鉆孔彎曲與定向鉆進

工程鉆探主講人：杜振川工程鉆探學(xué)課件1編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第一節(jié)鉆孔彎曲與定向鉆進的概念在鉆探工作中，為了達到一定的地質(zhì)目標(biāo)，必須根據(jù)地質(zhì)要求和施工條件，合理設(shè)計鉆孔軌跡（即孔身在地下空間延伸的路徑）。但是，在施工過程中，由于種種因素的影響，實際的鉆孔軌跡往往偏離設(shè)計的鉆孔軌跡。這種現(xiàn)象稱為鉆孔偏斜或鉆孔彎曲。工程鉆探學(xué)課件2編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第一節(jié)鉆孔彎曲與定向鉆進的概念鉆孔彎曲給地質(zhì)成果和鉆探施工都會帶來不良后果。對于地質(zhì)成果來說，由于未按預(yù)定目標(biāo)點穿過礦體或其他地質(zhì)層位，就有可能歪曲礦體產(chǎn)狀、打丟礦體、遺漏斷層或改變勘探網(wǎng)度，從而影響對礦體的評價、構(gòu)造的判斷和儲量計算的精確程度。

工程鉆探學(xué)課件3編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第一節(jié)鉆孔彎曲與定向鉆進的概念鉆孔彎曲給地質(zhì)成果和鉆探施工都會帶來不良后果。對于鉆探施工來說，由于孔身偏斜或過分彎曲，鉆具在孔內(nèi)彎曲變形嚴(yán)重，鉆具與孔壁摩擦阻力增加，必然導(dǎo)致鉆桿磨損加劇，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。鉆孔彎曲超過允許范圍而達不到地質(zhì)目的時，則需要糾斜或重新鉆孔。這就要耗費大量人力、物力和時間，增加經(jīng)費開支，延誤工期，推遲地質(zhì)勘探進度。工程鉆探學(xué)課件4編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第一節(jié)鉆孔彎曲與定向鉆進的概念鉆探生產(chǎn)實踐表明，絕大多數(shù)鉆孔都有不同程度的彎曲。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)?，F(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，鉆孔頂角最大允許彎曲度是：垂直孔不超過2°/100m，傾斜孔不超過3°/100m，隨著鉆孔加深允許遞增計算。鉆孔方位角最大允許彎曲度，則可根據(jù)孔深和礦床類型等情況具體確定。工程鉆探學(xué)課件5編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第二節(jié)鉆孔空間位置要素鉆孔在空間的軌跡基本要素是頂角、方位角和孔深。如圖所示，在三維坐標(biāo)系中原點O代表開孔點，x軸代表南北方向，y軸代表東西方向，z軸代表向下方向。OABC是鉆孔的空間軌跡。工程鉆探學(xué)課件6編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第二節(jié)鉆孔空間位置要素其基本要素為：頂角（θ）鉆孔軌跡某點切線與鉛垂線之間的夾角。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?？咨?，孔口到鉆孔軌跡上某點的鉆孔軸線長度。工程鉆探學(xué)課件7編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第二節(jié)鉆孔空間位置要素利用鉆孔軌跡基本要素，可算出軌跡上每點的空間坐標(biāo)。設(shè)鉆孔軌跡為一斜直線，坐標(biāo)原點為孔口，X軸取正北，Y軸取正東，Z軸鉛垂向下。軌跡上的空間坐標(biāo)計算如下：工程鉆探學(xué)課件8編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第二節(jié)鉆孔空間位置要素式中：x0,y0,z0

——孔口坐標(biāo)；

xA,yA,zA——鉆孔軸線上點A的坐標(biāo)；

θ——開孔頂角；

α——開孔方位角；

LA——孔口至測點鉆孔軸線的長度。工程鉆探學(xué)課件9編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

鉆孔彎曲的原因可分為地質(zhì)、技術(shù)和工藝3個方面。鉆孔在軟硬互層的傾斜巖層中鉆進時，因鉆頭在同一個接觸面上，有不同可鉆性的巖石存在，由于鉆進時壓力和速度的不同，使鉆頭的鉆進方向發(fā)生改變而造成鉆孔偏斜。工程鉆探學(xué)課件10編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

1、地質(zhì)方面1）鉆頭在松軟地層中遇到大礫石時，鉆孔易沿礫石斜面彎曲工程鉆探學(xué)課件11編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

1、地質(zhì)方面2）鉆孔遇到裂隙，而裂隙方向與鉆孔方向相近時，鉆孔沿裂隙方向彎曲3）鉆孔遇溶洞或老窿時易發(fā)生彎曲。4）斷層、節(jié)理發(fā)育，巖脈穿插多的地方鉆孔易偏斜，且遞增幅度大。工程鉆探學(xué)課件12編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

1、地質(zhì)方面5）軟、硬巖層換層時，鉆孔的頂角和方位角易發(fā)生變化。當(dāng)鉆頭由軟巖層進入硬巖層時，如鉆孔軸線與巖層層面夾角大于30°，鉆孔向垂直于巖層傾斜方向彎曲。工程鉆探學(xué)課件13編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

1、地質(zhì)方面5）軟、硬巖層換層時，鉆孔的頂角和方位角易發(fā)生變化。當(dāng)鉆頭由軟巖層進入硬巖層時，如鉆孔軸線與巖層層面夾角小于30°，則鉆孔易順巖層傾斜方向彎曲工程鉆探學(xué)課件14編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

1、地質(zhì)方面5）軟、硬巖層換層時，鉆孔的頂角和方位角易發(fā)生變化。當(dāng)鉆頭由硬巖層進入軟巖層時，鉆孔向硬巖層傾斜方向彎曲，但彎曲不大工程鉆探學(xué)課件15編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

2、鉆探技術(shù)上的原因鉆探技術(shù)上原因主要指鉆塔、鉆機安裝不合格，立軸角度不符合設(shè)計要求，天輪，立軸、孔口三者不在同一中心線上?；蚴褂脧澢@具，鉆具組合垂直性、穩(wěn)定性差，粗徑鉆具短，導(dǎo)向性差。加重鉆具數(shù)量不夠，鉆頭使用不當(dāng)?shù)仍蚴广@孔發(fā)生偏斜。工程鉆探學(xué)課件16編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

3、鉆探操作上的原因主要指操作不一致，給壓不均勻，忽大忽小。遇有變層，如由軟變硬時，沒有及時采取減壓鉆進，如由硬變軟時，沒有及時提動鉆具，采取重新掃孔鉆進。鉆機轉(zhuǎn)速選用不當(dāng)，給水量掌握不好以及鋼粒鉆進時投砂量不合理等。工程鉆探學(xué)課件17編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

鉆孔偏斜的危害性

①降低鉆探效率在鉆探過程中，由于孔斜，常常使鉆具不能快速回轉(zhuǎn)，鉆具壓力不能有效地傳遞到孔底，而消耗在彎曲的鉆具和歪斜的孔壁上?？仔苯o升降鉆具帶來困難，同時也增加了非鉆進時間。從而大大地降低了鉆探效率。工程鉆探學(xué)課件18編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

鉆孔偏斜的危害性

②增加鉆探成本由于孔斜增加了鉆具的磨損，縮短了鉆具的使用壽命。在鉆探施工中容易出現(xiàn)斷桿事故，更嚴(yán)重的是造成卡鉆等重大孔內(nèi)事故。而且增加了人力、動力和材料的消耗和浪費，從而大大增加鉆探成本。工程鉆探學(xué)課件19編輯ppt第八章鉆孔彎曲與定向鉆進第三節(jié)鉆孔彎曲的原因和規(guī)律

鉆孔偏斜的危害性 ③易造成測井事故鉆孔發(fā)生偏斜后，孔壁易坍塌、掉塊，下測井儀器和電纜往往比較困難，而且容易發(fā)生埋卡儀器和電纜事故。④影響地質(zhì)資料的可靠性鉆孔偏斜對地質(zhì)構(gòu)造、巖煤層產(chǎn)狀、煤層厚度、埋藏深度、儲量計算和今后設(shè)計開采等都有很大的影響。有時由于孔斜過大，達不到鉆孔設(shè)計的預(yù)期目的而造成報廢。工程鉆探學(xué)課件20編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器為了隨時掌握與控制鉆孔軌跡的變化，預(yù)防與糾正鉆孔彎曲或者實現(xiàn)定向鉆進，必須測量鉆孔的空間位置—測斜。測斜就是測量鉆孔的3個基本要素：頂角、方位角和孔深。按規(guī)范要求，垂直孔每20m測斜一次，傾斜孔每25m測斜一次。但是在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、勘探網(wǎng)度較密、容易發(fā)生孔斜的礦區(qū)，或者在進行糾斜、施工定向孔及特殊工程孔時，應(yīng)適當(dāng)增加測點。測斜不及時，或測斜次數(shù)不足，會貽誤糾斜的時機，從而造成鉆孔歪斜增加，資料不可靠，甚至鉆孔報廢。工程鉆探學(xué)課件21編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器一、鉆孔彎曲測量原理1、頂角測量原理利用自由液面測量鉆孔頂角的原理如將液體注入一圓筒形容器內(nèi)，再將此容器下入鉆孔中，使容器軸線與鉆孔軸線重合或平行，此時圓筒形容器內(nèi)水平液面呈橢圓形，橢圓長軸ab既在水平面內(nèi)，又在鉆孔彎曲平面內(nèi)。因此，長軸ab與鉆孔軸線的夾角是鉆孔的傾角。它的余角就是鉆孔的頂角。工程鉆探學(xué)課件22編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器一、鉆孔彎曲測量原理1、頂角測量原理重錘測量鉆孔頂角的原理如圖，框架可繞aaˊ軸靈活轉(zhuǎn)動，bbˊ軸與aaˊ軸垂直相交，兩軸構(gòu)成框架平面。在bbˊ軸中點o懸掛一能靈活轉(zhuǎn)動的弧形刻度盤，刻度盤轉(zhuǎn)動面與鉆孔彎曲平面一致，刻度盤因重力作用永遠下垂。工程鉆探學(xué)課件23編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器一、鉆孔彎曲測量原理1、頂角測量原理重錘測量鉆孔頂角的原理當(dāng)儀器在垂直孔內(nèi)時，刻度盤上的0°正對準(zhǔn)弧形豎板T上的標(biāo)線，即頂角為0°；當(dāng)儀器在傾斜孔內(nèi)時，弧形豎板傾斜一個角度，此角度就是鉆孔頂角θ工程鉆探學(xué)課件24編輯ppt2、方位角測量原理1）地磁場定向原理測量時羅盤處于水平狀態(tài)，并且羅盤上0°線指向鉆孔彎曲方向。為此在羅盤下部裝有重塊，使羅盤保持水平。偏重塊與180°線同側(cè)，這樣，在傾斜鉆孔中0°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工程鉆探學(xué)課件25編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器二、鉆孔軌跡的繪制一般把鉆孔軌跡表示在垂直平面和水平平面上。在垂直平面上繪制剖面圖，而且，第一，使圖上每一點的孔深與空間鉆孔軸線對應(yīng)點的孔深一致；第二，使圖上每一點的頂角與空間鉆孔對應(yīng)點的頂角一致。在水平平面上繪制鉆孔水平投影。水平投影反映空間鉆孔每點方位角的變化。工程鉆探學(xué)課件26編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器二、鉆孔軌跡的繪制目前，通常是按一定測距測量鉆孔頂角和方位角，而不是連續(xù)測斜。因此，只能根據(jù)各測點的測斜數(shù)據(jù)計算出各測點的空間坐標(biāo)，然后畫出鉆孔軌跡。采用的計算方法主要有：全角半距法、均角全距法、曲率半徑法和最小曲率法等幾種。鉆探中常用的是均角全距法和曲率半徑法。工程鉆探學(xué)課件27編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器二、鉆孔軌跡的繪制工程鉆探學(xué)課件28編輯ppt第四節(jié)鉆孔彎曲的測量方法與儀器二、鉆孔軌跡的繪制工程鉆探學(xué)課件29編輯ppt第五節(jié)定向鉆進在鉆探施工中，利用自然造斜規(guī)律，采取人工造斜手段，或者兩者并用，按照預(yù)定的軌跡鉆達預(yù)定目標(biāo)的鉆孔稱為定向鉆孔。由于定向鉆孔能更好地保證鉆探質(zhì)量，節(jié)省鉆探進尺，并能解決一些工程難題，所以得到了日益廣泛的應(yīng)用。工程鉆探學(xué)課件30編輯ppt第五節(jié)定向鉆進定向井

工程鉆探學(xué)課件31編輯ppt第五節(jié)定向鉆進海油陸采是在海邊的陸地上鉆延伸到海上油層的水平井。國內(nèi)目前最大位移2051.22m。工程鉆探學(xué)課件32編輯ppt第五節(jié)定向鉆進“階梯式”水平井(L2-P1)

工程鉆探學(xué)課件33編輯ppt第五節(jié)定向鉆進486mS9-P1井S-5井芒硝

江蘇開采芒硝的兩井之間在2629m處連通。工程鉆探學(xué)課件34編輯ppt第五節(jié)定向鉆進一、定向鉆孔分類

2、受控定向鉆孔即單純采用人工造斜手段或繪合利用人工造斜手段與地層造斜規(guī)律，鉆達目的層位的鉆孔。自然造斜與人工造斜，可在某一孔段同時使用，也可在不同孔段分別使用。按施工技術(shù)方法的不同，可分為：1、初級定向鉆孔即采用常規(guī)鉆具并利用地層和工藝造斜規(guī)律，通過移動孔位，改變開孔頂角，扭轉(zhuǎn)開孔方位角等方法鉆達目的層位的鉆孔。工程鉆探學(xué)課件35編輯ppt第五節(jié)定向鉆進一、定向鉆孔分類按孔身軌跡的不同，可分為：1、平面彎曲定向鉆孔包括孔身軌跡在某一垂直平面內(nèi)只有頂角彎曲而無方位變化（或方位角變化很?。┑你@孔；在某一傾斜平面內(nèi)頂角和方位角都有變化的鉆孔；以及在水平平面內(nèi)只有方位角彎曲而無頂角變化（或頂角變化很?。┑你@孔（坑道鉆中用之）。工程鉆探學(xué)課件36編輯ppt第五節(jié)定向鉆進一、定向鉆孔分類按孔身軌跡的不同，可分為：2、空間彎曲定向鉆孔包括孔身軌跡某段在某一曲面內(nèi)既有頂角變化又有方位角變化的鉆孔；以及頂角不變、方位角發(fā)生變化的螺旋線狀鉆孔?？臻g彎曲定向鉆孔特別適用于巖層造斜作用強烈、鉆孔頂角和方位角自然彎曲規(guī)律都很明顯的礦區(qū)。另外，鉆孔需要繞過地下障礙物時，也可采用此類鉆孔。工程鉆探學(xué)課件37編輯ppt第五節(jié)定向鉆進一、定向鉆孔分類按鉆孔結(jié)構(gòu)形態(tài)，又可分為：1、單孔底定向鉆孔即只有主孔而無分枝孔的定向鉆孔。2、多孔底定向孔即既有主孔又有分枝孔的定向鉆孔。主孔只有一個，而分枝孔可能是一個也可能是多個。從主孔中分出來的枝孔，稱為一級分枝孔，從分枝孔中再分出來的枝孔，稱為二級分枝孔。工程鉆探學(xué)課件38編輯ppt第五節(jié)定向鉆進一、定向鉆孔分類2、多孔底定向孔工程鉆探學(xué)課件39編輯ppt第五節(jié)定向鉆進二、定向鉆進方法根據(jù)工作原理，定向方法可分為：1、直接定向按需要的角度使造斜工具面向（即造斜工具對稱面的空間位置）對于磁北或某一指定方向?qū)嵭卸ㄏ?。直接定向常用的敏感元件是磁針、磁性調(diào)制元件和陀螺馬達。工程鉆探學(xué)課件40編輯ppt第五節(jié)定向鉆進二、定向鉆進方法根據(jù)工作原理，定向方法可分為：2）間接定向在測知造斜點鉆孔方位和頂角的基礎(chǔ)上，根據(jù)造斜需要的方位和頂角，先計算出造斜工具面與鉆孔傾斜面（即造斜點孔身的切線與鉛垂線所決定的平面）的夾角（又稱安裝角或造斜工具面向角），然后，使造斜工具按安裝角定位，從而實現(xiàn)其對于磁北方向的定向。工程鉆探學(xué)課件41編輯ppt第五節(jié)定向鉆進二、定向鉆進方法3）隨鉆定向隨鉆定向是把測斜定向儀器放在鉆桿柱內(nèi)，一邊鉆進，一邊連續(xù)測知鉆孔方位、頂角和造斜工具的面向，這些數(shù)據(jù)能在地面記錄和反映出來，從而能及時調(diào)整造斜工具面向，做到隨時控制沒斜方向。這種技術(shù)稱為MWD(MeasurementWhileDrilling）技術(shù)。

工程鉆探學(xué)課件42編輯ppt第五節(jié)定向鉆進工程鉆探學(xué)課件43編輯ppt第五節(jié)定向鉆進工程鉆探學(xué)課件44編輯ppt第五節(jié)定向鉆進三、造斜工具1）鉆具組合在常規(guī)鉆具上適當(dāng)增加一些部件，如扶正器、萬向節(jié)、鉆挺、支撐接頭等，就可以起到增斜、減斜或保直的作用。2）造斜楔造斜楔又稱偏心楔。它是利用其傾斜楔面迫使鉆孔改變定向方位，并且在造斜點形成急劇的彎曲。工程鉆探學(xué)課件45編輯ppt1-楔體；2一上漲體；3一錐塊；4-上錐體；5一固定螺釘；6一連接管；7一連桿；8一下漲體；9一下錐體JUX型固定式造斜楔工程鉆探學(xué)課件46編輯ppt第五節(jié)定向鉆進三、造斜工具3）機械式連續(xù)造斜器此種連續(xù)造斜器又稱無楔體連續(xù)造斜器。它利用專門機構(gòu)產(chǎn)生偏斜力實現(xiàn)定向造斜。機械式連續(xù)造斜器由導(dǎo)向（定子）和造斜（轉(zhuǎn)子）兩部分組成。工作時造斜部分不斷回轉(zhuǎn)，而導(dǎo)向部分則一面定位于某一方向，不產(chǎn)生角位移，以保證造斜部分朝預(yù)定的方向前進；另一方面又與造斜部分一起沿鉆孔軸線向下滑移。工程鉆探學(xué)課件47編輯ppt第五節(jié)定向鉆進三、造斜工具偏心鉆具工程鉆探學(xué)課件48編輯ppt第五節(jié)定向鉆進三、造斜工具偏心鉆具工程鉆探學(xué)課件49編輯ppt第五節(jié)定向鉆進三、造斜工具偏心鉆具工程鉆探學(xué)課件50編輯ppt第五節(jié)定向鉆進四、定向鉆孔施工工藝1、建立人工孔底施工單底受控定向孔時，通常造斜點從孔底開始，在下