定向鉆進原理與應用

定向鉆進原理與應用定向鉆進原理與應用定向鉆進原理與應用定向鉆進原理與應用定向鉆進原理與應用定向鉆進原理與應用課程簡介

1、該課程是安排在巖土鉆掘工程學課程之后講授的一門實用性專業(yè)新技術類的課程。課程以巖土鉆掘工程學為基礎，是巖土鉆掘工程學相關內(nèi)容的深化，涉及到設計計算、機械、電子儀器、測試技術等內(nèi)容，要求學生具有專業(yè)基礎和專業(yè)課知識。課程簡介

2、課程計劃課時。根據(jù)新一輪教學計劃，課程為30課時，對涉及到巖土鉆掘工程學等課程的基礎性內(nèi)容（如鉆孔彎曲、測斜原理、防斜機理等）一般不作詳細講解，重點講授以下三個方面的內(nèi)容。

（1）鉆孔軸線空間坐標計算及定向鉆孔軸線軌跡設計。（2）人工彎曲工具（造斜工具）的作用原理及受控定向鉆孔施工工藝。（3）人工彎曲工具在孔內(nèi)的定向原理及儀器。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室2、課程計劃課時。4/2/2024中國地質(zhì)大學勘教材及參考書

1、教材：《受控定向鉆探技術》，江天壽等編，地質(zhì)出版社。該書側重于技術方法的應用，理論與實際結合，收集了大量的實踐性公式與數(shù)據(jù)，對該技術在實際工程中的應用具有較高的指導意義和參考價值。缺點：基本概念及有關理論講解不透，邏輯性較差。

2、參考書：《鉆孔彎曲和定向鉆探》、《定向鉆進工藝原理》，吳光琳，成都科技大學，—理論性較強?！抖ㄏ蜚@井》Inglis.T.A.（英）石油工業(yè)出版社，—國外石油定向鉆井。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室教材及參考書1、教材：4/2/2024中國地質(zhì)大學勘查學習要求

1、加強課堂紀律。2、按要求完成相關內(nèi)容的自習和作業(yè)（設計與計算）。3、考核方式：閉卷考試。學習要求第一章

概述

一、定向鉆探與定向鉆孔二、受控定向探技術中的主要技術經(jīng)濟問題第一章概述一、定向鉆探與定向鉆孔第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（一）定向鉆探技術發(fā)展背景。地質(zhì)勘探的一般方法：區(qū)域地質(zhì)調(diào)查——物探與化探——鉆探普查——布置勘探網(wǎng)進行鉆探詳查和詳勘——定點取樣，提交礦床報告。常規(guī)鉆探方法：根據(jù)地質(zhì)或設計部門的要求——設計鉆孔位置、深度、軌跡形式，一般是各種類型的直線孔（垂直孔居多，也最合理）——進行鉆孔技術方案設計——提出彎曲度等技術要求——施工時，采取防斜、保直措施保證鉆孔達到勘探要求。我國70~80年代對鉆探普查的規(guī)范：孔斜＜1.5o~2.0o/100m。這也是根據(jù)當時的鉆探技術水平而制定的。其精度到底如何？能否滿足現(xiàn)代鉆探與鉆井的要求？4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（一）定向鉆探技術發(fā)展背景。第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔每百米2.0o鉆孔的水平偏距如下：

由表中可知：鉆孔精度很低，淺孔鉆探尚可滿足要求，中深孔則偏距過大。在一些極易造成孔斜的地層，有時每百米2.0o的要求往往也難以達到，造成孔斜超差，鉆孔報廢。

鉆孔深100米

水平偏距1.75米

鉆孔深400米

水平偏距27.8米

鉆孔深200米

水平偏距7.00米

鉆孔深500米

水平偏距43.5米

鉆孔深300米

水平偏距15.7米

鉆孔深800米

水平偏距＞110米

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔每百米2.0o鉆孔的水平偏距如下第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔隨著鉆探與鉆井工程向深部的發(fā)展，對勘探精度要求的不斷提高，1.5o~2.0o/100m已不能滿足要求，設計部門提出了0.5o/100m的要求，常規(guī)鉆探技術要達到這一要求是非常困難的，鉆探技術中研制了種類繁多的防斜、穩(wěn)斜機具，取得了一定的成效，但仍然無法從根本上解決這一技術問題。70~80年代，隨著我國的改革開放政策，機械、電子、測試、材料加工等技術的發(fā)展，研究、引進和開發(fā)受控定向鉆進技術取得了巨大的進展，利用地層自然彎曲規(guī)律鉆孔和采用人工強制手段改變鉆孔軌跡在此基礎上迅速發(fā)展起來，鉆探與鉆井工程由過去的被動防斜轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥厝藶榭刂疲瑢崿F(xiàn)了鉆探史上的一次飛躍。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔隨著鉆探與鉆井工程向深部的第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（二）國內(nèi)外定向鉆進技術的發(fā)展狀況1、國外定向鉆進技術的發(fā)展狀況。國外定向鉆進技術研究始于20年代，由于鉆孔彎曲引起地租界爭議，1924年美國A·安德森(Anderson)設計了測斜儀。1929年，他測量記錄255口井的空間位置，發(fā)現(xiàn)深度2000m的鉆井水平位移竟達177m，井斜角(頂角)超過65o。稍晚，在俄克拉荷馬(Oklahoma)油田兩臺鉆機施工的兩口井井身相遇，結果鉆到同一井中。這是從用頓鉆打井改為用轉(zhuǎn)盤鉆井之后，人們首次意識到井彎的嚴重性，并想方設法采取對策糾正井斜。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（二）國內(nèi)外定向鉆進技術的發(fā)展第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（二）國內(nèi)外定向鉆進技術的發(fā)展狀況30年代前后，蘇聯(lián)卡彼柳什尼柯夫（Капелющииков)和美國沙彭伯格(Scharpenberg)幾乎同時研究渦輪鉆。由于勘探海底油田，有意識地利用或制造井彎現(xiàn)象，打定向井采油。才促進了定向鉆進技術的發(fā)展。

1930年，美國在加里福尼亞(California)亨廷頓海灘（HuntingtonBeach）施工了兩口深入海底的定向井。

1934年，蘇聯(lián)在巴庫(Баку)也開始從海岸向近海底部打定向井，勘探里海海濱下方的油田。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（二）國內(nèi)外定向鉆進技術的發(fā)展狀第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔1941年后，二次世界大戰(zhàn)刺激石油需求量增加，石油開發(fā)投向海底。在海濱向海底打定向井，建海上平臺鉆叢式井。到1957年，完成了100多萬米多井底井。1956年，美國施密斯工具公司

研制了螺桿鉆，60年代用于定向鉆井。70年代，在深井定向鉆進中，西方國家廣泛采用螺桿鉆。80年代，為準確控制定向井井身軌跡，普遍采用隨鉆測量技術，即MWD(MeasurementWhileDrilling)技術。在鉆井過程中可即刻了解井身的空間位置和造斜工具的面向。井底馬達、隨鉆測量技術和計算機輔助鉆進CAD(ComputerAidsDrilling)技術的應用，使石油天然氣定向鉆井達到成熟的階段。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔1941年后，二次世界第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

2、我國定向鉆進技術的發(fā)展我國定向鉆進始于50年代。1956年，玉門油田鉆成第一口定向井，1962年起，四川油田進行了多種型式的渦輪鉆定向鉆進試驗。70年代以來，我國海洋定向鉆井迅速發(fā)展，在渤海灣海面打叢式井，在一座鉆井平臺上施工多達12口定向井。除渦輪鉆外，還用螺桿鉆作為造斜工具。1977～1982年，全國共完成定向井316口，平均井深2478.9m。1982年，在新疆柯克亞地區(qū)施工了柯10-3救援井，井深3820m，最大井斜角19o45′，距靶心最小距離為4.78m，在井底進行爆炸后，壓入泥漿才把火撲滅。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔2、我國定向鉆進技術的第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

2、我國定向鉆進技術的發(fā)展自1986年，通過攻關及推廣，各油田“七五”期間鉆各類定向井4317口，掌握了定向井、叢式井優(yōu)化設計技術及計算機軟件包，包括叢式井開發(fā)油田平臺數(shù)和平臺位置的優(yōu)化設計技術，三維繞障井和三維多目標井設計技術?！鞍宋濉逼陂g，重點攻關“石油水平井鉆井成套技術研究”，到1997年鉆成長、中、短半徑三類水平井共153口，掌握了水平井井眼軌跡優(yōu)化設計方法，建立了水平井下部鉆拄大撓度受力分析模型，以及水平井井眼軌跡預測模型，定向鉆進技術總體上達到了90年代國際先進水平。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔2、我國定向鉆進技術的第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔通過研究與引進，我國石油勘探部門基本上擁有了國外專用于定向井的先進工具、儀器，如無線隨鉆測量儀、有線隨鉆測量儀、單點陀螺測斜儀、磁性單點和多點井下照相測斜儀、井下動力鉆具等。北京石油勘探機械廠和大港石油機械廠還引進了美國斯密斯公司戴納螺桿鉆具制造技術。西安儀器廠引進單、多點測斜儀與MWD生產(chǎn)線，生產(chǎn)的MWD測量儀已用于鉆井作業(yè)，可以滿足國內(nèi)需要。另一方面依靠國內(nèi)力量，自行研制新型工具，實現(xiàn)機具國產(chǎn)化，定向鉆進機具裝備水平不斷提高。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔通過研究與引進，我國石油勘第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

二、定向鉆進與定向鉆井（孔）的含義1、定向鉆進的含義

石油鉆井中對定向鉆進技術的定義為沿著預先設計的井眼軸線鉆達目的層位的鉆井方法。地質(zhì)勘探中對定向鉆進技術的定義是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用人工造斜工具使鉆孔按設計要求進行延伸鉆到預定目標的一種鉆進方法。國外有文獻認為是為了鉆達到一個預定的地下目標，使井眼在特定方向偏斜的工藝和科學。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔二、定向鉆進與定向鉆井（孔）第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔定義的內(nèi)涵本質(zhì)定向鉆進是有預定目標的，根據(jù)設計要求，該目標可以是地下某一點，也可以井眼軸線或特定方向和角度；采用一些科學的人為可以控制的技術方法與機具有目的地將井孔軸線由彎變直或由直變彎，使之鉆達到目標要求。

2、定向鉆井（孔）的含義。定向鉆井是指用定向鉆進方法控制井孔軌跡鉆到預定目標的鉆井。它與常規(guī)鉆井的區(qū)別：定向鉆井設計有特殊的軌跡，鉆進中必須研究和利用地層自然彎曲規(guī)律、井眼控制理論或人工造斜工具控制井眼軌跡，最終鉆達預定目標要求。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔定義的內(nèi)涵本質(zhì)4/2/20第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

3、關于“靶區(qū)”與“靶點”的含義為了控制定向井軸線到達預定目標時偏離不大，在定向井設計時，對預定目標事先規(guī)定了一定的范圍，該范圍是井孔軸線到達預定目標時的允許偏差區(qū)域，稱為靶區(qū)。靶區(qū)的形狀和大小可以是以靶點為圓心的一定半徑的圓或圓筒，也可以是以靶點為中心，離靶心一定偏線距和沿線距的距形或正方形。目的層急傾時，靶區(qū)還可給定在垂直面或目的層傾斜面上。預定的目標為靶點，一般為靶區(qū)的中心。井孔軸線鉆到預定靶區(qū)稱為“中靶”，反之則稱之為“脫靶”。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔3、關于“靶區(qū)”與第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

三、定向鉆孔的類型

（一）按施工技術方法分類1、自然彎曲定向孔。利用地層在一定鉆進條件下的自然彎曲規(guī)律設計鉆孔軸線，通過移動孔位或改變開孔頂角、方位角，采用常規(guī)鉆進技術工藝，必要時利用井斜控制理論輔以一般的增斜、減斜措施，達到基本按設計的鉆孔軸線鉆達目的層的鉆孔。自然彎曲定向孔又稱初級定向孔。

2、人工彎曲定向孔。采用人工造斜工具與技術強制進行人工彎曲，并克服鉆孔自然彎曲的影響，或者利用鉆孔自然彎曲規(guī)律與人工造斜工具強制進行人工彎曲相結合，使鉆孔按設計軌跡鉆達目的層的鉆孔。又稱受控定向孔。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔三、定向鉆孔的類型4/2/第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（二）按設計井眼軸線形狀分類1、兩維平面定向井。是指井眼軸線軌跡只在某個鉛垂平面（水平平面）上變化的定向井，井斜角（方位角）是變化的，而方位角（井斜角）是不變的。2、三維定向井。指井眼軸線軌跡在三維空間中變化的定向井。井眼軸線可以是任意三維空間內(nèi)，也可以在三維空間的某個傾斜平面上。既有井斜角的變化，又有井斜方位角的變化。軌跡型式有曲線型、折線型、直線與曲線的多種組合。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（二）按設計井眼軸線形狀分類第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（三）按設計最大井斜角分類

1、低斜度定向井。設計的最大井斜角不超過15o，這種定向井由于井斜角小，鉆進時方位不易控制，鉆井難度較大。

2、中斜度定向井。設計最大井斜角在15o一45o之間，鉆進時井斜、方位較易控制，鉆進難度相對較小，是使用最多的一種。

3、大斜度定向井。設計最大井斜角在46o一85o之間，其斜度大，水平位移大，增加了鉆進難度和成本。

4、水平井。井斜角在86o一120o之間，并沿(近)水平方向鉆進一定長度。水平井鉆進較難，需要特殊設備、鉆具、工具、儀器以及特殊工藝。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（三）按設計最大井斜角分類4/第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

4、水平井。

根據(jù)增斜段的曲率半徑，水平井又可細分為長、中、（中短）、短四種曲率半徑的水平井。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔4、水平井。4/2/第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

（四）按鉆井井底結構分類

1、單底定向井（孔）。只有一個主干井眼的定向井。2、多底定向井（孔）。主干井(首先完成的鉆井)鉆進后，再從主干井內(nèi)開出其他分支井的定向井。它又分一級和多級分支定向井。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（四）按鉆井井底結構分類4/2第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（1）一級分支定向孔。所有分支孔從同一主孔分支。

a．平面型一級分支定向孔。如單向羽狀孔、雙向羽狀孔。

b．空間型一級分支孔。支孔從主孔按任一選定順序向幾個方向彎曲到達預定目標，它又稱空間型集束孔。（2）多級分支定向孔。主干孔中有分枝孔，分枝孔中再有分支孔。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（1）一級分支定向孔。所有分支第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（五）按一個井場或平臺鉆井數(shù)分類1、單一定向井。2、雙筒井。用一臺鉆機交叉作業(yè)，同時鉆出井口相距很近的兩口定向井。3、叢式井(組)。凡在一個井場或平臺上，有計劃的鉆幾口或幾十口定向井和一口直井，這些井統(tǒng)稱叢式井(組)。隨著定向井技術的發(fā)展，定向井的種類不斷呈現(xiàn)更加豐富的內(nèi)容。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（五）按一個井場或平臺鉆井數(shù)分第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔

四、定向鉆進技術的應用范圍

（一）在石油、天然氣鉆井工程中應用

1、在海洋鉆井平臺上鉆叢式定向井?？刂戚^大面積的油氣構造。生產(chǎn)設施集中在平臺上，節(jié)省建造平臺費用。2、勘探和開發(fā)近海岸油氣田。使鉆井定向彎曲，鉆達海底油氣層，節(jié)約海上鉆井平臺的建設費用(圖1—3，B)。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔四、定向鉆進技術的應用范圍4第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔3、用定向井控制斷層，查明油水界面或斷層面的位置(c)。

4、避開地表障礙物，勘探和開發(fā)障礙物下方的油氣田。5、糾正已斜的井眼或繞過井內(nèi)落魚而進行側鉆。6、打定向井探采鹽丘突起下部的油氣層。含油構造有時與鹽丘構造共生，部分鹽丘可能直接覆蓋在油藏上面，直井鉆遇鹽層可能導至沖蝕、鉆井液漏失和腐蝕等問題。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔3、用定向井控制斷層，查明第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔7、井噴無法處理或油氣井失火，鉆定向救援井與原井銜接控制井噴或撲滅火災(圖1—3，F(xiàn))。8、鉆大斜度井或水平井，防止氣錐和水錐問題；增加井眼在產(chǎn)層中的延伸長度；增大平臺的泄流面積，在裂縫性油藏能鉆遇多條裂縫，提高單井的產(chǎn)量。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔7、井噴無法處理或油氣井第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（二）在固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘鉆探中的應用1、鉆孔糾斜。當鉆孔孔斜超過地質(zhì)規(guī)定時，采用定向鉆進技術進行定向糾斜，挽救鉆孔免于報廢。2、補取巖礦心。當鉆孔巖礦心采取率未滿足地質(zhì)規(guī)定要求或打丟礦層時，側鉆或偏斜鉆進補取巖礦心；3、偏斜鉆進繞過事故孔段或復雜的地質(zhì)孔段如地下大溶洞、老窿或坑道等。4、在鉆孔自然彎曲嚴重的礦區(qū)，利用自然彎曲規(guī)律施工初級定向孔。5、在地表開孔地理位置有陡山、建筑物、沼澤、湖泊、河流、森林等限制條件時，修路、機臺設置、搬遷安裝極為困難，設計定向孔可避開上述障礙。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（二）在固體礦產(chǎn)地質(zhì)勘鉆探中的應用第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔6、礦體埋藏較深，覆蓋流砂、卵礫石層鉆進困難；或上部巖層嚴重漏失，坍塌；或巖石非常堅硬，鉆進效率極低，可用垂直—傾斜定向孔代替斜孔施工，或采用分支孔鉆進，避免多次重復穿過復雜地層，改善鉆進工藝條件。

7、勘探陡斜礦體或平行礦脈時，施工單底定向孔或羽狀分支孔，可以增大鉆孔遇層角，獲得代表性強的地質(zhì)資料，并減少鉆探工作量。8、勘探網(wǎng)度較密，從地表施工鉆孔時，孔斜容易超過允許彎曲度，在此種情況下，可打分枝定向孔，以保證鉆探質(zhì)量，節(jié)約鉆探工作量。9、礦床補充勘探。礦區(qū)勘探相鄰鉆孔揭露目的層的間距超出勘探級別要求時，采用受控定向鉆探技術，在相鄰兩鉆孔之間補充勘探，滿足勘探網(wǎng)距精度。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔6、礦體埋藏較深，覆蓋流砂、卵礫石第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔（三）在其他工程上的應用1、供水井。鉆多孔底定向井多次穿過含水裂隙或沿含水裂隙鉆單孔底定向井，可增加出水量。2、開發(fā)地殼深部“干熱巖”體的能量。鉆兩口定向井，用水力壓裂法使兩井連通，形成一個地下熱倉和封閉回路，用—口井向下注冷水，干熱巖將冷水加熱，另一口井抽出高溫蒸氣進行發(fā)電。3、在城市建筑物、道路及江河等地，鉆定向孔非開挖鋪設電纜或管道。4、在礦山工程中，鉆高要求的垂直孔，如坑道通風孔、處理水淹坑道的垂直孔，要求鉆孔垂直進入靶區(qū)較小的坑道內(nèi)。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔（三）在其他工程上的應用4/2/2第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔5、在礦山豎井預定井位，施工高精度定向孔，了解地下巖層水文地質(zhì)與工程地質(zhì)情況，確定是否適宜在該處建井。6、用于豎井注漿孔。在流砂和其他不穩(wěn)定含水層掘進豎井是一項極復雜、危險和昂貴的工程。豎井周圍巖石需進行預先加固，為此在豎井周圍可鉆叢式孔，鉆孔密集排成圓圈，用鉆孔灌漿或用凍結法加固鉆孔。要求鉆孔嚴格保持垂直，或者鉆孔上部為垂直段，下部定向進入豎井井簡圈的一定圈徑范圍。7、在煤層中鉆定向排放孔抽瓦斯，保證采煤時的安全。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔5、在礦山豎井預定井位，施工高精度第一節(jié)

定向鉆探與定向鉆孔8、對接孔采鹽。過去，在鉆孔采鹽時，一直采用單井對流水溶采鹵法，這種采鹵技術存在較多缺點，如礦產(chǎn)回采率不足20％，鹵井壽命短，產(chǎn)量低，采出的鹵水濃度低而且不穩(wěn)定等。雙井對接連通水溶采鹵可克服上述一系列缺點。數(shù)十年來，鹽業(yè)系統(tǒng)探索了幾種使兩井能連通的方法(壓裂法，自然溶通法等)，但并不是很理想，采用定向鉆進技術實現(xiàn)兩井對接、三井對接甚至更多的井眼對接，極大地提高采鹽鹵水量。9、地下核爆炸試驗后，為了快速有效而安全地取樣，必須采用定向鉆進和設計定向孔，快速準確鉆到地下核爆炸區(qū)域取樣。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)定向鉆探與定向鉆孔8、對接孔采鹽。過去，在鉆孔采鹽時第二節(jié)

受控定向探技術主要技術經(jīng)濟問題地質(zhì)勘探中，高精度受控定向鉆探技術相對較困難和復雜，特別是地質(zhì)鉆孔的孔徑小，在某些方面比石油定向鉆井的難度還大。施工高精度地質(zhì)受控定向孔，需要研究解決的技術經(jīng)濟問題主要有以下幾個方面。1、研究鉆孔自然彎曲的原因、規(guī)律，預防或利用的有效方法。2、精確測量鉆孔空間位置的儀器。3、快速、準確地設計和計算定向孔軸線軌跡。4、高效、可靠地人工造(糾)斜工具，即可改變鉆孔頂角，也可改變鉆孔的方位角。5、準確、快速、可靠的定向器具。6、定向孔技術、經(jīng)濟效益的合理評價。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)受控定向探技術主要技術經(jīng)濟問題地質(zhì)勘探中，高精第二節(jié)

受控定向探技術主要技術經(jīng)濟問題其中的主要技術關鍵是：1、根據(jù)已知地質(zhì)條件，合理地設計定向鉆孔軸線軌跡。2、能可靠地控制人工彎曲工具改變鉆孔軌跡，且造斜強度穩(wěn)定、可調(diào)。3、能準確、可靠地對造斜工具定向和測量鉆孔的頂角，方位角。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)受控定向探技術主要技術經(jīng)濟問題其中的主要技術關鍵第二章

定向鉆孔軸線軌跡的

設計計算

一、鉆孔軸線及其有關參數(shù)二、鉆孔軸線空間位置計算三、定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法四、初級定向鉆孔軸線設計五、受控定向鉆孔軌跡設計第二章定向鉆孔軸線軌跡的

設計計算一、鉆孔軸線及其有關參第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

一、鉆孔軸線鉆探與鉆井工程中，各類鉆孔（或鉆井）的特征通常是在空間用一條線來描述，這條線代表鉆孔軸線，是鉆孔軸線的軌跡線，所以，我們把表征鉆孔空間形態(tài)的軌跡線稱之為鉆孔軸線。l、設計鉆孔軸線。鉆孔施工前，根據(jù)地質(zhì)目的、工程要求和施工條件，對所要施工的鉆孔進行軸線軌跡設計并繪制出設計軸線的軌跡。設計鉆孔軸線一般是采用數(shù)學的原理設計成各種連續(xù)的軌跡線，一般為直線、曲線的不同組合。設計鉆孔軸線要能達到工程目的要求，且在工程施工中容易被實現(xiàn)，對鉆孔施工起指導作用。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)一、鉆孔軸線4/2第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、實際鉆孔軸線。鉆頭沿孔底破碎面中心移動時形成的點的實際幾何軌跡。實際鉆孔軌跡十分復雜，不可能與設計軸線完全吻合。只能是與設計鉆孔軸線接近。由于實際鉆孔軌跡是由無窮多個點連續(xù)組成，軌跡點空間位置的連續(xù)測定極為困難，也沒有必要（即使測量也有誤差），因而實際鉆孔軸線是無法繪制的，它僅具有抽象意義。

3、與實際近似的鉆孔軸線。對鉆孔軸線有限點進行測量和計算，并以測量計算的數(shù)據(jù)為依據(jù)，用直線或曲線的形式描述鉆孔軸線在空間的形態(tài)變化。它并不是實際鉆孔軸線，僅與實際鉆孔軸線近似，但卻具有實用意義。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、實際鉆孔軸線。鉆第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

二、鉆孔軸線空間要素（參數(shù)）

鉆孔軸線的空間形態(tài)可以用軸線上的一些參數(shù)來表征。

定向鉆孔軸線的空間要素包括：鉆孔軸線上各點的頂角、方位角和孔深，靶點的垂深和水平位移，曲線段的曲率或彎曲強度，以及鉆孔軸線的遇層角等。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)二、鉆孔軸線空間要素（參第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（一）確定鉆孔軸線空間位置的幾何參數(shù)1、頂角（井斜角）

軌跡上某點的頂角是該點的切線與鉛垂線之間的夾角，一般用θ表示。2、方位角鉆孔軌跡上某點的方位角是該點的切線在水平面上的投影與真北方向之間的夾角，一般用α表示，并且從真北方向開始按順時針方向計算。3、孔深孔軌跡上某點的孔深是孔口到該點的鉆孔軸線的長度。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（一）確定鉆孔軸線空間第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

根據(jù)鉆孔軌跡的基本要素，就可以利用一定的計算方法，求出軌跡上每一點的空間坐標。A點的水平距=X0、Y0、Z0——孔口坐標；XA、YA、ZA——鉆孔軸線A點的坐標；、

——鉆孔軸線的頂角、方位角；——孔口至測點A鉆孔軸線的長度。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)根據(jù)鉆孔軌跡的基本要素，就第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

（二）表征鉆孔軸線彎曲程度的參數(shù)當鉆孔彎曲時，用彎曲強度或曲率、曲率半徑來表征鉆孔彎曲的強烈程度。

1、彎曲強度鉆孔彎曲強度是指鉆孔軸線單位長度上頂角或方位角變化的度數(shù)。

當鉆孔軸線只有頂角變化時,用頂角彎曲強度表示，當鉆孔軸線只有方位角變化時，用方位角彎曲強度表示，當鉆孔軸線即有頂角變化，又有方位角變化時，用全彎曲強度表示。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（二）表征鉆孔軸線彎曲程度第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（1）頂角彎曲強度：（2）方位角彎強：

式中：,——A、B兩點的鉆孔頂角，(o)；αA，αB

——A、B兩點的鉆孔方位角，(o)；

,——A、B兩點的孔深，m；

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（1）頂角彎曲強度：第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（3）全彎曲強度：

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。全彎曲角γ如圖所示,

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（3）全彎曲強度：第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

根據(jù)圖形和公式：①只要已知鉆孔軸線上變化前后的頂角與方位角，就可求出該段軸線對應的全彎曲角。②是全彎曲角的水平投影角，只要已知空間角的兩鄰邊與鉛垂線BO的夾角、空間角在水平面的投影角（Δα），就能求出全彎曲角。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)根據(jù)圖形和公式：4/2/202第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、曲率（K）與曲率半徑（R）曲率是鉆孔軸線彎曲強度的另一種表述形式，定義與彎曲強度相同，單位為弧度。彎曲強度、曲率與曲率半徑是定向鉆孔設計計算時常用的參數(shù)。其相互間的關系為：

曲率半徑（R）為：

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、曲率（K）與曲率半徑（第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

（三）靶點垂深（H）與水平位移（S）

1、靶點垂深：定向鉆孔的靶點相對于開孔點的垂直深度。

2、水平位移：定向鉆孔的靶點相對于開孔點的垂直深度。靶點垂深與水平位移是定向鉆孔軸線軌跡設計的主要依據(jù)。

（四）鉆孔軸線的遇層角（δ）固體礦床勘探，尤其是產(chǎn)狀陡斜、形態(tài)復雜的礦體，往往對鉆孔軸線穿過礦體時的遇層角有所要求，以使取出的礦心有較好的代表性。鉆孔軸線遇層角：鉆孔軸線在遇層點（靶點）的切線與其在層面上的射影所夾的銳角。一般過礦層遇層角不應小于30o。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)（三）靶點垂深（H）與水平位第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

1、鉆孔軸線靶點處的切線方向與礦層傾向平行時（1）鉆孔軸線的方位與礦層傾向相反時：設：鉆孔軸線靶點處的頂角為，

礦層傾角為，鉆孔軸線遇層角為則：

，

若已知礦層傾角為和鉆孔軸線最小遇層角為，求鉆孔軸線滿足要求的最小入礦頂角為則：4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)1、鉆孔軸線靶點處的切第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)

1、鉆孔軸線靶點處的切線方向與礦層傾向平行時（2）鉆孔軸線的方位與礦層傾向一致時：

若已知礦層傾角為和最小遇層角為，求鉆孔軸線滿足要求的最小入礦頂角則：4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)1、鉆孔軸線靶點處的切線方向與第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、當鉆孔軸線的切線方向與礦層傾向不平行時（任意方向入礦）如圖，BC為鉆孔軸線靶點處的切線，C為靶點，入礦頂角，CD為BC在礦層平面上的射影，F(xiàn)C為BC在水平面上的投影，礦層傾角為，遇層角，設為鉆孔軸線方位角與礦層反傾向方位角的差值，可以推導出遇層角的計算公式為：4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第一節(jié)鉆孔軸線及其有關參數(shù)2、當鉆孔軸線的切線方向與礦層傾第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算

鉆孔軸線空間位置計算的基本原理：

將鉆孔軸線分成若干小段，根據(jù)每一小段端點的測斜數(shù)據(jù)，將每一小段鉆孔軸線看作為直線或曲線進行疊加計算。鉆孔軸線空間位置的計算方法：

現(xiàn)行的計算方法主要有全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半徑法和最小曲率法。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算第二第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

一、空間坐標系的建立

1、相對地理坐標系：孔口為原點，X軸正向指向地理正北（與磁北間有磁偏角λ，東磁偏角和西磁偏角），Y軸指向地理正東，Z軸鉛垂指向地心。在此坐標系下，將磁方位角修正為地理方位角。，

將孔口的絕對地理坐標疊加到計算出的各點相對坐標值上，相對地理坐標就轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對地理坐標。

2、相對勘探線坐標系：孔口為原點，X軸正向指向勘探線方位（一般是磁方位角），Y軸順時針旋轉(zhuǎn)90度，Z軸鉛垂指向地心。。在此坐標系下，將方位角減去勘探線方位，計算的坐標為相對勘探線坐標。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算一、空間坐標系的建立4/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算二、鉆孔軸線空間位置計算（一）全角半距法1、計算模型（1）將相鄰兩測點之間的孔段看作為直線；（2）該直線的頂角、方位角是每段直線下端點的頂角、方位角；（3）整個鉆孔軸線是直線與直線相互連接的空間折線。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算二、鉆孔軸線空間位置計算4/2/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式

式中：——上測點鉆孔軸線坐標；

——下測點鉆孔軸線坐標；

——上，下測點鉆孔軸線長度；——下測點鉆孔頂角，磁方位角，（o）；

——當選擇坐標系為地理坐標系時，為當?shù)氐拇牌?；當選擇坐標系為礦區(qū)相對坐標系時，為勘探線方位角。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式4/2/2024中國第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點

（1）計算方法極為簡單、方便。（2）將兩測點間的鉆孔軸線看作為直線，且直線的頂角、方位角是下端點的頂角、方位角，極不合理。（3）在增斜段計算的水平位移偏大，垂直深度偏小，而在減斜段則相反，計算誤差很大。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點4/2/2024第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

（二）全角半距法1、計算模型（1）相鄰兩測點間的鉆孔軸線為兩段直線連成的折線。折線中每段直線的長度等于兩點間鉆孔軸線長度的一半。（2）上半段直線用上測點的頂角、方位角，下半段直線用下測點的頂角、方位角。（3）整個鉆孔軸線是一條折點更多的折線。其實質(zhì)是把弧型孔段用兩點的切線來代替。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算（二）全角半距法4/2/20第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式式中：

——上測點鉆孔頂角，磁方位角；

其他符號意義同上。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式4/2/2024中國第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點（1）計算較為簡單。（2）兩點間的鉆孔軸線分段更小，且綜合考慮了上下兩測點的頂角、方位角。（3）上、下兩測點頂角對軌跡計算所引起的誤差起相互補償?shù)淖饔?，結果誤差較小。特別是在鉆孔彎曲曲率半徑較大時有較高的精度。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點4/2/2024第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算（三）均角全距法1、計算模型（1）將相鄰兩測點間的鉆孔軸線看作為直線。（2）該直線的頂角、方位角分別為上、下兩測點的頂角、方位角的平均值。（3）整個鉆孔軸線仍是直線與直線連接的折線。其實質(zhì)是以弦代弧。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算（三）均角全距法4/2/202第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式式中符號意義同上。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式4/2/2024中國第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點（1）此法比全角全距法稍復雜一些，但比全角半距法簡單，是現(xiàn)場手算常常采用的方法。（2）以上、下兩測點頂角、方位角的平均值作為軸線的計算角度，降低了增斜段和減斜段水平水平位移、垂直深度的計算誤差。（3）在測點間距較大、曲率半徑較小時有一定誤差。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點4/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算（四）曲率半徑法（行進曲線法）1、計算模型（1）將相鄰兩測點間的鉆孔軸線看作為直立圓柱面上的一條弧線。（2）弧線的展開，彎曲強度是定值，即頂角彎曲強度是定值。（3）整個鉆孔軸線仍是空間不同曲率圓弧組成的弧線。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算（四）曲率半徑法（行進曲線第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式推導如圖示，A、B是孔身軌跡上相鄰的兩個測點，A′、B′是其水平投影。AB孔段在垂直平面上的展開線呈圓弧形，弧長等于測程△L，頂角從變化到。而孔段的水平投影也呈圓弧形，方位角由變化到。假定頂角彎強為定值，而方位角彎強和全彎強則不斷變化，則AB孔段的計算公式如下：

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式推導4第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算孔段在垂直平面展開圖上：

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算孔段在垂直平面展開圖上：4/2/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

在水平投影圖上：

的曲率半徑；4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算4/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算上的弧微分ds′在X軸上的投影為dx

全段弧在X軸上的投影為

同理可證：

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算上的弧微分ds′在X軸上的第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算根據(jù)上式，應用曲率半徑法計算整個鉆孔軸線軌跡坐標的一般公式為：

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算根據(jù)上式，應用曲率半徑法計第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點（1）將兩測點之間的孔身軌跡看作是圓弧，比較切合實際，計算誤差較小。（2）計算方法復雜，手算時速度慢。

幾種特殊情況：（1）若

，則鉆孔軸線為垂直孔，坐標不變。（2）若

；

時，R趨于無窮大是直線，r仍是曲線。（3）若

；

時，R、r都趨于無窮大，是直線。（4）若

；

時，R是曲線，r趨于無窮大是直線。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算3、計算方法特點4/2/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

（五）最小曲率法

1、計算模型（1）將相鄰兩測點之間的鉆孔軸線軌跡看作為空間某個平面上的一條圓弧線，并且具有最小曲率。（2）圓弧在空間全彎曲強度不變是定值，頂角彎曲強度和方位角彎曲強度則可能是變化的。（3）整個鉆孔軌跡則是圓弧組成的空間曲線。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算（五）最小曲率法4/2/第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式推導如圖示，A、B是軌跡上兩個相鄰測點，它們在同一傾斜平面內(nèi)，全彎強是定值。最小曲率法與全角半距法有相似之處，計算AB孔段對應的坐標變量可以借用全角半距法公式進行計算，但全角半距法是將鉆孔軸線看作折線AC和CB來計算的，而最小曲率法是將鉆孔軸線看作為圓弧來計算的，因此，必須在全角半距法公式中引入將折線AC、CB圓化為的修正系數(shù)KS，該系數(shù)又稱圓化系數(shù)。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算2、計算公式推導4第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算式中：γ——鉆孔軸線相鄰兩測點孔段的全彎曲角，（弧度）

其他符號意義同上

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算式中：γ——鉆孔軸線相鄰兩測點第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

最小曲率法計算整個鉆孔軸線軌跡坐標的一般公式為：

3、計算方法特點（1）此法的假定條件具有廣泛的代表性，它特別適合于人工連續(xù)造斜時孔身軌跡的空間狀態(tài)。（2）計算精度高。缺點是計算手續(xù)麻煩，不便采用手算。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算最小曲率法計算整個鉆孔軸線第二節(jié)

鉆孔軸線空間位置計算

作業(yè)：某鉆孔彎曲度測量數(shù)據(jù)如下表，已知區(qū)域為西磁偏角3.5度，試用三種計算方法計算鉆孔軸線各測點處的相對地理坐標。

測點12345678測點孔深L（m）

255075100125150175200測點頂角

θ（o）

048.510.313.016.520.024.0測點磁方位角α（o）

3.510.014.018.725.832.039.747.54/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第二節(jié)鉆孔軸線空間位置計算作業(yè)：測點12345678第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

一、定向鉆孔設計的一般原則(一)

滿足定向孔施工目的和要求1、根據(jù)定向孔目的、用途選擇合適的定向孔類型與鉆孔軌跡形式。

如勘探埋藏深的急傾斜礦體宜設計垂直平面彎曲型單向羽狀分枝定向孔；詳勘埋藏深的水平或緩傾斜礦體宜設計空間型集束孔；滅火井要準確鉆達“靶心”，宜設計井身軌跡嚴加控制的單底定向井；繞過孔內(nèi)事故孔段只需在事故孔段上部偏斜開出新孔能代替原孔即可。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法第三節(jié)定向鉆孔設計第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法2、嚴格按照孔口位置、靶點位置、靶區(qū)范圍、見礦遇層角等要求設計定向孔軸線。

一般情況下，遇層角不應小于30°。靶區(qū)的設置包括靶點位置、靶區(qū)形狀和大小，主要與勘探網(wǎng)度、礦體產(chǎn)狀有關。靶區(qū)范圍一般取靶點的偏線距、沿線距、偏高距分別為線距、孔距或標高距的1／4一l／5。靶點一般定在主礦層的中點，也可定在見礦點和出礦點。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法2、嚴格按照第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（二）選擇合理的鉆孔軸線的設計順序1、單孔軸線的合理設計順序。如開孔點或分支點已定，設計時應從上往下，即從開孔點逐段推移到靶點。如開孔點或分支點未定，設計時一般應選擇從下往上，即從靶點逐段推移確定至開孔點。2、多孔底鉆孔主孔和分支孔的合理設計順序。其原則是先主（干）孔，后分支孔。

3、分支孔的合理設計順序。當選用“從下往上”的順序施工多孔底鉆孔時，分支孔應從下往上順序設計(先設計、施工主干孔1，然后設計施工分支孔2，之后是分支孔3)。當必需選用“從上往下”的順序施工多孔底鉆孔時，分支孔應從上往下順序設計(3——2——1)。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（二）選擇合理第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（三）充分利用地層的自然彎曲規(guī)律人工造斜成本較高。設計定向孔時，應充分利用地層的自然彎曲規(guī)律，順其自然。鉆孔自然彎曲利用的基本原則是：1、在鉆孔自然彎曲規(guī)律比較明顯的礦區(qū)，如果定向鉆孔精度要求不高，應盡量設計施工初級定向孔。

2、單底定向孔設計時，鉆孔方向應盡可能順自然彎曲方向設計，孔身軌跡及人工造斜段的造斜強度應充分考慮地層的自然彎曲強度。3、設計“從下往上”順序施工的多孔底鉆孔時，主孔應盡可能利用鉆孔自然彎曲規(guī)律。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（三）充分利用第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（四）

選擇易于鉆進的鉆孔軸線軌跡剖面型式鉆孔軸線軌跡型式越復雜，鉆進難度越大，成本越高。三維定向孔比兩維定向孔復雜。三維定向孔中，空間任意彎曲型定向孔又比空間平面彎曲型定向孔復雜。兩維和三維定向孔中，直線-曲線-直線型鉆孔身只有一個人工彎曲段，容易施工。因此，在可能的情況下，應選擇兩維直線-曲線-直線型孔身剖面型式。必須設計三維定向孔時，應盡可能選擇空間平面彎曲型。垂直開孔和近垂直開孔比傾斜開孔便于鉆進和起下鉆具。因此，在可能的情況下，應盡可能設計直孔或小頂角開孔（開孔頂角一般不超過5°），并且該頂角的開孔段應有足夠長度。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（四）選擇易于鉆第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（五）選擇合適的造斜強度

定向孔造斜孔段應均勻造斜，避免急彎，并設計和選擇合適的造斜強度。造斜強度大，造斜孔段短，這對降低造斜成本有利，但過大會因急劇彎曲而影響正常鉆進。造斜強度小，能保證順利施工，但造斜孔段長，成本隨之增加。因此，合適的造斜強度應是在確保造斜后正常施工的前提下，盡可能縮短造斜孔段長度。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（五）選擇合適的第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法巖心鉆探保證粗徑鉆具順利下入孔內(nèi)的鉆孔極限彎曲強度和采用孔底動力鉆具造斜時，保證動力鉆具順利下入孔內(nèi)的孔身極限彎曲強度可分別用下式估算。；

式中：——鉆孔直徑(m)；

——鉆頭直徑(m)；

——巖心管直徑(m)；

——粗徑鉆具長(m)；——鉆頭直徑與動力鉆具直徑差(m)；

——間隙值，軟巖膨脹地層，硬地層(m)；

——動力鉆具長度(m)；上式的計算數(shù)據(jù)與實際出入較大，有待進一步完善。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法巖心鉆探保證粗徑第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法根據(jù)工程實踐，人工造斜段的彎曲強度選擇如下：1、巖心鉆探鉆孔彎曲強度的選取如所示（螺桿鉆具造斜）。繩索取心鉆桿0.2-0.5°/m，普通鉆桿0.3-0.8°/m。

分支鉆進造斜強度可在1-1.5°/m。實際上，很多不是分支鉆進時，螺桿鉆造斜時，局部孔段的超過1°/m的實踐已不少，此時鉆桿并未發(fā)生折斷，但值得注意的是所選擇的造斜強度與連續(xù)造斜的孔段長度有關，連續(xù)造斜的孔段長度較長時，則造斜強度應選取較小值。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法根據(jù)工程實踐，人工第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法2、石油鉆井中，由于鉆井直徑相對較大，鉆桿與鉆具結構較復雜，所鉆進的地層以沉積巖為主，通常采用1.5o/100ft—2.5o/100ft的造斜強度來獲得較為合理的井眼曲率，但在一些特殊情況下，也可采用較高的造斜強度。3、定向鉆進技術在運用于非開挖鋪管時，造斜強度的選擇主要應考慮所鋪設的管線直徑，一般取鉆孔的曲率半徑R≥1200D，式中的D代表所鋪設的管線直徑，若所鋪設的管線為柔性管線，則D為鉆桿的直徑。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法2、石油鉆第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（六）選擇恰當?shù)脑煨?分支)點選擇造斜(分支)點的原則是：1、造斜(分支)點的巖層易于造斜鉆進，它應是：地層較完整、穩(wěn)定，巖石硬度中等，可鉆性不超過8級。

2、造斜(分支)點應避開礦層和礦化帶，選在對巖心采取率不作要求的孔段。3、單孔底定向孔的造斜點應盡可能選在鉆孔上部，這樣造斜段較小的彎曲角就可獲得較長的水平距。

4、分支孔的分支點位置應適中。分支點位置的選擇一方面要考慮節(jié)約更多的進尺，另方面要考慮分支孔造斜孔段造斜和鉆進的可行性及費用，一般不宜選在鉆孔的下部孔段。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（六）選擇恰第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

（七）鉆孔結構應考慮孔身剖面形狀和造斜工具類型鉆進油氣定向井時，表層套管、技術套管的下入與設計的孔身剖面形狀有關。用螺桿鉆施工造斜孔段時，它與孔徑之間的級配應合理，否則會直接影響造斜效果。螺桿鉆具工作時，需要的泵量大，與孔徑最好有一個級差（螺桿鉆具與孔壁間隙最小不能小于3mm）。

（八）選擇鉆孔軸線軌跡計算方法應與設計質(zhì)檢部門一致

（九）必須對定向孔的社會經(jīng)濟效益進行預測應從技術、質(zhì)量、經(jīng)濟、時間及社會效益方面綜合考慮。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法（七）鉆孔結構應第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

三、定向鉆孔設計內(nèi)容定向鉆孔設計內(nèi)容很多，有的由地質(zhì)規(guī)定（即給定的設計條件），有的要擇優(yōu)選取，有的要計算或繪圖求得。在進行定向孔各項內(nèi)容的設計時，應遵循上述設計的依據(jù)和原則。定向孔設計的主要內(nèi)容包括：l、選擇和確定礦區(qū)用定向孔施工的鉆孔。2、確定礦區(qū)定向孔孔底結構型式（指單孔底鉆孔和多孔底鉆孔）和施工技術方法類型（指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律和人工造斜）。3、選擇和確定定向孔孔身剖面型式。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法三、定向鉆孔設第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法4、確定開孔點坐標或開孔范圍、靶點坐標、靶區(qū)范圍、穿礦遇層角、靶點至終孔點的距離及礦層傾角。5、選擇造斜點（分支點）位置和造斜孔段的造斜強度?？梢赃x取幾組不同數(shù)值擇優(yōu)確定。6、求出孔身剖面(鉆孔軌跡)參數(shù)，包括各孔段的頂角、方位角、長度、垂深、水平位移以及定向鉆孔中靶孔深和終孔孔深。當開孔位置未定時，還要求出開孔位置及開孔頂角和方位角。7、繪制設計的孔身剖面軌跡。8、確定鉆孔結構。上述內(nèi)容中，設計定向鉆孔軸線和求出鉆孔軸線參數(shù)是要解決的主要任務。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法4、確定開第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法

四、定向鉆孔軸線的設計方法1、繪圖法。將給定和選定的數(shù)據(jù)通過簡單計算，查表、量取和借助繪圖工具，繪制出鉆孔軸線結構圖，然后經(jīng)量度或計算求得各軸線段的參數(shù)值。這種方法簡便，但有不足之處，當孔段曲率半徑比鉆孔深度大若干倍時，增加了繪圖困難，當鉆孔頂角或方位角變化小時，難以量得準確的數(shù)據(jù)，當鉆孔軸線為空間型時，給繪圖增加了麻煩。2、計算法。計算法（即解析法）是將給定和選定的數(shù)據(jù)通過公式計算，求得各軸線段的參數(shù)值，然后繪制鉆孔軸線結構圖。計算法根據(jù)選用公式的不同，有不同的計算方法。計算法準確、可靠、精度高，使用比較廣泛。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法四、定向鉆孔軸線第三節(jié)

定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法3、查圖法。主要在油、氣定向井中使用。這種方法需要事先作一套圖表，每張圖表代表某一種鉆孔軸線剖面型式的造斜曲線圖。給定和選定數(shù)據(jù)后，按選擇的鉆孔軸線剖面型式查相應的造斜曲線圖，讀出各軸線段的參數(shù)值（角度是近似值）。4、圖板法。事先把某一種鉆孔軸線剖面的典型結構部分制作成圖板，而且圖板曲線部分的曲率半徑已選定。這樣，在給定和選定數(shù)據(jù)（選擇的曲線段彎曲半徑應與圖板曲線部分的曲率半徑一致）后，通過作圖和移動圖板即可量度和計算各軸線段的參數(shù)值。

5、微機計算法。利用微機編程計算軸線參數(shù)值，還可繪制鉆孔軸線的結構圖。計算法中的計算公式是該方法的基礎，其設計定向孔軸線速度快，數(shù)據(jù)準確、直觀，使用也較廣泛。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第三節(jié)定向鉆孔設計的原則、內(nèi)容和方法3、查第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

由于地質(zhì)因素、工藝技術因素的影響，鉆孔軸線往往發(fā)生彎曲，在鉆孔彎曲規(guī)律特別明顯的礦區(qū)，可以設計施工初級定向鉆孔，但其前提是：充分掌握區(qū)域鉆孔彎曲規(guī)律，必須利用數(shù)學或幾何的方法，對區(qū)域已完成的大量的鉆孔歷史資料進行分析、歸納，準確找出鉆孔彎曲規(guī)律。其方法主要有統(tǒng)計作圖法、相關分析法。4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計4第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

一、鉆孔分類與規(guī)律分析分析（一）鉆孔的分類劃分將礦區(qū)內(nèi)已完成的鉆孔分類劃分，目的在于找出同類鉆孔的自然彎曲規(guī)律，不同類型的鉆孔，其彎曲規(guī)律是不盡相同的。鉆孔分類的依據(jù)為：1、鉆孔所鉆地層的性質(zhì)和產(chǎn)狀。2、鉆孔結構和開孔角度。3、鉆探設備和管材。4、鉆進方法和碎巖工具。5、鉆進規(guī)程參數(shù)和工藝技術措施。所謂同類鉆孔就是指在以上5個方面基本相同的鉆孔。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計一、鉆孔分類與規(guī)律分析分第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

（二）鉆孔彎曲規(guī)律分析1、統(tǒng)計作圖法（1）對礦區(qū)巳峻工的鉆孔進行分組，統(tǒng)計計算每組中鉆孔每隔25m或50m的頂角和方位角，然后求出每組鉆孔各點的平均角度。（2）建立坐標系時，通常以勘探線方向作為x軸方向。垂直于勘探線的方向作為y軸方向，地下方向是z軸方向，開孔點為原點。選用一種鉆孔軸線軌跡計算方法，計算各點的x，y、z坐標。（3）根據(jù)計算出的各點x，y、z坐標，以一定的比例尺在透明紙上繪出孔身軌跡在勘探線剖面上的投影和在水平面上的投影。這兩個投影就是反映鉆孔自然彎曲規(guī)律的標準曲線。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計（二）鉆孔彎曲規(guī)律分析4/2第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計例如某礦區(qū)有一組鉆孔，每隔50m測斜一次，其平均頂角和方位角數(shù)值如表所列，勘探線方位為280°。采用均角全距法計算的x、y、z坐標增量和累計值也列于表中。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計例如某礦區(qū)有一組4/2/第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，選用適當?shù)谋壤?，畫出兩個標準曲線:即反映孔身自然彎曲趨勢的孔身軌跡的垂直投影和水平投影

（圖1-9），供設計初級定向孔使用。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，選用適4/第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

2、相關分析法揭示鉆孔自然彎曲趨勢更好的方法是相關分析法，又稱回歸分析法。即利用數(shù)理統(tǒng)計原理，求出反映鉆孔自然彎曲趨勢的回歸方程（數(shù)學模型）。通常設孔深為自變量，頂角和方位角為因變量，建立回歸方程反映鉆孔頂角、方位角隨孔深變化的規(guī)律。數(shù)學模型比作圖法能更精確地體現(xiàn)孔斜趨勢，隨著近代計算科學的發(fā)展和微機的應用，可以很快處理大量的實際測斜數(shù)據(jù)，并且以較高的信度反映出鉆孔空間位置的變化規(guī)律。

（1）首先對地質(zhì)和工藝技術條件相同的一組鉆孔按一定孔深間距計算出平均頂角和方位角。（2）根據(jù)計算的平均頂角和平均方位角初繪鉆孔頂角和方位角隨孔深變化的趨勢曲線。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計2、相關分析法4/第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

（3）選擇一定的方程式對曲線進行擬合。

擬合時可令y=或，x=。此處x是自變量，y是因變量。

如果x和y之間是線性關系，則擬合方程式為y=a+bx，如果x和y之間是非線性關系，也可以轉(zhuǎn)化為線性關系進行擬合。例如，x和y之間為指數(shù)函數(shù)關系，即y=aebx，則兩邊取對數(shù)得lny=lna+bx，令lny=Y，Ina=A，指數(shù)函數(shù)關系就轉(zhuǎn)化為：Y=A+bx若x和y之間為冪函數(shù)關系，即y=axb

，則兩邊取對數(shù)得lny=lna+blnx令lny=Y，lna=A，lnx=X，冪函數(shù)關系就轉(zhuǎn)化為：Y=A+bX若x和y之間為拋物線關系，即y=a+b，令=X，拋物線函數(shù)關系就轉(zhuǎn)化為：y=a+bX。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計（3）選擇一定的方程式對曲第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計（4）上述方程式中a和b稱為回歸系數(shù)；根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理“最小二乘法”

確定a和b的數(shù)值。它們的計算式是：式中，Xi，Yi——各測點實測值或換算值；，——平均值，，；n——測點數(shù)（樣本數(shù)）

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計（4）上述方程式中a和b稱為第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計（5）回歸方程中各變量間的相關性檢驗。

一般用相關系數(shù)來表示。

通常0<<1，越近于1，表示x與y的線性關系越密切。值低于某一臨界值時，相關關系即不顯著。此臨界值可根據(jù)信度要求及樣本數(shù)的多少，從相關系數(shù)檢驗表中查得。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計（5）回歸方程中各變量間的相第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計如果某一礦區(qū)鉆孔頂角和方位角隨孔深而變化，難以選擇合適的回歸曲線類型時，也可以采用多項式y(tǒng)=b0+b1x+b2x2+……+bpxp來作回歸方程。因為多項式可以擬合非常廣泛的各種曲線。只要令x=x1，x2=x2，…xp=xp，上述多項式就可以化成多元線性回歸方程式，即y=b0+b1x1+b2x2+…+bpxp，

與前述一元線性回歸相同，用最小二乘原理來確定式中的系數(shù)b0，b2，…bp,不過通常建立多元線性回歸方程時，計算非常麻煩，一般都借助計算機。

4/3/2024中國地質(zhì)大學勘查教研室第四節(jié)初級定向鉆孔軸線設計如果某一礦區(qū)鉆孔頂角和方第四節(jié)

初級定向鉆孔軸線設計

二、利用鉆孔自然彎曲趨勢設計初級定向鉆孔求得反映區(qū)域鉆孔自然彎曲趨勢的標準曲線或回歸方程式后，即可利用這些標準曲線或回歸方程進行初級定向孔設計。

（一）標準曲線法用標準曲線法設計初級定向孔的實質(zhì)就是利用這些標準曲線確定新孔的孔