B兩點(diǎn)的全彎曲角γ可用下式計(jì)算：鉆孔全彎強(qiáng)對(duì)于校核鉆桿柱工作的安全性和粗徑鉆具入孔的可通過(guò)性有實(shí)際意義。也是設(shè)計(jì)定向鉆孔軌跡的一個(gè)重要參數(shù)。11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

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。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(chǎn)生鉆孔彎曲必要而充分的條件是：存在孔壁間隙，為粗徑鉆具提供偏倒(或彎曲)的空間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(dòng)力

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(chǎn)生鉆孔彎曲的充分條件。鉆具傾斜面穩(wěn)定在某一方向時(shí)，鉆桿柱只自轉(zhuǎn)而不公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，鉆孔彎曲是在鉆桿柱自轉(zhuǎn)的情況下發(fā)生的。如果鉆桿柱公轉(zhuǎn)，則必定帶動(dòng)偏倒或彎曲的粗徑鉆具圍繞鉆孔軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，使鉆頭在不同的時(shí)刻朝著不同的方向鉆進(jìn)，這只能產(chǎn)生擴(kuò)壁作用，而不導(dǎo)致鉆孔彎曲。

11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

二、鉆孔彎曲的原因

形成鉆孔彎曲的原因大致可分為三類(lèi)：地質(zhì)因素

技術(shù)因素工藝方面的原因11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

二、鉆孔彎曲的原因地質(zhì)因素影響鉆孔彎曲的地質(zhì)因素主要是巖石的各向異性和軟硬互層。地質(zhì)因素是客觀存在的，只能通過(guò)工藝技術(shù)措施來(lái)減弱甚至抵消它的促斜作用巖石的各向異性某些具有層理、片理等構(gòu)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(jìn)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(jìn)時(shí)，極易產(chǎn)生鉆孔向垂直于層面的方向彎曲。鉆孔彎曲強(qiáng)度與巖石各向異性強(qiáng)弱和鉆孔遇層角的大小有關(guān)。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(dāng)遇層角約為45o時(shí)，鉆孔彎強(qiáng)最大。11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

二、鉆孔彎曲的原因地質(zhì)因素軟硬互層

鉆孔以銳角穿過(guò)軟硬巖層界面，從軟巖進(jìn)入硬巖時(shí)，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；而從硬巖進(jìn)入軟巖時(shí)，則鉆具軸線有偏離層面法線方向的趨勢(shì)。但由于上方孔壁較硬，限制了鉆具偏倒，結(jié)果基本保持著原來(lái)的方向；鉆孔通過(guò)硬巖進(jìn)入軟巖又從軟巖進(jìn)入硬巖時(shí)，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(guò)此值時(shí)，鉆孔頂層進(jìn)；低于此值時(shí)，鉆孔將沿硬巖的層面下滑(俗稱(chēng)順層跑)。這也說(shuō)明鉆進(jìn)中粗徑鉆具傾斜面方向穩(wěn)定是客觀存在的。11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

二、鉆孔彎曲的原因地質(zhì)因素軟硬互層11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

二、鉆孔彎曲的原因技術(shù)因素開(kāi)孔階段

開(kāi)孔階段引起鉆孔彎曲的技術(shù)因素有：

鉆機(jī)基礎(chǔ)不平；鉆機(jī)立軸安裝不正確；未下孔口管或孔口管方向不合要求；主動(dòng)鉆桿過(guò)長(zhǎng)鉆進(jìn)參數(shù)不合理等開(kāi)孔階段的鉆孔彎曲會(huì)影響整個(gè)鉆孔軸線軌跡，使鉆孔軌跡產(chǎn)生很大的偏差。11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

鉆進(jìn)階段

鉆進(jìn)過(guò)程中造成鉆孔彎曲的技術(shù)是鉆具的結(jié)構(gòu)和尺寸。鉆桿柱為一細(xì)長(zhǎng)柔性桿件，由于存在孔壁間隙，在壓力的作用下，鉆桿柱將產(chǎn)生彎曲變形，產(chǎn)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，粗徑鉆具在孔底的偏倒角ε決定于孔壁間隙b和粗徑鉆具長(zhǎng)度L，即：

粗徑鉆具越長(zhǎng)，鉆具的偏倒角越小，但直徑小而長(zhǎng)度過(guò)大，剛度不足，鉆具會(huì)被壓彎，即使孔壁間隙不大也會(huì)使鉆孔產(chǎn)生較大的彎曲。粗徑鉆具的臨界長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

3.工藝方面的因素鉆進(jìn)方法鋼粒鉆進(jìn)時(shí)孔壁間隙最大，因此孔斜最大。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)孔壁間隙次之，一般孔斜中等。金剛石鉆進(jìn)孔壁間隙最小，通常只有1～3mm，在鉆具剛度足夠時(shí)，孔斜最小。鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)鉆壓過(guò)大，會(huì)造成鉆桿柱甚至粗徑鉆具彎曲，使鉆頭緊靠孔壁一側(cè)，此時(shí)偏倒角可能達(dá)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(zhuǎn)而不作公轉(zhuǎn)，此時(shí)鉆具傾斜面有固定方向，從而導(dǎo)致鉆孔彎曲。轉(zhuǎn)速過(guò)高，鉆桿柱回轉(zhuǎn)離心力增大，從而加劇鉆具的橫向振動(dòng)和擴(kuò)壁作用，結(jié)果孔壁間隙增加。鉆壓過(guò)小，轉(zhuǎn)速過(guò)低，則進(jìn)尺慢，效率低，鉆頭停留在孔底時(shí)間長(zhǎng)，也會(huì)擴(kuò)大孔壁間隙，增加孔斜。沖洗液量過(guò)大，特別是在較軟的巖層中，液流會(huì)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。11/24/2022第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

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(duì)的，而是表現(xiàn)為一種趨勢(shì)，通常有以下一些趨勢(shì)：在變質(zhì)巖(如結(jié)晶片巖、片麻巖等)中鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔彎曲強(qiáng)度大于在沉積巖（如頁(yè)巖）中鉆進(jìn)時(shí)的彎強(qiáng)，更大于在巖漿巖(如花崗巖、輝綠巖)中鉆進(jìn)時(shí)的彎強(qiáng)；均質(zhì)巖石鉆進(jìn)的鉆孔彎曲強(qiáng)度小于在非均質(zhì)巖石中的彎強(qiáng)，且?guī)r石的各向異性程度越高，則鉆孔彎曲強(qiáng)度越大；層理、片理和軟硬互層中鉆進(jìn)，鉆孔朝著垂直于層理面、片理面的方向彎曲；松散非膠結(jié)巖石、大溶洞時(shí)，鉆孔趨向下垂直位置；鉆遇硬包裹體時(shí)，可能朝任意方向彎曲；層理水平或接近水平的巖石中鉆進(jìn)垂直孔時(shí)，即使巖石各向異性很強(qiáng)，軟硬不均程度很大，鉆孔也不會(huì)產(chǎn)生較大彎曲；孔壁間隙大，粗徑鉆具短，鉆具剛度差，則鉆孔彎曲強(qiáng)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(guò)30o時(shí)，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(zhuǎn)的方向一致。11/24/2022第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器為了隨時(shí)掌握與控制鉆孔空間位置的變化，預(yù)防與糾正鉆孔彎曲，在鉆進(jìn)中必須測(cè)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(chēng)為鉆孔彎曲度測(cè)量簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)斜。鉆孔彎曲的測(cè)量原理包括頂角測(cè)量原理和方位角測(cè)量原理，

孔深測(cè)量一般只是借助電纜（測(cè)繩）或鉆桿將測(cè)斜儀下入到指定深度來(lái)控制。

頂角測(cè)量原理

1、液面水平原理（氫氟酸測(cè)斜）

2、懸錘原理

方位角測(cè)量原理

1、地磁場(chǎng)定向原理

2、地面定向原理

11/24/2022一、頂角測(cè)量原理

測(cè)量頂角度必須符合兩個(gè)條件：該角度代表測(cè)點(diǎn)鉆孔軸線與鉛垂線的夾角；該角度在鉆孔彎曲平面內(nèi)。液面水平原理（氫氟酸測(cè)斜）

把20～30％濃度的氫氟酸注入長(zhǎng)度為100～150mm內(nèi)徑為15～25mm的玻璃試管中。注入量為試管長(zhǎng)度的1／3左右。然后，將盛有氫氟酸的玻璃試管裝在特制的接頭內(nèi)，用橡膠塞加以密封。用鉆桿將其下到孔內(nèi)待測(cè)位置，靜止停留15～25min后，提鉆取出試管。由于氫氟酸對(duì)玻璃的腐蝕作用，在試管上留有液面痕跡。根據(jù)液面的高低，就可算出頂角。由于有毛細(xì)管的作用，試管形成了如右圖所示的蝕痕曲面。由此測(cè)出的頂角必須校正，按下式可求出實(shí)際頂角θ：

θ=θ′+E

式中θ—鉆孔的實(shí)際頂角，θ′--玻璃試管上實(shí)測(cè)頂角，E——校正角為了避免計(jì)算和校正上的麻煩，可以利用傾斜儀來(lái)直接測(cè)定。

第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器11/24/2022一、頂角測(cè)量原理液面水平原理（氫氟酸測(cè)斜）

第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器11/24/2022一、頂角測(cè)量原理懸錘原理

懸錘測(cè)量鉆孔頂角的原理是利用地球重力場(chǎng)，如下圖所示?？蚣芸衫@a軸靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，b軸與a軸垂直相交，在b軸中點(diǎn)0懸掛一能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)的弧形刻度盤(pán)，刻度盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)面與鉆孔彎曲平面一致，刻度盤(pán)因重力作用永遠(yuǎn)下垂。當(dāng)儀器在垂直孔內(nèi)時(shí)，刻度盤(pán)上的0o正對(duì)準(zhǔn)弧形豎板了上的標(biāo)線，即頂角為0o；當(dāng)儀器在傾斜孔內(nèi)時(shí)，弧形豎板傾斜一個(gè)角度，此角度就是鉆孔頂角θ。

第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器懸錘原理測(cè)量鉆孔頂角示意圖11/24/2022二、方位角測(cè)量原理

根據(jù)鉆孔方位角的定義，方位角的測(cè)量必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：

一是該角度必須是鉆孔軸線上某點(diǎn)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。

在無(wú)磁性干擾或干擾很小的孔段中，可利用地磁場(chǎng)定向原理；在有磁屏蔽(如在套管內(nèi))或磁干擾較大(如存在磁性礦體)的孔段中，因?yàn)榇裴樖ザㄏ蚰芰?，可用地面定向原理?/p>

第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器11/24/2022二、方位角測(cè)量原理地磁定向原理

地磁場(chǎng)定向原理是利用羅盤(pán)磁針的指北特性或磁敏感元件(磁通門(mén))確定傾斜鉆孔的方位角。因此，測(cè)量時(shí)羅盤(pán)必須處于水平狀態(tài)，并且羅盤(pán)上0o線必須指向鉆孔彎曲方向。為了滿(mǎn)足這些要求，羅盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)垂直于鉆孔彎曲平面，并且在其下部裝有重塊，使羅盤(pán)保持水平。此外，羅盤(pán)上0o與180o連線及框架上的偏重塊都在框架的垂直平分平面內(nèi)(即鉆孔彎曲平面內(nèi))，偏重塊與180o線同側(cè)。這樣一來(lái)，在傾斜鉆孔中180o線必定指向鉆孔彎曲方向。此時(shí)，0o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)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器地磁場(chǎng)定向原理圖鉆孔方位角示意圖11/24/2022二、方位角測(cè)量原理地面定向原理

在地面將定位方向傳到孔內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)。如圖，取地面定位方向?yàn)镺A，其方位角為α0，鉆孔彎曲方向?yàn)镺B，其方位角為α1，∠AOB＝α1-α0。若令∠A′O′B′＝ф，則在鉆孔橫截面上的ф角，即為終點(diǎn)角。

式中：α-定位與鉆孔傾斜方向方位角差；

ф-終點(diǎn)角；

θ-測(cè)點(diǎn)處鉆孔頂角。該原理應(yīng)用的具體方法有鉆桿定向法、環(huán)測(cè)定向法和陀螺慣性定向法。

第四節(jié)鉆孔彎曲的測(cè)量及儀器地面場(chǎng)定向原理圖鉆孔方位角示意圖11/24/2022陀螺定向原理

陀螺定向原理是利用陀