2.5
水电工程勘测定向钻孔造斜强度
水电工程勘测定向钻孔由于钻孔相对较浅， 多采用地面动力造斜取芯。为此，水电工程勘 测定向钻进造斜强度相对其他地勘行业要小， 一般可取0.15°～0.3°/m为宜。但在分支孔 钻进造斜中，为确保主孔与分支孔能顺利分出， 其分支局部造斜强度可取0.3°～0.5°/m。
上稳定器
中稳定器
钻杆
下稳定器
钻具稳定器
取芯钻具
图4.1-1
保直钻具组
4.1.2 增斜钻进
增斜钻进主要通过改变孔底钻具结构 参数增加钻头倾斜角，或者是利用杠杆作 用增大钻头侧向力，以达到增加钻孔顶角 的目的。
杠杆原理增斜钻进，钻具组可采用双稳定器钻具 组合（如图）。在近钻头处设置一个足尺寸稳定器 作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距 离根据两稳定器之间钻杆尺寸或刚性大小和要求的 增斜率大小确定。一般15m～20m。两稳定器之间的 钻杆在钻压作用下，产生向下的弯曲变形，使钻头 产生斜向力，从而实现增斜钻进。
3.1 钻机与水泵
水电工程勘测钻孔一般具有交通不便， 设备多为人工搬迁，对设备的结构、体积 与最大单件重量有严格限制。对此，水电 工程勘测定向钻孔所用钻机、水泵原则上 尽可能利用现有常规钻探设备，钻塔结构 形式可结合开孔角度进行专门配套加工。
3.2 测斜仪器
测斜仪器用于定向钻孔轨迹监测控制，其 性能与精度直接关系到定向钻孔“中靶”精度。 国内用于钻孔测斜的仪器种类繁多，限于定向 钻孔测斜对方位角及顶角测量高精度要求的特 殊性，目前用于定向钻孔测斜的仪器主要采用 磁通门原理、和陀螺原理、加速度原理来测定 方位角与顶角。
4.3
分支孔钻进
分支孔又称多底孔或多孔身孔， 是定向钻孔普遍采用的钻孔结构形 式。通过一个主孔可以钻进多个分 支孔。
分支孔钻进工法可按主孔与分支孔钻 进先后顺序分为： ①先分支孔造斜(较大弯强)钻进，而后 主孔修正(保直)钻进工法； ②先主孔钻进，再开窗进行分支孔钻进。 由于分支孔工法①较工法②钻进工艺 技术简单，水电工程勘测定向分支孔钻进 宜采用先分支孔后主孔钻进工法。
N
孔底水平位移sh 孔底闭合方位角 αh
O
方位角 i α
E
孔深 Dm 顶角 垂深 D
i
Dm
2.2
定向钻孔基本结构
定向钻孔基本结构可分为直孔段、造斜段 (增斜段与降斜段)、稳斜段等。其基本结构如 图： (1) 直孔段：设计顶角、方位角不变的孔段。 (2) 造斜点：开始定向造斜的位置称为造斜点。 通常以该点的孔深来表示。 (3) 造斜率：造斜工具的造斜能力，即该造斜 工具所钻出的孔段的孔轴曲率。
（2）水电工程勘测定向钻孔设计方法 目前我国定向钻孔的主要设计方法有绘 图法、计算法、查图法、图板法、微机计 算法等五种。由于水电工程勘测定向钻孔 孔浅、轨迹相对较简单，可采用绘图法并 结合计算法进行定向孔设计与孔身剖面轨 迹绘制比较方便。
2.4水电工程勘测定向钻孔轨迹形式 2.4.1过河底定向钻孔轨迹形式
水电工程勘测定向钻进技术
作者：陈安重 胡大可 刘良平
汇报人：谢仕求
主要内容
1 前 言
2 水电工程定向勘测钻孔轨迹设计
3 定向钻孔设备、仪器、配套机具
4 水电工程勘测定向钻孔造斜工法
5 定向钻孔轨迹测量计算与绘制
6 后 语
定向钻探自1930年美国在海滩施工 两个深入海底的定向孔开始应用，至今 已有80多年的发展史。定向钻进技术主 要包括定向弧形孔技术、定向多分枝孔 技术、定向对接连通井(孔)技术、非开 挖地下管线施工技术等。早已在我国石 油、煤炭、地矿、冶金、市政等行业广 泛应用。
海底定向钻孔技术
煤(气)层分枝孔定向孔
石油气层分枝孔定向孔
水溶矿对接孔定向钻孔
非开挖河底管线铺设定向孔
因水电工程勘测钻孔具有覆盖层厚、 孔浅、全孔取芯与水文地质试验等特性， 真正意义上的定向钻孔在水电工程勘测 行业中应用尚处于空白。随着我国水电 开发向西部发展，高山峡谷、激流险滩 等特殊的地质条件和地理环境，给水电 工程勘测定向钻孔提供了应用空间。基 于定向钻孔的特殊钻孔轨迹，水电工程 勘测定向钻孔应用构想可包括：
内管（42钻杆）
外管（71钻杆）
孔内定向接头
定位凸键
弹性接头
导向管靴 岩心管 卡簧 金刚石钻头
图3.4 双管外导内钻定向连续取芯造斜钻具组结构图
3.5
水文地质试验器具
定向钻孔水位测试仪可选用常规的水 位测试仪，水位计算可依据测距与水位面 （点）空间坐标计算求得。压水试验器宜 选用水压或气压式栓塞，试验时可连接钻 杆下入到试验段上部，实施水压或气压压 胀封闭试验试段。
L2
L1
3
L3
D1
1 2 D
0
D2
L4
Dx
D
x
4.3-1 无楔法偏斜钻孔示意图
1 饺链接头 2 短岩心钻具 3 刚度大的长岩心钻具
为确保定向造斜钻进有效地按预定设 计方位进行，造斜取芯钻具下入孔内造斜 钻进前，需对外导管孔底导斜管靴进行孔 内定向。外导管孔内定向采用有线测斜仪 与定向外导管（造斜钻具上部第一根外导 管内设有凸键，且凸键与导斜楔低边在一 条直线上）转动，并配合测斜仪顶角变化 来完成外导管低边与孔眼低边吻合定位， 继而以孔眼低边为基准按设计定向参数完 成外导管孔底导斜管靴楔面的孔内定向。
对于西部地区的高山峡谷、激流险滩特 殊环境条件，河床地质勘探孔不便实施水 上钻孔时，可以设计采用过河底定向钻孔 (参见图2.4-1)。河底定向钻孔轨迹可分 为主孔段与分支孔段。主孔与分支孔又包 括斜（直）孔段、弧形孔段、水平孔段等。
图2.2-1河底水平定向钻孔
2.4.2深埋地下厂房地质勘探多分枝定向钻孔轨迹形式
3.3 定向钻进钻杆组
定向钻孔轴线轨迹一般为空间曲线型。 定向钻进过程中钻杆组孔内承受着压缩、 扭转和弯曲等复杂的载荷。毫无疑问定向 钻进对钻杆及接头管材性能(柔性和强度)、 加工精度、表面处理等提出了更高的要求。
目 前 市 场 上 40CrMnMo 合 金 钢 管 可作为水电工程勘测定向钻进钻杆 管材。
(4) 增斜段：顶角随孔深增加的孔段。 (5) 降斜段：顶角随着孔深的增加而减小 的孔段。 (6) 稳斜段：顶角随孔深增加保持不变的 孔段。 (7) 靶点：设计要求钻达的目标地层位点， 通常以地面孔口为坐标原点的空间坐标系 的坐标值来表示。 (8) 靶区：包含目标点在内的一个区域。
2.3
定向钻孔轨迹设计内容与方法
（3）事故钻孔侧钻绕过事故孔、 地下洞室定向通风井(孔)、堵 水工程定向注浆孔、环保用特 殊定向井(孔)等其他特殊定向 钻孔。
2.1
定向钻孔轨迹的基本要素
定向钻孔就是利用钻孔测量技 术和造斜工艺使钻孔轨迹沿着设计 方向到达靶区或目的地层的一种特 殊钻进技术。定向钻孔主要基本要 素有钻孔顶角、方位角、水平位移、 垂深等，如下图所示：
深埋地下厂房定向钻孔轨迹可采用斜 (直)孔段加丛式多分枝孔形式(图2.42)。
引水线路
斜直孔 丛式分支孔 定向分支孔
地下厂房勘探区
图2.2-2深埋地下厂房定向勘探孔
2.4.3其他特殊定向钻孔轨迹形式
水电工程勘测定向钻孔在其他应用方 面的轨迹形式主要根据工程需要，结合地 理环境条件，采用斜(直)孔加弧形孔、分 枝孔多种组合形式，可根据开孔位置、孔 底水平位移和垂深、造斜弯曲强度及造斜 轨迹终点顶角通过图解法确定。
稳定器 细柔钻杆 弹性接头 加重接头 稳定接头
图4.1-3减斜（钟摆）钻具
4.2
机具造斜钻进
水电工程勘测定向钻进造斜可采用 “外导内钻造斜机具”进行连续造斜取芯 钻进。外导内钻造斜机具其外导管管底安 装有专门的导斜管靴，造斜钻进等同于可 取式偏心楔原理来实现导斜钻进。导斜管 靴导斜角1°～3°，可根据定向导斜弯强 需要选用。导斜面进行热处理，HRC52-55。
上稳定器 细柔钻杆 下稳定器 取芯钻具
图4.1-2增斜钻具组
4.1.3 降斜钻进
减斜钻进主要是利用摆锤原理，使钻 具在重力作用下像摆锤一样趋于下垂，达 到减斜目的。
在减斜钻进中，可在钻杆下部接一个与钻孔 直径基本相同的稳定器，并且在稳定器与粗径 钻具之间连接短而细的钻杆或弹性街头，以保 证足够的柔性(如图)。为了保证粗径钻具工作 稳定，增加减斜效果，通常粗径钻具为一短的 加重管，以增大自重所产生的减斜力。
4.1
自然造斜定向钻进工艺
4.1.1 保直(稳斜)钻进
保直(稳斜)钻进措施主要有“以满 保直”和“以刚保直”。 “满”表示满孔眼。它是指钻具的直 径与钻孔的直径相近，孔壁间隙很小。 “刚”表示刚直。刚直的意思是钻具 刚度大，压而不弯，在孔底保持直线状 态。
在石油、地矿勘探钻孔中经常采用外 径较大的钻铤，另外附加扶正器(如图)，实 现满眼和刚直。对此，水电工程勘测定向钻 进可供借鉴。此种保直钻具比一般钻铤刚度 大，并能填满孔眼，因而在大的钻压下不易 弯曲，能保持钻具在孔内居中，减少钻头倾 斜角，从而减少和限制由于钻具弯曲而产生 的增斜力。另外，在地层横向力作用下，扶 正器能支承在孔壁上，限制钻头横向移动， 并在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。
造斜取芯钻具长度可视造斜弯强而定， 小弯强造斜钻进时取芯管可长一些；大弯 强造斜取芯钻进时取芯管长度以0.3m～ 0.5m为宜。为改善钻具造斜钻进时受到压、 弯、扭等复杂工作条件，取芯钻具上部可 接上弹性接头。
造斜取芯钻具长度可视造斜弯强而 定，小弯强造斜钻进时取芯管可长一些； 大弯强造斜取芯钻进时取芯管长度以 0.3m～0.5m为宜。为改善钻具造斜钻进 时受到压、弯、扭等复杂工作条件，取 芯钻具上部可接上弹性接头。
（1） 特殊环境条件下过河底 定向钻孔。针对西部的高山峡 谷、激流险滩等特殊地理环境 条件下，通过河底定向孔、分 支孔来替代或减少水电站前期 阶段河床水上地质勘探工作。