钻探讲课稿(2011.07.09).doc

2011年大学生钻探知识讲座一、金刚石钻头认识（不同地层用不同钻头）钻头浓度岩石越坚硬致密，金刚石质量好，粒度细，浓度宜较低；唇面比压较大时可选较高的浓度，这样对提高胎体耐磨性也有好处。（钻头里面金刚石该放多少）胎体硬度为了保证孕镶金刚石能及时出刃，在钻进过程中孕镶钻头胎体的磨损应稍超前于金刚石。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃，并且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑。底面形状孕镶金刚石钻头的唇面形状比较简单，多为平底形，在孔内磨合一段时间后便自然形成圆弧形。如果坚硬、弱研磨性的岩石或钻头壁较厚，可把钻头唇面做成同心环槽、锯齿状或阶梯形（图4-25），以使比压集中并在孔底形成破岩自由面。孕镶金刚石钻头常用聚晶保径，可取得满意的钻进效果。水口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的间隙，而是水口。在唇面扇形块的下面只存在漫流（或湿润）区，用于冷却和排粉的水流主要通过水口和水槽。因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对防止烧钻有利。（钻头在底下几百转/分钟，就像你锯片锯东西一样也要散热，我们钻头如果一分钟没有水，就会烧成炭）二、金刚石钻头的原理表镶钻头表镶单粒金刚石在轴向力和回转力联合作用下，类似球体压入岩石(弹脆性岩石)产生大小剪切体，切槽宽度金刚石颗粒直径。金刚石被磨钝时，在轴向力和回转力作用下岩石中出现一些微小的裂纹，岩石的致密结构被改变。孔底某一点经多次重复加载产生破碎。孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程，因为它用的金刚石颗粒小，且埋藏于胎体之中，孕镶钻头必须在钻进规程中保持自磨出刃的性能（称为自锐），才能维持钻速恒定而不衰减。 总体来说，孕镶钻头的实际碎岩机理类似于砂轮磨削工件，即以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，并随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。如果唇面金刚石出露较好时，也不排除在磨削的同时存在着孔底的微剪切和微压碎作用。实际上，砂轮在高速磨削工作中，自身也被磨耗，由于它的自锐作用而常处于锐利状态。对孕镶金刚石钻头而言，如果胎体性能与所钻岩石不适应或没有保证足够的钻压，胎体不能超前磨耗并让丧失破岩能力的金刚石颗粒自行脱落，则无法实现自锐。在孔底过程中表现为钻头打滑，钻速迅速下降。（像福建有种地层叫翠屏山组地层，地质人员会接触，平常钻头还不好用） 表镶和孕镶钻头在孔底的工作过程都是非常复杂的。钻头被钻具紧压在孔底岩石表面，钻具的振动和弹性变形加强或减弱了加在孔底的钻压，而往复泵送出的压力流体也是脉动的，更加剧了钻具和钻头的振动。三、认识钻杆、套管、岩心管；内管等钻杆柱是连通地面钻进设备与地下破岩工具的枢纽。钻杆柱把钻压和扭矩传递给钻头，实现连续给进；钻杆柱为清洁孔底和冷却钻头提供输送冲洗介质的通道；钻杆柱还是更换钻头、提取岩心管和进行事故打捞的工作载体。同时，在绳索取心钻进中钻杆柱还是提取岩心的通道；输送高压液体或气体并承担反扭矩。四、钻孔结构是指，钻孔由开孔至终孔，孔身剖面中各孔段的深度和口径的变化情况。一般来说，钻孔换径次数越多，钻孔结构越复杂。 当钻孔在含砾石、卵石和漂砾的砂质粘土质岩土中施工时，孔壁可能坍塌，在水敏性地层中钻孔可能缩径，在流砂层中则成孔非常困难，所以在复杂地层中必须加固孔壁。如果用泥浆或专门配制的处理剂护壁无效的话，则必须用套管来隔离不稳定的孔壁。有时虽然钻孔不深，也需要下一层、二层甚至三层套管，形成多级台阶形的钻孔结构。所以开孔直径将比终孔直径大好几级。（小的时候大家在沙堆里面挖坑，往往是越深越容易塌，特别是在水中挖沙坑塌的更厉害）。为了降低生产成本，应尽量简化钻孔结构，少下或不下套管。因为每下一层套管钻孔便缩小一级口径，套管柱的上下端固定与密封、套管间的丝扣连接强度及保持钻孔方向等方面都会出现一系列技术问题。往往钻孔结构越复杂，套管层数越多，则孔内事故隐患越多。有下列情况之一者必须下套管： (1) 下孔口管，以保护孔口处岩土层不被冲坏，并将冲洗液导向循环槽，孔口管的另一个重要作用是导正钻孔方向； (2) 加固很难用泥浆护壁的不稳定地层； (3) 隔离漏水层与涌水层； (4) 当设备负荷能力不足或处理孔内异常需要缩小一级孔径，而上覆地层又有坍塌块、缩径危险时。五、厂房布置（画图）六、钻探生产过程简介根据所钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深，选择合理的规程参数，通过给进机构、调速机构和立轴向钻柱传递钻头所需的轴向压力和回转速度（在深孔条件下轴向力并不等于钻柱的质量）。在轴向力和回转力的共同作用下，钻头在孔底钻出一个环形空间，并产生了岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管。岩心充满岩心管时，应可靠地卡取岩心，并把它从岩心管的下部弄断。然后关泵，通过绞车、钢丝绳、天轮和游动滑车把钻杆柱提至地表。在钻进回次结束前，特别是在完整岩矿层中必须先将岩矿心卡断，然后再将岩心管提至地表。 卡簧（也称提断器）装于钻头体的内锥面上，回次终了时稍上提钻具，即可把岩心卡住并拉断。适用于岩心完整、直径均匀的中硬及中硬以上地层。应注意卡簧与卡簧座、卡簧与岩心之间隙必须很好配合。一般为内槽式卡簧， 七、钻井液钻井液主要功用：1、 冷却钻头，润滑钻具；2、 清洗孔底，携带岩粉；3、 形成泥皮，保护孔壁；4、 控制与平衡地层压力；5、 作为孔底发动机的动力，驱动钻头，破碎岩石；6、 提供所钻地层的有关信息。（上返的泥浆变色等）钻井之前，地壳内的岩层处在原始力学平衡和相对稳定状态。钻头钻穿岩层后改变了井壁周围岩石所承受的原始应力，使之失去了原始平衡的稳定条件而发生应力集中，在上部地层压力作用下迫使井壁岩石向井内移动，造成井壁失稳破坏而坍塌。 为了冷却钻头，清除孔底破碎下来的岩屑并把它带至地表，要用冲洗介质冲洗钻孔。一般在稳定地层中钻进时，可用技术水作为冲洗介质，而在不稳定的岩层中钻进要用泥浆，在缺水的地区还可用压缩空气或泡沫来冲洗钻孔。用泵经过吸水管23把冲洗液从泥浆池22中吸出，通过高压软管17、水龙头10和钻杆柱5压向孔底。冲洗液清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带着岩屑沿钻孔上返流出孔口，再沿沉淀槽20、沉淀池21流动，在这里清除掉岩屑后，清洁的液体流回泥浆池22。再从这里压向孔内，如此循环。无固相冲洗液是不用粘土，仅在水中加入化学处理剂而形成。它与清水相比具有较好的悬携钻屑的能力，且在井壁上形成薄的吸附膜，具有一定的护壁能力，有较好的润滑性和减阻作用。它与低固相泥浆相比，则有较轻的比重，同时粘度调整灵活，流动性好，固相含量少，可以开高转速，提高钻进效率。低固相冲洗液主要由清水、膨润土、高聚物、纯碱和润滑剂等材料组成。用于不分散低固相泥浆的高聚物主要是聚丙烯酰胺、丙烯酸盐及其衍生物，利用高分子絮凝剂，尤其是选择性絮凝作用，使一些岩屑中无用的固相颗粒絮凝成团块，使泥浆保持低固相，这种泥浆对抑制粘土质岩石（如泥岩、页岩等）的造浆和防止坍塌具有较好的效果，有利于维护孔壁稳定。但相对于无固相泥浆