第十章钻孔弯曲与测量

国家精品课程 第十章钻孔弯曲与测量 1、什么是钻孔弯曲 2、钻孔为什么会弯曲 3、如何确知钻孔弯曲 4、钻孔弯曲的防治

第一节概述 钻进(井)工程施工中由于自然和技术因素的影响，实际钻孔轨迹往往偏离设计轨迹——称为钻孔弯曲或钻孔偏斜。 • 地质成果危害歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度，影响对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。 • 钻探施工危害钻具在孔内弯曲变形严重，摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻具困难，功耗增加和钻进速度下降。 • 其他方面的危害水井钻探中深井泵无法下入或过早损坏。钻孔桩施工中，会引起桩基倾斜，影响桩基承载力。中国地质大学勘查与基础工程系

第一节概述 一、钻孔轨迹的基本要素 • 顶角（θ）钻孔轨迹某点切线与铅垂线之间的夹角。石油称为井斜角。 • 方位角（α）钻孔轨迹某点切线在水平面上的投影与真北方向夹角，按顺时针方向计。 • 孔深，孔口到钻孔轨迹上某点的钻孔轴线长度。 • 垂深，孔口到钻孔轨迹上某点的Z坐标长度。中国地质大学勘查与基础工程系

第一节概述 • 利用钻孔轨迹基本要素，可算出轨迹上每点的空间坐标。设钻孔轨迹为一斜直线，坐标原点为孔口，X轴取正北，Y轴取正东，Z轴铅垂向下。轨迹上的空间坐标计算如下：式中：x0,y0,z0——孔口坐标； xA,yA,zA——钻孔轴线上点A的坐标； θ——开孔顶角； α——开孔方位角； LA——孔口至测点钻孔轴线的长度。中国地质大学勘查与基础工程系

第一节概述 三、弯曲强度（简称弯强）的概念 • 为说明钻孔轨迹的弯曲程度，取单位孔身长度的顶角变化，称顶角弯强。单位孔身长度的方位角变化，称为方位角弯强。 • 弯强与数学上曲率概念等同。前者单位是（°）/m；后者是rad/m。 • 如果把既有顶角变化，又有方位角变化的钻孔轨迹看成是钻进速度向量变化的轨迹，则在某一孔段这种向量方向的变化，可用钻孔全弯曲角表示。单位孔身长度的全弯曲角称全弯强。全弯强越大，表明钻孔弯曲程度愈强烈。中国地质大学勘查与基础工程系

第一节概述 四、处理钻孔弯曲问题时注意事项 • 及时测量钻孔弯曲，准确测知钻孔的空间位置，在处理地质资料时加以校正； • 研究钻孔弯曲规律和原因，采取措施进行钻孔弯曲的防治（防斜和治斜）； • 结合施工条件采用定向钻进技术。在进行防斜、治斜和定向钻进时，都必须定期测斜。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件 • 存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒(或弯曲)空间； • 具备倾倒或弯曲力，为粗径钻具偏离钻孔轴线提供动力； • 粗径钻具倾斜面方向稳定。孔壁间隙和倾倒(或弯曲)力是钻孔弯曲的必要条件；而粗径钻具倾斜面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。 • 钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻柱只自转不公转。 • 如果钻柱公转，钻头在不同时刻朝着不同方向钻进，只产生扩壁作用，而不导致钻孔弯曲。因此，钻孔弯曲是在钻柱自转的情况下发生的。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 二、钻孔弯曲的原因 1、地质因素： 1.1 岩石的各向异性 • 垂直于岩层方向碎岩效率高，平行于层理方向效率低，因此，在倾斜岩层中钻进极易产生垂直于层面的方向弯曲（俗称顶层进）。 • 钻孔弯强与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。遇层角约为45º时，钻孔弯强最大。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 • 同时钻头在岩层片理和层理的作用下，产生偏离钻孔中心的旋转，也是造成孔斜的重要原因。 • 当钻头与岩层斜交时，钻头切削具在孔底A、B 两点处所遇回转阻力不同。钻头A点切削具逆层切削的阻力P大于B点切削具顺层切削的阻力N，这时图中的A点可看作是钻头回转的瞬心，即钻孔轴线有沿F方向偏移的趋势。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 1.2 软硬互层 • 钻孔以锐角从软岩进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻力的不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲； • 从硬岩进入软岩时，则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。但由于上方孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原来的方向； • 钻孔通过硬岩进入软岩又从软岩进入硬岩时，最终还是沿层面法线方向延伸。 • 钻孔遇层角存在着临界值。超过此值时钻孔顶层进；低于此值时钻孔将沿硬岩的层面下滑(俗称顺层跑)。这也说明钻进中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 地质因素——软硬互层中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 • 除上述地质因素的影响以外，钻进含有卵石、砾石或漂石的岩层时，钻孔延伸受到岩石硬块的阻碍，钻孔往往朝着容易通过的方向偏斜。此时顶角和方位角的弯曲无一定的规律。 • 钻孔遇到大裂隙、交角又不大时，孔身往往沿裂隙面的方向延伸。斜孔穿过较厚的松散岩石或溶洞及老窿时，孔身则趋于下垂。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 2. 技术因素 2.1 设备安装 • 钻机基础不平，立轴安装不正确，未下孔口管或孔口管方向不合要求，都会使钻孔偏离设计轨迹。 • 这些因素主要是在开始阶段起作用，但钻孔开始的弯斜会给以后的钻孔留下严重的影响。 2.2 钻具结构尺寸 1）粗径钻具的刚度：粗径钻具直径较小而长度过长，则刚度可能不足，会失稳弯曲。粗径钻具的临界长度：中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 2）钻头唇部形状 • 钻进各向异性岩石遇层角为锐角时，钻头唇部形状影响： • 钻头唇部为平面形状或椭圆形状时，孔底向碎岩阻力最小方向偏移。同时随着椭圆度的增大而加剧，因为钻孔向碎岩阻力最小侧破碎加快了。 • 钻头唇部为外锥形时，钻头唇面右部破岩阻力小，而左部破岩阻力大。因此，有一翻转力矩M0作用在钻头上，使钻孔有向左偏斜的趋势。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 • 钻具唇部为内锥形，则孔底左边破碎较为强烈，钻孔向右偏斜。 • 在各向异性岩石中使用内锥形或半球形唇面的钻头钻进时弯强最大。使用平面形唇面钻头钻进时，钻孔弯强小。 3) 粗径钻具的长度和孔壁间隙 • 孔壁间隙--粗径钻具外径与孔径间的间隙。粗径钻具在钻孔中的偏倒角 • Dc--孔径；D1、D--岩心管及钻头直径；L--粗径钻具长度。 • 显然，孔壁间隙↑或粗径钻具↓，都会使偏倒角↑，从而钻孔弯曲强度↑ 。采用肋骨钻头会增大孔壁间隙。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 3.工艺因素--可采取措施的主观因素 3.1 钻进方法 • 不同钻进方法导致不同的孔壁间隙。一般钢粒钻进孔斜最大，硬合金钻进次之，金刚石钻进最小。冲击回转钻进较低的轴向压力和转数，钻孔弯曲强度较小。 3.2 钻进规程参数 • 钻压过大→粗径钻具弯曲→钻头靠壁侧→偏倒角达最大→钻具回转摩擦阻↑→钻具自转几率↑→导致钻孔弯曲。 • 转速过高→钻柱离心力↑→横向振动和扩壁→孔壁间隙↑。 • 泵量过大→冲刷、破坏软岩孔壁→孔壁间隙↑。中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 • 当然，若钻进规程参数不合理，钻速过低，钻具在孔壁长时间研磨也会扩大间隙，增加孔斜。三、钻孔弯曲的规律 (1) 均质岩石钻孔弯曲强度＜不均质岩石，岩石各向异性↑钻孔弯曲强度↑ (2) 层理、片理发育的岩石钻孔“顶层进” 弯曲。遇层角45°左右钻孔弯曲强度最大。 (3) 软硬互层岩石中钻孔从软入硬时，弯曲强度↑，虽然从硬进入软岩层时，弯曲强度较小，但最终弯曲趋势仍与顶层进。 中国地质大学勘查与基础工程系

第二节钻孔弯曲的原因和规律 (4) 穿过松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋于下垂。钻孔碰到硬包裹体时可能朝任意方向弯曲。 (5) 钻孔顶角大时方位角变化小；反之变化大。一般，方位角弯曲与钻具回转方向一致。顶角接近零时方位变化不定。 (6) 在近似水平的岩层中钻垂直孔，即使岩石各向异性强，软硬不均，钻孔也不会产生较大的弯曲。  (7) 孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，钻孔弯曲强度大。立轴与导向管安装不正，钻孔朝安装不正的方向偏斜。 (8) 钢粒钻斜孔时，由于钢粒集中于孔底左下方，孔身向右上方弯曲，顶角和方位角都发生变化。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 一、测量钻孔弯曲的原理 1. 顶角测量原理 1.1 液面水平原理（氢氟酸测斜） • 把20~30％浓度的氢氟酸注入玻璃管中1/3长度。将试管密装在接头内。 • 同钻杆下孔待测位置静止15~25min，提钻取出。根据氢氟酸腐蚀痕迹算出顶角。 • 由于毛细作用对算得的顶角必须校正。为避免校正计算可利用倾斜仪来直接测定。 • 还可以用显影液、化学浆液等。中国地质大学勘查与基础工程系

第四节钻孔弯曲的测量及仪器 1.2 重锤原理 • 利用地球重力场，框架绕a轴灵活转动，b轴与a轴垂直，b轴中点是能灵活转动的弧形刻度盘，刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻度盘因重力永远下垂。 • 当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的0º对准弧形竖板的标线顶角为0º； • 当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板倾斜一个角度，此角度就是钻孔顶角θ。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 2. 方位角测量原理 • 根据定义，钻孔方位角测量必须满足两个条件：该角度是钻孔轴线某点切线方向与地北的夹角；该角度是水平面上的角度。 • 在无磁性干扰或干扰很小的孔段中，可利用地磁场定向原理； • 在有磁屏蔽(如在套管内)或磁干扰较大(如存在磁性矿体)的孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理或陀螺原理。中国地质大学勘查与基础工程系

第四节钻孔弯曲的测量及仪器 2.1 地磁场定向原理 • 利用磁针或磁敏感元件(磁通门)确定钻孔的方位角。 • 测量时罗盘处于水平状态且0º线必须指向钻孔弯曲方向。 • 为此，罗盘转轴应垂直于钻孔弯曲平面，并使罗盘保持水平。此外，罗盘上0º与180º连线及框架上的偏重块都与钻孔弯曲平面一致，偏重块与180º线同侧。这样0º线必定指向钻孔弯曲方向。 • 0º线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 2. 多点全测仪 • 采用非电量电测法。由罗盘测量的方位角和用悬锤测量的顶角通过电阻（弧形电阻件和环形电阻件）转换成电量。如JJX-2、JJX-3、KXP-1、JX641GA、SJX77、SSJX77和CX-3601等型号。 • 采用直流平衡电桥测量电路，将方位电阻和顶角电阻分别作为两个直流平衡电桥的被测电阻和一臂，电桥的另三个臂连接标准已知电阻，利用可变电阻调节电桥的平衡。 • 可变电阻（平衡电阻）值的变化及所代表的方位角或顶角值，可由地面仪器面板的刻度盘读出。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 • KXP-1型测斜仪适用于46mm以上的非磁性钻孔。仪器的井下探管和地面操作箱用三心电缆连接。 • 测量灵敏系统主要有铝合金框架、方位角、顶角测量系统。测量系统的顶角和方位角电阻与集流环的内环、外环相接。 • 直流电机转动时控制输出端以2r/min的转速控制凸轮，使仪器依次呈现“自由”、“接触”、“锁紧”三种状态。 • 仪器呈“接触”时，全部顶角和方位角电阻接到地面操作箱。 • 呈“锁紧”时，被测顶角和方位角电阻被短路，读出顶角和方位角。 • 在孔内测量时每个状态变换都要停6~8s。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 通讯端口 • 在石油钻井中广泛使用石英挠性电容式加速度计测量顶角(井斜角)。 • 用磁通门传感器测量地磁场强度、地磁倾角、井眼方位和磁性工具面。启动按钮充电电池筒控制部分减震环状态指示灯电源开关电路保护筒 T型头中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 2. 惯性定向法 2.1 陀螺仪工作原理 • 陀螺支撑于自身转轴及内、外环转轴上，三轴垂直正交于与陀螺重心重合点，陀螺具有三个方向的自由度。在无摩擦的情况下，三自由度高速旋转的陀螺在空间的方向保持不变，这个特性称作陀螺仪的定轴性。 • 陀螺还具有进动性，即外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进动，使陀螺轴发生倾斜，因此要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转动，使陀螺轴产生漂移，因此要进行漂移量修正。中国地质大学勘查与基础工程系

定向井 简介定向井和随钻测量技术在油田的应用国内最大的陆上丛式井在384m × 110m的区域内布置了6排42口定向井，丛式井共穿过550个油气层，深达2,046.9m。中国地质大学勘查与基础工程系

简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 海油陆采是在海边的陆地上钻延伸到海上油层的水平井。国内目前最大位移2051.22m。中国地质大学勘查与基础工程系

简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 “阶梯式”水平井(L2-P1) 中国地质大学勘查与基础工程系

简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 泥浆脉冲式MWD用于定向井钻井的举例。中国地质大学勘查与基础工程系

S9-P1井 S-5井芒硝 486m MWD用于对接井采矿举例江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。中国地质大学勘查与基础工程系

电磁波随钻测量（MWD）系统 中国地质大学勘查与基础工程系

简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 四、测斜数据处理 1. 测斜误差的产生与消除 • 测斜目的是求得测点处钻孔顶角与方位的真值。但只能以某种精度逼近。允许误差：顶角±0.5~1°方位角±4~5°。 • 系统误差是仪器本身或测斜方法不正确造成的，服从一定规律。如：零漂和温漂，仪器轴线与钻孔轴线不一致。 • 随机误差是多因素综合影响的结果，多次重复测量的随机误差服从正态分布。 • 缓慢误差是电子元件老化和机械零件内应力变化引起的。 • 疏忽误差是一种显然与事实不符的误差，主要由操作者粗枝大叶或偶然的外界干扰引起的。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 2. 在测斜数据的基础上绘制钻孔轨迹 • 钻孔测斜并非连续测量，每隔25m一个点，轨迹是折线。 • 通常用均角全距法进行计算，即把每一段测斜间距的两组测斜数据的平均值作为该孔段的顶角和方位角值。 • 在计算机已普及的今天，可按式（10-16）快速求出各测点的三维坐标，并绘出钻孔轨迹的垂直和水平投影图。中国地质大学勘查与基础工程系

第三节钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 3.建立矿区（施工区）孔斜规律数学模型 • 在孔斜规律明显的矿区设计自然定向孔是解决孔斜问题的有效途径；如果已知矿区孔斜规律便可预测下一个（批）钻孔的弯曲趋势。中国地质大学勘查与基础工程系

第四节钻孔弯曲的预防与纠正 一、钻孔弯曲的预防 1. 在设计钻孔时应考虑预防钻孔弯曲 1.1 按照地层条件设计钻孔 • 布置钻孔时，尽量使钻孔垂直于岩层层面及岩层走向； • 松软、破碎、厚覆盖层、裂隙及溶洞地层应尽量设计垂直孔。 1.2 按钻孔弯曲规律设计钻孔 • 孔斜规律明显、岩层倾角大、无法垂直钻孔的地层，应利用地层的自然弯曲规律，辅以人工控制弯曲措施，设计“初级定向孔”。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 • 若弯曲规律是方位稳定而顶角偏离，有如下几种设计方法： (1)沿勘探线平移法由o’点开孔打不到靶点a，可在勘探线上后移孔位。过a点引bo’的平行线，与地面交于点o即为后移的孔位。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 (2)增大开孔倾角法当移动孔位受到地形限制，而按原设计又无法钻至预定靶点时，可根据倾角弯曲规律，用增大开孔倾角的方法钻进，γ1是调整后的开孔倾角。 • 若已知钻孔弯曲规律是顶角基本稳定而方位角变化较大时，应按方位角变化规律调整钻孔设计。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 2. 保证安装质量，把好换径关 • 安装地基要平整、坚实、稳固。 • 钻机立轴倾角方向符合设计要求，“三点一线”。 • 孔口管固定牢，方位和倾角符合设计要求。 • 粗径钻具要直，长度要逐渐加长至10m左右。 • 换径带导向的综合式异径钻具。 3. 采用合理的钻具结构钟摆钻具、偏重钻具和满眼钻具等形式的组合钻具对防止和纠正钻井弯曲有明显的效果。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 3.1 钟摆钻具钟摆力（减斜）Fd为：可看出，当钻孔顶角一定时增大减斜力的途径：加大切点以下钻具质量，选用厚壁钻铤；在略高于切点的位置上装一扶正器，提高切点的位置，或增大切点以下钻铤长度来增大钻具质量。此外，采用扶正器还可减小下部钻具的倾斜角和增斜力，从而进一步加大钻具的防斜能力。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 3.2 偏重钻具 • 在普通钻铤的一侧钻一排浅窝造成偏重，回转时产生离心力。 • 偏重钻铤防斜宜用高转速。偏重钻铤尽量接近钻头，钻铤的减重部分距轴线尽可能远。 • 钻铤重边和轻边的质量差为钻铤总重0.5％~5％，偏重钻铤一般9m左右就能起到良好的纠斜作用。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 3.3 满眼钻具 • 满眼钻具由3~5个与钻头直径相近的扶正器和外径较大的钻铤组成，可以增大钻具的刚度减小钻头倾斜角，保持钻具在孔内居中，能限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力。 • 使用满眼钻具时，要注意计算扶正器的安装位置，并经常检查扶正器的磨损情况，一般应保证扶正器与孔壁的间隙小于1mm发挥“满眼”的作用。 • 满眼钻具用于垂孔钻进时，虽然可以消除或限制工艺因素对孔斜的影响，削弱地质因素的促斜作用，但不能完全避免孔斜，属被动垂孔钻进系统。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 二、钻孔弯曲的纠正 1、使顶角下垂的方法 • 在松散、溶洞地层中钻进时，钻具具有自然下垂的趋势。而在其他地层，可采用组合式钻具(钟摆、偏重钻铤)等。 2、使顶角上漂的方法 • 一般具有自然上漂的倾向。采用短岩心管(约为普通岩心管的2/3)，适当加大钻压与水量；钢粒钻进时可选大钢粒、增大投砂量；或采用大直径钻头配小直径岩心管组成塔式钻具，扩大孔壁间隙，促使钻具上漂。中国地质大学勘查与基础工程系

第五节钻孔弯曲的预防与纠正 3、方位角偏斜纠正 • 在钻孔方位顺钻头回转方向偏斜时(右旋)，采取左旋钻具的方法纠正。这种方法对钢粒钻进具有一定效果。 4、对顶角和方位角均有较大偏斜时的纠正 • 采用一般纠斜方式不能奏效时，可在弯曲异常的孔段灌注水泥，然后用导向钻具重新开孔的方法纠斜，此法适用于中硬以上岩层。此外，还可以采用在孔内下偏心楔或用连续造斜器的方法纠斜。 • 这两种方法的详细内容将在另一门课程“定向钻进”中讲授。中国地质大学勘查与基础工程系

第十章 钻孔弯曲与测量