定向钻进原理与应用.ppt

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1、定向钻进原理与应用,课 时：30 学时教 材：受控定向钻探技术 参考书：钻孔弯曲和定向钻探 定向钻进工艺原理 定向钻井.等主讲人：蒋国盛（教授）吴翔（副教授）勘查与基础工程系 2005-3-28,课程简介,1、该课程是安排在岩土钻掘工程学课程之后讲授的一门实用性专业新技术类的课程。课程以岩土钻掘工程学为基础，是岩土钻掘工程学相关内容的深化，涉及到设计计算、机械、电子仪器、测试技术等内容，要求学生具有专业基础和专业课知识。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,2、课程计划课时。根据新一轮教学计划，课程为30课时，对涉及到岩土钻掘工程学等课程的基础性内容（如钻孔弯曲、测斜原理、防斜机理等）

2、一般不作详细讲解，重点讲授以下三个方面的内容。（1）钻孔轴线空间坐标计算及定向钻孔轴线轨迹设计。（2）人工弯曲工具（造斜工具）的作用原理及受控定向钻孔施工工艺。（3）人工弯曲工具在孔内的定向原理及仪器。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,教材及参考书,1、教材：受控定向钻探技术，江天寿等编，地质出版社。该书侧重于技术方法的应用，理论与实际结合，收集了大量的实践性公式与数据，对该技术在实际工程中的应用具有较高的指导意义和参考价值。缺点：基本概念及有关理论讲解不透，逻辑性较差。2、参考书：钻孔弯曲和定向钻探、定向钻进工艺原理，吴光琳，成都科技大学，理论性较强。定向钻井.（英）石油工业出版

3、社，国外石油定向钻井。,学习要求,1、加强课堂纪律。2、按要求完成相关内容的自习和作业（设计与计算）。3、考核方式：闭卷考试。,第一章 概述,一、定向钻探与定向钻孔 二、受控定向探技术中的主要技术经济问题,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（一）定向钻探技术发展背景。地质勘探的一般方法：区域地质调查物探与化探钻探普查布置勘探网进行钻探详查和详勘定点取样，提交矿床报告。常规钻探方法：根据地质或设计部门的要求设计钻孔位置、深度、轨迹形式，一般是各种类型的直线孔（垂直孔居多，也最合理）进行钻孔技术方案设计提出弯曲度等技术要求施工时，采取防斜、保直措施保证钻孔达到

4、勘探要求。我国7080年代对钻探普查的规范：孔斜1.52.0/100m。这也是根据当时的钻探技术水平而制定的。其精度到底如何？能否满足现代钻探与钻井的要求？,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,每百米2.0钻孔的水平偏距如下：由表中可知：钻孔精度很低，浅孔钻探尚可满足要求，中深孔则偏距过大。在一些极易造成孔斜的地层，有时每百米2.0的要求往往也难以达到，造成孔斜超差，钻孔报废。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,随着钻探与钻井工程向深部的发展，对勘探精度要求的不断提高，1.5 2.0/100m已不能满足要求，设计部门提出

5、了0.5/100m的要求，常规钻探技术要达到这一要求是非常困难的，钻探技术中研制了种类繁多的防斜、稳斜机具，取得了一定的成效，但仍然无法从根本上解决这一技术问题。7080年代，随着我国的改革开放政策，机械、电子、测试、材料加工等技术的发展，研究、引进和开发受控定向钻进技术取得了巨大的进展，利用地层自然弯曲规律钻孔和采用人工强制手段改变钻孔轨迹在此基础上迅速发展起来，钻探与钻井工程由过去的被动防斜转变为主动地人为控制，实现了钻探史上的一次飞跃。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（二）国内外定向钻进技术的发展状况 1、国外定向钻进技术的发展状况。国外定向钻进

6、技术研究始于20年代，由于钻孔弯曲引起地租界争议，1924年美国A安德森(Anderson)设计了测斜仪。1929年，他测量记录255口井的空间位置，发现深度2000m的钻井水平位移竟达177m，井斜角(顶角)超过65。稍晚，在俄克拉荷马(Oklahoma)油田两台钻机施工的两口井井身相遇，结果钻到同一井中。这是从用顿钻打井改为用转盘钻井之后，人们首次意识到井弯的严重性，并想方设法采取对策纠正井斜。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（二）国内外定向钻进技术的发展状况 30年代前后，苏联卡彼柳什尼柯夫（)和美国沙彭伯格(Scharpenberg)几乎同时研

7、究涡轮钻。由于勘探海底油田，有意识地利用或制造井弯现象，打定向井采油。才促进了定向钻进技术的发展。1930年，美国在加里福尼亚(California)亨廷顿海滩（Huntington Beach）施工了两口深入海底的定向井。1934年，苏联在巴库()也开始从海岸向近海底部打定向井，勘探里海海滨下方的油田。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,1941年后，二次世界大战刺激石油需求量增加，石油开发投向海底。在海滨向海底打定向井，建海上平台钻丛式井。到1957年，完成了100多万米多井底井。1956年，美国施密斯工具公司 研制了螺杆钻，60年代用于定向钻井。70

8、年代，在深井定向钻进中，西方国家广泛采用螺杆钻。80年代，为准确控制定向井井身轨迹，普遍采用随钻测量技术，即MWD(Measurement While Drilling)技术。在钻井过程中可即刻了解井身的空间位置和造斜工具的面向。井底马达、随钻测量技术和计算机辅助钻进CAD(Computer Aids Drilling)技术的应用，使石油天然气定向钻井达到成熟的阶段。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,2、我国定向钻进技术的发展 我国定向钻进始于50年代。1956年，玉门油田钻成第一口定向井，1962年起，四川油田进行了多种型式的涡轮钻定向钻进试验。70年

9、代以来，我国海洋定向钻井迅速发展，在渤海湾海面打丛式井，在一座钻井平台上施工多达12口定向井。除涡轮钻外，还用螺杆钻作为造斜工具。19771982年，全国共完成定向井316口，平均井深2478.9m。1982年，在新疆柯克亚地区施工了柯10-3救援井，井深3820m，最大井斜角1945，距靶心最小距离为4.78 m，在井底进行爆炸后，压入泥浆才把火扑灭。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,2、我国定向钻进技术的发展 自1986年，通过攻关及推广，各油田“七五”期间钻各类定向井4317口，掌握了定向井、丛式井优化设计技术及计算机软件包，包括丛式井开发油田平台

10、数和平台位置的优化设计技术，三维绕障井和三维多目标井设计技术。“八五”期间，重点攻关“石油水平井钻井成套技术研究”，到1997年钻成长、中、短半径三类水平井共153口，掌握了水平井井眼轨迹优化设计方法，建立了水平井下部钻拄大挠度受力分析模型，以及水平井井眼轨迹预测模型，定向钻进技术总体上达到了90年代国际先进水平。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,通过研究与引进，我国石油勘探部门基本上拥有了国外专用于定向井的先进工具、仪器，如无线随钻测量仪、有线随钻测量仪、单点陀螺测斜仪、磁性单点和多点井下照相测斜仪、井下动力钻具等。北京石油勘探机械厂和大港石油机械厂还

11、引进了美国斯密斯公司戴纳螺杆钻具制造技术。西安仪器厂引进单、多点测斜仪与MWD生产线，生产的MWD测量仪已用于钻井作业，可以满足国内需要。另一方面依靠国内力量，自行研制新型工具，实现机具国产化，定向钻进机具装备水平不断提高。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,二、定向钻进与定向钻井（孔）的含义 1、定向钻进的含义 石油钻井中对定向钻进技术的定义为沿着预先设计的井眼轴线钻达目的层位的钻井方法。地质勘探中对定向钻进技术的定义是指利用钻孔自然弯曲规律或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种钻进方法。国外有文献认为是为了钻达到一个预定的地下目标

12、，使井眼在特定方向偏斜的工艺和科学。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,定义的内涵本质 定向钻进是有预定目标的，根据设计要求，该目标可以是地下某一点，也可以井眼轴线或特定方向和角度；采用一些科学的人为可以控制的技术方法与机具有目的地将井孔轴线由弯变直或由直变弯，使之钻达到目标要求。2、定向钻井（孔）的含义。定向钻井是指用定向钻进方法控制井孔轨迹钻到预定目标的钻井。它与常规钻井的区别：定向钻井设计有特殊的轨迹，钻进中必须研究和利用地层自然弯曲规律、井眼控制理论或人工造斜工具控制井眼轨迹，最终钻达预定目标要求。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一

13、节 定向钻探与定向钻孔,3、关于“靶区”与“靶点”的含义 为了控制定向井轴线到达预定目标时偏离不大，在定向井设计时，对预定目标事先规定了一定的范围，该范围是井孔轴线到达预定目标时的允许偏差区域，称为靶区。靶区的形状和大小可以是以靶点为圆心的一定半径的圆或圆筒，也可以是以靶点为中心，离靶心一定偏线距和沿线距的距形或正方形。目的层急倾时，靶区还可给定在垂直面或目的层倾斜面上。预定的目标为靶点，一般为靶区的中心。井孔轴线钻到预定靶区称为“中靶”，反之则称之为“脱靶”。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,三、定向钻孔的类型（一）按施工技术方法分类 1、自然弯曲定向

14、孔。利用地层在一定钻进条件下的自然弯曲规律设计钻孔轴线，通过移动孔位或改变开孔顶角、方位角，采用常规钻进技术工艺，必要时利用井斜控制理论辅以一般的增斜、减斜措施，达到基本按设计的钻孔轴线钻达目的层的钻孔。自然弯曲定向孔又称初级定向孔。2、人工弯曲定向孔。采用人工造斜工具与技术强制进行人工弯曲，并克服钻孔自然弯曲的影响，或者利用钻孔自然弯曲规律与人工造斜工具强制进行人工弯曲相结合，使钻孔按设计轨迹钻达目的层的钻孔。又称受控定向孔。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（二）按设计井眼轴线形状分类 1、两维平面定向井。是指井眼轴线轨迹只在某个铅垂平面（水平平面）

15、上变化的定向井，井斜角（方位角）是变化的，而方位角（井斜角）是不变的。2、三维定向井。指井眼轴线轨迹在三维空间中变化的定向井。井眼轴线可以是任意三维空间内，也可以在三维空间的某个倾斜平面上。既有井斜角的变化，又有井斜方位角的变化。轨迹型式有曲线型、折线型、直线与曲线的多种组合。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（三）按设计最大井斜角分类 1、低斜度定向井。设计的最大井斜角不超过15，这种定向井由于井斜角小，钻进时方位不易控制，钻井难度较大。2、中斜度定向井。设计最大井斜角在15一45之间，钻进时井斜、方位较易控制，钻进难度相对较小，是使用最多的一种。3、

16、大斜度定向井。设计最大井斜角在46一85之间，其斜度大，水平位移大，增加了钻进难度和成本。4、水平井。井斜角在86一120之间，并沿(近)水平方向钻进一定长度。水平井钻进较难，需要特殊设备、钻具、工具、仪器以及特殊工艺。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,4、水平井。根据增斜段的曲率半径，水平井又可细分为长、中、（中短）、短四种曲率半径的水平井。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（四）按钻井井底结构分类 1、单底定向井（孔）。只有一个主干井眼的定向井。2、多底定向井（孔）。主干井(首先完成的钻井)钻进后，再从主干井内

17、开出其他分支井的定向井。它又分一级和多级分支定向井。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（1）一级分支定向孔。所有分支孔从同一主孔分支。a平面型一级分支定向孔。如单向羽状孔、双向羽状孔。b空间型一级分支孔。支孔从主孔按任一选定顺序向几个方向弯曲到达预定目标，它又称空间型集束孔。（2）多级分支定向孔。主干孔中有分枝孔，分枝孔中再有分支孔。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,（五）按一个井场或平台钻井数分类 1、单一定向井。2、双筒井。用一台钻机交叉作业，同时钻出井口相距很近的两口定向井。3、丛式井(组)。凡在一个井场或平

18、台上，有计划的钻几口或几十口定向井和一口直井，这些井统称丛式井(组)。随着定向井技术的发展，定向井的种类不断呈现更加丰富的内容。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,四、定向钻进技术的应用范围（一）在石油、天然气钻井工程中应用 1、在海洋钻井平台上钻丛式定向井。控制较大面积的油气构造。生产设施集中在平台上，节省建造平台费用。2、勘探和开发近海岸油气田。使钻井定向弯曲，钻达海底油气层，节约海上钻井平台的建设费用(图13，B)。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,3、用定向井控制断层，查明油水界面或断层面的位置(c)。4、避

19、开地表障碍物，勘探和开发障碍物下方的油气田。5、纠正已斜的井眼或绕过井内落鱼而进行侧钻。6、打定向井探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、钻井液漏失和腐蚀等问题。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,7、井喷无法处理或油气井失火，钻定向救援井与原井衔接控制井喷或扑灭火灾(图13，F)。8、钻大斜度井或水平井，防止气锥和水锥问题；增加井眼在产层中的延伸长度；增大平台的泄流面积，在裂缝性油藏能钻遇多条裂缝，提高单井的产量。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向

20、钻孔,（二）在固体矿产地质勘钻探中的应用1、钻孔纠斜。当钻孔孔斜超过地质规定时，采用定向钻进技术进行定向纠斜，挽救钻孔免于报废。2、补取岩矿心。当钻孔岩矿心采取率未满足地质规定要求或打丢矿层时，侧钻或偏斜钻进补取岩矿心；3、偏斜钻进绕过事故孔段或复杂的地质孔段如地下大溶洞、老窿或坑道等。4、在钻孔自然弯曲严重的矿区，利用自然弯曲规律施工初级定向孔。5、在地表开孔地理位置有陡山、建筑物、沼泽、湖泊、河流、森林等限制条件时，修路、机台设置、搬迁安装极为困难，设计定向孔可避开上述障碍。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,6、矿体埋藏较深，覆盖流砂、卵砾石层钻进困

21、难；或上部岩层严重漏失，坍塌；或岩石非常坚硬，钻进效率极低，可用垂直倾斜定向孔代替斜孔施工，或采用分支孔钻进，避免多次重复穿过复杂地层，改善钻进工艺条件。7、勘探陡斜矿体或平行矿脉时，施工单底定向孔或羽状分支孔，可以增大钻孔遇层角，获得代表性强的地质资料，并减少钻探工作量。8、勘探网度较密，从地表施工钻孔时，孔斜容易超过允许弯曲度，在此种情况下，可打分枝定向孔，以保证钻探质量，节约钻探工作量。9、矿床补充勘探。矿区勘探相邻钻孔揭露目的层的间距超出勘探级别要求时，采用受控定向钻探技术，在相邻两钻孔之间补充勘探，满足勘探网距精度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向

22、钻孔,（三）在其他工程上的应用1、供水井。钻多孔底定向井多次穿过含水裂隙或沿含水裂隙钻单孔底定向井，可增加出水量。2、开发地壳深部“干热岩”体的能量。钻两口定向井，用水力压裂法使两井连通，形成一个地下热仓和封闭回路，用口井向下注冷水，干热岩将冷水加热，另一口井抽出高温蒸气进行发电。3、在城市建筑物、道路及江河等地，钻定向孔非开挖铺设电缆或管道。4、在矿山工程中，钻高要求的垂直孔，如坑道通风孔、处理水淹坑道的垂直孔，要求钻孔垂直进入靶区较小的坑道内。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,5、在矿山竖井预定井位，施工高精度定向孔，了解地下岩层水文地质与工程地质情

23、况，确定是否适宜在该处建井。6、用于竖井注浆孔。在流砂和其他不稳定含水层掘进竖井是一项极复杂、危险和昂贵的工程。竖井周围岩石需进行预先加固，为此在竖井周围可钻丛式孔，钻孔密集排成圆圈，用钻孔灌浆或用冻结法加固钻孔。要求钻孔严格保持垂直，或者钻孔上部为垂直段，下部定向进入竖井井简圈的一定圈径范围。7、在煤层中钻定向排放孔抽瓦斯，保证采煤时的安全。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 定向钻探与定向钻孔,8、对接孔采盐。过去，在钻孔采盐时，一直采用单井对流水溶采卤法，这种采卤技术存在较多缺点，如矿产回采率不足20，卤井寿命短，产量低，采出的卤水浓度低而且不稳定等。双井对接连通水溶采

24、卤可克服上述一系列缺点。数十年来，盐业系统探索了几种使两井能连通的方法(压裂法，自然溶通法等)，但并不是很理想，采用定向钻进技术实现两井对接、三井对接甚至更多的井眼对接，极大地提高采盐卤水量。9、地下核爆炸试验后，为了快速有效而安全地取样，必须采用定向钻进和设计定向孔，快速准确钻到地下核爆炸区域取样。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 受控定向探技术主要技术经济问题,地质勘探中，高精度受控定向钻探技术相对较困难和复杂，特别是地质钻孔的孔径小，在某些方面比石油定向钻井的难度还大。施工高精度地质受控定向孔，需要研究解决的技术经济问题主要有以下几个方面。1、研究钻孔自然弯曲的原因、

25、规律，预防或利用的有效方法。2、精确测量钻孔空间位置的仪器。3、快速、准确地设计和计算定向孔轴线轨迹。4、高效、可靠地人工造(纠)斜工具，即可改变钻孔顶角，也可改变钻孔的方位角。5、准确、快速、可靠的定向器具。6、定向孔技术、经济效益的合理评价。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 受控定向探技术主要技术经济问题,其中的主要技术关键是：1、根据已知地质条件，合理地设计定向钻孔轴线轨迹。2、能可靠地控制人工弯曲工具改变钻孔轨迹，且造斜强度稳定、可调。3、能准确、可靠地对造斜工具定向和测量钻孔的顶角，方位角。,第二章 定向钻孔轴线轨迹的设计计算,一、钻孔轴线及其有关参数 二、钻孔轴

26、线空间位置计算 三、定向钻孔设计的原则、内容和方法四、初级定向钻孔轴线设计 五、受控定向钻孔轨迹设计,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,一、钻孔轴线 钻探与钻井工程中，各类钻孔（或钻井）的特征通常是在空间用一条线来描述，这条线代表钻孔轴线，是钻孔轴线的轨迹线，所以，我们把表征钻孔空间形态的轨迹线称之为钻孔轴线。l、设计钻孔轴线。钻孔施工前，根据地质目的、工程要求和施工条件，对所要施工的钻孔进行轴线轨迹设计并绘制出设计轴线的轨迹。设计钻孔轴线一般是采用数学的原理设计成各种连续的轨迹线，一般为直线、曲线的不同组合。设计钻孔轴线要能达到工程目的要求，且在工程施

27、工中容易被实现，对钻孔施工起指导作用。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,2、实际钻孔轴线。钻头沿孔底破碎面中心移动时形成的点的实际几何轨迹。实际钻孔轨迹十分复杂，不可能与设计轴线完全吻合。只能是与设计钻孔轴线接近。由于实际钻孔轨迹是由无穷多个点连续组成，轨迹点空间位置的连续测定极为困难，也没有必要（即使测量也有误差），因而实际钻孔轴线是无法绘制的，它仅具有抽象意义。3、与实际近似的钻孔轴线。对钻孔轴线有限点进行测量和计算，并以测量计算的数据为依据，用直线或曲线的形式描述钻孔轴线在空间的形态变化。它并不是实际钻孔轴线，仅与实际钻孔轴线近似，但却具有实用意

28、义。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,二、钻孔轴线空间要素（参数）钻孔轴线的空间形态可以用轴线上的一些参数来表征。定向钻孔轴线的空间要素包括：钻孔轴线上各点的顶角、方位角和孔深，靶点的垂深和水平位移，曲线段的曲率或弯曲强度，以及钻孔轴线的遇层角等。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,（一）确定钻孔轴线空间位置的几何参数 1、顶角（井斜角）轨迹上某点的顶角是该点的切线与铅垂线之间的夹角，一般用表示。2、方位角 钻孔轨迹上某点的方位角是该点的切线在水平面上的投影与真北方向之间的夹角，一般用表示，并且从真北方向开始按顺

29、时针方向计算。3、孔深 孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,根据钻孔轨迹的基本要素，就可以利用一定的计算方法，求出轨迹上每一点的空间坐标。A点的水平距=X0、Y0、Z0孔口坐标；XA、YA、ZA钻孔轴线A点的坐标；、钻孔轴线的顶角、方位角；孔口至测点A钻孔轴线的长度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,（二）表征钻孔轴线弯曲程度的参数 当钻孔弯曲时，用弯曲强度或曲率、曲率半径来表征钻孔弯曲的强烈程度。1、弯曲强度 钻孔弯曲强度是指钻孔轴线单位长度上顶角或方位角变化的度

30、数。当钻孔轴线只有顶角变化时,用顶角弯曲强度表示，当钻孔轴线只有方位角变化时，用方位角弯曲强度表示，当钻孔轴线即有顶角变化，又有方位角变化时，用全弯曲强度表示。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,（1）顶角弯曲强度：（2）方位角弯强：,式中：,A、B两点的钻孔顶角，()；A，B A、B两点的钻孔方位角，()；,A、B两点的孔深，m；,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,（3）全弯曲强度：如果某一孔段既有顶角又有方位角变化，则产生全弯曲角。,全弯曲角如图所示,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线

31、及其有关参数,根据图形和公式：只要已知钻孔轴线上变化前后的顶角与方位角，就可求出该段轴线对应的全弯曲角。是全弯曲角 的水平投影角，只要已知空间角 的两邻边与铅垂线BO的夹角、空间角 在水平面的投影角（），就能求出全弯曲角。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,2、曲率（K）与曲率半径（R）曲率是钻孔轴线弯曲强度的另一种表述形式，定义与弯曲强度相同，单位为弧度。弯曲强度、曲率与曲率半径是定向钻孔设计计算时常用的参数。其相互间的关系为：,曲率半径（R）为：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,（三）靶点垂深（H）与水平位移

32、（S）1、靶点垂深：定向钻孔的靶点相对于开孔点的垂直深度。2、水平位移：定向钻孔的靶点相对于开孔点的垂直深度。靶点垂深与水平位移是定向钻孔轴线轨迹设计的主要依据。（四）钻孔轴线的遇层角（）固体矿床勘探，尤其是产状陡斜、形态复杂的矿体，往往 对钻孔轴线穿过矿体时的遇层角有所要求，以使取出的矿心有较好的代表性。钻孔轴线遇层角：钻孔轴线在遇层点（靶点）的切线与其在层面上的射影所夹的锐角。一般过矿层遇层角不应小于30。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,1、钻孔轴线靶点处的切线方向与矿层倾向平行时（1）钻孔轴线的方位与矿层倾向相反时：设：钻孔轴线靶点处的顶角为，

33、矿层倾角为，钻孔轴线遇层角为则：，若已知矿层倾角为和钻孔轴线最小遇层角为，求钻孔轴线满足要求的最小入矿顶角为则：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,1、钻孔轴线靶点处的切线方向与矿层倾向平行时（2）钻孔轴线的方位与矿层倾向一致时：若已知矿层倾角为 和最小遇层角为，求钻孔轴线满足要求的最小入矿顶角则：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第一节 钻孔轴线及其有关参数,2、当钻孔轴线的切线方向与矿层倾向不平行时（任意方向入矿）如图，BC为钻孔轴线靶点 处的切线，C为靶点，入矿顶 角，CD为BC在矿层平面上的 射影，FC为BC在水平面上的 投影，矿层倾

34、角为，遇层角，设 为钻孔轴线方位角与矿层反倾 向方位角的差值，可以推导出 遇层角 的计算公式为：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,第二节 钻孔轴线空间位置计算 钻孔轴线空间位置计算的基本原理：将钻孔轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一小段钻孔轴线看作为直线或曲线进行叠加计算。钻孔轴线空间位置的计算方法：现行的计算方法主要有全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半径法和最小曲率法。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,一、空间坐标系的建立 1、相对地理坐标系：孔口为原点，X轴正向指向地理正北（与磁北

35、间有磁偏角，东磁偏角 和西磁偏角），Y轴指向地理正东，Z轴铅垂指向地心。在此坐标系下，将磁方位角修正为地理方位角。，将孔口的绝对地理坐标叠加到计算出的各点相对坐标值上，相对地理坐标就转变为绝对地理坐标。2、相对勘探线坐标系：孔口为原点，X轴正向指向勘探线方位（一般是磁方位角），Y轴顺时针旋转90度，Z轴铅垂指向地心。在此坐标系下，将方位角减去勘探线方位，计算的坐标为相对勘探线坐标。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,二、钻孔轴线空间位置计算（一）全角半距法1、计算模型（1）将相邻两测点之间的孔段看作为直线；（2）该直线的顶角、方位角是每段直线下端点的顶角

36、、方位角；（3）整个钻孔轴线是直线与直线相互连接的空间折线。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,2、计算公式 式中：上测点钻孔轴线坐标；下测点钻孔轴线坐标；上，下测点钻孔轴线长度；下测点钻孔顶角，磁方位角，（）；当选择坐标系为地理坐标系时，为当地的磁偏角；当选择坐标系为矿区相对坐标系时，为勘探线方位角。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,3、计算方法特点（1）计算方法极为简单、方便。（2）将两测点间的钻孔轴线看作为直线，且直线的顶角、方位角是下端点的顶角、方位角，极不合理。（3）在增斜段计算的水平位移偏大，垂直深度

37、偏小，而在减斜段则相反，计算误差很大。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,（二）全角半距法 1、计算模型（1）相邻两测点间的钻孔轴线为两段直线连成的折线。折线中每段直线的长度等于两点间钻孔轴线长度的一半。（2）上半段直线用上测点的顶角、方位角，下半段直线用下测点的顶角、方位角。（3）整个钻孔轴线是一条折点更多的折线。其实质是把弧型孔段用两点的切线来代替。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,2、计算公式式中：上测点钻孔顶角，磁方位角；其他符号意义同上。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间

38、位置计算,3、计算方法特点（1）计算较为简单。（2）两点间的钻孔轴线分段更小，且综合考虑了上下两测点的顶角、方位角。（3）上、下两测点顶角对轨迹计算所引起的误差起相互补偿的作用，结果误差较小。特别是在钻孔弯曲曲率半径较大时有较高的精度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,（三）均角全距法 1、计算模型（1）将相邻两测点间的钻孔轴线看作为直线。（2）该直线的顶角、方位角分别为上、下两测点的顶角、方位角的平均值。（3）整个钻孔轴线仍是直线与直线连接的折线。其实质是以弦代弧。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,2、计算公

39、式 式中符号意义同上。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,3、计算方法特点（1）此法比全角全距法稍复杂一些，但比全角半距法简单，是现场手算常常采用的方法。（2）以上、下两测点顶角、方位角的平均值作为轴线的计算角度，降低了增斜段和减斜段水平水平位移、垂直深度的计算误差。（3）在测点间距较大、曲率半径较小时有一定误差。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,（四）曲率半径法（行进曲线法）1、计算模型（1）将相邻两测点间的钻孔轴线看作为直立圆柱面上的一条弧线。（2）弧线的展开，弯曲强度是定值，即顶角弯曲强度是定值。（3）整个

40、钻孔轴线仍是空间不同曲率圆弧组成的弧线。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,2、计算公式推导 如图示，A、B是孔身轨迹上相邻的两个测点，A、B是其水平投影。AB孔段在垂直平面上的展开线呈圆弧形，弧长等于测程L，顶角从 变化到。而孔段的水平投影也呈圆弧形，方位角 由变化到。假定顶角弯强为定值，而方位角弯强和全弯强则不断变化，则AB孔段的计算公式如下：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,孔段在垂直平面展开图上：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,在水平投影图上：的曲率半径；,20

41、23/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,上的弧微分ds在X轴上的投影为dx,全段弧在X轴上的投影为,同理可证：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,根据上式，应用曲率半径法计算整个钻孔轴线轨迹坐标的 一般公式为：,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,3、计算方法特点（1）将两测点之间的孔身轨迹看作是圆弧，比较切合实际，计算误差较小。（2）计算方法复杂，手算时速度慢。几种特殊情况：（1）若，则钻孔轴线为垂直孔，坐标不变。（2）若；时，R趋于无穷大是直线，r仍是曲线。（3）若；时，R、r 都趋

42、于无穷大，是直线。（4）若；时，R是曲线，r 趋于无穷大是直线。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,（五）最小曲率法 1、计算模型（1）将相邻两测点之间的钻孔轴线轨迹看作为空间某个平面上的一条圆弧线，并且具有最小曲率。（2）圆弧在空间全弯曲强度不变是定值，顶角弯曲强度和方位角弯曲强度则可能是变化的。（3）整个钻孔轨迹则是圆弧组成的空间曲线。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,2、计算公式推导 如图示，A、B是轨迹上两个相邻测点，它们在同一倾斜平面内，全弯强是定值。最小曲率法与全角半距法有相似之处，计算AB孔段对应的

43、坐标变量可以借用全角半距法公式进行计算，但全角半距法是将钻孔轴线看作折线AC和CB来计算的，而最小曲率法是将钻孔轴线看作为圆弧 来计算的，因此，必须在全角半距法公式中引入将折线 AC、CB 圆化为 的修正系数KS，该系数又称圆化系数。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,式中：钻孔轴线相邻两测点孔段的全弯曲角，（弧度）其他符号意义同上,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,最小曲率法计算整个钻孔轴线轨迹坐标的一般公式为：,3、计算方法特点（1）此法的假定条件具有广泛的代表性，它特别适合于人工连续造斜时孔身轨迹的空间状态。

44、（2）计算精度高。缺点是计算手续麻烦，不便采用手算。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第二节 钻孔轴线空间位置计算,作业：某钻孔弯曲度测量数据如下表，已知区域为西磁偏角3.5度，试用三种计算方法计算钻孔轴线各测点处的相对地理坐标。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法 一、定向钻孔设计的一般原则(一)满足定向孔施工目的和要求 1、根据定向孔目的、用途选择合适的定向孔类型与钻孔轨迹形式。如勘探埋藏深的急倾斜矿体宜设计垂直平面弯曲型单向羽状分枝定向孔；详勘埋藏深的水平或缓倾斜矿体宜设计空间型集束孔；灭

45、火井要准确钻达“靶心”，宜设计井身轨迹严加控制的单底定向井；绕过孔内事故孔段只需在事故孔段上部偏斜开出新孔能代替原孔即可。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,2、严格按照孔口位置、靶点位置、靶区范围、见矿遇层角等要求设计定向孔轴线。一般情况下，遇层角不应小于30。靶区的设置包括靶点位置、靶区形状和大小，主要与勘探网度、矿体产状有关。靶区范围一般取靶点的偏线距、沿线距、偏高距分别为线距、孔距或标高距的14一l5。靶点一般定在主矿层的中点，也可定在见矿点和出矿点。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,

46、（二）选择合理的钻孔轴线的设计顺序 1、单孔轴线的合理设计顺序。如开孔点或分支点已定，设计时应从上往下，即从开孔点逐段推移到靶点。如开孔点或分支点未定，设计时一般应选择从下往上，即从靶点逐段推移确定至开孔点。2、多孔底钻孔主孔和分支孔的合理设计顺序。其原则是先主（干）孔，后分支孔。3、分支孔的合理设计顺序。当选用“从下往上”的顺序施工多孔底钻孔时，分支孔应从下往上顺序设计(先设计、施工主干孔1，然后设计施工分支孔2，之后是分支孔3)。当必需选用“从上往下”的顺序施工多孔底钻孔时，分支孔应从上往下顺序设计(321)。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和

47、方法,（三）充分利用地层的自然弯曲规律 人工造斜成本较高。设计定向孔时，应充分利用地层的自然弯曲规律，顺其自然。钻孔自然弯曲利用的基本原则是：1、在钻孔自然弯曲规律比较明显的矿区，如果定向钻孔精度要求不高，应尽量设计施工初级定向孔。2、单底定向孔设计时，钻孔方向应尽可能顺自然弯曲方向设计，孔身轨迹及人工造斜段的造斜强度应充分考虑地层的自然弯曲强度。3、设计“从下往上”顺序施工的多孔底钻孔时，主孔应尽可能利用钻孔自然弯曲规律。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,（四）选择易于钻进的钻孔轴线轨迹剖面型式 钻孔轴线轨迹型式越复杂，钻进难度越大，成本越

48、高。三维定向孔比两维定向孔复杂。三维定向孔中，空间任意弯曲型定向孔又比空间平面弯曲型定向孔复杂。两维和三维定向孔中，直线-曲线-直线型钻孔身只有一个人工弯曲段，容易施工。因此，在可能的情况下，应选择两维直线-曲线-直线型孔身剖面型式。必须设计三维定向孔时，应尽可能选择空间平面弯曲型。垂直开孔和近垂直开孔比倾斜开孔便于钻进和起下钻具。因此，在可能的情况下，应尽可能设计直孔或小顶角开孔（开孔顶角一般不超过5），并且该顶角的开孔段应有足够长度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,（五）选择合适的造斜强度 定向孔造斜孔段应均匀造斜，避免急弯，并设计和选

49、择合适的造斜强度。造斜强度大，造斜孔段短，这对降低造斜成本有利，但过大会因急剧弯曲而影响正常钻进。造斜强度小，能保证顺利施工，但造斜孔段长，成本随之增加。因此，合适的造斜强度应是在确保造斜后正常施工的前提下，尽可能缩短造斜孔段长度。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,岩心钻探保证粗径钻具顺利下入孔内的钻孔极限弯曲强度和采用孔底动力钻具造斜时，保证动力钻具顺利下入孔内的孔身极限弯曲强度 可分别用下式估算。；,式中：钻孔直径(m)；钻头直径(m)；岩心管直径(m)；粗径钻具长(m)；钻头直径与动力钻具直径差(m)；间隙值，软岩膨胀地层，硬地层(m)

50、；动力钻具长度(m)；上式的计算数据与实际出入较大，有待进一步完善。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第三节 定向钻孔设计的原则、内容和方法,根据工程实践，人工造斜段的弯曲强度选择如下：1、岩心钻探钻孔弯曲强度的选取如所示（螺杆钻具造斜）。绳索取心钻杆0.2-0.5/m，普通钻杆0.3-0.8/m。分支钻进造斜强度可在1-1.5/m。实际上，很多不是分支钻进时，螺杆钻造斜时，局部孔段的超过1/m的实践已不少，此时钻杆并未发生折断，但值得注意的是所选择的造斜强度与连续造斜的孔段长度有关，连续造斜的孔段长度较长时，则造斜强度应选取较小值。,2023/9/30,中国地质大学勘查教研室,第