水电勘察工程受控定向钻进技术研究

摘要

在钻井施工中，利用岩层造斜规律，或者采用人工造斜手段，或者两者同时并用，使钻孔按照设计的轨迹，钻达预定的目标的钻进方法，称为定向钻进。使用定向钻进方法完成的井孔，称为定向孔。定向钻进是一项新技术。在达到同样施工目的的前提条件下，它不但能够减少钻进工作量，节约施工费用，而且能够提高工程质量，缩短施工周期，具有理想的技术经济效果。 水电勘察工程多离不开江（河）、高山等特殊场地。进行水电勘察工程定向钻进技术的开发研究，依靠计算机控制技术，按照工程地质人员的要求，结合现场勘察条件，设计一定的弧形孔、分支孔等进行定向钻进，查明江（河）、高山等特殊部位工程地质条件，从而达到减少钻孔工作量，降低勘察成本，缩短勘察周期的目的，为水电工程建设创造良好的社会效益和经济效益，具有非常重大的意义。 论文通过调查研究、轨迹控制程序编写、室内试验、野外试验、理论分析、工程应用等研究方法，对定向钻孔轨迹的设计方法、定向钻进的技术手段进行了归纳总结：对极射赤平投影在定向钻进三维剖面设计中的应用进行了分析研究；对液动螺杆钻具的结构及施工工艺进行了设计研究；编写了一套适合水电勘察的定向钻进轨迹控制软件，并结合工程进行了应用研究。 通过分析研究定向钻孔的空间要素，钻孔轴线空间位置的计算方法，定向钻孔轨迹设计的依据、原则和方法，推定了钻孔孔身轨迹极限弯曲强度的计算公式。定向钻孔的空间要素包括钻孔轴线各点的顶角θ、方位角α和孔身L，靶点垂深H和水平位移S，曲线段弯强i，以及钻孔轴线的遇层角δ。钻孔轴线空间位置的计算方法中，用曲线法计算所得出的结果比直线法更合理、更准确。设计受控定向钻孔孔身轨迹时，曲线段的弯曲强度是一个重要的参数。合理的弯曲强度，一方面要保证粗径钻具顺利通过，另一方面还要保证施工方便和安全。 通过分析研究极射赤平投影的基本原理，将极射赤平投影的方法应用到定向钻进轴线的设计计算中，得到一系列的特征参数计算公式。通过赤平投影方法，将复杂、抽象的空间问题转化为简单、直观的平面问题。在空间三维定向分枝孔的设计中，通过采用赤平投影的方法，将空间三维定向分枝孔轴线投影到赤道平面，从而将空间问题转化为平面问题，再利用球面三角形有关公式进行计算，即可得到定向钻进的各特征参数。 归纳总结了定向钻进的常用技术手段，研究了螺杆钻具的工作原理、工作特性曲线、进行定向钻进时的各种造斜件以及螺杆钻具失效的特征。研制了适合水电勘察定向钻进用的螺杆钻具及配套造斜钻具。分析研究表明：螺杆钻具输出轴的旋转速度，理论上不取决于压力降，而决定于通过螺杆马达截面的液体流量Q和有关结构参数。选择过多的波齿数的螺杆钻具，虽然能获得低转速、大扭矩的工作特性，但效率低。而低效率不仅会使输入水马力的转换程度降低，且缩短了螺杆钻具的使用寿命。水电勘察定向钻进用SLZ系列小口径螺杆钻具的应用表明，该系列螺杆钻具在进行水电勘察时，能有效避开高山、险滩钻达预定靶点。 特殊结构的造斜钻头是水电勘察定向钻进造斜必不可少的重要配套器具之一，其结构、性能直接影响造斜效果及定向钻探的技术经济指标。研究突破以往的金刚石镀膜制造技术，采用全新的金刚石制粒技术，大大改善了金刚石的包镶性能，提高了金刚石质量，使金刚石钻头质量得到改善。设计制造了弱包镶防打滑孕镶金刚石钻头。先在金刚石表面用机械方法裹上一层碳化钨粉末，然后将处理过后的金刚石与胎体粉末均匀混合，再进行装模烧结。研制了自形成同心径向环齿孕镶金刚石钻头，使用该钻头钻进时，在岩体上形成了多条岩脊，增加了钻头的导向性，提高了岩矿心采取率和保持孔壁的稳定。试验表明自形成同心径向环齿孕镶金刚石钻头与普通钻头相比，它既提高了切削效率，也改善了使用寿命。研制了适合硬岩层造斜的金刚石钻头，突破了以往只能在中硬以下地层造斜的研究瓶颈。 采用PowerBuilder开发工具开发了包括定向钻进钻孔轨迹设计子程序、轨迹坐标计算子程序和弯曲强度计算子程序三个子程序的定向钻进应用软件。利用该软件可以方便地设计定向钻进钻孔轨迹，计算各特征参数，计算各点坐标值，计算允许最大弯曲强度，绘制设计轨迹及实际钻孔轴线。 工程应用表明，将定向钻进应用到水电勘察当中是可行的。突破以往只能在中硬以下岩层造斜的瓶颈，在坚硬的花岗岩地层进行造斜钻进。研究表明：只要选取合适的钻进工具，设计合理的钻进轨迹，完全可以降低水电勘察成本和减少勘察周期，在硬岩地层造斜钻达目的层。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1问题的提出

1.2定向钻进概况

1.3赤平投影概况

1.4论文研究的目的、意义和内容

1.4.1研究的目的、意义

1.4.2主要研究内容

第二章 水电勘察定向钻孔特点、类型

2.1水电勘察定向钻孔的特点

2.2水电勘察定向钻孔的空间要素

2.2.1基本要素

2.2.2靶点垂深和水平位移

2.2.3曲线段曲率或弯曲强度

2.2.4钻孔轴线遇层角

2.3水电勘察定向钻孔的类型和孔身轨迹形式

2.3.1定向钻孔的类型

2.3.2孔身轨迹的形式

2.4水电勘察定向钻孔孔身轨迹设计的依据、原则和内容

2.4.1孔身轨迹设计设计依据

2.4.2轨迹设计原则

2.4.3轨迹设计内容

2.5孔身轨迹极限弯强的确定

2.5.1允许粗径钻具顺利过孔的孔身极限弯强

2.5.2保证钻杆柱安全工作的孔身极限弯强

2.6本章小结

第三章水电勘察定向钻孔的设计及极射赤平投影的应用

3.1钻孔轴线空间位置的计算

3.2常用水电勘察定向钻孔轴线设计

3.2.1二维定向孔轴线设计

3.2.2三维定向孔轴线设计

3.3极射赤平投影原理

3.3.1投影原理

3.3.2吴尔福投影网

3.4极射赤平投影在定向钻进三维剖面设计中的应用

3.4.1确定产状(θ，α)及夹角λ1

3.4.2确定楔子的安装角β1及连续造斜机具初始安装角β2

3.4.3确定连续造斜段起点的孔斜参数及坐标

3.4.4计算连续造斜孔段的全弯曲角γ

3.4.5确定连续造斜段长度L2、稳斜段L3、及分枝孔总长L

3.4.6确定造斜终点的顶角、方位角及坐标

3.5用极射赤平投影进行轨迹设计计算的优点

3.6本章小结

第四章水电勘察定向钻进的技术手段

4.1概述

4.2钻具组合

4.2.1保直钻具组合

4.2.2增斜钻具组合

4.2.3减斜钻具组合

4.3造斜楔

4.4连续造斜器

4.5孔底动力机造斜钻具

4.6本章小结

第五章 液动螺杆钻具及其施工工艺

5.1概述

5.2液动螺杆钻工作原理

5.3液动螺杆钻具的结构

5.3.1溢流阀

5.3.2螺杆马达

5.3.3万向联轴节

5.3.4驱动轴

5.4液动螺杆钻具的工作特性曲线及失效特征

5.4.1液动螺杆钻具的工作特性曲线

5.4.2我国螺杆钻具应用失效特征

5.5适合水电勘察用液动螺杆钻具的研制

5.6用液动螺杆钻具进行人工弯曲的造斜件

5.6.1弯钻杆

5.6.2弯接头

5.6.3弯外管

5.7水电勘察螺杆钻定向钻进设备及工器具的选择

5.7.1水电勘察螺杆钻定向钻进设备的选择

5.7.2螺杆钻定向钻进配套工器具的选择

5.8水电勘察螺杆钻定向钻进施工工艺

5.8.1 SLZ型螺杆钻具操作技术

5.8.2造斜孔段和分枝孔分枝点确定

5.8.3人工孔底及其建造

5.8.3造斜工具安装角

5.8.4螺杆钻具造斜工具的定向

5.8.5螺杆钻具造斜钻进工艺

5.8.6水电勘察定向钻进时孔内复杂情况处理

5.9本章小结

第六章 水电勘察用钻头

6.1定向钻进用造斜钻头

6.1.1硬质合金造斜钻头

6.1.2牙轮造斜钻头

6.1.3金刚石造斜钻头

6.2水电勘察专用金刚石钻头制造工艺研究

6.2.1特殊金刚石表面覆层加工工艺的设计研究

6.2.2特殊的金刚石胎体分层方法设计研究

6.3特种钻头设计

6.3.1打滑地层金刚石钻头设计

6.3.2自形成同心径向环齿钻头的研究

6.4本章小结

第七章 水电勘察定向钻进应用软件编制

7.1研究水电勘察定向钻进应用软件的意义

7.2开发工具

7.3功能说明

7.3.1定向钻进钻孔轨迹设计子程序

7.3.2轨迹坐标计算子程序

7.3.3弯曲强度计算子程序

7.4使用说明

7.4.1斜直线—曲线—直线定向孔轴线设计

7.4.2斜平面直线—曲线—直线定向孔轴线设计

7.4.3曲率半径法进行孔身轨迹计算

7.4.4弯曲强度计算

7.5本章小结

第八章工程应用

8.1东江电站扩机工程区工程地质条件

8.1.1地形条件

8.1.2地层岩性

8.1.3地质构造

8.1.4水文地质

8.1.5岩石风化与物理地质现象

8.1.6岩石(体)物理力学性质

8.2定向钻孔轨迹设计

8.2.1钻机的研制

8.2.2轨迹设计

8.2.3钻具的选配

8.3经济效益分析

第九章结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

致谢

附录：部分程序源代码

攻读学位期间主要的研究成果