岩土钻掘工程专业设计.docx

岩土钻掘专业课程设计 湖北XX铁矿钻探工程设计作者姓名：毛大平学 号： 200903040525 专 业： 勘查技术与工程（岩土钻掘） 设计日期： 2013年1月8日 星期二 43目 录第1章 前言11.1 专业设计的目的意义11.2专业设计内容要点11.3工区概况11.3.1 施工地区11.3.2 探区自然经济及地理概况11.3.3 钻孔目的11.3.4 钻孔要求1第2章 钻孔结构22.1钻孔结构设计要素22.2确定钻孔结构的原则22.3钻孔结构的确定2第3章 钻探设备和器材33.1钻机的选择33.2泥浆泵的选择43.2.1 泥浆泵的流量43.2.2泥浆泵的工作压力53.3供水泵的选择63.3.1供水方式的确定63.3.2供水泵的选定63.4动力机的选择73.5钻塔的选择73.5.1塔高的选择83.5.2钻塔负荷量的计算及校核83.5.3滑车装置的选择93.5.4 钢丝绳的选择93.5.5钻塔工作绳数93.5.6天车荷载的计算与钻塔的校核103.6附属设备103.6.1水龙头103.6.2吸水管和高压送水管113.6.3绷绳113.6.4提引器123.6.5拧管机123.6.6泥浆搅拌机133.6.7照明发电机133.6.8蓄电瓶133.6.9其它附属材料14第4章 机场布置154.1修筑场地154.2建筑基台154.3基台木的布置164.3.1基台木的规格164.3.2台木的布置164.4钻塔及机械设备的安装174.4.1钻塔的安装174.4.2机械设备的安装174.4.3.循环系统安装174.5钻机场的布置17第5章 钻进方法195.1钻头的选择195.1.1.硬质合金钻头的选择195.1.2.金刚石钻头的选择205.2钻进规程参数的确定21第6章 钻孔冲洗液与护壁246.1冲洗液的功用246.2冲洗液选择及配制246.3冲洗液性能测试的仪器256.4护壁堵漏256.5冲洗液的管理25第7章 岩矿芯采取267.1 岩矿芯采取要求267.2岩矿芯采取方法267.3岩矿芯取芯操作要求27第8章 钻孔偏斜与测量288.1 钻孔偏斜的原因288.2钻孔偏斜的预防288.3钻孔偏斜的测量298.4钻孔偏斜的矫正30第9章 简易水文观测及封孔329.1简易水文观测329.1.1 观测内容329.1.2 观测工具和方法329.1.3观测操作注意事项329.2封孔339.2.1封孔的目的339.2.2填封段的确定339.2.3封孔材料的选择及浆液的配置、灌注339.2.4封孔质量的检查33第10章 经济预算与施工计划3410.1成本预算3410.2钻探取费3510.3施工计划36第11章 组织管理及安全技术3711.1施工现场组织机构3711.2施工过程的进度管理措施3811.3安全生产措施3911.4文明施工与环境保护措施39总结40参考文献41附1：钻孔结构柱状图42附2：钻孔地质钻探技术指示书43第1章 前言1.1 专业设计的目的意义通过本次专业设计，初步训练运用岩土钻掘工程理论解决实际生产问题的能力，较全面地整合以往所学专业知识，达到学以致用的目的，为今后的生产实习与毕业设计打好基础。1.2专业设计内容要点专业设计的主要内容包括钻探设备的选择与布置安装、钻进方法及工艺参数、钻孔冲洗液与护壁堵漏、岩矿芯采取措施、防斜纠斜方法以及钻探经济成本、施工组织管理与安全措施的编制。针对设计中所选择的设备、方法、参数均要做到有据可依且论据充分。1.3工区概况1.3.1 施工地区施工地区：湖北xx铁矿。1.3.2 探区自然经济及地理概况山区，交通不便，需修简易公路3km。无电源，距孔位300m处有溪流，高差130m，施工期最大风力1.5kpa。1.3.3 钻孔目的钻孔目的：求C级储量。1.3.4 钻孔要求终孔直径 59mm，岩心采取率65，矿心采取率85，坡积层可不取心，顶角允许偏差2/100m。作简易水文观测，按规范封孔。第2章 钻孔结构2.1钻孔结构设计要素 钻孔结构是指开孔至终孔孔身直径的变化和相应孔径对应段的孔身长度。钻孔结构包括钻孔深度、钻孔直径、换径次数三要素。钻孔结构的复杂程度取决于地层岩性和钻探技术水品，结构越复杂，钻进效率越低，成本越高，孔内事故出现的次数越多。2.2确定钻孔结构的原则 以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照理想岩层剖面自下而上拟定各段的口径和开孔直径。在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构，以提高钻进效率。2.3钻孔结构的确定钻孔设计指示书中已要求终孔直径为59mm。地质剖面为：0m至15m主要以坡积层为主；从15m至305m为灰岩，岩石裂隙、溶洞发育，严重漏失，可钻性为6级；305m至380m为较完整的大理岩，可钻性为7级；380m至450m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；450m至530m为可钻性为7级的较完整的闪长岩；530m至680m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；680m至700m为较完整的大理岩，可钻性为8级。分析地质剖面得：钻孔结构为：0m15m用91mm开孔，下入89mm孔口套管；从15m至305m换用75mm钻头，并下入73mm套管；从305m开始换用59mm钻头；配置性能优良的泥浆进行钻进，采取有效的防斜纠斜措施，一径到底。钻孔结构图见附1。第3章 钻探设备和器材3.1钻机的选择钻机是钻探中最主要的设备，选择钻机的依据是钻孔结构和钻进方法。由于此地层较硬，为提高钻进效率，缩短工期，减少钻井成本，则可初选金刚石钻进，据此为了满足金刚石钻进所需的较高转速，必须选用具有多个高速档位的钻机，又由于钻进深度700m，终孔直径为59mm，开孔直径为91mm，所以选择地质系统液压立轴式岩心钻机XY-4型岩心钻机。其解体性能良好。其参数见表3-1，外形如图3-1所示。表3-1 液压立轴式岩心钻机XY-4技术参数表钻进深度（）850 950钻杆直径（） 50 55钻孔直径（） 150 钻孔倾角（0）0-360回转器通孔直径（） 68转速正（r/min）101,187, 267, 311, 388, 547, 819, 1191 反（r/min）83, 251给进机构型式液压双缸上顶力（KN）80给进力（KN）60给进行程（）600升降机型式行星式带水冷最大提升力（kn）30提升速度（/）0.82 1.51 2.16 3.13卷筒直径（）285钢绳直径（）16容绳量（）90移动液压缸行程（）400动力机型式495功率（KW）36.75转速（/min）2000液压缸型式BC-32/80工作压力8流量（l/min）32外型尺寸（）26401101750生产单位黄海机械厂图3-1 XY-4型钻机3.2泥浆泵的选择泥浆泵的作用是把泥浆从泥浆池中泵送到钻杆内，使冲洗液在钻孔内形成循环，以便排出岩粉和冷却钻头，在钻进过程中起重要作用。3.2.1 泥浆泵的流量流量即是泵量，它的确定是与钻进方法相适应，以保证有效的排出岩粉和冷却钻头为前提。冲洗液量的确定可用公式：Q=FV=4(D2-d2)V式中：Q冲洗液量m3/s上返流速不均匀系数=1.11.3F最大上返环状空间过流断面面积 m2D由最大钻头外径决定的孔径或最大套管内径 md钻杆外径 mV冲洗液上返流速 m/s在算出各孔段所需泵量后，选其中最大值作为选定泥浆泵的依据。各孔段所需泵量见后面钻进参数。3.2.2泥浆泵的工作压力泥浆的工作压力不是钻进规程参数之一，但冲洗液要在孔内循环管道中流动就必须克服各种留着阻力。泥浆泵工作压力的大小反映了泥浆流动的畅通程度。该孔深度不大，循环阻力也较小，常用的泵一般都能满足要求。 根据上面所述，选用国内往复式泥浆泵BW-250型，技术参数见表3-2，外形见图3-2。 图3-2 BW-250型往复式泥浆泵表3-2 BW-250型往复式泥浆泵技术参数类型卧式三缸单作用活塞泵变量方式变速箱四级变速和更换两级缸套流量级数8流量(l/min)35；60；96；166；52；90；145；250额定排出压力（MPa）7；7；6；4；6；6；4.5；2.5吸入高度（）2.5输入功率（KW）15输入轴转速500缸径（）80；65活塞行程（）100活塞往复次数（次/分）42；72；116；200吸水管直径（）75排水管直径（）50重量（kn）5（配柴油机）外形尺寸1100995650生产厂衡阳探矿机械厂3.3供水泵的选择3.3.1供水方式的确定据任务书得知，水源距钻孔孔位高差达300m，从经济合理性和用水需求综合考虑，建立二级泵站满足用水要求。一级泵站建在水源处，在旁边挖一蓄水池，将水用水管引入蓄水池，再用水泵向二级泵站供水。二级泵站建立在半山空地处，与一级泵站高差为150m利用原地的一天然土坑加以修理后，作为蓄水池。3.3.2供水泵的选定在各个泵站和机场都有蓄水池，故流量要求不是很大。只需考虑扬程问题。供水泵的扬程表示供水泵能将水在垂直方向上抬升的高度。计算式为：H=Z+H式中：Z相邻泵站的高度差；H相邻泵站间整个送水管路的阻力损失的总和，用水柱高度表示。假设一两级泵站间管路总长约600m，两个泵站间平均为300m，整个送水管路采用112普通输水管水管，内径按38mm计算。初选BW-250型泥浆泵，流量按最小计算，即Q=35L/min。则管路流速为：v=QA=3510-3160143.140.0382m/s=0.5m/s查钻探手册得每百m长管路水头损失为1.2m水柱，1000m总水头损失为H=10x1.2=12m所以，H=Z+H=500+12=512mBW-250型泥浆泵的额定排出压力最大为7MPa，即是700m水柱，在使用时需用7MPa或6MPa的排出压力的档位才能满足要求。 泵的技术参数见表3-3，外形见图3-3。 图3-3 BW-250型往复式泥浆泵表3-3 BW-250型泥浆泵技术参数表类型卧式三缸单作用活塞泵变量方式变速箱四级变速和曲柄两级变速流量级数8流量(l/min)35 60 96 166 52 90 145 250额定排出压力（MPa）7 7 6 4 6 6 4.5 2.5吸入高度（）2.5输入功率（KW）15输入轴转速500缸径（）80活塞行程（）100活塞往复次数（次/分）42 72 116 200吸水管直径（）75排水管直径（）50重量（kn）5.00（不含动力机）外形尺寸1100995650（不含动力机）生产厂衡阳探矿机械厂3.4动力机的选择钻探设备的流动性大，钻机场又是相对独立的生产单位。因此动力机械要求使用和维护方便、经济、单位功率重量小，便于搬迁。该矿区无电源，故全部采用柴油机。钻机、泥浆泵使用的柴油机都是在购买时已配好的，其余动力机根据现场情况进行配备，具体类型、数量见表3-4。表3-4 动力机种类、数量类型数量(台)用途功率（kw）Y225S-4 495型柴油机1钻机用36.75290型柴油机4泵用15Z2-32型柴油机1发电机用1.73.5钻塔的选择钻塔是钻探施工中用于悬挂滑车系统进行起、下钻具和套管的设备。它的类型和结构应根据孔深、钻孔倾角、大钩载荷及搬迁的方便程度等综合选用。3.5.1塔高的选择钻塔的高度取决于钻孔深度和起下钻时的立根长度。钻孔越深，立根应越长，钻塔就应越高。钻塔在吊起立根时，顶部应有一定的安全距离，所以初步确定钻塔高为：H=KL=1.313.5=16.875m式中：H钻塔高度；mL立根长度(m)。 施工用的钻杆单根长度为4.5m，三根单根构成一根立根，为13.5m；K安全高度系数。与起、下钻工具尺寸和提钻安全高度有关，一般可取1.251.4，立根短，提升速度快时，取大值，此处取1.3。查设计钻探手册，选择四角管子钻塔，依据本钻孔为直孔以及钻孔深度，初选塔SG18，其性能参数详见表3-5。表3-5 SG18钻塔性能参数表名义高度（m）18钻孔深度（m）6001000立根长度（m）13.5底层尺寸（m2）4.5x4.5顶层尺寸（m2）1.2x1.2层数（曾）11重量（kg）3800有效负荷（kn）550结构特点预加拉力交叉柔性复杆系3.5.2钻塔负荷量的计算及校核提钻具时的大钩载荷：Qdg=kqL1-r1r2sin=21.0570071-1.058.0sin90=85kN式中：Qdg大钩载荷；q每m钻杆柱的质量，内加厚50钻杆为7kg/m；L钻杆柱的长度；r1冲洗液比重，根据后面所配泥浆的密度，大约平均值为1.05g/cm3；r2钻杆钢材比重，8.0g/cm3；接头重量修正系数，由于采用接头连接=1.05；钻孔倾角；K卡阻系数，K=1.52，浅孔取小值，深孔取大值，此处取2。提套管时大钩载荷当下入套管时，提升的只是套管自身的重量，数值是比较小的。当钻孔完毕，要拔出孔内套管时，由于套管与地层有摩擦阻力，此时的提升力比下套管时大的多，所以按拔套管时的力计算。Qdg=k1qLsin=21.0511.54305sin90=74KN取、结果的大值作为大钩载荷，即是Qdg=85KN。经校核钻塔满足要求。3.5.3滑车装置的选择 地质系统使用的滑动滑车已经表转化，有单轮、双轮和三轮三种结构。根据大钩载荷，孔深可选择单轮游动滑车，负荷能力100KN。用死绳端的滑车系统时，载荷对称。3.5.4 钢丝绳的选择由于用XY4钻机，所以钢绳的直径已经确定，用17.5mm的钢绳.3.5.5钻塔工作绳数 滑车系统的工作绳数就是系在游动滑车上的钢索根数，由大钩载荷与升降机提升能力（PJ）确定。m=QdgPj滑而m与滑车系统的效率关系见表3-7。表3-7 m与滑车系统的效率关系m1234560.970.960.950.930.920.900.900.880.870.850.850.82先假设滑车系统效率=1，那么m=QdgPj滑=85301=2.8 由m=2.8，查得=0.95，带回去有：m=QdgPj滑=85300.92=3.01 m值应是整数,并且只能比所算的值大，不能比它小，故取m=3。3.5.6天车荷载的计算与钻塔的校核理论初步计算需要双根钢绳就能满足提升需要。在实际中，当安装成无死绳的滑车系统时，天车载荷为：Q0=Qdg1+1m滑=451+120.95=69kN 当安装成有死绳的滑车系统时。这种系统将对钻塔产生不对称载荷，此时天车载荷为：Q0=Qdg1+2m滑=451+220.95=92kN 钻塔天车额定载荷是150KN，通过以上的计算得出钻孔施工中对天车产生的载荷最大值是92KN，小于钻塔天车额定载荷，所以钻塔不会超负荷工作，即SG18钻塔是满足要求的。3.6附属设备3.6.1水龙头水龙头装在主动钻杆的上端，并有弯接头与泥浆泵的高压胶管相连，将高压冲洗液输送到钻杆内。在钻进过程中，主动钻杆在转盘的带动下与钻杆一起转动，但高压胶管不能转动。因此，水龙头必须有旋转部分。为了避免钻井液漏失，必须有密封装置。3.6.2吸水管和高压送水管吸水管一端连接在泥浆泵吸水管接头上，另一端连接滤水器，放在泥浆池内。送水管连接在泥浆泵排水管接头与水龙头之间，向钻杆内输送钻井液。泥浆泵具有一定的排出压力，送水管要能承受住此压力。在此选用高压胶管送水，直径与BW-250型泥浆泵相配，选为32mm，管壁夹有多层帆布和钢丝，吸水管直径50mm。3.6.3绷绳绷绳是用来加固钻塔，保持在风载和其他水平载荷作用下的稳定。一般要求钻塔每根塔脚各设一根，系于塔高3/4处。然而，每个钻塔都设计的有自己的绷绳安装位置，所以绷绳安装在本身设计的位置上，且相邻两根绳间的夹角为90，四绳对称布置，每根绳上都要安装拉紧器，以利绷紧绷绳。除此之外，要在地下打入具有足够承受能力的锚桩，将绳的下端系于锚桩。迎风面上风力作用点离地面高度为h：h=13HB+2bB+b=7.26 式中：B钻塔的最低层宽度（m）； b钻塔的顶部宽度（m）；H钻塔的高度（m）。如要钻塔的稳定，风载的倾倒力必须小于钻塔的稳定力矩：稳定力QM=38KN稳定力矩为：QMB2=384.52=85.5KNm风载倾倒力矩为： PWh=psh=psnkfh=1.510312181.2+4.517.26=558.65 KNm 式中：PW风载，PW = ps；p单位面积上的风载，即风压1.5KPa；s钻塔承风面积，s=snkf；sn由钻塔外围廓围起的平面在垂直于风向的平面上的投影面积；kf挡风系数，有塔围取1，无塔围取0.150.20，此处取1。因为PWhQMB2 ，所以必须用绷绳加固钻塔。计算绷绳拉力： QMB2+TC1=PWh图3-4 绷绳受力分析式中：C1=Csin (为绷绳与地面间的夹角，45) =1.52，储备系数。r是绷绳在拉力平面上的夹角，如图3-4所示。T1=T2sin=PWh-QMB22Csinsin C=18+4.5-4.5-1.22=20.85m 经过图上分析得=60 T1=5586501.8-85500220.85sin45sin60=17828N 选择绷绳规格见表3-8。表3-8 绷绳规格直径钢丝总断面积参考重量钢丝绳公称抗拉强度 MPa钢丝绳钢丝1700mmmm2Kg/100m钢丝破断拉力总和N钢丝绳规格：绳6X37股（1+6+12+18），纤维芯8.70.427.8826.21473003.6.4提引器采用普通提引器，其结构简单，体积小，重量轻，容易制造。它是使用最多的一种提引器，但必须有人在塔上摘挂提引器。3.6.5拧管机 拧管机是使用立轴式钻机时，配置在孔口拧卸钻具的机具。由于使用的是50钻杆，选用的拧管机型号和技术参数见下表3-9。表3-9 拧管机技术参数拧管机类型动力机减速器类型最大扭矩Nm)转速（r/min）钻杆直径（mm）通孔直径（mm）外形尺寸（mm）重量（kg）液压式NY-1型液压马达两极圆柱齿轮油缸卸扣653070，20042，50，60135590380352953.6.6泥浆搅拌机岩心钻探一般采用0.51.0 m3的泥浆搅拌机，选用的搅拌机类型见表3-10。 表3-10 泥浆搅拌机性能参数类型规格（m3）机轴转（r/min）搅桶有效容（m3）搅拌泥浆能（m3/h）JW-11601123.6.7照明发电机此孔没有电源，动力机采用柴油机时，应考虑供照明用的发电机。由于只是供机场照明用，功率不需要很大。选用的发电机类型见表3-11.表3-11 发电机性能参数类型额定功率（kW）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）效率（%）单机重量（kg）Z2-321.72307.4145078763.6.8蓄电瓶钻机上的柴油机不仅质量大，而且启动阻力很大，根本无法用手动式启动，必须配备专门的电启动装置。因此每台钻机要准备两个启动用铅酸蓄电瓶，以交换轮流使用。3.6.9其它附属材料除了上述的附属设备外，还必须准备好73mm的套管、套管公锥、扩孔器、自由钳、处理孔内事故的工具等其它相关材料、设备，见表3-12.。表3-12 设备、管材一览表序号名称型号单位数量备注(一) 钻探设备、机具1钻机XY-4台/套1黄海机械厂2钻塔 SG18付15泥浆泵BW-250台1衡阳探矿机械厂6供水泵BW-250台2衡阳探矿机械厂7拧管机NY-1台1重庆探矿机械厂8泥浆搅拌机JW-1套19照明发电机Z2-23台1(二)管材1钻 杆506.5根120钻 杆2套 管894.5根43套 管734.5根684岩心管573.75根2备用5取粉管571.5根2备用6钻杆锁接头57付100外径尺寸放大7其他所需工具若干第4章 机场布置4.1修筑场地钻探机场是钻进施工活动的场所，主要用于安装钻塔，钻探设备，设置冲洗液循环槽、沉淀池等循环系统，以及放置必要的管材物资等，必要时还安置工人们的生活营地。机场的修建应根据地质设计的要求（孔位、孔深、方位、倾角）和施工安全、方便、节约的原则进行。 钻孔为直孔无需定向，平机场时要考虑使钻塔的一角或无门的一侧迎着施工期间的主要方向（如果了解钻区长年的风向情况）。一般地，机场地盘应比基台每边大出12米。机场场地必须平坦坚实，稳固，适用，保证在其上布置的基台和安装的钻塔及机械设备不会发生陷塌、溜方歪斜，在整个施工期间自始至终都能安全顺利进行，据任务书，选择浅槽基础作为机场场地基础，示意图如图4-1所示。 1-基台木 2-基台枕 钻机的地盘面积见表4-1。 图4-1 浅槽地基示意图表4-1 钻机的地盘面积钻机类型地盘面积总面积(M2)长X宽（m）XY-414313X114.2建筑基台安装钻探设备的基台是在修筑完毕的地基上用数根基台木，根据所用钻探设备的类型，按一定的规格和形式排列，分上下两层交错并用螺栓连接而成。下层为横枕，上层为顺枕，横顺枕的主要交错处，一定要成直角并用螺栓连接固定。钻塔、钻机的地脚螺栓也应连接在横顺枕的交接点上 ，如图4-2所示。 图 4-2横顺枕交错连接图4.3基台木的布置 4.3.1基台木的规格机台木的长度应比钻塔底边长0.5米，数量为9根（8长1短），断面尺寸与钻进孔深有关。设计孔深700米，因此选用XY-4型钻机配用的断面尺寸200x200（mm）。横枕长11.3+0.5=11.8米，顺枕长5.0+0.5=5.5米。4.3.2台木的布置布置基台木时，必须先了解所安装的钻机机座上地脚螺栓孔间的距离以及立轴中心（垂直位置时）与机座前排孔间的距离，方可确定钻机得安放位置（斜孔时需进行计算）。然后再机台上钻好相应位置的固定钻孔。以便把钻机与基台螺栓固定在一起。XY-4钻机机座螺栓孔的位置尺寸见表4-2，基台木的连接方式如图4-1所示，基台木的布置如图4-3所示。 表4-2 XY-4钻机机座螺栓孔的位置尺寸机座前排螺栓孔中心连线到立轴中心的垂直距离260mm机座左右两排螺孔间的距离1000mm主动圆锥齿轮中心至机座底部的垂直高度1100mm图4-3 基台木布置图4.4钻塔及机械设备的安装4.4.1钻塔的安装钻塔的安装常有分层和整体安装法两种。此次采用的是四脚管子钻塔，高度大，质量重，必须采用分层安装法，即用人力自下而上的逐层安装。4.4.2机械设备的安装安装设备时必须注意下列问题：（1）设备安装好后，必须达到周正水平，稳固的要求。（2）钻机立轴中心线与天车前轮缘、孔口中心线必须在一条直线上。（3）固定钻机底座和连接机台木的螺杆必须符合规格，并应带垫片和防松螺帽拧紧，以防松动和避免拧紧螺丝而损坏机台木。（4）各设备的安装位置应方便操作和确保工作的安全。4.4.3.循环系统安装循环系统包括水源箱（池）、循环槽、沉淀池，系统的规格应根据孔深，岩层性质，冲洗液携带岩屑的能力合理确定。为了充分的沉淀岩屑，循环槽尽量长，但该孔位地层多为灰岩和其它较坚硬的岩石，产生的岩屑不多，综合机场的布置确定循环系统为：一个沉淀池，规格为111m3；一个水源池，规格为221m3；循环槽按实地情况合理布置。布置示意图见图4-4。槽的端面尺寸不得太小，否则流速过大，起不了沉淀的作用。槽尺寸设计为高200mm，宽250mm.孔口-沉淀池-水源池的坡度是1/100，以保证循环畅通。系统布置在离左后塔脚1米并靠近泥浆泵的地方。沉淀池中上下交错安装挡板，循环槽中可以适当放些筛网或树枝，起到过滤岩屑的作用。还要防止外来水进入循环系统，在冬季需防寒，以免冰冻或影响泥浆性能，并随时清理沉淀池、循环槽内的岩屑，布置示意图如如4-6所示。 图4-4 循环系统布置示意图 4.5钻机场的布置机场的布置必须合理紧凑，材料的堆放不得影响到起下钻操作，尽量整洁美观。机场布置见图4-5。图4-5 钻机机场布置图第5章 钻进方法钻进方法的确定应根据岩石的可钻性、研磨性、硬度、完整程度等因素综合确定。钻进软的及中硬以下的岩层时，碎岩机理以切削碎岩为主，可以用回转方法配合硬合金钻进。对于硬及坚硬的地层，尤其是脆性大、易打滑的地层，碎岩机理以压碎、剪切为主，可以采用金刚石回转冲击钻进。根据钻孔的底层条件（详见表5-1）以及钻孔结构，选用传统回转钻进方法。选择硬质合金钻进与金刚石钻进相结合的钻进方法：在015米段用91mm硬质合金钻头钻进，在15米以下选用75mm，59mm的金刚石钻头钻进至终孔700m处。表5-1 地层岩石性质表孔深（米）柱状剖面可钻性等级研磨性压入硬度（Mpa）完整程度015坡积层3低2075松散15305灰岩6较高360裂隙溶洞发育，严重漏失305380大理岩7极低95130较完整380450矽卡岩、磁铁矿8中下400500局部硬脆碎，研磨性弱450530闪长岩7高410较完整530680矽卡岩、磁铁矿8中下400500局部硬脆碎，研磨性弱680700大理岩8极低95130较完整5.1钻头的选择5.1.1.硬质合金钻头的选择此钻孔015米坡积层粘土，可钻性为3级，故选用螺旋肋骨式合金钻头。此型钻头采用K572型号硬质合金。钻头外侧有三块与钻头底唇面水平呈450角的螺旋肋骨，材料为35号钢。螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液成螺旋状上升，加速孔底岩粉上升速度，保证孔底清洁，减少孔内阻力，从而提高钻进速度。在使用此型钻头时，为使钻进平稳，避免钻孔弯曲，必须采用较钻头体直径大一级的岩芯管或特制较大一级直径的岩芯管接头。此类钻头经试用证明在级松软地层中钻进能力能大大提高效率。一般钻速达12m/h，除去倒杆时间的纯机械钻速可达2540m/ h，最高达54m/h。其结构示意图如图5-1所示，有关参数见表5-2。图5-1 螺旋肋骨钻头结构示意图表5-2 钻头有关的参数钻头直径（mm）DD1dL肋骨数硬质合金数量93/579175618395.1.2.金刚石钻头的选择金刚石钻头分为表镶和孕镶金刚石钻头，根据地层的岩性特征选择钻头，其钻孔15米以下底层部分硬、脆、碎的岩性特征、可钻性等级为68级，选用孕镶金刚石钻头。对孕镶金刚石钻头而言，因为它的金刚石出刃非常小，故它的主水路不是钻头唇面与孔底间隙，而是水口。用于冷却与排粉的水流主要通过水口与水槽。因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对于防止烧钻有利，孕镶金刚石钻头结构示意图如图5-2，有关参数见表5-3。 图5-2 孕镶金刚石钻头结构示意图 表5-3 孕镶金刚石钻头的有关参数钻头直径（mm）*金刚石的粒度（目）胎体硬度（HRC）金刚石的浓度（%）756045100598055100注：*所选金刚石为人造金刚石，400%浓度制。5.2钻进规程参数的确定硬质合金钻进段：015m为坡积层冲击碎石粘土，透水性较强，采用轻压、慢转、小泵量钻进。1.钻压（P）P=pm（经验公式）式中：P每颗切削具上应有的压力，根据地层选用0.6KN/颗；m钻头唇面上的切削具的数目取9颗。P0.695.4 KN2.转速（n）V3.14Dn/60 n60V3.14D式中：D钻头平均直径（m），取0.091m；V钻头的线速度（m/s），取1.2m/s。n=252336 r/min根据XY-4型钻机的转速，取267 r/min3.冲洗液量（Q）Q=FV=4(D2-d2)V 式中：径不规则引起的上返速度不均匀系数，取1.1；D钻孔直径,91mm；d钻杆外径，50mm；V外环空间的上返速度，取0.3m/s。Q123 L/min根据BW-250型钻机的流量，取145 L/min 金刚石钻进段：15700m，主要为灰岩、大理岩、矽卡岩、磁铁矿、闪长岩，采用孕镶金刚石钻头。 1.钻压（W）W=Fq (KN)式中：F钻头实际工作唇面面积；q单位低唇面面积上允许的压力，中硬岩石：0.40.5 KN/cm2,坚硬岩石：0.60.7 KN/cm275mm W=6 10KN59mm W=4.5 8.5KN2.转速（n）n60V3.14D 孕镶金刚石钻头线速度推荐值为1.53m/s。n=382971 r/min 根据XY-4型钻机的钻速，取819 r/min3.冲洗液泵量（Q）Q=6vF式中：V环间的上返速度，金刚石钻进要求v=0.30.5m/s，选v=0.4 m/s;F钻孔的环空面积。Q=39L/min根据BW-250型钻机的流量，取35、60L/min ，直径为75mm的金刚石钻头冲洗液推荐值为4060L/min；直径为59mm的金刚石钻头钻进所需泵量的推荐值：3045 L/min。综上所诉，该孔钻进方法可见表5-4。表5-4 钻进方法一览表层数钻进方法钻头类型钻压转速冲洗液量015米硬质合金91mm螺旋肋骨式 合金钻头5.4KN267r/min145L/min15305米金刚石钻进75mm孕镶金刚石钻头610KN819r/min145L/min305700米金刚石钻进59mm孕镶金刚石钻头4.58.5KN819r/min38L/min第6章 钻孔冲洗液与护壁6.1冲洗液的功用（1）清洗孔底，悬浮和携带岩粉。（2）冷却钻头，提高钻头的使用寿命。（3）润滑钻头和钻具，减弱钻具振动。（4）形成泥皮，保护孔壁。（5）输送岩芯。（6）传递动力的工作介质。6.2冲洗液选择及配制由于015米是切孔段不深，是坡积层松散粘土，为硬质合金钻进，因此可以选择清水钻进，矿化度较高的或其他矿化质多的清水要做适当处理。15700米是中硬、较硬的局部脆、碎的,裂隙、溶洞发育且严重漏失地层，由于金刚石破碎的粒级10um，破碎粒级就会做布朗运动，除去无固相就是当务之急；同时金刚石钻进需高转速，故需用不分散低固相泥浆。其作用机理是：保持钻井液中的粒子具有合理的粒度，使泥饼致密；提高粘土颗粒的水化程度；提高滤液粘度，降低滤失量，降低孔壁掉块的发生。其配料有：膨润土、水、纯碱、CMC（降滤失剂）、PHPA（选择性絮凝剂）、等。其配料用量及性能如表6-1中：表6-1 冲洗液配方表配方性能材料名称加量项目指标钠土35%密度/g.cm-31.05漏斗粘度/s18纯碱7%初切力（dyn/cm2）20终切力（dyn/cm2）50CMC0.3%视粘度（CP）20滤饼厚度mm0.2PHP800ppmPH8.5 失水量（ml/30min）86.3冲洗液性能测试的仪器（1）密度 比重称测量（2）漏斗粘度 漏斗粘度计测定（3）静切力、动切力 旋转粘度计测定（4）API滤失量、泥皮厚度 API滤失量测定仪测定（5）含砂量 含砂量测定仪测定（6）PH值 PH试纸测定 6.4护壁堵漏（1）钻进完15m坡积层粘土后，应下孔口管来加固孔口，以免在后续的钻进中冲洗液冲刷孔口，造成孔口冲塌。（2）15305m辉绿岩局部破碎、孔壁掉块，裂隙和溶洞发育，漏失严重，采用泥浆护壁，防止掉块和垮塌。当泥浆护壁不力遇严重孔内事故时，可拔出73mm套管方便采用扩孔处理措施。（3）下套管的方法和注意事项当孔内无障碍物时，下套管和下钻杆一样，只要丝扣连接好和密封好，是较易进行的，但有障碍物时，往往需要采用边透孔边下套管的方法。孔口套管口外要封闭好。为了便于起拔套管，在下套管前在管外涂油或将套管切断分段起拔。6.5冲洗液的管理冲洗液在钻孔施工中起的作用特别重要，对岩矿心采取率，减少孔内事故发生，生产效益的提高等都起主导作用。严格的冲洗液管理可延长冲洗液使用寿命，减低成本。具体措施如下：（1）钻机每小班应指定一个人员兼管泥浆；（2）必须按规定的比例和要求调整泥浆，各种化学处理剂不得随意乱加。（3）钻进过程中，每小班必须测试现场泥浆性能指标（粘度、比重、失水量、含砂量）一次，并记录在班报上。当泥浆性能发生变化时，应及时调整；现场泥浆测试工具加强保护，用后清洗干净并妥善保管。（4） 钻进过程中，每班在打捞内管时应清理循环槽，每48小时应清理沉淀池。（5）泥浆循环系统应搭棚避雨，防止雨水和地表水流入泥浆池内。（6）对废弃的泥浆要采取很有效的处理措施，防止其对环境的污染。第7章 岩矿芯采取7.1 岩矿芯采取要求任务书中要求此孔矿心采取率85，粘土覆盖层可不取心，在矿层中钻进时，回次采取率进尺一般不大于1m，若连续两个回次采取率低于85%，应立即采取补救措施。除了满足采取率外，还必须保持完整性、纯洁性、避免选择性磨损、取芯部位要准确。7.2岩矿芯采取方法分段确定取芯方法和取芯工具：（1）硬质合金钻进取芯从开孔至15m为坡积层粘土碎石地层，根据任务书要求，此段可以不取芯。（2）金刚石钻进取芯15m以下至700m孔底采用金刚石钻进，则采用金刚石单动双管取芯钻具。针对此孔地层情况选取改进DJ型单动双管取芯钻具。该钻具单动部分稳定性好且旋转灵活，同心度高，耐用性长，不仅可以防止冲洗液直接冲刷岩矿芯，由于内管不转动，可避免因钻具转动造成对岩矿芯的机械破坏作用，取心装置可靠，卡心牢固，提升钻具时岩矿心不易脱落。使岩矿芯的采取率、完整性、纯洁性有很大的提高和改善。钻具结构图见7-1。图7-1 单动双管取芯钻具结构示意图由于孕镶金刚石钻头出刃小，故用卡簧卡取岩心。改进型DJ单动双管取芯钻具内管下部为锥形卡簧座，卡簧座上配开口卡簧。在稳定地层可采取3m 长的岩心，效率特别明显。7.3岩矿芯取芯操作要求（1）金刚石单动双管钻具，其单动性能，通水性能、同心度等都必须完全符规范要求。（2）金刚石钻头、扩孔器、短节、卡簧座等的质量，尺寸配合必须符合规范要求。金刚石钻具与钻杆的级配，必须按规范要求配备。（3）由于双管壁厚较薄，强度较差，极易弯曲变形。因此，钻进中压力不宜太大。（4）金刚石钻具的拧卸工具，必须配备齐，且要符合质量要求，严禁用管子钳代替拧卸工具。第8章 钻孔偏斜与测量钻进过程钻孔实际的延伸路径会偏离设计轨迹，这种现象就叫孔斜。对于任何钻孔，都会或多或少的发生孔斜。产生钻孔弯曲的条件是：存在孔壁间隙、具备倾倒力、粗径钻具倾斜面方向稳定。8.1 钻孔偏斜的原因孔斜的原因很多也比较复杂，但总的来说可以归结为两方面：一是地质因素，二是工艺因素。孔斜是其中一种或两种因素共同作用的结果。（1）地质因素：岩层的软弱互层，岩层的层理及片理发育是导致钻孔弯曲的重要原因，而且有一定的规律性。此外，钻孔遇到断层，破碎带，坚硬的包裹体，大裂隙和溶洞时，也容易发生偏斜。（2）工艺因素：如果钻机由于各种原因致使立轴角度发生改变，有未及时调整；如果钻具结构不合理或者质量差，使钻具轴线偏离了原设计钻孔方向；钻孔孔径与钻柱直径（50mm）相差太大，使孔壁间隙过大，在轴向压力、钻具自重及回转力的作用下，将给粗径钻具上端一个较大的偏斜力，这为钻柱弯曲和钻孔倾斜的发生提供了充分条件。8.2钻孔偏斜的预防预防钻孔弯曲首先从弯曲的原因进行分析作好常规防斜，具体措施如下。（1）在设备安装上的预防机器，设备要及时检修好，钻机回转给进系统工作必须正常，地脚螺栓牢固；孔口管安装方向准确且安放牢固，天车、立轴、孔口中心三点在一条直线上。（2）在开孔段的预防开孔时，应选用锋利的钻头，主动钻杆不得有偏摆，轴心压力要均匀，要随钻孔加深而加长岩芯管。（3） 在钻具组合上的预防根据钻孔结构合理选择钻具结构。提钻取心钻进时，采用50mm钻杆务必加接68组56mm扶正器。扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器；粗径钻具要用综合式异径接头连结，其中心线必须一致；换径时导正管要长于4米，第一回次的小径岩芯管长度要短于1米。i=114.6bL2=114.62D3-D1-D22L2 式中：i钻孔弯曲强度，孔斜要求为0.02；b空壁间隙，计算时视D3=D2；L粗径钻具长度。（4）在规程参数上的预防开孔钻进采用小规程参数；不采用过度磨损的钻头；在易斜地层中钻进，规程参数的配合应力求达到最大的钻速，以减少地质、技术和工艺促斜因素的作用时间。（5）在特殊造斜地段上的预防遇到片岩地层、倾斜岩层、破碎带、软硬互层时，应使用锋利的钻头和长、直、重、厚、刚的钻具。钻进软硬互层的易孔斜地层、破碎带地层，要求给进均匀，采取轻压慢转，同时要适当控制泵量。坚持采用绳索取心回转钻进技术。总之，作好常规防斜措施同时，坚持采用“满眼”钻具及“锐利”钻头，中、轻压力和高转速的钻进参数；坚持使用扶正器、防斜保直器等措施，同时加强孔斜测量力度，配备精良检测仪器。在钻孔易斜地层钻进及时总结跑斜情况，采取有效措施防止孔斜，以提高钻探工程质量。8.3钻孔偏斜的测量（1）测斜要求钻孔每50m测斜一次，下套管前、换径、穿过溶洞后也应补充测斜。根据任务书知：顶角允许偏差2/100m，误差值允许累计计算。（2）测斜仪的选择测斜仪种类很多，有单点和多点之分，也有磁性矿区用和非磁性矿区用之分。该孔深700m，孔底压强约为(以水的密度计算，实际情况比它大)：P=gh=1.0103kgm39.8700m=68.6Mpa 所选测斜仪必须能承受较大压力，也要适合该孔径用。因此选择CX-6B小口径测斜仪，技术性能如下：井下仪器尺寸：401100mm顶角测量范围：060 顶角测量误差：0.1方位角测量范围：0360 方位角测量误差：2使用电源：锂电池供电，在软件XP操作系统下运行。工作温度：-10-+60适用条件：用于孔径45mm，孔深1500m的磁铁矿地区。（3）测斜操作通过电