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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





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岩土钻掘工程学

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。
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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。
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? 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。
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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。

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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。

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第二 节 钻孔弯曲的原因和规律
一、钻孔弯曲的条件

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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。
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第二节 钻孔弯曲的原因和规律
二、钻孔弯曲的原因

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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45?时, 钻孔弯强最大。
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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。

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第二节 钻孔弯曲的原因和规律
1.2 软硬互层

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? 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。
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第二节 钻孔弯曲的原因和规律
地质因素——软硬互层

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第二节 钻孔弯曲的原因和规律

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? 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。

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第二节 钻孔弯曲的原因和规律 2. 技术因素
2.1 设备安装

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? 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:

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第二节 钻孔弯曲的原因和规律
2)钻头唇部形状

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? 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。
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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。

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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 2 Dc ? D1 ? D ? ? sin ?1 2L ? 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。
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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?

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? 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↑。
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第二节 钻孔弯曲的原因和规律

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? 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。?
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第二节 钻孔弯曲的原因和规律

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(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。

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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。

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? 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。
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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。

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? 当仪器在垂直孔内时,刻度盘上的0? 对准弧形竖板的标线顶角为0? ;
? 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。

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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

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? 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。

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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0? 线必须指向 钻孔弯曲方向。

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? 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0? 与 180? 连线及框架上的偏重块都与钻孔弯曲 平面一致,偏重块与180? 线同侧。这样0? 线必定指向钻孔弯曲方向。 ? 0? 线与磁针指北方向的夹角就是钻孔的磁 方位角。
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第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理 2. 多点全测仪?

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? 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CX3601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。
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第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理

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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。

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第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理
启动按钮 充电电池筒 通讯端口

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控制部分

减震环

? 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)。

状态指示灯 电源开关 电路保护筒

? 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。

T型头

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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。
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简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学
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定向井

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。 2013-7-12

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简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学
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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。
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简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学
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“阶梯式”水平井(L2-P1)
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简介定向井和随钻测量技术在油田的应用 岩土钻掘工程学
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MWD 系统 MWD
泥浆脉冲 式MWD 用于定向 井钻井的 举例。

工作房 操作间

脉冲
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MWD用于对接井采矿举例
S9-P1井 S-5井

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芒硝 486m
江苏开采芒硝的两井之间在2629m处连通。
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电磁波随钻测量 (MWD)系统

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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?

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? 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。
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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?

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? 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。

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第三节 钻孔弯曲的测量仪器与数据处理

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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。

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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

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? 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”。

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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。

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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。

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? 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。

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第五节

钻孔弯曲的预防与纠正

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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。

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第五节

钻孔弯曲的预防与纠正

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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。
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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。

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第五节 钻孔弯曲的预防与纠正
3.3 满眼钻具

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? 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。
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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

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? 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。

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第五节 钻孔弯曲的预防与纠正
3、方位角偏斜纠正

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? 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。
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