鉆孔彎曲與測量

鉆孔彎曲與測量

本章主要內(nèi)容

1、什么是鉆孔彎曲2、鉆孔為什么會彎曲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)計軌跡。這種現(xiàn)象稱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，從而影響對礦體的評價、構(gòu)造的判斷和儲量計算的精確程度。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。3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第二節(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，這包括下面兩個方面的內(nèi)容：

鉆孔軌跡的基本要素鉆孔軌跡彎曲強(qiáng)度

3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系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)的鉆孔軸線的長度3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系一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(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)鉆孔各個深度上(即測點(diǎn))的頂角和方位角。軌跡上的空間坐標(biāo)計算如下：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—開孔頂角；α—開孔方位角；LA—孔口至測點(diǎn)鉆孔軸線的長度。

3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系二鉆孔軌跡彎曲強(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)：鉆孔軸線單位長度上頂角的變化量；方位角彎強(qiáng)：鉆孔軸線單位長度的方位角變化量；全彎強(qiáng)：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(chǎn)生全彎曲角γ,鉆孔軌跡上A、B兩點(diǎn)的全彎曲角γ可用下式計算：鉆孔全彎強(qiáng)對于校核鉆桿柱工作的安全性和粗徑鉆具入孔的可通過性有實(shí)際意義。也是設(shè)計定向鉆孔軌跡的一個重要參數(shù)。3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(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，鉆桿柱只自轉(zhuǎn)而不公轉(zhuǎn)運(yùn)動。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)，則必定帶動偏倒或彎曲的粗徑鉆具圍繞鉆孔軸線轉(zhuǎn)動，使鉆頭在不同的時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。

3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(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：地質(zhì)因素

技術(shù)因素工藝方面的原因3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(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，只能通過工藝技術(shù)措施來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，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，鉆孔彎強(qiáng)最大。3/23/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察與基礎(chǔ)工程系第三節(jié)鉆鉆孔彎曲曲的原因和和規(guī)律二、鉆孔彎彎曲的原因因地質(zhì)因素軟硬互層鉆孔以銳角角穿過軟硬硬巖層界面面，從軟巖進(jìn)入入硬巖時，由于軟、、硬部分抗破破碎阻力的的不同，使使鉆孔朝著著垂直于層層面的方向向彎曲；而從硬巖進(jìn)入入軟巖時，，則鉆具軸線線有偏離層層面法線方方向的趨勢勢。但由于上方孔壁壁較硬，限限制了鉆具具偏倒，結(jié)結(jié)果基本保保持著原來來的方向；；鉆孔通過硬硬巖進(jìn)入軟軟巖又從軟軟巖進(jìn)入硬硬巖時，最最終還是沿沿層面法線方向延伸伸。鉆孔遇層角角存在著臨臨界值。超過此值時時，鉆孔頂頂層進(jìn)；低低于此值時，鉆孔孔將沿硬巖巖的層面下下滑(俗稱順層跑跑)。這也說明明鉆進(jìn)中粗徑鉆具傾斜斜面方向穩(wěn)穩(wěn)定是客觀觀存在的。3/17/2023中國地質(zhì)大大學(xué)勘察與與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)鉆鉆孔彎曲曲的原因和和規(guī)律二、鉆孔彎彎曲的原因因地質(zhì)因素軟硬互層3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘勘察與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)鉆孔孔彎曲的原因和和規(guī)律二、鉆孔彎曲的的原因技術(shù)因素開孔階段開孔階段引起鉆鉆孔彎曲的技術(shù)術(shù)因素有：鉆機(jī)基礎(chǔ)不平；；鉆機(jī)立軸安裝不不正確；未下孔口管或孔孔口管方向不合合要求；主動鉆桿過長鉆進(jìn)參數(shù)不合理理等開孔階段的鉆孔孔彎曲會影響整整個鉆孔軸線軌軌跡，使鉆孔軌軌跡產(chǎn)生很大的偏差。3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘勘察與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)鉆孔孔彎曲的原因和和規(guī)律鉆進(jìn)階段鉆進(jìn)過程中造成成鉆孔彎曲的技技術(shù)是鉆具的結(jié)構(gòu)和尺尺寸。鉆桿柱為一細(xì)細(xì)長柔性桿件，由于存在在孔壁間隙，在在壓力的作用下下，鉆桿柱將產(chǎn)產(chǎn)生彎曲變形，，產(chǎn)生水平分力，使粗徑鉆鉆具偏倒。所以以，使粗徑鉆具傾倒倒或彎曲的力是是客觀存在的，粗徑鉆具在孔底的偏偏倒角ε決定于孔壁間隙隙b和粗徑鉆具長度度L，即：粗徑鉆具越長，，鉆具的偏倒角角越小，但直徑徑小而長度過大大，剛度不足，，鉆具會被壓彎，即使使孔壁間隙不大大也會使鉆孔產(chǎn)產(chǎn)生較大的彎曲曲。粗徑鉆具的的臨界長度可按下式計算：：3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘勘察與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)鉆孔孔彎曲的原因和和規(guī)律3.工藝方面的的因素鉆進(jìn)方法鋼粒鉆進(jìn)時孔壁壁間隙最大，因因此孔斜最大。。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時時孔壁間隙次之之，一般孔斜中中等。金剛石鉆進(jìn)孔壁壁間隙最小，通通常只有1～3mm，在鉆具剛度足夠夠時，孔斜最小小。鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)鉆壓過大，會造成鉆桿柱柱甚至粗徑鉆具具彎曲，使鉆頭頭緊靠孔壁一側(cè)側(cè)，此時偏倒角可能達(dá)到最最大值，并且鉆鉆具與孔壁摩擦擦阻力增加，鉆鉆具圍繞只圍繞繞自身軸線自轉(zhuǎn)而不作公公轉(zhuǎn)，此時鉆具具傾斜面有固定定方向，從而導(dǎo)導(dǎo)致鉆孔彎曲。。轉(zhuǎn)速過高，鉆桿柱回轉(zhuǎn)離離心力增大，從從而加劇鉆具的的橫向振動和擴(kuò)擴(kuò)壁作用，結(jié)果孔壁間隙增增加。鉆壓過小，轉(zhuǎn)速速過低，則進(jìn)尺慢，效效率低，鉆頭停停留在孔底時間間長，也會擴(kuò)大孔壁間隙，增增加孔斜。沖洗液量過大，特別是在較軟軟的巖層中，液液流會沖刷、破破壞孔壁。使孔孔壁間隙劇增，為鉆具具偏倒、鉆孔彎彎曲提供條件。。3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘勘察與基礎(chǔ)工程程系第三節(jié)鉆孔孔彎曲的原因和和規(guī)律三、鉆孔彎曲的的某些規(guī)律性鉆孔彎曲的規(guī)律律性不是絕對的的，而是表現(xiàn)為為一種趨勢，通通常有以下一些些趨勢：在變質(zhì)巖(如結(jié)晶片巖、片片麻巖等)中鉆進(jìn)時，鉆孔孔彎曲強(qiáng)度大于于在沉積巖（如如頁巖）中鉆進(jìn)進(jìn)時的彎強(qiáng)，更更大于在巖漿巖巖(如花崗巖、輝綠綠巖)中鉆進(jìn)時的彎強(qiáng)強(qiáng)；均質(zhì)巖石鉆進(jìn)的的鉆孔彎曲強(qiáng)度度小于在非均質(zhì)質(zhì)巖石中的彎強(qiáng)強(qiáng)，且?guī)r石的各各向異性程度越越高，則鉆孔彎彎曲強(qiáng)度越大；；層理、片理和軟軟硬互層中鉆進(jìn)進(jìn)，鉆孔朝著垂垂直于層理面、、片理面的方向向彎曲；松散非膠結(jié)巖石石、大溶洞時，，鉆孔趨向下垂垂直位置；鉆遇遇硬包裹體時，，可能朝任意方方向彎曲；層理水平或接近近水平的巖石中中鉆進(jìn)垂直孔時時，即使巖石各各向異性很強(qiáng)，，軟硬不均程度度很大，鉆孔也也不會產(chǎn)生較大大彎曲；孔壁間隙大，粗粗徑鉆具短，鉆鉆具剛度差，則則鉆孔彎曲強(qiáng)度度大；鉆孔頂角小，方方位變化大；鉆鉆孔頂角大，方方位變化小。頂頂角超過30o時，方位趨于穩(wěn)穩(wěn)定，按一般規(guī)規(guī)律方位角彎曲曲往往與鉆具回回轉(zhuǎn)的方向一致致。3/17/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系第四節(jié)鉆鉆孔孔彎曲的的測量及儀器為了隨時時掌握與與控制鉆鉆孔空間間位置的的變化，，預(yù)防與與糾正鉆鉆孔彎曲曲，在鉆進(jìn)中中必須測測量鉆孔孔軌跡各各孔段上上的基本本參素即即：頂角、方方位角和孔深。這一工工作稱為為鉆孔彎彎曲度測測量簡稱稱測斜。。鉆孔彎曲曲的測量量原理包包括頂角測量量原理和方位角測測量原理理，孔深測量量一般只是是借助電電纜（測測繩）或或鉆桿將將測斜儀儀下入到到指定深度來控控制。頂角測量量原理1、液面水水平原理理（氫氟氟酸測斜斜）2、懸錘原原理方位角測測量原理理1、地磁場場定向原原理2、地面定定向原理理3/17/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系一、頂角角測量原原理測量頂角角度必須須符合兩兩個條件件：該角度代代表測點(diǎn)點(diǎn)鉆孔軸軸線與鉛鉛垂線的的夾角；該角角度在鉆鉆孔彎曲曲平面內(nèi)內(nèi)。液面水平平原理（（氫氟酸酸測斜））把20～30％濃度的的氫氟酸酸注入長長度為100～150mm內(nèi)徑為15～25mm的玻璃試管中。。注入量量為試管管長度的的1／3左右。然然后，將將盛有氫氫氟酸的的玻璃試試管裝在特制的的接頭內(nèi)內(nèi)，用橡橡膠塞加加以密封封。用鉆鉆桿將其其下到孔孔內(nèi)待測測位置，，靜止停留15～25min后，提鉆鉆取出試試管。由由于氫氟氟酸對玻玻璃的腐腐蝕作用用，在試試管上留有液液面痕跡跡。根據(jù)據(jù)液面的的高低，，就可算算出頂角角。由于有毛毛細(xì)管的的作用，，試管形形成了如如右圖所所示的蝕蝕痕曲面面。由此此測出的的頂角必須須校正，，按下式式可求出出實(shí)際頂頂角θ：θ=θ′′+E式中θ—鉆孔的實(shí)實(shí)際頂角角，θ′--玻璃試管管上實(shí)測測頂角，，E——校正角為了避免免計算和和校正上上的麻煩煩，可以以利用傾傾斜儀來來直接測測定。第四節(jié)鉆鉆孔孔彎曲的的測量及儀器3/17/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系一、頂角角測量原原理液面水平平原理（（氫氟酸酸測斜））第四節(jié)鉆鉆孔孔彎曲的的測量及儀器3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系一、頂角測量原理理懸錘原理懸錘測量鉆孔頂角角的原理是利用地地球重力場，如下圖所所示。框架可繞a軸靈活轉(zhuǎn)動，b軸與a軸垂直相交，在b軸中點(diǎn)0懸掛一能靈活轉(zhuǎn)動動的弧形刻度盤，，刻度盤轉(zhuǎn)動面與鉆孔彎彎曲平面一致，刻刻度盤因重力作用永遠(yuǎn)下下垂。當(dāng)儀器在垂垂直孔內(nèi)時，刻度盤上的的0o正對準(zhǔn)弧形豎板了了上的標(biāo)線，即頂角角為0o；當(dāng)儀器在傾斜孔內(nèi)時，弧形豎板板傾斜一個角度，，此角度就是鉆孔頂角θ。第四節(jié)鉆孔彎彎曲的測量及儀器懸錘原理測量鉆孔孔頂角示意圖3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系二、方位角測量原原理根據(jù)鉆孔方位角的的定義，方位角的的測量必須滿足兩兩個條件：一是該角度必須是是鉆孔軸線上某點(diǎn)點(diǎn)的切線方向與地地北的夾角；其二該角度必須是是水平面上的角度度。在無磁性干擾或干干擾很小的孔段中中，可利用地磁場場定向原理；在有磁屏蔽(如在在套管內(nèi))或磁干干擾較大(如存在在磁性礦體)的孔孔段中，因?yàn)榇裴樖ザㄏ蛳蚰芰Γ捎玫孛婷娑ㄏ蛟?。第四?jié)鉆孔彎彎曲的測量及儀器3/17/2023中國地質(zhì)大學(xué)勘察察與基礎(chǔ)工程系二、方位角測量原原理地磁定向原理地磁場定向原理是是利用羅盤磁針的的指北特性或磁敏感元件(磁通門)確定傾斜鉆孔的方方位角。因此，測量時羅盤必須處于水平狀態(tài)，并且羅盤上0o線必須指向鉆孔彎曲方向向。為了滿足這些要要求，羅盤的轉(zhuǎn)動動軸應(yīng)垂直于鉆孔彎彎曲平面，并且在在其下部裝有重塊塊，使羅盤保持水平。。此外，羅盤上0o與180o連線及框架上的偏重塊都在框框架的垂直平分平平面內(nèi)(即鉆孔彎曲平面內(nèi))，偏重塊與180o線同側(cè)。這樣一來來，在傾斜鉆孔中180o線必定指向鉆孔彎彎曲方向。此時，，0o線與磁針指北方向的夾角就就是鉆孔的磁方位位角。(如右圖)第四節(jié)鉆孔彎彎曲的測量及儀器地磁場定向原理圖圖鉆孔方位角示意圖圖3/17/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系二、方位位角測量量原理地面定向向原理在地面將將定位方方向傳到到孔內(nèi)各各個測點(diǎn)點(diǎn)。如圖圖，取地面定定位方向向?yàn)镺A，其方位角角為α0，鉆孔彎曲方向?yàn)闉镺B，其方位角角為α1，∠AOB＝α1-α0。若令∠A′O′′B′＝ф，則在鉆孔孔橫截面面上的ф角，即為為終點(diǎn)角角。式中：α-定位與鉆鉆孔傾斜斜方向方方位角差差；ф-終點(diǎn)角；；θ-測點(diǎn)處鉆鉆孔頂角角。該原理應(yīng)應(yīng)用的具具體方法法有鉆桿桿定向法法、環(huán)測定向法法和陀螺螺慣性定定向法。。第四節(jié)鉆鉆孔孔彎曲的的測量及儀器地面場定定向原理理圖鉆孔方位位角示意意圖3/17/2023中國地質(zhì)質(zhì)大學(xué)勘勘察與基基礎(chǔ)工程程系陀螺定向向原理陀螺定向向原理是是利用陀陀螺馬達(dá)達(dá)高速旋旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)產(chǎn)生的定軸特性性來測量量方位角角的?？煽捎糜诖糯判缘V體體和磁屏屏蔽情況下下測量鉆鉆孔彎曲曲度。如圖，高高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)陀螺支支撐于自自身的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸及內(nèi)內(nèi)、外環(huán)的轉(zhuǎn)軸軸上，三三軸在空空間相互互垂直正正交并交交于一點(diǎn)點(diǎn)，該點(diǎn)與陀陀螺的重重心重合合，使陀陀螺電機(jī)機(jī)具有三三個方向向的自由度度。三自自由度高高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)的陀螺螺轉(zhuǎn)子軸軸，在軸軸承無磨擦擦的情況況下，在在空間的的方向保保持不變變，這個個特性稱作作陀螺儀儀的定軸