钻探职业技能培训教材

汶川地震科学钻探工程 2011年 10月 8日（海口） 主题： 1、金刚石绳索取心钻进 2、空气潜孔锤钻进 海南省第一届钻探职业技能大赛培训教材 提 纲 l 1、钻探工程概述 定义、发展史、常用的几 个术语 l 2、工程质量标准 - 岩心钻探和水文地质钻探 l 3、金刚石绳索取心钻进 特点、钻具、工艺 l 4、空气潜孔锤钻井 设备机具、冲击器、工 艺 汶川地震科学钻探工程 1、钻探工程概述 l 1.1钻探工程概念 l 1.2钻探发展史 l 1.3钻探工艺 l 1.4钻探设备 l 1.5钻探工程常用的几个术语 l 1.6钻孔口径系列 汶川地震科学钻探工程 1.1钻探工程概念 l 钻探工程是指在地质勘探和建筑基础勘查中， 用钻机按一定设计角度和方向施工钻孔，通过 钻孔采取岩心（或矿心）、岩屑或在孔内下入 测试仪器，以探查地下岩层、矿体、油气和地 热等的工程，简称钻探 。钻探工程研究的对象 主要包括钻进工艺和钻探设备两方面的内容。 汶川地震科学钻探工程 1.2钻探发展史 l 1.2.1古代史：早在二千年前，就有钻凿盐井 、汲取卤水、熬剪下煮成盐以供民食的记载。 到了唐代，据记载，四川一地就有盐井六百多 口。明朝宁应星所著的 开工开物 一书中， 对钻凿盐井的技术和工艺进行了详细的描述。 当时人们采用简便易行的冲击钻进方法，并充 分利用当地生长的竹材所具有的优越性能（抗 拉强度很高）作为凿井用的强有力的蔑绳，把 竹筒制成凿井捞砂、提浆的工具和套管。 l 1.2.2近代史 中 国近代钻探史 汶川地震科学钻探工程 1.2钻探发展史 l 1.2.3钻探工程发展前景 l 我国国民经济高速发展，对矿产资源的需求 日渐增大，钻探工程作为矿产资源的勘查与 开发的重要手段，发展远景十分广阔。 l 我国钻探事业对业内的人提出更高的要求， 除了高水平的中高级的专业理论技术管理人 员，还急需大量高素质的专业钻探技术工人 。 1.3 钻探工艺 1.3.1按破碎岩石的外力作用方式可分为冲击钻进、回转 钻进、冲击回转钻进、振动钻进和喷射钻进等。 1.3.2按钻进时是否取岩心（或矿心），可分为取心钻进 和不取心钻进。 1.3.3按破碎岩石所使用的磨料，又分为硬质合金钻进、 钻粒钻进和金刚石钻进等。 汶川地震科学钻探工程 1.4钻探工程的应用 l 1.4.1服务领域： 钻探是地质勘探的一种重要技术 手段 ，广泛应用于寻找和勘 探 各种矿产、油气藏 、地下水、地热，以及为水利建设、工程建筑和交 通设施等提供地质资料。 l 1.4.2科钻的概念：利用现代深部钻探高新技术， 在具有全球地学意义的位置钻孔（ 5000m），利用 从钻孔中获取的岩心及液、气态样品分析数据以及 原位测井数据和信息，重塑超高压变质带形成与折 返机制，揭示板块边部的深部物质组成及成矿与流 体作用，建立地下长期观测实验站及地壳深布物质 研究基地。 汶川地震科学钻探工程 1.5钻探设备 l 钻探机械主要包括钻机、泥浆泵、动力机和钻 塔等。钻机是用于向地下钻孔的最重要的机械 设备。泥浆泵又称钻井泵，是向钻孔里输送泥 浆或清水等冲洗液的机械设备。钻塔又称井架 ，是架设在钻场或井场上方，配合钻机绞车进 行升降钻具的塔架。 汶川地震科学钻探工程 1.6 钻探工程常用的几个术语 l 岩心钻探 以提出的岩心来研究、了解地下地质和矿产情况 的钻探方法，称岩心钻探 l 钻孔 在地质工作中通常把钻机向地下钻凿成直径较小而具 有一定深度的孔眼称为钻孔。钻孔的最上部称孔口，最底部 称孔底。孔眼的直径称为孔径，其深度称孔深，整个孔眼称 孔身，其中一段称孔段。 l 钻孔结构 指由开孔至终孔，孔身口径的变化。 l 钻具级配 钻杆直径与钻孔直径的配合关系称钻具级配，它 反映孔壁间隙的大小，对钻进效率的影响较大。 汶川地震科学钻探工程 1.7 钻孔口径系列 l 地质岩心钻探口径系列是钻探工程最基础的规定，依照 国际通用的标准采用 R、 E、 A、 B、 N、 H、 P、 S 作为 代号，规格代号及对应的公称口径见下表。 规 格代号 R E A B N H P S 公称口径 30 38 48 60 76 96 122 150 2、岩心钻探工程质量标准 岩心钻探工程六项质量指标：岩、矿芯采取率与整 理、钻孔弯曲度、校正孔深、简易水文观测、原始报表 、封孔。 3、水文地质钻探工程质量标准 水文地质钻探工程八项质量指标：钻孔直径、岩土心 （样）采取率、孔深与孔斜、校正孔深、简易水文观 测、成井工艺、抽水试验、固井与封孔、原始报表与 技术档案。 4、金刚石绳索取心钻进 4.1 优点 4.2 缺点 4.3 应用范围 4.4 绳索取心钻具的技术要求和规格和型号 4.5 绳索取心钻技术参数的选择 4.6 取心操作 4.7 绳索取心钻进操作技术要求 4.8 绳索取心钻进冲洗液 4.9 操作注意事项 4.1 绳索取心钻进优点 钻进效率高 地质效果好 钻头寿命长 有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作 减轻劳动强度 降低钻探成本 钻杆的内径大而管壁薄，连接强度要求高。钻 头壁较厚，切削孔底岩石的面积较大，因此，钻 进时碎岩功率消耗较大。 4.2 绳索取心钻进缺点 4.3 应用范围 l 绳索取心钻进方法已广泛应用于地质勘探、水 文地质和工程勘察等多种钻进工程中。然而， 在一个具体的工程中是否采取绳索取心，还必 须考虑地层条件、钻孔深度、钻头寿命以及绳 索取心钻具配套设备较多，一次性投资较大等 因素，以便综合权衡其使用的合理性。 4.4.1天然金刚石分级标准 4.4 绳索取心钻具的技术要求和规格和型号 级别 代号 特 征 用 途 特 级 （ AAA） TT 具天然晶体或 浑圆 体，光亮， 质纯 ，无斑点及包裹体，无裂 纹 ， 颜 色不一， 十二面体含量达 35% 90%，八面体含量达 65% 10% 钻进 特硬地 层 。制造 绳 索取心 钻头 优质级 （ AA） TY 晶体 规则 完整， 较浑圆 ，十二面体达 15% 20%，八面体含量达 80% 85%， 每个晶粒 应 不少于 4 6 个良好的尖刃， 颜 色不一，无裂 纹 ，无包裹体 钻进坚 硬和硬地 层 。制 造 绳 索取心 钻头 标 准 级 （ A） TB 晶粒 较规则 完整，八面体完整晶粒达 90% 95%，每个晶粒 应 不少于 4 个良好 尖刃，由光亮透明到暗淡无光 泽 ，可略有斑点及包裹体 钻进 硬和中硬地 层 低品 级 （ C） TD 八面体完整晶粒达 30% 40%，允 许 有部分斑点及包裹体， 颜 色 为 淡黄至暗 灰色，或 经过浑圆 化 处 理的金 刚 石 钻进 中硬地 层 等外 级 TX 细 小完整晶粒，或呈 团块 状的 颗 粒 择优 后用于制造孕 镶钻 头 TS 碎片， 连 晶 砸 碎使用，无晶形 汶川地震科学钻探工程 4.4.2人造金刚石单颗粒系列 MBD6 、 MBD8、 MBD12、 SMD 、 SMD25 、 SMD30 、 SMD40 4.4 绳索取心钻具的技术要求和规格和型号 4.4.2绳索取心钻进对钻杆的要求 使用前，应检查钻杆螺纹是否有损坏现象；使用时，应定期用 丝扣油润滑钻杆螺纹。 钻杆立根应放在立根木质板上，并根据立根长度架设一至二道 支撑梁，防止钻杆弯曲变形。 钻杆与接头螺纹磨损严重、连接旷动或有明显变形的，均不得 下入孔内应及时更换。 拧卸钻杆时，应使用多触点自由钳，禁止用大锤敲击。 4.4.3钻杆的合理使用和维护 经常检查钻杆弯曲度， 每米长度弯曲大于 0.75mm 的钻杆 不许 使用。对弯曲钻杆应该用矫直机矫直，严禁用铁锤敲打。 严格检查钻杆及其接头螺纹，不得有漏水现象。 钻杆立根台应垫木板，以保护螺纹。按立根长度设置合适的立 根靠架和中间支撑，以免立根摆放时发生弯曲。 搬运钻杆时，必须在钻杆螺纹处涂丝扣油，再套上护丝。装卸 时不得任意投掷。平时钻杆放置要平整，涂油防锈。 提钻时应严格检查钻具。对磨损、出现裂纹、螺纹不合格的钻 杆和接头禁止使用。 钻杆和接头外径磨损超过 2mm不得使用； 磨损超过 1.5mm 时不得用于深孔钻进。 当内管总成下到外管总成预定位置时，能即时发出到位 信号，且内、外管之间的相对位置能够确定，能保证有 良好的通水性。 钻进过程中岩心充满内管时，能及时向地表发出堵塞信 号。 由于是双管结构，因此应保持内、外管的同心度 。 应保证打捞器顺利下入，并将内管总成安全抓提到地面 。 汶川地震科学钻探工程 4.4.4 绳索取心钻进对双管总成的要求 汶川地震科学钻探工程 l 卡簧的自由内径应比钻头内径小 0.4 0.5mm。机场应 备 2 3种尺寸的卡簧 。 l 当弹卡顶住弹卡拨叉（上接头）内台阶时，卡簧座端面 和钻头内台阶的间隙应为 2 4mm（卡簧座有水口时应 取小值）。弹卡与弹卡挡头的顶面保持一定的距离，一 般为 3 4mm 。 l 岩心管磨损超过壁厚 2mm、每米长度内弯曲超过 0.75mm、各种钻具有微小裂纹、严重凹痕、螺纹磨损 或旷动者，均应及时更换。 4.4.5 绳索取心钻进双管总成的使用 4.4.5绳索取心钻具的规格和型号 名称 钻 头 扩 孔器外 径 内岩心管 外岩心管 钻 杆 规 格 外径 内径 壁厚 外径 内径 壁厚 外径 内径 壁厚 外径 内径 壁厚 接 头 外径内径 公 称 尺 寸 46 46.5 25 10.75 47 31 27 2 45 36 4.5 43.5 34 4.75 44/33 56 56 35 10.5 56.5 41 37 2 54 45 4.5 53 44 4.5 54/43 59 59.5 36 11.75 60 43 38 2.5 58 49 4.5 55.5 46 4.75 56.5/46 75 75 49 13 75.5 56 51 2.5 73 63 5 71 61 5 71/61 91 91 62 14.5 91.5 71 65 3 88 77 5.5 87 77 5 88/78 95 95 63 16.0 96 71 65 3 89 79 5 89 76 6.5 88/78 4.5绳索取心钻技术参数的选择 l 4.5.1钻压 l 钻头压力 (简称钻压 )应根据岩石的可钻性、研磨性、完整 程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、品级和数量选择钻压 。 钻头规 格 A B N H P S 表 镶钻头 最大 压 力 8 10 12 15 17 19 正常 压 力 4 6 6 8 7 9 8 12 10 14 12 16 孕 镶钻头 最大 压 力 10 12 15 18 20 22 正常 压 力 6 8 8 10 10 12 12 15 14 18 16 20 4.5.2 转速 l 可以按金刚石钻头钻进的圆周速度 (表镶钻头 0 5 2m/s；孕镶钻头 1 5 m/s)计算转速，但需考虑钻孔深 度。 钻头规 格 A B N H P S 表 镶钻头 400 800 300 650 300 500 220 450 170 350 140 300 孕 镶钻头 600 1200 500 1000 400 800 350 700 250 500 200 400 4.5.3 泵量 钻进坚硬、颗粒细的岩层，钻速低，岩粉少，泵量可小些；钻进 软及中硬岩层，钻速高，岩粉多，泵量应大些。钻进裂隙，有轻 微漏失地层，泵量应稍大于正常情况。钻进研磨性强的岩层，泵 量可增大。 钻头规 格 A B N H P S 泵 量 25 40 30 50 40 70 60 90 90 110 100 130 4.6 金刚石绳索钻进取心操作 4.6.1投放内管 当确认外管和钻杆内已无岩心时，将内管总成由孔口投入 钻杆内，对上机上钻杆，开泵压送，应注意观察泵压变化 ，泵压明显升高或降低时，说明内管总成已到达预定位置 。遇地层严重漏失，孔内没有冲洗液或水位很深时，不准 直接投放内管总成，应采用打捞器把内管总成送入孔内； 或用机上钻杆对准孔口，泵入适量的冲洗液，然后迅速投 放内管总成。 4.6.2 打捞岩心 首先用回转器或动力头顶起钻具 50mm 70mm，缓慢回转 钻柱，扭断岩心，再提起并卸掉机上钻杆后，下放打捞器 。打捞器在冲洗液中以 1.5m/s 2m/s 的速度下降，当将要 到达内管总成上端时，应适当减慢下降速度， 1000m 孔深 范围内，可以听到轻微的撞击声，然后开动绳索取心绞车 ，缓慢提升钢丝绳，确认内管总成已提动后可正常提升。 提升过程中，若冲洗液由钻杆溢出，说明打捞成功，否则 重复试捞，严禁猛冲硬蹾，反复捞取无效应提钻处理。 4.6.3 复杂地层取心钻具 主要介绍唐山金石 JSC型绳索取心三层管钻具 4.7.1 下钻 4.7.2 钻进过程中应注意的事项 （ 1）一个钻进回次宜由一人操作 （ 2） 倒杆一般要停车，深孔减压钻进时，倒杆前应先用升降机 将孔内钻具拉紧（不得提离孔底） （ 3） 岩层变化时，应调整钻进技术参数。在非均质岩层中钻进 ，应控制机械钻速。 （ 4） 应有专人观察冲洗液压力表、管理冲洗液、定时检测冲洗 液质量，孔内岩粉超过 0.3m 时，要采取措施。 （ 5）从孔口钻杆中放入打捞器。打捞器在冲洗液中下降速度约为 1 5 2m/s。由此，可根据孔深估算打捞器到达孔底的时间。 4.7 绳索取心钻进操作技术要求 l 4.8.1冲洗液的选择 在地层条件许可的情况下，应尽量采用清 水加润滑剂或低固相细分散泥浆作为冲洗液 。 48 绳索取心钻进冲洗液 结垢原因 通常认为是泥浆中固相含量大，地表泥浆净化质量差以及钻杆柱转速高 ，产生的离心力大，致使粘土颗粒粘附在钻杆内壁上，形成泥皮。 防治措施 a) 在不降低钻速的条件下，尽量降低钻具转速； b) 应采用固相控制措施，以清除占 90%左右大于 20m 粒度的固相颗粒 ； c) 结垢已经影响打捞时，在提钻前半小时采用稀释原浆循环，冲刷泥垢 ，增大流动通径；或者先提出上部结垢严重的钻杆再下打捞器； d) 使用防止结垢的专用冲洗液 4.8.2 绳索取心钻进钻杆内壁结垢原因 及防 治措施 l 4.8.3.1 循环系统 l 泥浆池和沉淀池的容量要根据机场环境来确定，通常不 低于设计钻孔总容量的 3 5 倍。一般 10m3 15m3， 条件困难时可用容量 1m3 2m3 铁板箱代替。循环槽 长度一般应 10m 15m以上，内宽 220mm 250mm， 坡度 1/100 1/80，每隔两米可交错安置一个挡板；池 槽应做防渗处理，周边用砖石和混凝土加固。 l 4.8.3.2 配浆装备 l 每台钻机应配泥浆搅拌机和一个 0.2m3 0.3m3 处理剂 容器。 4.8.3 现场冲洗液的配制 4.8.3 现场冲洗液的配制 4.8.3.4 配浆步骤 a）准确了解处理剂性能、配比范围和参考用量； b）根据钻孔设计任务书确定冲洗液性能指标和配方； c）按配方计算配浆材料用量，并严格计量加入； d）操作顺序。先加水；用钙膨润土配浆时，应将土粉重量 5% 8%的纯碱先加到搅拌机内，再加钙土粉搅拌均匀，静置 24 h 钠化后加入处理剂；钠膨润土配浆，可直接加到搅拌机 中，按水、土、处理剂的顺序加入，充分搅拌后直接使用； 若需加入几种处理剂，应按照先加分子量小的无机化学材料 ，再加有机高分子化学材料。 e）用检测仪器测定新浆性能，合格后方可使用。 4.9 金刚石钻进操作注意事项 l 合理确定内管长度。 l 准确掌握开始扫孔钻进的时间 。 l 岩心堵塞应立即提钻。 l 应合理控制起下钻速度，以减小钻具在升降过程中所 引起的激动，在复杂地层中钻进时更应放慢起下钻速度。 l 当孔底发生烧钻时，应先将钻具提离孔底，然后用打 捞器提升内管总成，再提外管总成并进行检查。 5 空气潜孔锤钻井 l 5.1 概念 l 5.2 空气潜孔锤钻进机具 l 5.3空气潜孔锤的基本结构和类型 l 5.4空气潜孔锤钻进技术参数 l 5.5钻进技术措施 5.1 概念 l 空气潜孔锤钻进是利用回转钻机产生的扭距和 调节轴向压力、利用压缩空气推动安置在钻头 或岩心管上的冲击器产生脉动冲击，利用冲击 器排出的气体冲洗钻孔的三结合钻进方法。 5.2 空气潜孔锤钻进机具 l 5.2.1 钻机 l 地质勘查反循环连续取心（样） NQ1500m l 水文水井钻进选择用钻机 SPJ300 型钻机 地质勘查反循环连续取心（样）钻机 水文水井钻进钻机 SPJ300 型钻机 型号型号 SPJ-300 钻 机形式 散装 钻 孔深度 (m) 300 钻 孔直径 (mm) 450 转盘 扭矩 (kn.m) 8 转盘转 速 (正反 )(r/min) 44,77,139 通孔直径 (mm) 500 主卷 扬 提升能力 (kn) 30 副卷 扬 提升能力 (kn) 20 主 动钻 杆 108 L=8000 圆钻 杆 89 L=6500 钻 塔 负 荷 (kn) 180 钻 塔高度 (m) 13 钻 机功率 (kw) 372 泥 浆泵 型号 BW850 主机重量 (t) 8.7 5.2.2 空压机 l 国产：开山牌 l 进口：美国寿力 l 合资：英格索兰 开山牌空气压缩机 体积比（） 水文水井钻进常用英格索兰空压机型号性能 型号 VHP750 MHP825 HP900 XP950 P1060 RHP750 SHP825 排气量 (m3/min) 21.2 23.3 25.5 27.1 30 21.2 23.3 排气 压 力 (bar) 13.8 12.1 10.3 8.6 7 20.7 17.2 运 输 重量 (kg) 4800 4800 4800 4800 4800 5200 5200 长 (mm) 4210 4210 4210 4210 4210 4210 4210 宽 (mm) 2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000 高 (mm) 2200 2200 2200 2200 2200 2200 2200 额 定功率 (kw) 224 224 224 224 224 250 250 额 定 转 速 (rpm) 1800 1800 1800 1800 1800 1800 1800 发动 机 制造商 卡特彼勒 型号 3306ATAAC 5.3空气潜孔锤的基本结构和类型 l 空气潜孔锤是以压缩空气为功力的一种风动冲 击工具。它所产生的冲击功和冲击频率可以直 接传给钻头，然后再通过钻机和钻杆的回转驱 动，形成对岩石的脉动破碎能力，同时利用冲 击器排出的压缩空气，对钻头进行冷却和将破 碎后的岩石颗粒排出体外，从而实现了孔底冲 击回转钻进的目的。 5.3.1冲击器的类型 l 按冲击器的配气方式和结构特点，可以分为有 阀和无阀两种类型 l 按冲击器的额定工作压力，可以分为低风压冲 击器和中高风压冲击器 l 按冲击的钻进口径可分为小口径冲击器和大口 径冲击器 l 按潜孔锤锤的中心通孔形成分为普通潜孔锤和 贯通式潜孔锤 5.3.2空气潜孔锤工作原理 l 通过不断改变进排气方向，就可实现活塞在气 缸内的不断往复运动，从而也能不断反复冲击 钻头，这就是气功冲击器工作的最简单原理和 过程 。 5.4空气潜孔锤钻进技术参数 l 空气潜孔锤钻进技术不同于普通的切削与研磨 原理。它是将压缩机产生的压缩空气的能量通 过空气潜孔锤这个能量转换装置，对需要破碎 的岩石产生高频的冲击能量，当这个能量（冲 击功）达到岩石的临界破碎功时，便产生体积 破碎，同时工作后的气体在一定的风速条件下 将岩石颗粒排出孔外以实现钻进的目的。 5.4.1空气潜孔锤钻进技术参数 - 钻压 l 钻压的主要作用是为保证钻头齿能与岩石紧密 接触，克服冲击器及钻具的反弹力，以便有效 地传递来自冲击器的冲击功。 l 对于潜孔锤全面钻进，一般认为单位直径的压 力值在 30 90kg/cm2 。 5.4.2空气潜孔锤钻进技术参数 -转速 l 转速的高低主要和冲击器的冲击频率，规格大 小以及钻岩的物理机械性质有关。 l 通过对各种地层及潜孔锤钻进的不同钻进试验 应用，认为钻速选择在 20 50转 /分是比较合 理的 。 l 于硬岩层选用低转速，对于软岩层选用较高转 速。 5.4.3空气潜孔锤钻进技术参数 -空气压力 l 空气压力除满足潜孔锤工作压力外，还应克服管道压 力损失，孔内压力降、潜孔锤压降外，尚须在有水情 况下克服水柱压力，才能正常工作 。 P=LQ2 Pm P锤 P水 式中： P -空气压力 Mpa Q2-每米干孔的压力降（一般为 0.0015Mpa/m） Pm-管道压力损失（ Pm=0.1 0.3Mpa） P锤 -潜孔锤压力降 Mpa P水 -钻孔内水柱压力 5.4.4空气潜孔锤钻进技术参数 -空气量 l 空气钻进中空气清耗量是根据气动潜孔冲击器的性能 参数（耗气量）及为清除孔内岩屑的最低上返速度而 确定。 l 全面钻进时 V=15 20m/s l Q=47.1k1k2(D2 d2)V l 例： D=180mm d=89mm V=20m/s k1=1.05 k2=1.1 则 Q=47.11.051.1（ 0.182 0.0892） 15=20m3 5.4.5 国标 GB/T13344 92