【岩土工程】勘探工程基础理论.pdf

!“# 勘探工程基础理论 建国初期，我国在勘探工程的科研、教学和生产中以引进国外勘探工程技术理 论为主。经过几十年的科研和生产实践，我们现已创建和发展了学科理论。 !“$% 年在李世忠教授的指导下，我国武汉、中南、长春、成都、河北五所地 质院校首次编辑出版了较为系统的高校试用教材岩心钻探设备及设计原理 、 钻 探工艺学 ，以及武汉地质学院主编的勘探掘进学 ，阐述了勘探工程技术及其基 础理论。 中国工程院刘广志院士 !“$16 不锐化 1） 118 （#! 1） 16 16 可锐化 （胎块减半） 5;$3 由表 ! “ #$ “ # 知，283 4 钻头最适合于钻斜长花岗岩。这为合理选择钻头提供 了科学依据。由试验选择的金刚石浓度、胎体硬度皆与实践经验相符。在钻进工艺 方面以选用切入量 “ ? #!8!( 为佳。虽然单位进尺磨耗偏大一些，但钻速最高。现 在世界上最先进的程控钻机 a-(bc 13!d, 就是采用定切入量调控钻进工艺的。上 面的结果可为其提供优选钻进切入量的依据。 在以往的钻探工作中主要采用调控钻压、转速和泵量，称之为“钻进工艺三要 素” 。实验证明，钻进工艺最主要的参量是切入量。钻头切入量是调节、控制和优 化钻进工艺的主要依据。当然在钻进过程中井底岩屑的清除状况也决定着钻进工 艺。所以洗井液、泥浆性能及其水力流态也是钻进工艺的又一关键内容。 #$;5;5两点注释 “上面对冲压碎岩的牙轮钻头、切削碎岩的硬质合金钻头和磨削碎岩的孕镶金 刚石钻头 5 种典型的钻进工艺进行了量化分析。它们反映了钻进工艺的规律性。但 由于井底工况和碎岩方式不同，所以分析的着眼点不同，表明钻进工艺原理是有条 件的。但又由于钻进过程和工序基本相同，并有其相关性，又可互参互补。 #关于泥浆性能对钻速的影响，只在油气钻井中研究有式（! “ #$ “ 3）表示的 量化关系。而在小口径硬质合金或金刚石钻进中，其洗井条件和要求也不同，尚没 有明确的量化公式，但这并不是说泥浆性能对钻进工艺没有影响。实际上泥浆性能 参数对钻速影响是相当大的。例如，降低泥浆密度减小液柱对井底岩面的压力，可 以有效地提高钻速。在某些地层采用压缩空气作为洗井介质，可以实现快速钻进。 在保证护壁要求的前提下，采用低固相、低黏度、剪切稀释性能好的洗井液，有利 于提高钻速。 2#$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第四篇勘探工程技术 !“#$钻探力学 钻探力学是从力学的角度，阐述钻探设备的工作原理和设计原理的一门技术科学。 它是应用力学基础理论，也是研究、解决钻探设备的设计与使用的主要理论基础。 建国初期，我国从苏联引进了钻井力学理论，参考美国石油学会标准计算方 法，借鉴我国石油钻井力学，经过消化、吸收，结合我国钻探实际，完善了机械设 计计算方法，逐步形成了钻探力学理论。 钻探力学理论对我国地质勘探中所采用的钻探设备的特点、技术性能、结构和 设计方案进行论述和论证，对主要部件的结构原理和设计方案进行了力学和运动学 的分析。现就其中有关问题作扼要论述。 !“#$#!钻塔 钻塔的功用是起下钻具、套管柱和悬挂钻具。 !“#$#!#!钻塔的负荷计算 前苏联!#“# 沃兹德维任斯基等将钻探工作时钻塔承受的外载，按作用的方向 分为垂直载荷及水平载荷。垂直载荷主要有大钩负荷、死绳和动绳端的钢绳拉力、 钻塔及滑车系统自重以及绷绳拉力的垂直分力。水平载荷主要有作用于钻塔构件上 的风载和搁在指梁上立根柱重力的水平分力。美国石油学会（%&）将井架在各种 工作情况下承受的外载，归纳成 ( 类，即井架结构静载、大钩静载、风载、动绳和 死绳拉力、立根靠力和动力载荷。两者都给出了各种载荷的计算方法。 !“#$#!#)钻塔的内力计算和强度校核 钻塔塔架是一种空间桁架，在节点载荷作用下桁架中各杆内力主要是轴向力。 目前采用杆件结构有限单元法，即结构矩阵分析的方法求解各件的内力。有限单元 法是一种数值计算方法。其基本思想是将结构物看作为有限单元（杆件）的组合 体，将结构离散成为有限个单元，并相互连接于有限个节点上，承受节点等效载 荷，根据节点的变形谐调条件和平衡条件建立矩阵方程，从而求解节点的位移和杆 件内力。它将复杂的结构计算转化为简单的单元计算问题，最后归纳为线性方程组 求解。目前已将电子计算机用于塔架的设计计算，提高了计算速度和精度，并为优 化设计打下了初步基础。 !“#$#!#*塔架整体稳定计算与校核 一般压杆的稳定校核，通常采用两种方法，即安全系数法和许用应力法。 安全系数法的稳定条件为： +!“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岩土工程新技术实用全书 !“ “!# “! ! ! （$ % & % &(） 式中：“!#、“ 分别为压杆的临界力及压杆的工作压力； !、 ! 分别为压杆工作时的实际稳定安全系数及额定的许用安 全系数，在静载下!取 )*+ , -*+。 许用应力法的稳定条件为： !“! （$ % & % &.） 式中：!、 ! 分别为杆件横截面上的压缩应力及杆件在压缩条件下的许 用应力； “ 稳定系数，它取决于压杆的柔度。可从有关图表查出“值进行校 核。 在钻塔的力学计算中还包括塔架整体竖立、迁移计算等。 &*$*)钻机的负荷特点及起（提）升设备的强度计算 &*$*)*&转盘扭矩计算 动力机带动转盘旋转所消耗的功率，主要用于带动钻柱和钻头旋转。由于井下 条件的复杂性，转盘的负荷极不稳定，根据大量资料分析，给出转盘扭矩的近似计 算经验公式： $ “ -*%（+*$ / +*.& # %）（$ % & % &0） 式中：$ 转盘扭矩（1 2） ； % 最大井深（2） ； & 任意井深（2） 。 &*$*)*)提升设备负荷 钻机的提升设备是一个特殊的起重系统，在工作过程中提升设备的负荷在很大 范围内变化。图 $ % & % $ 示出一个钻进回次大钩负荷的变化情况。 在下钻和提钻过程中，每增、减一个立根，大钩负荷都在变化。在钻进过程 中，每增一个立根，大钩负荷也在增大。施加钻压，大钩负荷相应减小。如图 $ % & % $ 所示。 &*$*)*-最大提升、制动扭矩的计算 在起下钻运动学和力学分析中，给出了确定提升设备最大负荷和最大重力的计 算和最大制动扭矩和最大制动力的计算方法。其计算集中体现在最大提升和最大制 动扭矩的计算。 &* 最大提升扭矩 $234“ $+/ 5#6# (6（$ % & % &7） 式中：$+ 滚筒最大静力扭矩（1 2） ； & # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # # 第四篇勘探工程技术 图 ! “ #$ “ !一个钻进回次大钩负荷变化示意图 !% 所有从动件转化到滚筒轴上的折合转动惯量（& ()） ； !*滚筒轴 “ 档速度（+,-.） ； #* 滚筒轴 “ 档加速时间（(） 。 )/ 最大制动扭矩 $%012 $%34 $%5（! “ #$ “ #$） 式中：$%01 最后刹车阶段产生的最大制动扭矩； $%3 下钻时滚筒的静力扭矩； $%5 下钻惯性扭矩。 在岩心钻探中取$%52 （3/) 6 3/!）$%3。 #$/!/)/!提升设备的强度分析与计算 提升设备在工作中，受到空载到最大钻柱重力的重复载荷作用，同时还承受偶 然遇到的最大载荷作用。现代钻机的最大钩载常远大于钻柱重力，两者之比为提升 能力储备系数 &，美国钻机一般取 & 2 #/$ 6 )/7，我国标准规定为 & 2 #/8 6 )/)。 提升设备在工作中受到冲击和振动引起的附加载荷，一般不超过静载的 )3。 我国在进行提升设备的强度分析和计算时，是根据最大起重力校核静强度，再 根据最大钻柱重力计算疲劳强度，同时采用许用应力法，即按照线弹性理论保证构 件在工作中发生的最大应力不得超过许用应力。国内近年来也提出采用极限设计来 分析某些设备。 极限设计就是研究构件在负荷作用下，在全面发生屈服或达到一定屈服深度的 条件下，计算构件的极限载荷，在此基础上考虑一定的安全余量，确定构件的许用 载荷，其实质是利用金属的塑性性质，充分发挥材料的强度余量。 美国石油学会所推荐的安全系数计算确定的最大负荷额定值，虽然采取了静强 度计算方法，但在安全系数中已考虑了诸如动载、交变应力，以及应力集中等各种 3)$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岩土工程新技术实用全书 影响疲劳强度的因素在内。一般不进行疲劳强度校核，这一点已为美国多年钻井实 践所证实。 !“#$#%钻杆与套管 钻杆是钻具中最主要的，而又最容易损坏的部件。由钻杆组成钻杆柱，用以递 送扭矩和钻压，输送冲洗液和提取岩心、更换钻头及处理事故。 !“#$#%#!钻杆柱的工作条件 钻杆柱在井筒中运转是一个弹性振动系统，在钻进中承受大小和方向都在变化 的载荷，受力情况复杂。 !# 轴向力 钻杆受自重、冲洗液的浮力和钻机的给进压力等轴向力的作用。当出现卡埋事 故强力起拔时，钻杆受到较大的拉力。 &# 扭力 钻杆柱传递扭矩、克服孔壁和冲洗液的阻力，在钻杆中产生扭应力。特别当卡 取岩心或发生卡钻时，钻杆柱下部回转受阻。此时地面设备的回转功能和钻杆柱的 回转功能转变为钻杆的变形位能，使钻杆受到扭转冲击，产生很大的扭应力。 %# 弯曲应力 由于钻杆柱在回转中产生的离心力及轴向压力的联合作用，使钻杆失去稳定， 产生弯曲，在钻杆内部产生弯曲应力。当发生孔斜及定向钻进时，产生附加的弯曲 应力。当钻杆柱在弯曲的钻孔中围绕自身轴线回转时，则在钻杆内产生交变的回转 应力。这种交变应力，将引起钻杆的疲劳破坏。 $# 弹性振动 钻杆柱是一个特超长杆件的弹性振动系统，在井筒中由于自重已经失稳，在弯 曲及扭转变形经常改变的情况下，钻进时引起钻杆柱纵弯曲和跳动，产生纵向、横 向及扭转振动。 !“#$#%#&钻杆承受的应力及其计算 应用材料力学、弹性力学、断裂力学及振动力学理论，分析钻柱的受力状态， 有助于了解钻杆的断裂原因，选用新型合金管材，采用合理的钻具组合，控制钻进 工艺参数，可防止出现钻杆折断事故。通过理论研究，修正计算公式，可为改进接 箍、接头螺纹设计提供依据。 对套管也进行了专门的研究，如套管在内压力作用下的迸裂强度和在外压作用 下的挤毁强度、弯曲应力、断裂、连接与焊接强度的设计与计算等，为选用与设计 新结构、新类型和新材质的套管提供理论依据。 !&“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第四篇勘探工程技术 !“#$#$钻探工作所需功率的计算 钻进中功率消耗是设计与选择钻探设备、动力设备，以及供电设备的主要依 据。通过钻进功率的测量，可以了解到瞬时扭矩，有助于司钻判断孔内情况。根据 功率消耗特征可以估算和选择钻进参数，进行优化钻进。 对孔底功率消耗有各种计算公式，截止目前，还缺乏比较精确的计算公式。常 用的功率计算方法有： !# 钻进时所需之功率 !%& ! !( !) !$（$ * !“ * (+） 式中：!、!(、!)、!$ 分别为孔底钻探岩石、克服钻头与孔底岩石摩 擦、回转钻杆及钻机耗损的功率。 ! 、! (与岩石力学性质、钻压、钻具转速、钻头内外径、孔底运动阻力以及 每转进尺有关。有一些经验公式可以计算出近似功率。 回转钻杆所需功率 !)与钻杆长度、钻杆直径、冲洗液密度、转速、钻孔弯曲 有关，亦有相应的实验计算公式。 钻机传动耗损功率 !$与动力机转速、功率、钻具转速及油压系统压力有关， 有实验计算公式，亦可查表。 (# 提升钻具所需之功率 ! & “#, $ -%（! +!,） （$ * !“ * (!） 式中：“ 升降机超载系数，“ & !#! . !#(； #, 升降机的起重力（/） ； $- 钢绳缠绕滚筒速度（01 2） ； !, 提升设备总效率。 )# 泥浆泵所需之动力机功率 ! & “&# %（! + ! !） （$ * !“ * (） 式中：( 泵压（34） ； # 泵量（5106,） ； “ 功率储备量，“ & !#!； ! 泵的总效率，取 +#7 . +#8； ! 动力机胶带传动效率，取 +#“9。 (“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岩土工程新技术实用全书 !“#$钻探水力学 钻探水力学是应用水力学和钻井液流变学原理，研究钻孔内钻井液流动状况和 规律的学科。解决如孔壁稳定、钻孔冲洗、钻头冷却、水功率的利用、洗井泵的选 择和优化钻井技术等实际问题。 大部分钻井液为非牛顿流体，流变性能影响到在孔内的流动状态，用普通水力 学公式，不能反映钻井液在孔内的流动实况。根据流变学的研究，发展了一系列新 的水力学计算公式。 钻井液在孔内的流动包括：在钻杆柱内的流动（管内流） 、钻杆柱与孔壁之间 环状空间内的流动（环空流） 、钻头内及孔内水力器械内的流动。 !“#$#!环空水力学 研究环空内的液体流态，关系到孔壁冲蚀、岩屑输送、动压等影响钻进效率的 重要问题。 !“#$#!#!流态及冲蚀能力 液流在管内流动时，可分为层流态和紊流态两种。前者为当流速较慢时，液流 各层间彼此不相混合的流动状态（对具有结构性能的泥浆来说，可称为结构流态） ， 后者为当流速较快时，液流各层间彼此相混合的流动状态。以雷诺系数作为判别两 者的标准。!%& !( 为层流，!%! !( 为紊流。 !%)!“# $“%（* + !“ + ,） 式中：!% 雷诺系数； ! 泥浆密度（-./0 ,） ； “% 钻井液当量黏度，随剪切速率而变化（12 3） ； # 平均流速（0/ 3） ； “ 计算直径，井径与管外径之差（0） 。 钻井液对孔壁的冲蚀能力取决于流态，紊流冲蚀力强，易使钻孔超径，层流冲 蚀力弱，易使孔壁缩径。有人提出用临界孔径来度量冲蚀力。 由临界雷诺数 !%) !(，可以据式（* + !“ + ,）计算临界流速 #，决定允许 的钻井液流量；或计算出临界井径 “%，考虑钻孔是否受冲蚀。 由式（* + !“ + ,）计算出 !%的数值，可以判断环空流或管内流是层流，还是 紊流，选择压力计算公式。 ,“ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ 第四篇勘探工程技术 !“#$#!#%环空压力降 在泥浆循环过程中，孔内除作用一个持续的泥浆柱静压力以外，还附加一个环 空动压 环空压力降，这一附加压力在停止循环时消失。环空压力降的作用方向 与泥浆柱静压的方向相同。 根据改写的范宁方程，可得出压力降计算公式： ! & “ （% !# % $ %） &（ ( !“ ( %） 式中：& 某一通道直径 % 的长度（)） ； ! 某一长度 & 的压降（*+） ； “ 范宁摩擦因数，无因次； % 用于环空流时，% 为井径与钻杆外径之差，用于管流时 % 等于 钻杆内径（)） 。 此式适用于紊流，亦适用于层流。用于层流时须另计算范宁摩擦因数 “ 值。 !“#$#!#,循环压降 根据不同深度的不同孔径，不同钻具的内外径，分段计算，然后累加，分别求 出环空、管内及地面管线压降。循环压降 !-为： !-& !+. !/. !0. !1（ ( !“ ( %$） 式中：!+ 环空压降； !/ 管内压降； !0 地面管线、水龙头压降； !1 流经钻头，孔底方向变化以及岩心堵塞时的压力损失。 !“#$#!#压力激动 在钻井作业各项操作过程中，某些外力会引起井内压力变化，这种压力称为压 力激动。 起下钻具时，由于钻具的运动速度和加速度方向不同而产生压力变化。压力有 抽吸、挤压两种，常常交互作用于井壁上。开泵时也会出现附加压力，停泵的瞬间 较大压力急速降为零，都属压力激动。 !“#$#!#$岩屑输送 岩屑输送过程中，因重力而下沉，具有滑落速度。钻井液上返速度须大于滑落 速度，才能将岩屑输送至地表，因此必须研究滑落速度和岩屑尺寸、形状、钻井液 黏度、流速等的关系。对此，有一系列计算公式。 !“#$#!#2流动效应准数 为全面反映和评价环空水力学与钻井的关系，提出了三个相似准数（见第六章 第三节） 。 根据流动效应准数的合理范围数值，在流变参数确定之后，求出钻进要求的流 %“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岩土工程新技术实用全书 量（泵量） 。 !“#$#%钻头水力学 钻头水力学是研究钻头底部钻井液流动规律，如液流分布、压力降和功率利用 等的学科，指导钻头的水路设计，为合理选择泵量、泵压提供依据。 金刚石的耐磨性极高，在金刚石钻进中，当温度升高时，磨损速度呈指数增 大，如切削具上吸附岩屑，则使其热传导受到严重障碍，因此必须使钻头得到充分 的清洗和冷却，使孔底得到良好的净化，使钻头提高钻速和寿命。 !“#$#%#!钻头水马力 将岩屑冲离孔底有一定难度，深度几百米、千米以上的钻孔，孔底受到液柱强 大的压力，当与地层压力有压差时，岩屑被紧紧压在孔底，产生“压持效应” ；同 时钻井液滤失，在孔底瞬间形成泥饼，与岩屑掺混，形成“岩屑垫” ，并能黏附在 钻头上。为清除孔底的岩屑，液流必须有一定的冲击力，并具有较高的流速，即具 有一定的水力功率。为此，石油钻井开发了一项新的钻井工艺 喷射钻井，极大 地提高了钻速。 孔底水力功率以单位孔底面积的水马力表示，称为比水马力。随着喷射钻井的 发展，现在石油钻井比水马力达到很高的数值。石油钻井金刚石钻头软地层比水马 力为 %&$ ($)*+,-%（%#$ ( 马力!英寸%） ，中硬及硬地层为 !.) %&$*+,-%，金刚 石钻头水槽中流速近 “)-+ / 以上。 岩心钻探为环状取心钻进，水泵功率小，管路耐压性低，因此孔底水力功率很 小。金刚石钻进软地层为 .#$ ()*+,-%，中硬 硬地层为 %#$ .#$*+,-%，钻头水 口处流速为 0 &-+ /。 !“#$#%#%孔底液流分布 钻井液流经孔底钻头表面，一部分流经钻头水口；一部分流经钻头唇面与孔底 之间，形成漫流区。两部分必须有合理的分配。水口的大小及分布应适当使漫流区 均有液流通过；如水口尺寸太大或数量过少，则漫流区只有小部分（甚至均无）液 流通过。水口尺寸及过水面积过小，液流速度过大，压降高，易造成钻头憋水甚至 烧钻。 水口水槽形式对液流流动及分布有重要作用，石油全面金刚石钻头水槽有逼压 式、辐射式和螺旋式。岩心钻探金刚石钻头水口有直槽型、斜槽型、螺旋型和底喷 型等。 !“#$#%#(金刚石钻头水路设计 !根据水口流速设计：钻井液流量由环空水力学的要求，即根据携带岩屑和对 孔壁或岩心的冲蚀确定；而水口处流速由钻头水力学的要求确定。由流量及水口处 $%“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 第四篇勘探工程技术 流速，可求出水口总过水面积。由液流的合理分布确定水口数及每个水口的面积。 !根据孔底水马力设计：由孔底所需水马力及钻井液所需流量求出钻头压降。 由钻头压降求水口处流速，再计算总过水面积。由水口覆盖系数及分布系数求水口 数及每个水口面积。 !“#$#%#&举升力的补偿 钻头压力降作用于钻头工作面与地层之间，会产生将钻头举离孔底的趋势。当 采用的水功率较大时，这种举升力是很大的。有时需要加大钻压予以补偿，此值可 按下式计算： ! “#$（( ) ! ) %(） 式中：! 钻头被提离孔底的举升力（*） ； # 钻头压力降（+,-） ； $ 钻头投影面积（%） ； “ 面积有效系数，“ / !，它与钻头水口水槽的尺寸、数量、分布有 关，涉及液流冲洗范围和液流分布。 !“#$#0水力功率的优化利用 现代钻探的钻具系统包括多种孔底动力机，如涡轮钻、螺杆钻、液动冲击器、 喷射钻头等，它们以液力作为动力。要使这些水力器械发挥最大的效用，必须从泵 中获得最大的水力功率，使水泵的功率得到优化利用。 泵发出的水力功率消耗在两个方面：循环压降消耗的功率和水力器械消耗的功 率。 据有关学者的研究和推导，当循环压降 #1等于 !%0 水泵额定压降 #2时，水 力器械可能获得最大的水力功率 &+.-3，其值为水泵额定功率 &2的 %0。 此时水力器械的压降为水泵额定压降的 %0。 实际上水力器械所能获得的功率远低于 %0，必须采取措施提高其水力功率。 主要措施有： “尽可能降低循环压降。 据环空水力学的要求（孔壁冲蚀、动压平衡、岩屑输送）确定泵量 及钻井 液流变性能（大直径孔型以冲蚀及动压为主） ，尽可能用小泵量；降低钻井液黏度， 特别是塑性黏度。 增大钻井液润滑减阻性能，如聚合物无固相钻井液的润滑减阻性能甚至优于清 水。 按设计孔深计算出循环压降。 !水力器械的技术性能（流量、压降）要与钻孔的要求相适应。 (%“ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 岩土工程新技术实用全书 按钻进要求的泵量 !及设计孔深预计的循环压降的两倍 “选用水力器械， 即尽可能使水力器械的压降 “#$ %“。 !选用较大规格的钻井泵。 水泵额定泵量 !&与钻进要求达到的泵量 !尽可能接近，额定泵压为水力器 械压降的 #%。 应当指出，由于受诸多因素的影响，特别是井深的制约，在实践中，很难达到 “#$ %“，只能尽力而为，使水力功率得到有效利用。 ()*+压力平衡钻进理论 ()*+*(压力平衡钻进 压力平衡钻进技术起源于石油钻井，主要是平衡地层孔隙流体压力（简称地层 压力） 。勘探钻井采用平衡钻进是在 %, 世纪 -, 年代后期，主要是从孔壁稳定出发 的。西藏羊八井地热田勘探开发中，就创造性地应用了平衡钻进原理和技术，取得 显著成效。 压力平衡钻进是在钻进过程中，使钻孔环空外压力与地层压力和地层压裂压力 之间保持一定的平衡关系。使钻孔环空外压力始终等于或接近等于地层压力，而又 不超过地层压裂压力极限。这就有可能在保持孔壁稳定的前提下，获得最大的机械 钻进速度。 压力平衡钻进技术是应用冲洗液流变学和水力学原理解决钻井疑难问题的生动 体现。 压力平衡钻进的数学表达式如下： “./012 “3!“4（5 6 () 6 %7） 式中：“./01、“3、“4 分别代表地层压裂压力、环空外压力及地层压力。 ()*+*%地层压力 地层压力是指作用在岩石孔隙内流体上的压力，也叫地层孔隙压力。 在固体矿产岩心钻探中，所遇到的地层大多为低压和无压地层，地层压力可估 算如下： ()*+*%*(含水层压力 $.$!（( 6 %,# %）（5 6 () 6 %-） $.$!（( 8 & # %）（5 6 () 6 %)） 7%) “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ “ 第四篇勘探工程技术 式中：! 地层压力； ! 孔内泥浆密度； “ 水层深度； “ 孔内水位深度； # 孔口水龙头的高度。 #$%&%对无水地层 对于完整致密地层 !( “；对孔隙性、裂隙性地层（开式地层） ，多为无压层 !( “，有时出现边界封闭（闭式地层） ，可能产生次生水压。当开泵循环下钻时， 出现孔内漏失，停泵或提钻时又出现涌水，是由于循环压力降或下钻压力波动所造 成的。 #$%&%)压裂压力及压漏压力 前者是针对比较完整的地层而言的，是破坏基岩或胶结物所需要的力；后者是 针对不完整或破碎地层而言的，是破坏孔隙或裂隙充填物或克服地层压力所需之 力，后者比前者要小得多。在金刚石钻进中，目前只能根据岩性及其破坏情况做粗 略估计。 对完整致密地层，其压裂压力当量密度一般都在 )“*+,-)以上；对泥质胶结的 地层，其压漏当量密度一般都在 #. / )*+,-)以上；对非胶结的破碎带、节理或裂 隙，其压漏当量密度接近地层压力当量密度（取其 #%“0 / #%“.） 。 每单位深度增加的压裂压力值称为地层压裂（破裂）压力梯度，在石油钻井中 采用计算方法