钻孔轴线倾斜原因（钻孔弯曲的原因）

钻探工程施工中，由于自然和技术因素的影响，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。

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，从而影响对矿体的评价、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，钻具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。

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。

要完全避免钻孔弯曲是很困难的。但是，应当采用一切可能措施，把钻孔弯曲程度控制在允许的范围之内。从钻探工艺与技术角度出发，了解钻孔在地下空间的位置，研究钻孔弯曲的原因、机理和规律性，从而采取相应的对策，进行防斜和纠斜。因此了解钻孔在地下空间的位置是我们研究钻孔弯曲的第一步，这包括下面两个方面的内容：

钻孔轨迹的基本要素

钻孔轨迹弯曲强度

一、钻孔轨迹的基本要素

为了解钻孔轨迹在地下空间的位置，表征其空间形态，就必须了

解和控制钻孔轨迹要素。图中0代表开孔点，X轴代表南北，Y轴代表

东西，Z轴代表地下方向，0ABC是钻孔的空间轨迹。其基本要素包括：

顶角

钻孔轨迹上某点的顶角是该点的切线与

铅垂线之间的夹角，其余角称为钻孔倾

角。顶角变化的范围是0°～90°

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，有磁方位和地理方位。0°～360°

对应的钻孔孔深

钻孔轨迹上某点的孔深是孔口到该点的钻孔轴线的长度

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各孔段上的基本参数即：顶角、方位角和孔深。

一、钻孔弯曲的条件

造成钻孔弯曲的根本原因是粗径钻具轴线偏离钻孔轴线。粗径钻具轴线偏离钻孔轴线的方式，可能是偏倒，也可能是弯曲。因此，产生钻孔弯曲必要而充分的条件是：

存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒(或弯曲)的空间

具备倾倒或弯曲的力，为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力

粗径钻具倾斜面方向稳定。保持偏倒(或弯曲)和力的方向稳定

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，钻杆柱只自转而不公转运动。因此，钻孔弯曲是在钻杆柱自转的情况下发生的。如果钻杆柱公转，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。

二、形成钻孔弯曲的原因

大致可分为三类：

地质因素

技术因素

工艺方面的原因

1、地质因素

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，只能通过工艺技术措施来减弱甚至抵消它的促斜作用

岩石的各向异性 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。如图所示，钻头沿垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高，而平行于层理的方向，效率最低，倾斜方向的破岩效率居中。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。

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。所谓钻孔遇层角就是钻孔轴线与其在层面上的正投影的夹角。当遇层角约为45º时，钻孔弯强最大。

软硬互层

钻孔以锐角穿过软硬岩层界面，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；而从硬岩进入软岩时，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。

2、技术因素

开孔阶段

开孔阶段引起钻孔弯曲的技术因素有：

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；

主动钻杆过长

钻进参数不合理等

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。

钻进阶段

钻进过程中造成钻孔弯曲的技术是钻具的结构和尺寸。钻杆柱为一细长柔性杆件，由于存在孔壁间隙，在压力的作用下，钻杆柱将产生弯曲变形，产生水平分力，使粗径钻具偏倒。所以，使粗径钻具倾倒或弯曲的力是客观存在的，粗径钻具在孔底的偏倒角决定于孔壁间隙和粗径钻具长度即：

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，即使孔壁间隙不大也会使钻孔产生较大的弯曲。粗径钻具的临界长度可按下式计算：

3.工艺方面的因素

钻进方法

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，孔径为钻头直径的为1.1～1.3倍，一般孔斜中等。

金刚石钻进孔壁间隙最小，通常只有1～3mm，在钻具刚度足够时，孔斜最小。

钻进规程参数

钻压过大，会造成钻杆柱甚至粗径钻具弯曲，使钻头紧靠孔壁一侧，此时偏倒角可能达到最大值，并且钻具与孔壁摩擦阻力增加，钻具围绕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，从而导致钻孔弯曲。

转速过高，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，结果孔壁间隙增加。

钻压过小，转速过低，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，增加孔斜。

冲洗液量过大，特别是在较软的岩层中，液流会冲刷、破坏孔壁。使孔壁间隙剧增，为钻具偏倒、钻孔弯曲提供条件。

4、钻孔弯曲的某些规律性

钻孔弯曲的规律性不是绝对的，而是表现为一种趋势，通常有以下一些趋势：

在变质岩(如结晶片岩、片麻岩等)中钻进时，钻孔弯曲强度大于在沉积岩（如页岩）中钻进时的弯曲强度，更大于在岩浆岩(如花岗岩、辉绿岩)中钻进时的弯曲强度；

均质岩石钻进的钻孔弯曲强度小于在非均质岩石中的弯曲强度，且岩石的各向异性程度越高，则钻孔弯曲强度越大；

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；

孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，则钻孔弯曲强度大；

钻孔顶角小，方位变化大；钻孔顶角大，方位变化小。顶角超过30º时，方位趋于稳定，按一般规律方位角弯曲往往与钻具回转的方向一致。

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