岩土钻掘工程第09章钻孔弯曲与纠正.ppt

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1、钻掘工程学钻掘工程学 Exploration Engineering第九章钻孔弯曲与纠正第九章钻孔弯曲与纠正授授 课课 内内 容容钻孔弯曲的原因和规律钻孔弯曲的测量及仪器钻孔空间位置要素钻孔弯曲的预防和纠正定向钻进概念钻孔弯曲 概念：概念：钻进钻进(井井)工程施工中，由于自然和工程施工中，由于自然和技术因素影响，实际的钻孔轨迹往往偏离设技术因素影响，实际的钻孔轨迹往往偏离设计轨迹。这种现象称为钻孔弯曲或钻孔偏斜。计轨迹。这种现象称为钻孔弯曲或钻孔偏斜。地质成果危害：地质成果危害：歪曲矿体产状、打丢矿歪曲矿体产状、打丢矿体、遗漏断层或改变勘探网度，从而影响体、遗漏断层或改变勘探网度，从而影响对矿

2、体的评价、构造的判断和储量计算的对矿体的评价、构造的判断和储量计算的精确程度。精确程度。钻探施工危害：钻探施工危害：钻具在孔内弯曲变形严重，钻具钻具在孔内弯曲变形严重，钻具与孔壁摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增与孔壁摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻具困难，钻进功耗增加和钻进速度下降多，升降钻具困难，钻进功耗增加和钻进速度下降其他方面的危害其他方面的危害 水文水井钻探中，由于钻孔弯曲，可能会造成深井泵无法下入到钻孔中，或引起深井泵的过早损坏。在钻孔桩施工中，会引起桩基倾斜，影响桩基承载力。1.空间位置要素第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素钻孔弯曲 避免钻孔弯曲避免

3、钻孔弯曲:从钻探工艺与技术角度从钻探工艺与技术角度出发，了解钻孔在地下空间的位置，研究出发，了解钻孔在地下空间的位置，研究钻弯曲的原因、机理和规律性，从而采取钻弯曲的原因、机理和规律性，从而采取相应的对策，进行防斜和纠斜。相应的对策，进行防斜和纠斜。了解钻孔在地下空间的位置是研究钻孔了解钻孔在地下空间的位置是研究钻孔弯曲的第一步，包括弯曲的第一步，包括钻孔轨迹的基本要钻孔轨迹的基本要素素和和钻孔轨迹弯曲强度钻孔轨迹弯曲强度两个方面内容两个方面内容1.空间位置要素钻孔弯曲 0 0代表开孔点，代表开孔点，X X轴代表南北，轴代表南北，Y Y轴代表东西，轴代表东西，Z Z轴代表地下轴代表地下深度，深

4、度，0 0ABCABC是是钻孔的空间轨钻孔的空间轨迹。其基本要迹。其基本要素包括：素包括：第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素顶角顶角方位角方位角倾角倾角切线切线切线投影切线投影NOY(E)X(N)Z(H)钻钻孔孔要要素素钻孔的天顶角：轴线与铅垂线之钻孔的天顶角：轴线与铅垂线之间的夹角间的夹角()，变化变化0 09090钻孔倾角：轴线与水平面之钻孔倾角：轴线与水平面之间的夹角间的夹角()，与顶角互余与顶角互余钻孔的方位角：轴线与投影钻孔的方位角：轴线与投影于水平面与正北之间的夹角于水平面与正北之间的夹角，有磁方位和地理方位。有磁方位和地理方位

5、0 03603601.空间位置要素钻孔弯曲钻孔弯曲 第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素对应的钻孔孔深：对应的钻孔孔深：钻孔轨迹上某点的孔深是钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度孔口到该点的钻孔轴线的长度1.空间位置要素钻孔弯曲 第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素利用钻孔轨迹的基本要素，可以计算出轨迹上每一点的空间坐标。设钻孔轨迹为一斜直线，坐标系的原点为孔口，X轴取正北、Y轴取正东方向，Z轴铅垂向下。据钻孔各深度上(即测点)的顶角和方位角。轨迹上的空间坐标计算如下：孔口坐标

6、孔口坐标Xo,Xo,YoYo,ZoZo)钻孔轴线上钻孔轴线上A A点坐标点坐标开孔顶角；开孔顶角；开开孔方位角；孔方位角；L LA A孔口至孔口至测点钻孔轴线的长度。测点钻孔轴线的长度。1.空间位置要素钻孔弯曲 第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素二、钻孔轨迹弯曲强度二、钻孔轨迹弯曲强度指钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化指钻孔轨迹单位长度钻孔弯曲角度的变化量，量，可用曲率可用曲率k或弯强或弯强i i表示。曲率的单位是表示。曲率的单位是radradm m，弯强的单位是弯强的单位是/m m。二者关系：钻孔轨迹的弯曲强度可分为顶角弯曲强度、钻孔轨

7、迹的弯曲强度可分为顶角弯曲强度、方位角弯曲强度和全弯曲强度。方位角弯曲强度和全弯曲强度。1.空间位置要素钻孔弯曲 第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素二、钻孔轨迹弯曲强度二、钻孔轨迹弯曲强度顶角弯强：顶角弯强：顶角弯强：顶角弯强：钻孔轴线单位长度上顶角的变化量钻孔轴线单位长度上顶角的变化量方位角弯强方位角弯强方位角弯强方位角弯强：钻孔轴线单位长度的方位角变化量：钻孔轴线单位长度的方位角变化量全弯强全弯强全弯强全弯强：钻孔轴线单位长度的全角变化量钻孔轴线单位长度的全角变化量1.空间位置要素钻孔弯曲 第一节第一节钻孔空间位置要素钻孔空间位置要素一

8、钻孔轨迹的基本要素一、钻孔轨迹的基本要素二、钻孔轨迹弯曲强度二、钻孔轨迹弯曲强度如果某一孔段既有顶角又有方位角变化，如果某一孔段既有顶角又有方位角变化，则产生全弯曲角则产生全弯曲角,钻孔轨迹上钻孔轨迹上A A、B B两点两点的全弯曲角的全弯曲角可用下式计算：可用下式计算：钻孔全弯强对于校核钻杆柱工作的安全性钻孔全弯强对于校核钻杆柱工作的安全性和粗径钻具入孔的可通过性有实际意义。和粗径钻具入孔的可通过性有实际意义。也是设计定向钻孔轨迹的一个重要参数。也是设计定向钻孔轨迹的一个重要参数。2.钻孔弯曲测量仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器钻孔弯曲 为了随时掌握与控制钻孔空间位

9、置的变化，预为了随时掌握与控制钻孔空间位置的变化，预防与纠正钻孔弯曲，在钻进中必须测量钻孔轨迹防与纠正钻孔弯曲，在钻进中必须测量钻孔轨迹各孔段上的基本参素即：顶角、方位角和孔深。各孔段上的基本参素即：顶角、方位角和孔深。这一工作称为钻孔弯曲度测量简称测斜。这一工作称为钻孔弯曲度测量简称测斜。钻孔弯曲的测量原理包括顶角测量原理钻孔弯曲的测量原理包括顶角测量原理和方位角测量原理，孔深测量一般只是借和方位角测量原理，孔深测量一般只是借助电缆（测绳）或钻杆将测斜仪下入到指助电缆（测绳）或钻杆将测斜仪下入到指定深度来控制。定深度来控制。顶角测量原理顶角测量原理 1 1、液面水平原理、液面水平原理（氢氟酸

10、测斜氢氟酸测斜）2 2、悬锤原理、悬锤原理 方位角测量原理方位角测量原理 1 1、地磁场定向原理、地磁场定向原理 2 2、地面定向原理、地面定向原理 2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理 测量顶角度必须符合两个条件测量顶角度必须符合两个条件：该：该角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角度代表测点钻孔轴线与铅垂线的夹角；该角度在钻孔弯曲平面内。角；该角度在钻孔弯曲平面内。1、液面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理（氢氟酸测斜）把把20%30的氢氟酸注入长度为的氢氟酸注入长度为100150mm内径内径1525mm的玻璃试管

11、的玻璃试管中。注入量为试管长度的中。注入量为试管长度的13左右。然左右。然后，将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制后，将盛有氢氟酸的玻璃试管装在特制的接头内，用橡胶塞加以密封。用钻杆的接头内，用橡胶塞加以密封。用钻杆将其下到孔内待测位置，静止停留将其下到孔内待测位置，静止停留1525min后，提钻取出试管。由于氢氟酸对后，提钻取出试管。由于氢氟酸对玻璃的腐蚀作用，在试管上留有液面痕玻璃的腐蚀作用，在试管上留有液面痕迹。根据液面的高低，就可算出顶角。迹。根据液面的高低，就可算出顶角。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理1、液

12、面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理（氢氟酸测斜）由于有毛细管的作用，试管形成由于有毛细管的作用，试管形成了蚀痕曲面。由此测出的顶角必须了蚀痕曲面。由此测出的顶角必须校正，按下式可求出实际顶角：校正，按下式可求出实际顶角：=+E 式中式中钻孔的实际顶角，钻孔的实际顶角，玻璃玻璃试管上实测顶角，试管上实测顶角，E校正角（为了避校正角（为了避免计算和校正上的麻烦，可以利用倾斜免计算和校正上的麻烦，可以利用倾斜仪来直接测定）。仪来直接测定）。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理1、液面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理

13、氢氟酸测斜）1、液面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理（氢氟酸测斜）2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理1、液面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理（氢氟酸测斜）2、液面水平原理（氢氟酸测斜）、液面水平原理（氢氟酸测斜）2、悬锤原理、悬锤原理 原理是利用地球重力场原理是利用地球重力场。框架可绕框架可绕a轴灵活转动，轴灵活转动，b轴与轴与a轴垂直相交，轴垂直相交，在在b轴中点轴中点0悬挂一能灵活转动的弧形刻度盘，悬挂一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，刻度盘因刻度盘转动面与钻孔弯曲平面一致，刻

14、度盘因重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔内时，刻重力作用永远下垂。当仪器在垂直孔内时，刻度盘上的度盘上的0正对准弧形竖板上的标线，即顶角为正对准弧形竖板上的标线，即顶角为0；当仪器在倾斜孔内时，弧形竖板倾斜一个角；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度，此角度就是钻孔顶角。悬悬锤锤原原理理测测量量钻钻孔孔顶顶角角示示意意图图2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理 根据定义，根据定义，方位角的测量必须满足两个条方位角的测量必须满足两个条件件：角度必须是钻孔轴线上某

15、点的切线方向与角度必须是钻孔轴线上某点的切线方向与地北的夹角地北的夹角；该角度必须是水平面上的角度该角度必须是水平面上的角度。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；在有磁屏蔽地磁场定向原理；在有磁屏蔽(如在套管内如在套管内)或或磁干扰较大磁干扰较大(如存在磁性矿体如存在磁性矿体)的孔段中，因为的孔段中，因为磁针失去定向能力，可用地面定向原理。磁针失去定向能力，可用地面定向原理。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理

16、地磁定向原理 地磁场定向原理是利用罗盘磁地磁场定向原理是利用罗盘磁针的指北特性或磁敏感元件针的指北特性或磁敏感元件(磁通门磁通门)确定倾斜钻孔的方位角。测量时罗确定倾斜钻孔的方位角。测量时罗盘必须处于水平状态，并且罗盘上盘必须处于水平状态，并且罗盘上0 0 线必须指向钻孔弯曲方向。线必须指向钻孔弯曲方向。罗盘转动轴应垂直于钻罗盘转动轴应垂直于钻孔弯曲平面，在其下部装孔弯曲平面，在其下部装有重块，使罗盘保持水平。有重块，使罗盘保持水平。罗盘上罗盘上0与与180连线及框连线及框架上的偏重块都在框架的架上的偏重块都在框架的垂直平分平面内垂直平分平面内(即钻孔弯即钻孔弯曲平面内曲平面内)，偏重块与，

17、偏重块与180线同侧。这样，在倾斜钻线同侧。这样，在倾斜钻孔中孔中180线必定指向钻孔线必定指向钻孔弯曲方向。此时弯曲方向。此时0线与磁线与磁针指北方向的夹角就是钻针指北方向的夹角就是钻孔的磁方位角。孔的磁方位角。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向原理2、地面定向原理、地面定向原理 在地面将定位方向传到孔内各个测点。取地面定位方向为OA，其方位角为0，钻孔弯曲方向为OB，其方位角为1，AOB 1-0。若令AOB，则在钻孔横截面上的角，即为终点角。地面场定

18、向原理图钻孔方位角示意图2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向原理2、地面定向原理、地面定向原理式中：式中：-定位与钻孔倾斜方向方位角差；定位与钻孔倾斜方向方位角差；-终点角；终点角；-测点处钻孔顶角。测点处钻孔顶角。该原理应用的具体方法有钻杆定向法、环该原理应用的具体方法有钻杆定向法、环测定向法和陀螺惯性定向法。测定向法和陀螺惯性定向法。陀螺陀螺(top)：指绕一个支点高速转动的刚体，通常指绕一个支点高速转动的刚体，通常特指对称陀螺（特指对称陀螺（一个质量

19、均匀分布的、具有轴对称形一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴）。）。大家小时大家小时候都玩过的陀螺就是一例。候都玩过的陀螺就是一例。陀螺一边自转，一边绕一个固定陀螺一边自转，一边绕一个固定轴旋转（一般是虚的），叫轴旋转（一般是虚的），叫“旋进旋进”(precession)，又称回转效应又称回转效应(gyroscopic effect)。旋进要在一定的旋进要在一定的初始条件和外力矩作用下产生，比如游戏陀螺快要初始条件和外力矩作用下产生，比如游戏陀螺快要“坏了坏了”时，还有旋转的硬币快要停下时，都是旋进的时，还有旋转的硬币快要停下

20、时，都是旋进的实例。陀螺旋进是日常生活中常见的现象。实例。陀螺旋进是日常生活中常见的现象。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向原理2、地面定向原理、地面定向原理3、陀螺定向原理、陀螺定向原理 陀螺仪的原理：陀螺仪的原理：陀螺陀螺高速回转的回转轴具有守恒高速回转的回转轴具有守恒性，即在无外力作用情况下，它在宇宙空间将指向性，即在无外力作用情况下，它在宇宙空间将指向恒定的方向，且恒定的方向，且不会改变。不会改变。如如将陀螺悬挂起来并使将陀螺悬挂起来并使其轴保持

21、水平方向，在地球转动影响下，陀螺轴将其轴保持水平方向，在地球转动影响下，陀螺轴将指向地轴所在的子午面，并有围绕子午面作往复摆指向地轴所在的子午面，并有围绕子午面作往复摆动的特性动的特性。利用这种特性可以测定真北方向。用这。利用这种特性可以测定真北方向。用这种原理制成的仪器称为陀螺罗盘。种原理制成的仪器称为陀螺罗盘。根据这个原理，根据这个原理，用它来保持方向，制造出来的仪器叫陀螺仪。用它来保持方向，制造出来的仪器叫陀螺仪。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向

22、原理2、地面定向原理、地面定向原理3、陀螺定向原理、陀螺定向原理 生活实例：骑自行车时，轮子转得越快越不易生活实例：骑自行车时，轮子转得越快越不易倒，因为车轴有一股保持水平的力量。倒，因为车轴有一股保持水平的力量。陀螺仪在工陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟数万转，可以工作很长时间。然后用多种到每分钟数万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。控制系统。在矿山建设中广泛用作定向仪器，提高在矿山建设中广泛用作定向仪器，提高井下控制导线的

23、精度，减少支导线复测工作量；在井下控制导线的精度，减少支导线复测工作量；在钻探中用它测定孔斜方位。钻探中用它测定孔斜方位。陀螺仪陀螺仪是是运用物体高速旋转时，角动量很大，运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器出来的定向仪器。但它必需转得够快，或者惯量。但它必需转得够快，或者惯量够大够大(即角动量要够大即角动量要够大)。不然，只要一个很小的。不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性。就像我们可力矩，就会严重影响到它的稳定性。就像我们可以轻易改变旋转中车轮转轴的方向一样。所以测以轻易改变旋转中车轮

24、转轴的方向一样。所以测量定向及设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是靠内部量定向及设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是靠内部所提供的动力，使其保持高速转动。所提供的动力，使其保持高速转动。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向原理2、地面定向原理、地面定向原理3、陀螺定向原理、陀螺定向原理 陀螺定向原理是陀螺定向原理是利用陀螺马达高速利用陀螺马达高速旋转所产生的定轴旋转所产生的定轴特性来测量方位角特性来测量方位角的。可用于磁性矿的。可用于磁性矿体和磁屏蔽情况下体和磁屏蔽情况下

25、测量钻孔弯曲度。测量钻孔弯曲度。高速旋转陀螺支撑高速旋转陀螺支撑于自身的转轴及内、于自身的转轴及内、外环的转轴上，三轴外环的转轴上，三轴在空间相互垂直正交在空间相互垂直正交并交于一点，该点与并交于一点，该点与陀螺的重心重合，使陀螺的重心重合，使陀螺电机具有三个方陀螺电机具有三个方向的自由度。向的自由度。三自由度高速旋三自由度高速旋转的陀螺转子轴，转的陀螺转子轴，在轴承无磨擦的情在轴承无磨擦的情况下，在空间的方况下，在空间的方向保持不变，这个向保持不变，这个特性称作陀螺仪的特性称作陀螺仪的定轴性。定轴性。陀螺还具有进动性，即陀螺还具有进动性，即外框架转轴上有干扰力外框架转轴上有干扰力矩时，内框架

26、转轴进动，矩时，内框架转轴进动，使陀螺轴发生倾斜，因使陀螺轴发生倾斜，因此要进行水平修正；而此要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰力内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转动，矩时，外框架转轴转动，使陀螺轴产生漂移，因使陀螺轴产生漂移，因此要进行漂移量修正。此要进行漂移量修正。2.钻孔弯曲测量仪器钻孔弯曲 第二节钻孔弯曲的测量及仪器第二节钻孔弯曲的测量及仪器一、顶角测量原理一、顶角测量原理二、方位角测量原理二、方位角测量原理1、地磁定向原理、地磁定向原理2、地面定向原理、地面定向原理3、陀螺定向原理、陀螺定向原理4、JDL1型陀螺测斜仪型陀螺测斜仪结构主要分3部分。上半部是一组由电容、电感构成的

27、回路，将电缆里的400Hz交流和直流测量信号分开；中部是由两个自由框架组成的测量系统；下部是锁紧和修正系统。由两个伺服电动机、两套减速齿轮以及正反向继电器和限位接触器等组成。探管最下部，有一个长腰形的凸块，用以装入保护管底部的凹槽，以保证探管处于对准外管母线的正确位置。除孔内探管外，全套仪器还包括有地面测量面板，用以控制和监测孔内仪器的工作状态，并利用电位补偿原理、度盘读数方式测出钻孔顶角和终点角；整流稳压器，将交流电经整流、滤波和稳压后，输出llll V及2025V两档直流电压，提供给仪器测量面板和变流器；用以将整流稳压器提供的直流电源转变成3相400Hz交流电，驱动陀螺马达。悬锤测量顶角原

28、理：悬锤测量顶角原理：在顶框在顶框1111上，装有偏心重块上，装有偏心重块3 3，它使顶角重锤，它使顶角重锤1 1永远处于钻永远处于钻孔倾斜面内。在框架孔倾斜面内。在框架1111下端，下端，固定有方位电位计。在陀螺外固定有方位电位计。在陀螺外框架的中央装有陀螺电机框架的中央装有陀螺电机6 6，它装在陀螺房内。仪器轴相当它装在陀螺房内。仪器轴相当于于I轴，框架轴，框架5 5能围绕此轴回转。能围绕此轴回转。陀螺房两侧用轴承支撑在陀螺房两侧用轴承支撑在框架框架5 5上，陀螺房带着陀螺上，陀螺房带着陀螺能围绕此轴回转，此轴为能围绕此轴回转，此轴为II轴，陀螺电机的轴轴，陀螺电机的轴1717为为III轴

29、支撑在陀螺房内。轴，支撑在陀螺房内。陀螺电机以陀螺电机以2150021500r/minr/min的的高速作逆时针方向回转。高速作逆时针方向回转。陀螺外框陀螺外框5的上端有方位电的上端有方位电位计电刷位计电刷12（位置由陀螺的方（位置由陀螺的方向）。方位电位计向）。方位电位计4固定在顶固定在顶角框架角框架11的下端，使电位计的的下端，使电位计的一端永远保持在钻孔倾斜面内。一端永远保持在钻孔倾斜面内。电位计的一端至电刷的夹角就电位计的一端至电刷的夹角就是测量的终点角。在顶角较小是测量的终点角。在顶角较小时，此角就认为是方位角。时，此角就认为是方位角。修正系统由接触摆锤修正系统由接触摆锤7、伺、伺

30、服电机服电机14及极化继电器等组成。及极化继电器等组成。当当II轴进动时，轴进动时，III轴倾斜，使轴倾斜，使摆锤接触点与相应的一组接点摆锤接触点与相应的一组接点相接触，驱动极化继电器，接相接触，驱动极化继电器，接通伺服电机的一组线圈，使电通伺服电机的一组线圈，使电机在框架机在框架5的的I轴上施加一个反轴上施加一个反力矩，从而使力矩，从而使II轴向相反方向轴向相反方向进动，使进动，使III轴回到水平位置。轴回到水平位置。锁紧装置：可减少地面定向锁紧装置：可减少地面定向及运输过程中陀螺各轴振动。及运输过程中陀螺各轴振动。锁紧时陀螺锁紧时陀螺III轴方向与外管上轴方向与外管上的定向母线差的定向母线

31、差90度度,这对起始这对起始定向很重要。如在定向时陀螺定向很重要。如在定向时陀螺不锁紧，不锁紧，III轴将不在定向位置轴将不在定向位置上，无法计算框架误差。锁紧上，无法计算框架误差。锁紧装置由自由电机装置由自由电机15通过减速机通过减速机构带动推杆滑轮构带动推杆滑轮8作上下移动。作上下移动。在框架在框架5下有一个圆弧形斜面凸下有一个圆弧形斜面凸轮（未标出），滑轮上移时一般先轮（未标出），滑轮上移时一般先顶住凸轮，并通过它带动框架顶住凸轮，并通过它带动框架5转转动，直到滑轮接触到凸轮最低点时动，直到滑轮接触到凸轮最低点时5转动停止。滑轮继续上行，通过转动停止。滑轮继续上行，通过顶卡顶卡18使陀螺

32、锁紧。要松开陀螺时，使陀螺锁紧。要松开陀螺时，可使自由电机可使自由电机15反转，滑轮下移，反转，滑轮下移，顶卡松开，使陀螺自由，在凸轮最顶卡松开，使陀螺自由，在凸轮最高处可使陀螺全部松开。高处可使陀螺全部松开。从滑轮从滑轮锁紧到松开，约需锁紧到松开，约需4分钟时间。分钟时间。3.钻孔弯曲规律 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 钻孔弯曲 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件造造成成钻钻孔孔弯弯曲曲的的根根本本原原因因是是粗粗径径钻钻具具轴轴线线偏偏离离钻钻孔孔轴轴线线。粗粗径径钻钻具具轴轴线线偏偏离离钻钻孔孔轴轴线线的的方方式式，可由偏倒或弯曲引起可由偏倒或弯曲引起。产生钻孔

33、弯曲的充要条件：产生钻孔弯曲的充要条件：存在孔壁间隙存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒为粗径钻具提供偏倒(或弯曲或弯曲)的空间的空间具备倾倒或弯曲的力具备倾倒或弯曲的力，为粗径钻具轴，为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力线偏离钻孔轴线提供动力 粗径钻具倾斜面方向稳定粗径钻具倾斜面方向稳定。保持。保持偏倒偏倒(或弯曲或弯曲)和力的方向稳定和力的方向稳定孔壁间隙和倾倒孔壁间隙和倾倒(或弯曲或弯曲)力力是钻孔弯是钻孔弯曲的必要条件；而粗径钻具倾斜面方向曲的必要条件；而粗径钻具倾斜面方向稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。稳定是产生钻孔弯曲的充分条件。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节

34、钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻杆柱钻具倾斜面稳定在某一方向时，钻杆柱只自转而不公转运动。即：只自转而不公转运动。即：钻孔弯曲是在钻孔弯曲是在钻杆柱自转的情况下发生的钻杆柱自转的情况下发生的。如果钻杆柱。如果钻杆柱公转，则必定带动偏倒或弯曲的粗径钻具公转，则必定带动偏倒或弯曲的粗径钻具围绕钻孔轴线转动，使钻头在不同的时刻围绕钻孔轴线转动，使钻头在不同的时刻朝着不同的方向钻进，这只能产生扩壁作朝着不同的方向钻进，这只能产生扩壁作用，而不导致钻孔弯曲。用，而不导致钻孔弯曲。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的

35、原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因形成钻孔弯曲的原因大致可分为三类形成钻孔弯曲的原因大致可分为三类：地质因素地质因素 技术因素技术因素 工艺方面的原因工艺方面的原因3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异影响钻孔弯曲的地质因素主要是岩石的各向异性和软硬互层。地质因素是客观存在的，只能性和软硬互层。地质因素是客观存在的，只能通过工艺技术措施来减弱或抵消它的促斜作用通过工

36、艺技术措施来减弱或抵消它的促斜作用（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性 某些具有层理、片理等构造特征的岩石，某些具有层理、片理等构造特征的岩石，其可钻性具有明显的各向异性。其可钻性具有明显的各向异性。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性钻头沿垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高，平行于层理方向效率最低，倾斜方向破岩效率居中。因此在倾斜岩层中钻进时，极易产生钻孔向垂直于层面的方向弯曲。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节

37、钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性 钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻钻孔弯曲强度与岩石各向异性强弱和钻孔遇层角的大小有关。孔遇层角的大小有关。钻孔遇层角钻孔遇层角是钻孔轴线与其在层面上的正投影是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角。当遇层角约为的夹角。当遇层角约为4545 时，钻孔弯强最大。时，钻孔弯强最大。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻

38、孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性（2）软硬互层）软硬互层 钻孔以锐角穿过软钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，从软岩硬岩层界面，从软岩进入硬岩时，由于软、进入硬岩时，由于软、硬部分抗破碎阻力的硬部分抗破碎阻力的不同，使钻孔朝着垂不同，使钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲直于层面的方向弯曲30 3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性（2）软硬互层）软硬互层 钻孔通过软钻孔通过软岩进入硬岩又岩进

39、入硬岩又从硬岩进入软从硬岩进入软岩时，最终还岩时，最终还是沿层面法线是沿层面法线方向延伸。方向延伸。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素（1）岩石的各向异性）岩石的各向异性（2）软硬互层）软硬互层 钻孔遇层角存在着临界值。钻孔遇层角存在着临界值。超过此值时，钻孔顶层进；超过此值时，钻孔顶层进；低于此值时，钻孔将沿硬岩低于此值时，钻孔将沿硬岩的层面下滑的层面下滑(俗称顺层跑俗称顺层跑)。说明钻进中粗径钻具倾斜面说明钻进中粗径钻具倾斜面方向稳定是客观存在的

40、方向稳定是客观存在的。15 3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素（1）开孔阶段）开孔阶段 开孔阶段的钻孔弯曲会影响整个钻孔轴开孔阶段的钻孔弯曲会影响整个钻孔轴线轨迹，使钻孔轨迹产生很大的偏差。这线轨迹，使钻孔轨迹产生很大的偏差。这一阶段一阶段引起引起钻孔钻孔弯曲的技术因素弯曲的技术因素有：有：钻机基础不平；钻机立轴安装不正确；钻机基础不平；钻机立轴安装不正确；未下孔口管或孔口管方向不合要求；主动未下孔口管或孔口管方向不合要求

41、主动钻杆过长；钻进参数不合理等钻杆过长；钻进参数不合理等3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素（1）开孔阶段）开孔阶段（2）钻进阶段）钻进阶段钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具的结构和尺寸。由于存在孔壁间隙，在的结构和尺寸。由于存在孔壁间隙，在压力作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，压力作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，产生水平分力，使粗径钻具偏倒。粗径产生水平分力，使粗径钻具偏倒。粗径钻具在孔底的偏倒

42、角钻具在孔底的偏倒角决定于孔壁间隙决定于孔壁间隙b b和粗径钻具长度和粗径钻具长度L L，即：即：sinsin-(b/L(b/L)3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素（1）开孔阶段）开孔阶段（2）钻进阶段）钻进阶段 粗径钻具越长，钻具的偏倒角越小，但直粗径钻具越长，钻具的偏倒角越小，但直径小而长度过大，刚度不足，钻具会被压弯，径小而长度过大，刚度不足，钻具会被压弯，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。即使孔壁间隙不大也会

43、使钻孔产生较大的弯曲。粗径钻具的临界长度计算：粗径钻具的临界长度计算：IcK(EJ/P)1/2(m)(m)P P轴向压力轴向压力/N;EN;E钢的弹性模量钢的弹性模量/N/m2N/m2；J J粗径粗径钻具截面的轴惯性距钻具截面的轴惯性距/m4;Km4;K动载系数，动载系数，K K0.60.60.80.8 通常：接头越多，强度越小。粗径钻具弯通常：接头越多，强度越小。粗径钻具弯曲，即使孔壁间隙不大，也产生较大弯曲。曲，即使孔壁间隙不大，也产生较大弯曲。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯

44、曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素（1）开孔阶段）开孔阶段（2）钻进阶段）钻进阶段 当钻进各向异性岩石遇且遇层角为锐角时，当钻进各向异性岩石遇且遇层角为锐角时，钻头唇部形状会影响钻孔弯曲方向及强度：钻头唇部形状会影响钻孔弯曲方向及强度：（1 1）唇部平面或椭圆形钻头：孔底碎岩向）唇部平面或椭圆形钻头：孔底碎岩向阻力最小方向偏移（垂直层面方向）；阻力最小方向偏移（垂直层面方向）；（2 2）外锥形钻头：向顺层方向偏移；外锥形钻头：向顺层方向偏移；（3 3）内锥形钻头：钻孔向垂直岩层面偏移。）内锥形钻头：钻孔向垂直岩层面偏移。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因

45、和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素3 3、工艺方面的因素、工艺方面的因素（1）钻进方法）钻进方法 钢粒钻进时孔壁间隙最大，因此孔斜最大。钢粒钻进时孔壁间隙最大，因此孔斜最大。硬质合金钻进时孔壁间隙次之，一般孔斜中硬质合金钻进时孔壁间隙次之，一般孔斜中等。等。金刚石钻进孔壁间隙最小，通常只有金刚石钻进孔壁间隙最小，通常只有1 13 3mmmm，在钻具刚度足够时，孔斜最小。在钻具刚度足够时，孔斜最小。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原因和规律第三节钻孔弯曲的原因和

46、规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因1 1、地质因素、地质因素2 2、技术因素、技术因素3 3、工艺方面的因素、工艺方面的因素（1）钻进方法）钻进方法（2）钻进规程参数）钻进规程参数 钻压过大钻压过大，会造成钻杆柱甚至粗径钻具，会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角可能达到最大值，并且钻具与孔壁摩擦阻可能达到最大值，并且钻具与孔壁摩擦阻力增加，钻具只围绕自身轴线自转而不作力增加，钻具只围绕自身轴线自转而不作公转，此时钻具倾斜面有固定方向，而导公转，此时钻具倾斜面有固定方向，而导致钻孔弯曲。致钻孔

47、弯曲。转速过高转速过高，钻杆柱回转离心力增大，从而加，钻杆柱回转离心力增大，从而加剧钻具的横向振动和扩壁作用，结果孔壁间剧钻具的横向振动和扩壁作用，结果孔壁间隙增加。隙增加。钻压过小钻压过小，转速过低转速过低，则进尺慢，效率低，则进尺慢，效率低，钻头停留在孔底时间长，也会扩大孔壁间隙，钻头停留在孔底时间长，也会扩大孔壁间隙，增加孔斜。增加孔斜。冲洗液量过大冲洗液量过大，特别是在较软，特别是在较软的岩层中，液流会冲刷、破坏的岩层中，液流会冲刷、破坏孔壁。使孔壁间隙剧增，为钻孔壁。使孔壁间隙剧增，为钻具偏倒、钻孔弯曲提供条件。具偏倒、钻孔弯曲提供条件。3.钻孔弯曲规律 钻孔弯曲 第三节钻孔弯曲的原

48、因和规律第三节钻孔弯曲的原因和规律 一、钻孔弯曲的条件一、钻孔弯曲的条件二、钻孔弯曲的原因二、钻孔弯曲的原因三、钻孔弯曲的某些规律性三、钻孔弯曲的某些规律性钻孔弯曲通常有以下一些趋势：钻孔弯曲通常有以下一些趋势：在变质岩在变质岩(如结晶片岩、片麻岩等如结晶片岩、片麻岩等)中钻进时，中钻进时，钻孔弯曲强度大于在沉积岩（如页岩）中钻进时钻孔弯曲强度大于在沉积岩（如页岩）中钻进时的弯强，更大于在岩浆岩的弯强，更大于在岩浆岩(如花岗岩、辉绿岩如花岗岩、辉绿岩)中中钻进时的弯强；钻进时的弯强；均质岩石钻进的钻孔弯曲强度小于在非均质岩均质岩石钻进的钻孔弯曲强度小于在非均质岩石中的弯强。石中的弯强。岩石的各

49、向异性程度越高，钻岩石的各向异性程度越高，钻孔弯曲强度越大孔弯曲强度越大。层理、片理和软硬互层中钻进，钻孔朝着垂直于层理、片理和软硬互层中钻进，钻孔朝着垂直于层理面、片理面的方向弯曲；层理面、片理面的方向弯曲；松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋向下垂直位松散非胶结岩石、大溶洞时，钻孔趋向下垂直位置；钻遇硬包裹体时，可能朝任意方向弯曲；置；钻遇硬包裹体时，可能朝任意方向弯曲；层理水平或接近水平的岩石中钻进垂直孔时，即层理水平或接近水平的岩石中钻进垂直孔时，即使岩石各向异性很强，软硬不均程度很大，钻孔使岩石各向异性很强，软硬不均程度很大，钻孔也不会产生较大弯曲；也不会产生较大弯曲；孔壁间隙大，粗径钻

50、具短，钻具刚度差，孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，则钻孔弯曲强度大；则钻孔弯曲强度大；钻孔顶角小，方位变化大；钻孔顶角大，钻孔顶角小，方位变化大；钻孔顶角大，方位变化小。顶角超过方位变化小。顶角超过3030 时，方位趋于稳定，时，方位趋于稳定，按一般规律按一般规律方位角弯曲往往与钻具回转的方方位角弯曲往往与钻具回转的方向一致向一致。4.钻孔弯曲预纠 第四节第四节钻孔弯曲的预防和纠正钻孔弯曲的预防和纠正钻孔弯曲 一、钻孔弯曲的预防一、钻孔弯曲的预防 合理的设计合理的设计：1）按照地层条件设计钻孔布孔尽量）按照地层条件设计钻孔布孔尽量垂直层面或岩石走向；对松软、破碎层及垂直层面或岩石走向；对松