《现代钻探技术》PPT课件.ppt

2019/7/24,现代钻探技术,1,现 代 钻 探 技 术,授课教师：唐胜利教授 参考教材： 马值侃主编.钻探工程学.中国矿业大学出版社，1998. 鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学.中国地质大学出版社，2001. 张组培等编.岩土钻掘工程新技术.地质出版社，2003. 韩广德主编.中国煤炭工业钻探工程学.煤炭工业出版社，2000. 刘广志主编.金刚石钻探手册.地质出版社，1991.,2019/7/24,现代钻探技术,2,目 录,第一章 概述 第二章 岩心钻探设备 第三章 钻探管材及常用工具 第四章 岩石的物理力学性质及其碎岩的关系 第五章 设备的安装与开孔 第六章 硬质合金钻进 第七章 钻粒钻进 第八章 金刚石钻进 第九章 冲击回转钻进 第十章 岩煤心的采取 第十一章 钻孔弯曲 第十二章 钻孔冲洗和护壁堵漏 第十三章 工程钻探 第十四章 岩土钻掘工程新技术,2019/7/24,现代钻探技术,3,第一章 概 述,一、钻探工程的定义 二、钻探工程的简单发展史 三、钻探施工过程 四、钻探工程的应用范围和分类,2019/7/24,现代钻探技术,4,课 时：2 本章目的：了解钻探工程的定义、简单发展史、钻探施工过程以及钻探方法分类 教学难点：钻探工程定义及施工过程 教学方法：课堂教授,2019/7/24,现代钻探技术,5,一、钻探工程的定义 钻探工程是用一定的工具，在地壳内按着一定的工艺破碎岩石的整个过程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。,2019/7/24,现代钻探技术,6,二、钻探工程的简单发展史,1、中国古代盐井钻凿技术发展时期 第一阶段大口径浅井时期：从公元前255年至公元1040年(自秦至宋初)。 李冰任蜀郡太守后，率领人民兴修都江堰工程的过程中，发现了多处盐泉，通过认真考察，初步掌握了水文地质条件，并创造性地运用大口径水井开凿方法，成为了开凿我国第一口盐井的开拓者。 第二阶段小口径深井发明与推广时期：公元10411048年(北宋庆历年间)。 第三阶段小口径深井钻凿工艺的完善和提高时期(明清)。,2019/7/24,现代钻探技术,7,二、钻探工程的简单发展史,2、近代与现代钻探发展过程 钻探工程用途越来越广，钻探工程量逐年上升(局部时期徘徊或下降)； 钻探设备种类越来越多，功能更多，性能更佳； 钻头等钻具品种种类越来越全，性能越来越优； 钻进方法越来越多，越来越先进； 中国与发达国家在钻探领域的技术差距较大。,2019/7/24,现代钻探技术,8,三、钻探施工过程,1、钻孔的概念 钻孔是从地表(或坑道中)向岩石中开凿的圆形断面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。直径在25500mm之间，称为钻孔。钻孔的深度从数厘米到数千米，目前的钻孔深度已超过10000m。 钻孔包括孔口、孔底、孔壁。,2019/7/24,现代钻探技术,9,三、钻探施工过程,2、钻探施工的主要工序 钻进现场布置图见图1.1所示。 钻进按下列工序进行： 用升降机把钻具下入孔内； 连接好所有接头，开泵； 给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石； 提钻取心或更换钻具； 下钻继续钻进； 钻进一段时间后及时测斜； 提出全套钻具，停钻； 封孔。,2019/7/24,现代钻探技术,10,图1.1 钻探现场布置全貌图 1-钻头；2-岩心；3-岩心管；4-异径接头；5-钻杆柱；6-固定空口管；7-钻机；8-回转器； 9-卡盘；10-提引水龙头；11-游动滑车；12-游动钢绳；13-天车；14-钻塔；15-钻机房； 16-升降机；17-高压胶管；18-泵；19-电动机；20-循环槽；21-沉淀池；22-泥浆池； 23-吸水管；24-拉力表；25-出水管,2019/7/24,现代钻探技术,11,四、钻探工程的应用范围和分类,(一)应用范围 1、地质勘探：普查找矿钻探；矿产勘探钻探；水文地质钻探；工程地质钻探。 2、开采矿产资源钻探：打水井；石油(天然气)钻探；盐井钻探。 3、煤矿井下钻探：地质勘探钻探；瓦斯抽放钻探；排放水钻探；锚杆锚索钻探；救援钻探。 4、工业钻探：加固建筑物的基桩孔；建大桥的大直径(桥墩施工用空间)钻孔；以测量地面沉降精确变比资料的标孔；加固水坝、防漏水的防渗漏墙；利用钻孔灌注水泥防治地质灾害(地面锚索、杆孔)；铺设管道、电缆的技术孔；矿山的竖井、通风井及多种辅助井；代替开挖隧道打大断面的地下坑道；用于军事，如导弹的发射井。,2019/7/24,现代钻探技术,12,四、钻探工程的应用范围和分类,(二)钻探方法的分类 1、根据钻进时取心的特点分类岩心钻探和不取心(无岩心、无心、全面)钻探。 2、根据钻孔用途分类按钻探的应用范围分出相应类型。 3、根据钻孔中心线的倾角和方位角分类垂直孔(上、下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。 4、根据钻孔位置的分类地表钻探、水上(河、湖、海)钻探、地下坑道钻探。,2019/7/24,现代钻探技术,13,四、钻探工程的应用范围和分类,(二)钻探方法的分类 5、根据钻孔布置方法分类丛状钻探 (图1.2)、多井筒钻探(图1.3)、多孔底钻探 (图1.4)。,图1.2 丛状布孔,图1.3 多井筒布孔,图1.4 多孔底布孔,2019/7/24,现代钻探技术,14,四、钻探工程的应用范围和分类,(二)钻探方法的分类 6、根据破岩形式分类 (1)物理方法破岩：高温（14003500）、高压（200250MP）破岩；用超声波和低声波破岩； 用爆破、高压水射流等方法破岩。 (2)化学方法破岩：此法使用较少，如溶解、软化岩石等。 (3)机械方法破岩：使用最为广泛，其分类如图1.5所示。,2019/7/24,现代钻探技术,15,冲击钻进,手动冲击钻进,机械冲击钻进,冲击器钻进,钻机钻进,液动冲击器钻进,风动冲击器钻进,回转钻进,手动回转钻进,机械回转钻进,深井回转钻进,硬质合金钻进,钻粒钻进,金刚石钻进,螺旋钻进,震动钻进,转盘钻进,井底发动机钻进,涡轮钻进,螺杆钻进,电钻进,其它,冲击回转钻进,图1.5 机械破碎岩石的钻探方法分类,2019/7/24,现代钻探技术,16,四、钻探工程的应用范围和分类,(二)钻探方法的分类 7、根据钻进使用的冲洗液分类 清水钻进； 乳化液钻进； 泥浆钻进(含加重泥浆)； 饱和盐溶液钻进(钻盐井，以防溶解岩心和孔壁)； 空气钻进； 泡沫钻进； 雾化钻进； 充气泥浆钻进(降低泥浆比重，以防漏失)。,2019/7/24,现代钻探技术,17,四、钻探工程的应用范围 和分类,(二)钻探方法的分类 8、根据冲洗液循环方式分类 钻孔冲洗液的循环方式示意图如图1.5所示。,冲洗液正循环钻进,冲洗液反循环钻进,全孔反循环钻进,孔底局部反循环钻进,图1.5 钻孔冲洗液的循环方式 a-全孔正循环；b-全孔反循环；c-孔底局部反循环.1-来自泵；2-往冲洗液沉淀系统,2019/7/24,现代钻探技术,18,本章思考题：,1、简述钻探工程的定义及钻探施工过程。 2、简答钻探方法的分类。,2019/7/24,现代钻探技术,19,第二章 岩心钻探设备,第一节 钻机 第二节 泥浆泵 第三节 动力机 第四节 钻塔及其附属设备,2019/7/24,现代钻探技术,20,课 时：4 本章目的：掌握钻探设备的种类，钻机的类型、主要参数，钻机的主要构成部件，并了解其它设备的工作原理 教学重点：钻机的类型及组成 教学方法：课堂教授、现场参观,2019/7/24,现代钻探技术,21,第一节 钻 机,一、钻探工艺对钻机功能的基本要求 1、提供使钻杆柱及碎岩钻具(钻头)破岩所需的回转动力； 2、提供钻具克入岩石的压力，并能调节； 3、具有起下钻具的能力。 二、钻机的类型 用于岩心钻探的钻机分为：机械式钻机(包括立轴式钻机和转盘钻机)、全液压钻机。 当然还有旋挖钻机、车装钻机、履带式钻机。,2019/7/24,现代钻探技术,22,XY-4型立轴式岩心钻机,GPS15型转盘式钻机,2019/7/24,现代钻探技术,23,G-3型全液压钻机,全液压坑道钻机,2019/7/24,现代钻探技术,24,旋挖钻机,旋挖钻机,2019/7/24,现代钻探技术,25,车装钻机,履带式跟管钻机,2019/7/24,现代钻探技术,26,三、选用、评价钻机的主要参数,钻机的技术参数有以下三种： 1、基本参数：是反映钻机钻进能力最稳定的参数。一般用钻进深度和使用钻杆的直径联合表示。 2、主要参数：它取决于基本参数。主要有回转器的转速、上顶力和钻进力、给进速度和行程、提升能力和提升速度、钻进的重量与外廓尺寸、动力机的功率和转速等参数。 3、一般参数：从属于基本参数和主要参数，如钢丝绳直径、卷筒直径等，反映次要技术参数。,2019/7/24,现代钻探技术,27,四、机械传动式钻机的构成部件,(一)回转器与卡盘 回转器的功用是传递回转动力，提供钻速和转矩，能正反转。 卡盘(转盘式钻机无此件，主轴式钻机的卡盘常与回转器连为一个部件)的任务也是传递回转运动和扭矩(它起加紧钻杆的作用)，同时还传递轴向运动和钻进(上顶)力。 (二)给进机构 给进机构是回转钻进的主要执行机构之一，其任务是：称量钻头质量；进行加压或减压钻进；提供一定的轴向压力和钻进速度；倒杆、提动和悬挂钻具；强力起拔钻具等。 给进机构有以下两种： 液压给进通过油缸给进； 手动机械给进边回转边通过机械手动给进。,2019/7/24,现代钻探技术,28,四、机械传动式钻机的构成部件,(三)升降机 又称卷扬机或绞车。在钻进过程中升降钻具和套管。进行减压钻进，处理孔内事故时，配合给进机构进行强力起拔。 (四)变速箱和分动箱 变速箱用来变更回转器和升降机的转速和扭矩；分动箱的作用是将动力传送分配给回转器和升降机，或联动两者同时运转。 (五)摩擦离合器 摩擦离合器是用来切断或接通动力机传来的动力；完成钻机换档和孔内特殊工序操作(如套岩心、扭断岩心)；起过载保护作用。,2019/7/24,现代钻探技术,29,四、机械传动式钻机的构成部件,(六)机座 可分为两种类型：开合式让开孔口机座(为整合式)、后移式让开孔口机座。,立轴式钻机部件构成简图 1-电动机；2-油泵；3-摩擦离合器；4-变速箱；5-分动箱；6-回转器；7-升降机,2019/7/24,现代钻探技术,30,五、全液压钻机,全液压钻机是指钻机的回转、钻进和升降钻具等机构均用液压驱动完成。全液压钻机一般是由主机、泵站、操作台三部分组成，中间用高压油管连接。如图所示：,全液压钻机结构示意简图,2019/7/24,现代钻探技术,31,五、全液压钻机,全液压钻机的特点： 外形和结构与传统机械式钻机完全不同，由三部分组成，结构简单； 可实现无极调速； 实现无塔升降，能机械自动拧卸钻具； 操作方便，使用工人少； 可实现较远距离操作，操作更加安全，甚至可实现遥控操作； 但也存在不足： 、消耗功率大，机械效率低； 、液压原件精度要求高，对液压油的质量、过滤精度要求也很严格，因此维护保养较困难。,2019/7/24,现代钻探技术,32,第二节 泥 浆 泵,一、泥浆泵在钻探工作中的作用 泵是通过一定的方式将动力机的机械能转变为液体压力能的设备。泥浆泵是泵在钻探中应用的设备。有以下用途： 提供冲洗液以清除岩屑； 向孔底钻具供给能量如给涡轮钻具、螺杆钻头、液动冲击钻具及其它水力冲击钻具提供动力； 输送特种物质如堵漏、封孔时，利用泵向孔内灌注水泥浆或其它堵漏物质； 判断孔内情况利用水泵的仪表在地面及时了解孔内的一些情况。,2019/7/24,现代钻探技术,33,二、泵的分类,泵由于其能量转换的方式不同，可分为不同的类型:,容积式泵,动力式泵 离心泵、轴流泵等 靠旋转叶轮进行能量转换,往复式泵 活塞泵、柱塞泵等,回转式泵 螺杆泵、齿轮泵等,其它泵 电磁泵、水锤泵、喷射泵等 靠其它方式进行能量转换,靠密闭腔容积变化进行能量转换,钻场上常用容积式活塞泵作为冲洗液循环泵。,2019/7/24,现代钻探技术,34,NBQ25-380电驱动泥浆泵,NBQ25-380型柴油驱动泥浆泵,2019/7/24,现代钻探技术,35,三、钻探工作对泥浆泵的要求,流量均匀且能在较大的范围内调整流量 具有一定的强制压力及较大的调压范围 排量要稳定 具有超载承受能力和保护措施 要适应野外施工的恶劣环境 运移性要好,2019/7/24,现代钻探技术,36,四、往复式泵的工作原理,单作用泵工作原理示意图,双作用泵工作原理示意图 1-活塞；2-排水活门；3-吸水活门；4-活塞杆；5-排水管；6-吸水管；7-水源箱,2019/7/24,现代钻探技术,37,五、煤田钻探常用泥浆泵,煤田钻探常用的泥浆泵为几个泵(常说几缸)组成的泥浆泵。 如NBB系列是由三个单作用活塞泵组成，而TBW系列是由两个双作用活塞泵组成。,TBW 系列泥浆泵,2019/7/24,现代钻探技术,38,NBQ35600W型五缸泥浆泵,2019/7/24,现代钻探技术,39,第三节 动 力 机,现代岩心钻探设备中，主要使用以下类型的动力机(动力驱动装置)： 电力驱动装置电动机 内燃机汽油机、柴油机(常用)、用原油为燃料的燃烧室式内燃机 气动动力机 液动动力机,在井下，尤其是在粉尘爆炸危险的矿井内常用,2019/7/24,现代钻探技术,40,第四节 钻塔及其附属设备,一、钻塔 1、钻塔的作用 钻塔是安装钻探设备和操作工人活动的场所。钻塔在钻进工程中主要用于起下钻具；在处理事故时，用来处理井内事故及起下套管。 2、钻探工作对钻塔的要求 要求钻塔有足够的承载能力及足够的刚度； 要求钻塔有合理的高度及足够的上下顶面积； 此外，要求钻塔自重轻，运移性好，拆卸、安装、操作方便，安全可靠，制造成本低廉。,2019/7/24,现代钻探技术,41,一、钻塔 3、钻探的类型 按制造钻塔的材质分类 金属钻塔 木质钻塔 按钻塔的构造分类 三角钻塔 四角钻塔 两脚轻便钻塔 桅杆式钻塔,二、钻塔的附属设备 天车 游动滑车 提引钢丝绳 梯道 安全栏杆或土电梯 简易场房 防雨天棚盖 避雷针,2019/7/24,现代钻探技术,42,带普通手摇辘的三脚架,2019/7/24,现代钻探技术,43,两脚轻便钻塔 1-下主腿；2-中主腿；3-上主腿；4-副腿；5-天车帽；6-天轮；7-天轮轴；8-绷绳；9-塔衣绷绳；10-活动工作台,四角钻塔 1-上部工作面活动棚顶；2-上部工作面；3-活动棚顶；4-玻璃窗；5-塔外安全挂梯,2019/7/24,现代钻探技术,44,桅杆的结构及竖立形式 a-整体竖立式；b-折叠式；c-伸缩式,角钢四脚斜塔结构示意图,2019/7/24,现代钻探技术,45,第五节 其它设备,空压机 提供高压风，供空气、泡沫风动冲击钻进使用。 泡沫发生器、泡沫注入泵 这两种设备是泡沫钻进的专用设备。 拧管器 立轴式、转盘式钻机配套拧卸钻杆用。 除砂(泥)器、振动筛 供除去泥浆中的岩屑使用。 柴油发电机组 提供无电工区动力和照明电。,2019/7/24,现代钻探技术,46,空压机,泡沫发生器,拧管器,泡沫注入泵,2019/7/24,现代钻探技术,47,除砂器,振动筛,2019/7/24,现代钻探技术,48,本章思考题：,1、简答岩心钻探用钻机的类型。 2、简答机械传动钻机的主要构成部件。 3、试问全液压钻机有那些特点？,2019/7/24,现代钻探技术,49,第三章 钻探管材及常用工具,一、钻进工具 二、附属工具,2019/7/24,现代钻探技术,50,课 时：2 本章目的：了解钻进工具和附属工具的类型和用途 教学重点：钻探工具的种类及用途 教学方式：课堂讲授,2019/7/24,现代钻探技术,51,一、钻进工具,钻进工具常指水接头、主动钻杆、钻杆、钻铤、液动(风动)冲击器、岩心管、扩孔器、异径接头、取粉管、套管、钻头等。右图为钻具在孔底的连接情况。,孔内钻具连接情况示意图,2019/7/24,现代钻探技术,52,金刚石钻进用的岩心钻具,钻粒钻进用的岩心钻具,1-钻头； 2-提断外壳； 3-提断弹簧； 4-岩心管； 5-异径接头； 6-钻杆,1-钻粒钻头； 2-岩心管； 3-异径接头； 4-岩粉管； 5-钻杆,2019/7/24,现代钻探技术,53,二、附属工具,提引类主要有滑车、提引器、提引钩、钢丝绳等。 夹持类主要有垫叉、钻杆夹持器、套管夹板等。 拧卸类主要有管钳、自由钳、链钳、各种扳手等。 打捞类主要有丝锥、割管器。 修理类,2019/7/24,现代钻探技术,54,本章思考题：,钻探工具主要包括那些？,2019/7/24,现代钻探技术,55,第四章 岩石的物理力学性质及其与碎岩的关系,第一节 岩石的物理性质 第二节 岩石的力学性质 第三节 岩石的可钻性级别及其分类,2019/7/24,现代钻探技术,56,课 时：2 本章目的：了解岩石的物理力学性质，掌握岩石可钻性级别 教学重点：岩石的力学性质及可钻性 教学方法：课堂讲授,2019/7/24,现代钻探技术,57,第一节 岩石的物理性质,从影响机械破岩效果的角度看，岩石最重要的地质特征是矿物成分、结构、和构造。 一、岩石的矿物成分 单矿物岩石由一种矿物组成，如石英岩。 多矿物岩石由两种及以上矿物组成，如花岗岩、砂岩等。 由硬度较高的矿物组成的岩石，其强度和硬度也较高。 岩浆岩的强度和硬度较高；沉积岩的强度和硬度较低。 造岩矿物中石英的含量越多，胶结物的强度越大，矿物的颗粒越细。,2019/7/24,现代钻探技术,58,二、岩石的结构,岩石的结构是指组成岩石的矿物成分、粒度、形状和矿物颗粒之间的连接方式。岩石的结构不同，其坚固程度不同。 1、影响沉积岩坚固性的因素： 矿物的成分、颗粒与形状 胶结物的成分和颗粒间胶结的强度 硅质成分最为坚固； 铁质成分次之； 钙质和泥质成分最差； 致密、胶结牢固、孔隙少，坚固性好；反之，坚固性差。 2、对于变质岩，变质程度越高，坚固性越强。 3、显然，岩石的坚固性越高，钻进的效率越低，而对保护井壁稳定性越有利。,2019/7/24,现代钻探技术,59,三、岩石的构造及各向异性,1、岩石的构造 岩石的构造属于岩石组织的宏观特征。属于构造特征的有层理、片理和裂隙。 层理是指在垂直方向上岩石成分变化的情况。某些钻孔中出现软硬互层也可以看成是层理变化的反应。层理形成的几种主要情况如右图所示。,沉积岩的层理类型 1-成分相同颗粒大小在垂直方向上呈现规律性变化；2-不同矿物成分的互相交替；3-颗粒按一定方向排列；4-某种颗粒呈规律分布,2019/7/24,现代钻探技术,60,三、岩石的构造和各向异性,1、岩石的构造 片理是岩石沿平行的平面分裂为薄片的能力。 裂隙性它对岩石的强度、钻进的难易程度和孔壁的稳定性产生很大的影响，也可导致冲洗液的漏失。 2、岩石的各向异性 原因：层理面之间的联结力较弱，在沿平行于层理方向加压时，岩石首先从层理面裂开。下图表现为岩石强度的各向异性。,岩石强度的各向异性,2019/7/24,现代钻探技术,61,第二节 岩石的力学性质,与机械方式破碎岩石有关的岩石力学性质主要有岩石的强度、硬度、弹性、脆性和塑性，以及岩石的研磨性。 一、岩石的强度 岩石的强度一般理解为固体抵抗机械破坏的能力。 强度依外载作用性质的不同，可以有抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度等。 强度的单位为kgf/cm2，或MPa。 岩石强度的大小取决于岩石的内聚力和岩石颗粒间的内摩擦力。,2019/7/24,现代钻探技术,62,二、岩石的硬度,岩石的硬度通常被认为是岩石表面对工具压入时的反抗性，单位为kgf/cm2，或MPa。 注意： 硬度只是固体表面的局部对另一物体压入的阻力； 强度是固体整体被破坏时的阻力。 对于钻进岩样来讲，岩石的压入硬度比岩石的单轴抗压强度更具有实际意义。因为工具对孔底岩石的破碎方式，在大多数情况下是局部破碎。 常用压入硬度、摆球硬度、刻痕硬度(现场常用)表示。压入硬度与摆球硬度的测定装置示意图见下页。,2019/7/24,现代钻探技术,63,二、岩石的硬度,压模示意图 a-圆柱压模；b-硬质合金圆锥压模,(a),(b),测试压入岩石硬度的装置 1-液压缸；2-液压柱塞；3-岩样；4-压头；5-压力机上压板；6-千分表；7-柱塞导向杆,2019/7/24,现代钻探技术,64,二、岩石的硬度,摆球硬度计示意图 1-底盘；2-岩样固定器螺杆；3-刻度盘；4-摆球；5-水平调节螺钉,2019/7/24,现代钻探技术,65,三、岩石的弹性、塑性和脆性,弹性、塑性和脆性是物体受外力作用后，对变形的不同表现。 弹性是固体在卸去所加之载荷后，恢复原来状态的性能。 塑性当载荷卸去后，固体保持其变形的性能。 脆性是固体在载荷作用下不引起任何残余变形的性能。 脆性岩石易发生体积破碎，尤其适合冲击回转钻进。塑性岩石易遇水膨胀，钻进时易缩径。,2019/7/24,现代钻探技术,66,三、岩石的弹性、塑性和脆性,在单轴压缩下岩石直至破坏的典型应力-应变曲线,2019/7/24,现代钻探技术,67,四、岩石的研磨性,岩石磨损钻进工具的能力，称为岩石的研磨性。而钻头抵抗岩石磨损的能力称为耐磨性。 影响岩石研磨性的因素有： 岩石的矿物成分，尤其是石英含量； 矿物的颗粒大小和形状； 岩石与工具摩擦表面的湿度、相对速度和压力等外因。 目前，尚无统一衡量指标，一般用相对磨损量作为衡量指标。 注意： 一般硬度高，研磨性强；但当坚硬致密、研磨性极低时，钻探常称为“打滑”地层。,2019/7/24,现代钻探技术,68,第三节 岩石的可钻性及其分类,一、岩石的可钻性及其影响因素 定义可理解为钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即表示岩石破碎的难易程度。 影响因素： 所钻岩石的物理力学性质； 采用的破岩方法，破碎工具的结构、种类及质量，钻进规程参数，孔底破碎岩石的能量消耗； 孔底岩屑清除干净程度。,2019/7/24,现代钻探技术,69,二、岩石可钻性分级,1、岩石可钻性的分级方法 衡量岩石可钻性的指标为岩石的可钻性级别。 在实际钻探生产施工中，岩石的可钻性及其分类是非常重要的。它是制定钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据，同时也是对生产机台评定的标准。岩石可钻性级别也是合理选择钻进方法及相应的钻进工具和钻进规程的依据。 目前，岩石的可钻性分级的方法也不统一。常用压入硬度、微钻钻速和声波穿透速度为指标进行分级(参见教材附录一附录三)，分为12级。,2019/7/24,现代钻探技术,70,二、岩石可钻性分级,2、岩石的坚固性系数 由俄罗斯学者于1926年提出的岩石坚固性系数（又称普氏系数）至今仍在矿山开采业和勘探掘进中得到广泛应用。岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方式（单轴压缩、拉伸、剪切）相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力。因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石，因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。岩石坚固性系数f表征的是岩石抵抗破碎的相对值。因为岩石的抗压能力最强，故把岩石单轴抗压强度极限的1/10作为岩石的坚固性系数，即 f=c/10 式中：c岩石的单轴抗压强度，MPa。,2019/7/24,现代钻探技术,71,二、岩石可钻性分级,2、岩石的坚固性系数 f是个无量纲的值，它表明某种岩石的坚固性比致密的粘土坚固多少倍，因为致密粘土的抗压强度为10MPa。岩石坚固性系数的计算公式简洁明了，f值可用于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。 根据岩石的坚固性系数（f）可把岩石分成10级(表4-1)，等级越高的岩石越容易破碎。为了方便使用又在第，级的中间加了半级。考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于200MPa的岩石，故把凡是抗压强度大于200MPa的岩石都归人I级。,2019/7/24,现代钻探技术,72,表4-1 按坚固性系数对岩石可钻性分级表,2019/7/24,现代钻探技术,73,二、岩石可钻性分级,2、岩石的坚固性系数 上述方法比较简单，而且在一定程度上反映了岩石的客观性质。但它也还存在着一些缺点： (1)岩石的坚固性虽概括了岩石的各种属性(如凿岩性、爆破性、稳定性等)，但有些情况下这些属性并不是完全一致的。 (2)普氏分级法采用实验室测定来代替现场测定，这就不可避免地带来因应力状态的改变而造成的坚固程度上的误差。 矿山常用岩石的坚固性系数(即f系数)对岩石的可钻性进行分级。两者的对应关系为：,2019/7/24,现代钻探技术,74,本章思考题：,1、岩石的力学性质有那些？ 2、试回答可钻性定义，并写出可钻性的分 级表。,2019/7/24,现代钻探技术,75,第五章 设备安装与开孔,第一节 设备的安装 第二节 开孔工作,2019/7/24,现代钻探技术,76,课 时：1 本章目的：了解设备的安装准备工作机开孔程序 教学重点：熟悉设备的安装要求及开孔准备工作 教学方法：课堂讲授,2019/7/24,现代钻探技术,77,第一节 设备的安装,一、修筑地盘(平整场地) 应注意的事项如下： 地盘的位置由设计位置确定。 地面应平整，且有一定的抗压强度。 在山坡修筑地盘时，应注意靠山坡一面的坡度，对于坚硬稳固岩石，一般不超过60；对于松软岩石坡度应小于45。 填方面积不得超过地盘面积的四分之一；填方必须夯实。 需进行凿岩爆破时，应严格按安全规程进行。,2019/7/24,现代钻探技术,78,二、修建地基,修建地基的主要目的是为了能承受钻探设备等的荷重。 常见的地基类型如下: 浅槽地基适合较实的土壤地面，基台槽底垫石、土，夯实。如图5-1(a)所示。 卧枕地基在比较松软或填方部分不够坚实时使用。如图5-1(b)所示。 竖桩地基适用于承受性较差的潮湿地面或山坡地基的填方一侧。如图5-1(c)所示。 深坑地基一般用于较坚实的土壤上，作柴油机底的基础。 混凝土地基表土软硬不均或钻进深孔时采用。,2019/7/24,现代钻探技术,79,二、修建地基,（a）,（b）,（c）,图5-1 地基的形式 a:浅槽地基 1-基台木；2-基台枕。b：卧枕地基 1-卧枕地基；2-上、下基台木；3-扒钉。c：竖桩地基 1-上基台木；2-下基台木；3-扒钉； 4-涂沥青或柏油处；5-竖桩；6-螺丝杆,2019/7/24,现代钻探技术,80,三、钻塔安装 在钻孔位布置好的基台上将使用的钻塔竖起称为钻塔安装。其安装方法为： 整体安装适合“A”字形钻塔和三脚钻塔。在地形平坦广阔处四脚钻塔安装也可采用此法。 分节安装多用于四脚钻头的安装。 四、机械安装 根据不同的机型，按照要求，依次将钻机、中间轴、动力机、水泵等用螺杆固定在基台上。,2019/7/24,现代钻探技术,81,第二节 开孔工作,一、钻孔的结构及其选择 钻孔结构是由孔口、孔深、孔壁等要素组成。 在实际钻进中遇特殊情况，可适当调整钻孔的结构，但应满足地质或工程要求。右图5-2为常见的钻孔结构图，有的仅下孔口管，有的可能还下几层套管。,图5-2 钻孔结构图,2019/7/24,现代钻探技术,82,二、开孔,开孔前及开孔过程中的注意事项: 准备好所有钻进用器材； 对钻探设备及安装质量进行全面的检查； 制定钻孔的施工方案和技术措施； 要防止孔斜； 应注意护壁； 钻进规程应该轻压慢转。,2019/7/24,现代钻探技术,83,第六章 硬质合金钻进,第一节 概述 第二节 硬质合金钻进的碎岩过程与磨损 第三节 硬质合金切削具 第四节 硬质合金钻头 第五节 硬质合金钻进规程,2019/7/24,现代钻探技术,84,课 时：2 本章目的：了解硬质合金钻进的特点，掌握其破岩机理、切削具材料、钻头特点及钻进规程。 教学重点：硬质合金钻进的碎岩过程、硬质合金钻头及其钻进规程 教学方法：课堂讲授、习题课讨论,2019/7/24,现代钻探技术,85,第一节 概 述,一、硬质合金钻进的定义 利用镶焊在钻头上的硬质合金切削具，作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。 二、硬质合金钻进的特点 硬质合金镶焊在钻头体上比较坚固、方便； 可以灵活改变钻头结构参数； 操作简单方便； 易保证钻孔质量； 成本低； 但受硬质合金本身强度和耐磨性限制，此法不能钻进坚硬、强研磨性岩石。,2019/7/24,现代钻探技术,86,第二节 硬质合金钻进的碎岩过程与磨损,一、孔底碎岩过程 1、塑性岩石中的碎岩过程 切削具在Py作用下切入岩石，在Px作用下作回转运动，切削具前面的岩石不断塑性流动，并自由滑移，这种现象为切削。如图6-1所示。,图6-1 切削具在双向力作用下切入塑性岩石,2019/7/24,现代钻探技术,87,一、孔底碎岩过程,2、塑脆性岩石中的碎岩过程 在塑脆性岩石中，岩石破碎大体分为三个过程，即吃入、小剪切、大剪切，如图6-2所示。,（a）,（b）,（c）,图6-2 切削具破碎塑脆性岩石的过程 （a）-切入；（b）-小剪切；（c）-大剪切,2019/7/24,现代钻探技术,88,二、切削具的磨损,在实际的钻进过程中，切削具的不同部位磨损程度有很大差异，切削具出刃的内、外磨损量是不均匀的，如图6-3所示。 y外 y内 y t外 t内 t 随着切削具的磨损，与岩石接触面积加大，因而，引起单位面积上的比压下降，机械钻速减小。,y切削刃磨损高度； y内切削刃内侧磨损高度； y外切削刃外侧磨损高度； t刃端磨损宽度； t内刃端内侧磨损宽度； t外刃端外侧磨损宽度； b环槽宽度（切削宽度）； r环槽内径； R环槽外径,图6-3 切削具的实际磨损情况,2019/7/24,现代钻探技术,89,第三节 硬质合金切削具,一、材质 钻探用硬质合金主要是碳化钨（WC）-钴（Co）硬质合金，常称为YG类硬质合金，它以碳化钨为骨架金属，钴粉粘结剂烧结而成。钻探用YG类硬质合金性能如表6-1所示。,表6-1 钻探用YG类硬质合金性能,2019/7/24,现代钻探技术,90,一、材质,上页表中，硬质合金牌号的意义： YG3X YG4C YG8 注意： 含Co量越高，韧性就越好(即抗剪强度越高)，但耐磨性会越低，成本更高。,细粒度,Co占3%,Co,WC（碳化钨）,粗粒度,标准粒度,2019/7/24,现代钻探技术,91,二、硬质合金切削具形状,1、片状合金 矩形薄片 直角薄片 菱形薄片 2、柱状合金 八角柱 四方柱 3、针状合金 4、排状合金 单排圆形、椭圆形、菱形 多排圆形、椭圆形、菱形 5、球齿状合金：用于风动冲击钻头及牙轮钻头,表6-2 钻探常用硬质合金切削具形状和规格表,2019/7/24,现代钻探技术,92,第四节 硬质合金钻头,一、硬质合金钻头的结构要素 1、切削具的出刃 切削具必须突出于钻头体一定高度，突出的部分称为出刃。包括内出刃、外出刃、和底出刃。 内外出刃解决冲洗液的畅通，携带排除岩粉和降低回转阻力，一般取1.52mm。 底出刃主要用于切削岩石，一般软岩选45mm，中硬岩选34mm，硬岩选23mm。,图6-4 切削具出刃示意图,2019/7/24,现代钻探技术,93,一、硬质合金钻头的结构要素,2、切削具的镶焊角度 切削具镶焊在钻头体上，其镶焊角度如图6-5 所示。 刃尖角软岩选小，硬岩选大。 镶焊角0正斜镶，软岩；0负斜镶，脆性硬岩。 切削角与 互余。 后角e与确定后，e也确定，注意要考虑切削具与岩石表面不接触和少磨损。,图6-5 切削具的各种角度 -切削角； -刃尖角； -镶焊角；e-后角,2019/7/24,现代钻探技术,94,一、硬质合金钻头的结构要素,3、切削具的排列和布置 常用的有单环排列、双环排列、多环排列和密集排列等形式（图6-6）。单环排列主要用于软岩；多环排列适用于中硬以上岩石；密集排列起到相互支撑和增加破碎自由面的作用；肋骨式排列增加孔底环状面积和孔壁间隙，便于排粉，用于软岩。,（a）,（c）,（b）,图6-6 切削齿的排列形式 a-单环排列；b-多环排列；c-密集排列,2019/7/24,现代钻探技术,95,一、硬质合金钻头的结构要素,4、切削具的数目 切削具的数目受钻头的直径、壁厚和岩石软硬程度的影响。切削具的数目是切削具的组数和每组颗数的乘积。切削具的组数须考虑其稳定性，一般是对称的，不得少于四组。,5、钻头的水口与水槽 水口数量与切削具的组数相同。水口的总面积应大于钻头内环状间隙或外环状间隙，面积过大，冲洗液流速低，对携带岩粉和冷却钻具不利，若过小，容易造成憋泵，影响钻进效率。在钻头体外壁（或内壁）上加工水槽，增加钻头内、外环过水面积，水槽须与水口连接，如图6-7。,图6-7 钻头的水口水槽,2019/7/24,现代钻探技术,96,一、硬质合金钻头的结构要素,6、钻头体 钻头体也被称为空白钻头或钻头钢体，未镶焊切削具。常用规格如图6-8所示。,图6-8 硬质合金钻头体,2019/7/24,现代钻探技术,97,二、硬质合金钻头,将硬质合金焊接(气焊、钢焊料)在钻头体上即成硬质合金钻头。 (一)取心钻头 1、磨锐式钻头 此种钻头磨钝后，可以用砂轮重新修磨变锐。常见的有肋骨式钻头(图6-9)、燕尾补强钻头(图6-10) 。 2、自磨式钻头 自磨式钻头选用小断面薄片状或针状切削具，在钻进中磨损后切削具与岩石接触面积保持一定，即切削具不会变钝，故称自磨。 常见的排状硬质合金自磨式钻头见图6-11。,2019/7/24,现代钻探技术,98,二、硬质合金钻头,图6-9 阶梯高肋骨钻头示意图,图6-10 燕尾补强钻头示意图,2019/7/24,现代钻探技术,99,二、硬质合金钻头,图6-11 排状硬质合金自磨式钻头示意图,2019/7/24,现代钻探技术,100,二、硬质合金钻头,(二)全面钻头 1、三翼刮刀全面钻头 (图6-12) 2、矛式全面钻头(图6-13),图6-12 翼片全面钻头,2019/7/24,现代钻探技术,101,二、硬质合金钻头,图6-13 矛式全面钻头,2019/7/24,现代钻探技术,102,硬质合金钎头,2019/7/24,现代钻探技术,103,硬质合金镶齿三牙轮钻头,球齿状硬质合金全面钻头（潜孔锤钻进用）,2019/7/24,现代钻探技术,104,第五节 硬质合金钻进规程,钻进规程也可谓钻进规程参数，包括钻压、转速和冲洗液量(泵量)，它直接关系到钻探成本、效率和质量。,图6-9 钻进速度与比压的关系曲线,一、钻压 钻压也称为轴向压力，表示整个钻头受的荷载。每颗切削具上的钻压称为单位钻压。单位钻压P与钻速的关系如图6-9所示。,2019/7/24,现代钻探技术,105,一、钻压,图6-9中，曲线变化分三个阶段： 表面破碎阶段：钻压小于岩石压人硬度； 疲劳破碎阶段：钻压接近岩石压入硬度； 体积破碎阶段：钻压大于岩石压入硬度，体积崩落破碎，钻速明显提高。 在实际施工过程中，以下情况应适当减小钻压： 钻进软岩时，防堵水和糊钻； 钻进裂隙性破碎岩石时，防崩刃； 钻进倾角大的岩层时，防孔斜； 合金强度低、刃尖角较小时，防崩刃。,2019/7/24,现代钻探技术,106,一、钻压P,钻压推荐值如表6-3所示：,表6-3 钻 压 推 荐 值 表,2019/7/24,现代钻探技术,107,二、转速,钻头的转速指钻头每分钟的转数。转速n与线速度v的关系为 式中 D钻头直径，mm； n钻头转速，r/min; v钻头圆周线速度，m/s。 磨锐式钻头的转速推荐值如表6-4所示。,表6-4 磨锐式钻头圆周线速度推荐值表,2019/7/24,现代钻探技术,108,三、冲洗液量Q,将送入井内的冲洗液的流量称为冲洗液量，在没有泄漏的情况下，即是泥浆泵的泵量。 冲洗液的功能：排除岩粉；冷却切削具；润滑钻头；保护孔壁。 一般来说，冲洗液量大，携带岩粉能力强，冷却效果好；但太大，将产生举离力来抵消部分轴向压力，对孔壁和岩心的冲刷作用也加强。冲洗液量推荐值如表6-5所示。,岩石性质,冲洗液量l/min,钻头及钻杆直径mm,表6-5 冲洗液量推荐值表,2019/7/24,现代钻探技术,109,本章思考题：,1、简述硬质合金钻头在孔底的碎岩过程。 2、简述硬质合金钻头的种类及主要结构要素。,2019/7/24,现代钻探技术,110,第七章 钻 粒 钻 进,第一节 概述 第二节 钻粒钻进的井底工作过程与破岩机理 第三节 钻粒与钻粒钻头 第四节 钻粒钻进的钻进规程,2019/7/24,现代钻探技术,111,课 时：1 本章目的：了解钻粒钻进的特点、井底破岩机理、钻头结构及钻进规程 教学重点：钻粒钻进的破岩机理 教学方法：课堂讲授,2019/7/24,现代钻探技术,112,第一节 概 述,一、定义 用未镶焊切削具的钻头体压住钻粒(钢粒或铁砂)，并带动它们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法，称为钻粒钻进。 二、钻粒钻进的发展历史 钻粒钻进始于19世纪后期，用于钻进坚硬岩石，随着金刚石钻进的广泛应用，此法已逐渐被取代。但现在大直径地勘钻和大口径勘察或施工的水井钻、工程钻中还有应用。,2019/7/24,现代钻探技术,113,三、钻粒钻进的特点：,钻粒的翻滚破岩可产生纵向脉动冲击，能钻进硬度比其自身还大的岩石； 钻粒消耗后可继续补给，从而延长回次钻进时间； 钻进成本低； 孔径大、岩心细、孔径不均匀、孔斜超限、岩心采取率低； 受钻粒自重的影响，只适用7590的斜孔或垂直孔，不能用于钻进大裂隙、溶洞或涌水量大的钻孔； 钻进工艺比较复杂，特别是冲洗液量须适应钻粒分布及分选的要求，难以掌握。,2019/7/24,现代钻探技术,114,第二节 钻粒钻进的井底工作过程与破岩机理,一、井底工作过程 钻粒钻进的井底工作过程如图7-1所示。钻粒在多力的综合作用下：水口导入破岩磨耗水力分选冲走淘汰形成动态平衡。绝大多数被淘汰的碎钻粒落入取粉管内。钻进过程中，随着钻粒的消耗，水口逐渐变小，钻速大大下降，回次结束。新的回次开始前，再次投入钻粒，重新切割修正水口。,图7-1 钻粒钻进的井底过程,2019/7/24,现代钻探技术,115,二、破岩机理,钻粒破岩主要有两种形式： 1、压碎破岩 多个钻粒以其边棱小面积接触，形成体积破碎，如图7-2(a)所示。 压力集中于少数磨圆钻粒上，也会形成体积破碎，如图7-2(b)所示。,（a）,（b）,图7-2 钻粒钻进的压碎碎岩 Py轴向压力；Px水平力,2019/7/24,现代钻探技术,116,二、破岩机理,2、疲劳破碎 钻粒与岩石接触处的压强尚未达到岩石的硬度，在钻粒的Py和Px的作用下，使岩石表面产生一定深度的裂纹，在钻粒重复碾压作用和冲洗液的侵蚀下，裂纹逐渐加强，使岩屑不断剥离下来达到破岩目的。如图7-3所示，大多数情况属动压裂疲劳破碎。,图7-3 钻粒钻进的压裂碎岩 Py轴向压力；Px水平力,2019/7/24,现代钻探技术,117,第三节 钻粒与钻粒钻头,一、钻粒 地质勘探钻粒钻进常用优质碳素结构钢的线材（或粗钢丝绳破股）切成高和直径基本相等的圆柱体，便于翻滚。并经淬火和低温回火，使其硬而不脆，有较高的屈服强度和耐磨性。 常用的钻粒规格和热处理后的性能见表7-1。,表7-1 常用钻粒规格与性能表,2019/7/24,现代钻探技术,118,二、钻粒钻头,1、功能将轴向压力（钻压）和水平回转力传递给钻粒，带动其在孔底翻滚。 2、材质中碳钢（45号钢）无缝钢管制成。 3、结构圆筒状： 内壁有1100的锥度，以便卡心； 壁厚911mm； 长度（新钻头）500mm; 水口宽不应大于钻头端面同长的1/4，以增加有效工作面积； 水口高150mm，以免影响钻头的强度和刚度。,图7-4 钻粒钻头,2019/7/24,现代钻探技术,119,第四节 钻粒钻进的钻进规程,一、投砂方法及投砂量 投砂方法有一次投砂法、分批投砂法、连续投砂法。比较如下：,2019/7/24,现代钻探技术,120,一、投砂方法及投砂量,投砂量存在一个最佳值，投砂量不足不仅回次钻进较短，而且容易造成孔壁缩径，甚至发生挤卡钻；投砂量过多，不利于排粉和钻粒分选，影响钻进速度和取心质量。对于不同的可钻性岩石和不同的钻头直径，一次投砂量推荐值如表7-2所示。,表7-2 一次投砂量推荐值,2019/7/24,现代钻探技术,121,二、钻压,通常钻粒钻进的钻压采用下式计算 P=p F 式中 P轴向压力，kg； p钻头单位唇面面积所需的压力，kg/cm2； F钻头唇面的实际面积，cm2。 生产中常用的钻压如表7-3所示。,表7-3 钻粒钻进钻压推荐值,2019/7/24,现代钻探技术,122,三、转速,钻头的转速大小关系到钻粒在孔底滚动的速度和破岩的效率。 转速过大导致钻粒提前破碎；钻具摆动加强，致使钻具弯曲； 转速过小钻粒滚动次数少，滚动路程短，钻速低。 在生产中转速的选择如表7-4所示。,表7-4 钻粒钻进转速推荐值,2019/7/24,现代钻探技术,123,四、泵量,钻粒钻进中，冲洗液在孔底循环，除了常规的消除岩粉和冷却钻具的作用外，更重要的起着分选、更新钻粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用。 不足岩粉大量积聚在孔底，影响钻粒滚动破岩； 过大将有用钻粒冲离孔底，落入取粉管中。 在生产工作中，常采用下式计算钻粒钻进的冲洗液量 Q=q0 D 式中 Q钻粒钻进的冲洗液量，l/min; D钻头直径，cm； q0送水系数，l/min cm。 一般使用清水冲洗时，取q0为35 l/min cm；使用泥浆冲洗时，取q0为1.53 l/min cm。,2019/7/24,现代钻探技术,124,第八章 金刚石钻进,第一节 概述 第二节 金刚石钻头破碎岩石机理 第三节 金刚石钻头和扩孔器 第四节 金刚石钻进规程,2019/7/24,现代钻探技术,125,课 时：3 本章目的：了解金刚石的物理化学性质和金刚石钻头与扩孔器的制造方法，掌握金刚石钻头的破岩机理、金刚石钻头与扩孔器的结构参数以及钻进规程。 本章难点：金刚石钻头的破岩机理及其结构参数。 教学方法：课堂讲授、现场参观。,2019/7/24,现代钻探技术,126,第一节 概 述,一、金刚石,金刚石,天然金刚石,复合片(PDC),按晶形、杂质含量、粒度分为首饰级和工业级金刚石。按品种和用途共分9个等级，地质钻探用为第9级,单晶,微粉,聚晶(PCD),人造金刚石,柱状,三角状,天然金刚石,2019/7/24,现代钻探技术,127,人造金刚石单晶,人造金刚石纳米级微粉,2019