钻探工艺学课件.ppt

勘探钻进原理Explorationdrillingprincipals 主讲 段隆臣博士LecturedbyDr longchenDuan 绪论 Preface 一 钻探工艺学 课程的内容 地位和任务二 钻进技术的用途三 钻进方法的分类四 学习本课程应注意的问题 一 勘探钻进原理 课程的内容 地位Contentsandstatusof ExplorationDrillingPrinciples 1 内容岩石的物理力学性质与碎岩机理钻头与钻进工艺钻探质量 钻孔弯曲 取芯等 2 地位2 1从专业课的课时分配上说明2 2从与其它专业课的关系上进行说明2 3从专业历史沿革进行说明 二 钻进技术的用途Applicationfieldsofdrillingtechnology 找矿 地质普查 地质勘察 水文地质钻探 工程地质钻探 油气钻探 地热钻探 海洋钻探 极地钻探 科学钻探 开采矿产资源工程施工 桥墩 大坝防渗注浆 铺设管道钻孔 通风孔等 三 钻进方法的分类Classificationofdrillingmethod 按钻头所用切削材料分类 金刚石钻进 硬质合金钻进 钢粒钻进按碎岩方式分类 回转钻进 冲击钻进 冲击回转钻进 回转冲击钻进 按冲洗液循环方式钻进 正循环钻进 反循环钻进 孔底局部反循环钻进按钻进目的分类 地质钻进 石油钻进 水井钻进 工程施工钻进 四 学习本课程应注意的问题Problemsnotedinlearningthesubject 1 理论联系实际 课本描述性语言多 注意总结 结合实践 上升理论 2 理论 实践并重 3 注重实验课 4 注重工程实例 第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism 第一节 岩石的物理力学性质第二节 岩石可钻性及其分级第三节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节 静载作用下的岩石应力状态第五节 外载作用下岩石的破碎过程 第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism 第一节 岩石的物理力学性质第二节 岩石可钻性及其分级第三节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节 静载作用下的岩石应力状态第五节 外载作用下岩石的破碎过程 第一节岩石的物理力学性质Physical mechanicalpropertiesofrocks 一 岩石的组成与分类岩石是矿物颗粒的集合体 按成因分 岩浆岩 沉积岩和变质岩 岩浆岩 内力地质作用的产物 系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成 沉积岩 在地表条件下母岩风化剥蚀的产物 经搬迁 沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石 组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类 变质岩 沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石 原岩成分和变质岩特有的 如石墨 滑石 蛇纹石 硅灰岩等 二 岩石的结构与构造岩石的微观组织特征 即岩石的结构 它与矿物粒度的大小 形状和表面特征有关 反映了岩石非均质性和孔隙性 岩石构造是表示岩石宏观组织特征 它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况 它决定了岩石的各向异性和裂隙性 岩石的结构和构造与岩石的成因类型 形成条件及存在环境有紧密的联系 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石 由于生成环境和冷却速度不同 岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等 形成不同的结构和构造 岩浆岩 晶质结构岩石一般强度较高 同时断面粗糙者往往研磨性较大 沉积岩 颗粒和胶结物组成 沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理 与钻进有关 变质岩 主要构造特征是片理 如石墨和滑石 岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化 图1 1晶体结构类型 图1 3层理产生的原因 图1 2胶结物的类型 岩石照片 花岗石 花岗石 花岗岩 白云岩 第二节岩石的自然性质Naturalpropertiesofrocks 岩石的自然性质 岩石在生成过程中 构造变动和风化过程中自然形成的特性 密度 单位体积岩石的质量 容重 单位体积岩石的重量 比重 单位体积岩石骨架体积的重量 岩石体积 固相骨架体积 岩石中孔隙体积 一般来说 密度越高 强度越大 孔隙度 岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 一般来说 孔隙度越大 强度越低 含水性 W GW GD GD透水性 KW ql A Pi Po 岩石的孔隙越大 裂隙越多 水对它的影响就越小 如石灰岩 用水浸透后 强度下降明显 第三节岩石的力学性质Mechanicalpropertiesofrocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性 主要有变形特性 强度特性和表面特性 变形特性 弹性 塑性和脆性强度特性 抗压强度 抗拉强度 抗剪强度和抗弯强度表面特性 硬度和研磨性 1 3 1 变形特性 deformationproperties 弹性变形塑性变形 岩石破坏的形式Brokenformofrocks 脆性破坏 塑脆性破坏 弹性变形不明显 塑性破坏 影响岩石弹性 塑性和脆性的因素 Factsaffectingrockselasticityandplasticity 1 岩石物质成分2 岩石结构构造3 应力状态4 载荷性质5 受力条件6 温度和湿度 岩石弹塑性的测定Measureofrock selasticityandplasticity Kp SOABC SODE 1 3 2 强度性质 Strengthproperties 岩石强度 岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏 破坏前岩石所能承受的最大载荷 单位面积上的最大载荷 根据受力条件不同 岩石强度又可分为抗拉强度 抗弯强度 抗剪强度 抗压强度 有单向应力状态下的强度 多向应力状态下的强度 图1 1 14岩石单轴抗压试验1 岩样 2 球座 3 钢垫板 图1 1 15岩石单轴拉伸试验1 岩样 2 夹头 图中尺寸单位 cm 图1 1 16圆盘劈裂试验 图1 1 17剪切试验1 岩样 2 上下剪切模具 3 模套 4 斜锲块 5 上下垫板 6 钢滚子 t 2p 3 14DL 影响岩石强度的因素 Factorsaffectingrocksstrength 1 岩石的物质成份2 岩石的结构构造3 岩石的容重和孔隙度4 受力条件5 应力状态6 载荷速度7 岩样的线性尺寸8 湿度和温度 1 3 3 表面特性 Surfaceproperties 岩石的硬度 岩石表面对工具压入的反抗特性 岩石硬度与抗压强度有一定联系 又有很大区别 岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力 岩石抗压入硬度为单向抗压强度的 1 2 倍 测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎 而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的 岩石的研磨性 在用机械方法破碎岩石的过程中 钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦 钻头破碎岩石的同时 其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝 岩石磨损钻头的能力 影响岩石硬度的因素 Factorsaffectingrockshardness 岩石的矿物成分和结构构造应力状态载荷速度液体介质工具形状和尺寸 影响岩石研磨性的因素 Factorsaffectingrocksabrasiveness 岩石的矿物成分和结构特征正压力滑动速度介质 第四节岩石可钻性及其分级 Drillabilityofrocksanditsclassification 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素 它反映了钻进时岩石破碎的难易程度 它是合理选择钻进方法 钻头结构及钻进规程参数的依据 同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础 岩石可钻性是个多变量的函数 它不仅受控于岩石的性质 而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系 1 4 1岩石可钻性分级的观点 Viewpointsonclassificationofrockdrillability 用岩石力学性质评价岩石的可钻性用实钻速度评价岩石的可钻性用微钻速度评价岩石的可钻性用碎岩比功评价岩石的可钻性 1 4 2划分岩石可钻性的具体方法 Methodsforclassificationofrockdrillability 力学性质指标法实际钻进速度法模拟钻进速度法破碎比功法 第五节钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式 Mainmodeofactionbetweenrock brokentoolandrock 第六节静载作用下的岩石应力状态 Stressconditionsofrockunderstaticload 一 平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态 图1 1 34平底圆柱压头压力面上的压力分布 图1 1 36球形压头压力面上的压力分布 图1 1 37平底压头压入时沿对称轴的应力分布 三 轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态 在回转钻进中 破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上 弹性力学研究表明 只有轴向力单独作用于压头时 弹性半无限体内等应力线分布是均匀的 对称的 如图2 15 而轴向力和切向力共同作用时 等应力线分布则是非均匀的 不对称的 如图2 16 在接触面上 切向力作用的前方将产生压应力 而切应力作用的后方则产生拉应力 在半无线体内 如图2 16 b 所示 形成正应力区 拉应力区 和过渡区 由此可以推知 在兩向载荷作用下 碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点 1 轴向力和切向力共同作用时 可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力 岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定 轴向力和切向力之间存在最优比值 或者说有最优的作用力方向 这一方向对于不同的岩石可能是不同的 所以钻进不同岩石时 轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系 2 轴向力与切向力共同作用时 碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态 压缩区 随轴向力增加而扩大 随切向力的增加而缩小 拉伸区 则与上述情况相反 过渡区内既有正应力的作用 又有拉应力的作用 3 当岩石中出现拉应力时 在其他条件相同的情况下 岩石将在作用力比较小的时 在拉应力区开始破碎 第七节外载作用下岩石的破碎过程 Failureprocessofrockunderexteriorload 一 岩石的变形破碎方式 图1 1 45破碎功与破碎产物粉碎度的关系1 根据黎金格尔定律 2 根据基尔切夫定律 图1 1 46转速与载荷的关系曲线 二 平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程 三 尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理 图2 21液体压差下的碎岩机理 图2 20尖楔状切削具碎岩机理 第二章 回转钻进用钻头Drillingbitsusedintherotary tabledrilling 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节 硬质合金钻头第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节 金刚石钻头和扩孔器第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节 全面钻头 第二章回转钻进用钻头Drillingbitsusedintherotary tabledrilling 第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节硬质合金钻头第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节金刚石钻头和扩孔器第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节全面钻头 第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failureprocessofdownholerockdrilledbycarbide insertbit 一 钻探用硬质合金 hardmetalfordrilling 通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金 碳化钨为骨架材料 钴为粘结材料 硬质合金钻进一般适用于软 中硬岩层钻进 硬质合金切削具主要有薄片状 方柱状 八角柱状和针状等形状 薄片状 1 5级软岩 方柱状 八角柱状 4 7级中硬岩石 其中八角柱状 较硬岩层和裂隙发育 针状 自磨式钻头 在硬地层或研磨性岩石中使用 表4 1YG类硬质合金的性能表 注 硬质合金中的附加字母 x 表示细粒合金 c 表示粗粒合金 二 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 Failureprocessofdownholerockdrilledbycarbide insertbit 回转钻进的机械钻速vm 60nmh1影响切入深度h1的主要因素有 轴向力大小 岩石的性质及岩屑被清除的速度 切削具的性质 几何形状及排布方式 钻头的转速与切削具的磨钝程度 1 塑性岩石的孔底破碎过程2 脆性岩石的孔底破碎过程3 切入与切削同时作用下的碎岩过程 式中 Py 一个切削具上的轴向压力 S0 切削具与岩石的接触面积 岩石的临界抗压入强度 相当于在该条件下岩石的硬度 Py S0是切削具切入岩石的必要条件 否则 切削具在井底不能切入岩石 碎岩过程只能是切削具对岩石的表面磨蚀 碎岩效果很差 因此 在硬质合金钻进中 必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力 在塑性岩石中 切削具切入岩石的情况如图1 3 1所示 一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下 切入岩石的深度为 由于切削具后斜面的作用 使切削具的刀尖O并非垂直切入岩石 而是沿着与垂直线成 角的线方向切入岩石 因此 在切入的过程中 在前面OB上产生的正压力及摩擦力 等于摩擦 一 塑性岩石的碎岩情况 岩石切入岩石底过程 钻头上切削具切入岩石的必要条件是 切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于 和最小等于 岩石的抗压强度 压入硬度 即 1 3 1 f 系数同理 在后斜面OA上产生正压力及摩擦力 各作用力平衡关系如下 式中 b 切削具的宽度 n OA面上的法线压强 垂直于AB的压强 它等于岩石的抗压入强度 压入硬度 将式 1 3 5 代入式 1 3 4 中 则有 因此 切入深度h0为 若设 则有 式中 v 由切削具刃尖角 和切削具与岩石的摩擦角 所决定的一个系数 在一般情况下 v 0 88 0 97 根据切削具切入岩石的条件知 图1 3 2塑性岩石中的回转切削Py 轴向压力 Px 水平力 h0 切入深度 b 切削槽宽 切削具宽度 图1 3 5脆性岩石的回转切削过程Py 轴向压力 Px 回转水平压力 刃角h0 切入深度 abc 大剪切体 a b c 第二次大剪切体 B1 大剪切时岩面槽宽 图1 3 4单面锲形切削具切入脆性岩石Py 轴向压力 h0 切入深度 kok 崩落岩穴 当钻头的直径较大时 很小 即cos 1 sin 0 则式 1 3 10 1 3 11 写成 图1 3 7切入切削同时作用的井底碎岩情况Py 给进力 Px 切削力 R 岩石底抗压入阻力 Q 刃前阻力 N T R的分力 f 摩擦系数 切削角 切削具前面与岩石破碎面底夹角 井底切削面倾角 三 硬质合金切削具的磨损 Wearoftungstencarbidecutter 1 关于切削具磨损和转速问题的研究费得洛夫等人用鱼尾钻头对硬质合金切削具的磨损问题进行了大量研究 得出如图4 5中的磨损曲线 该曲线反映了切削具单位时间磨损量W与切削具刃端面积上比压 的关系 横坐标的分界点表示岩石的压入硬度 在其前后属于两种不同性质的磨损 1 曲线 当 0时 切削具未能有效地吃入岩石 钻进处于表面破碎状态 此时切削具单位时间的磨损量W正比于切削具上的比压 2 曲线 当 0时 岩石呈体积破碎 随着切削具上的比压 增大 单位时间的磨损量W不但未增加 反而出现下降的趋势 即在体积破碎的条件下 切削具的磨损主要不取决于轴向压力 而取决于岩石的硬度 切削具的材质及切削具的磨钝面积 费得洛夫提出 在一定条件下切削具磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关 S t S0 t式中 S0 切削具的初始面积 mm2 t 磨损时间 min 取决于岩石性质的磨损系数 mm2 min 硬质合金钻进的机械转速随着切削具接触面积的增大而下降 其机械转速vm与切削刃磨钝面积的平凡成反比 4 5 式中 A 系数 当岩性 钻进规程及钻头一定时它为常量 设钻进的初始参数为v0 A so2 4 5 式可写成 4 6 式中 k0 S0 k0 转速下降的特征系数 钻头在t时间内的总进尺为 将 4 6 代入 则有 因此 平均转速为 通过变换可写成 4 7 4 7 式表明 平均转速可写成以进尺H为自变量的一元线性方程 其中 v0是在纵坐标上的截距 k0为直线的斜率 进尺H是在钻进过程中容易准确测得的参数 我们可以用一元线性回归分析的方法 在若干观察值的基础上求出k0值 从而利用 4 7 式莱预测切削具磨损对转速的影响 2 切削具在孔底磨损的实际情况前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损 实际上在钻进过程中 钻头硬质合金切削具出刃的内 外侧磨损量是不均匀的 图4 6 即 y外 y内 y t外 t内 y切削具底端也不是想象底那样被磨损成平面 而是呈圆弧形 刃前端和后缘磨损更加厉害 图4 7 3 减轻切削具磨损底措施虽然切削具的磨损是不可避免的 但我们应设法把它控制在最低限度内 可采取的主要措施是 1 避免切削具在表面破碎状态下工作 尤其是在高转速 低钻压的条件下钻进研磨性岩石时 切削具磨损更快 2 切削具的磨损速度取决于切削具的硬度与所钻岩石的硬度之比 岩石的研磨性 裂隙性等性质 还取决于切削具在钻头唇面的布置 应根据岩性选用合适的硬质合金牌号和型号 采用合理的钻头唇面结构 图4 5不同比压下切削具的磨损情况 表面碎岩 体积碎岩 图4 7切削具刃端磨损的理想情况 a 与实际情况 b 图4 6切削刃的实际磨损情况y 切削刃磨损高度 r R 环槽内外径t 刃端磨损高度 t内 t外 刃端内 外侧磨损宽度 b 环槽宽度 y内 y外 切削刃内外侧磨损高度 第二节硬质合金钻头 Carbide insertbit 分为取芯钻头和不取芯钻头取芯式硬质合金钻头的结构要素钻头体 切削具出刃 切削具镶焊角度 切削具在钻头体上的布置方式 切削具在钻头体上的数目 钻头的水口与水槽 钻头体 Bitblank 图1 3 15硬质合金钻头 切削具出刃 Protrudingedgeofcutter 图1 3 16硬质合金钻头底出刃示意图b 环槽宽度 r 环槽内半径 图1 3 17硬质合金切削具底出刃和补强H 切削具底出刃 h0 切入深度 h1 钻头底面过水间 切削具的镶焊角度Welding solderingangleofcutter 选择原则 对所钻岩切入和回转阻力小 镶焊形式有利于保证钻头体上的切削具有较大的抗弯和抗磨损能力 有利于及时排除岩粉 磨损后的切削具应保持一定的切削能力 比较三种镶焊方式的排粉条件 受力情况 锋利情况 切削具在钻头体上的布置方式Layoutofcuttersonthecrownofbitblank 布置时应考虑以下 能保证钻头工作平稳 多环 不同底出刃的排列 有利于形成多个破岩自由面 提高效率 使每个切削具破岩工作量相近 避免局部磨损 切削具之间应保持一定的距离 利于排粉 利于镶焊和修磨 图4 11切削具在钻头体上底布置 1 单环排列 b 双环排列 c 多环排列 切削具在钻头体上的数目 Numbersofcutteronthecrownofbitblank 切削具在钻头底面上的数目 应包括切削具的组数和每组的颗数 组数和每组颗数之乘积就是切削具在钻头体上的数目 机械钻速与切削具组数的关系 v hqn q 切削具的组数 钻头上的切削具数目的选择应根据可能施加的钻压 切削的型式 决定切入面积 和岩石压入硬度等因素而定 m P s 钻头的水口与水槽 Waterwaysofbit 1 水口的数目与面积每组切削具配备一个水口 水口面积应大于钻头与岩芯之间的或者钻头与井壁之间的环状间隙的面积 2 水口的形状3 水槽 图1 3 28硬质合金钻头的各种水口和水槽 一取芯式硬质合金钻头 Carbide insertbitsforcoring 分为磨锐式钻头与自磨式钻头 图1 3 29磨锐式切削具和自磨式切削具 图1 3 30磨锐式钻头和自磨式钻头的钻进曲线 磨锐式钻头 自磨式钻头 典型钻头结构举例 磨锐式钻头 在钻进遇水膨胀 粘结性的地层 肋骨钻头和薄片钻头 在钻进中硬及较硬地层 分环式 掏槽式自磨式钻头 针状硬质合金钻头 胎块式 钢柱式 和薄片硬质合金钻头 分环式钻头 掏槽式钻头 胎块式针状硬质合金钻头 常用硬质合金钻头选型 表4 3常用硬质合金钻头及其使用范围表 第三节钻探用金刚石及孔底碎岩过程Diamondfordrillinganddownholefailureprocess 一 钻探用金刚石 diamondfordrilling 1 分类 Classification 天然 Naturaldiamond 与人造 Syntheticdiamond 人造金刚石包括单晶 Monocrystallinediamond 聚晶 Polycrystallinediamond 和复合片Polycrystallinediamondcompact Explainthembriefly 2 特性 晶体结构为正四面体 元素为C 最硬 抗压强度最大 抗磨能力最强 脆性大 热稳定性差 3 与钻探有关的物理力学性质 Mechanicalpropertiesfordiamondpertainingtodrilling 硬度 Hardness 强度 Strength 耐磨性 Wearresistance 热性能 Thermalproperties 4 钻探用金刚石的粒度与品级 Qualityandsizeofdiamondfordrilling 金刚石的计量单位为克拉 carat 度量常用一克拉多少粒表示 对于粗颗粒而言 或 目 表示 表4 4天然金刚石品级分类表 表4 5人造金刚石品级分类表 表4 6人造金刚石聚晶品级分类表 第四节金刚石钻头与扩孔器 Diamondbitandreamershell 1 金刚石钻头的规格和标准 Specificationsandstandardofdiamondbit 注意 级配 图1 4 10双层岩心管金刚石取心钻具组合1 岩心管接头 2 外管 3 内管 4 扩孔器 5 卡簧 6 卡簧座 7 钻头 图1 4 11金刚石钻具级配 图1 4 12金刚石钻头 a 表镶金刚石钻头 b 孕镶金刚石钻头 c 复合片钻头 图1 4 13金刚石钻头的结构 a 表镶钻头 b 孕镶钻头 1 金刚石 2 胎体 3 钻头体 4 水口 图1 4 14金刚石钻头刃部 a 表镶钻头 1 底刃金刚石 2 保径金刚石 3 侧刃金刚石 4 胎体 5 钻头体 b 孕镶钻头 1 金刚石 2 工作部分胎体 3 非工作部分胎体 4 钻头体 h 孕镶层高度 Surface setdiamondbitImpregnateddiamondbitPolycrystallinediamondcompactbit PDCbit 2 表镶金刚石钻头 Surface setdiamondbit Varioussizeofdiamondusedinsurface setdiamondbit Othersofsurface setdiamondbit 1 Layoutofdiamondonthecrownofthesurface setbit 2 Crownconfigurationofsurface setdiamondbit 3 Waterwaysofsurface setdiamondbit 4 Manufacturemethodofsurface setdiamondbit 3 孕镶金刚石钻头 Impregnateddiamondbit DiamondqualityanddiamondsizeDiamondconcentrationClassificationofmatrixpropertiesofimpregnateddiamondbitandtherelationshipbetweenmatrixpropertiesandrockpropertiesCrownconfigurationofimpregnateddiamondbitManufacturingmethodofimpregnateddiamondbit Variousmeshsizeofdiamondusedinimpregnateddiamondbit Recommendeddiamondconcentrationsofimpregnatedbitfordifferentrocks Classificationofmatrixpropertiesandtherelationshipbetweenthemandrockproperties a matrixwearsproperly diamondexposenormally b matrixwearsfast diamondeasilybreakordropoff c matrixwearsslowly diamondsdonotexpose Hardness oneofmatrixproperties 二 金刚石钻进的孔底碎岩过程 Failureprocessofdownholerocksdrilledbydiamondbit 1 表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程 试验装置如下图 试验岩石如下表 表镶 金刚石切削碎岩的基本过程在轴向力和切向力共同作用下 金刚石一方面吃入岩石 产生类似压入碎岩的作用 同时在金刚石转动的前方 则以剪切作用产生贝壳状剪切体 且在靠金刚石一方的厚度最大 图1 4 31表示金刚石切削破碎岩石时所产生的大 小剪切体示意图 用金刚石切削典型的脆性体 光学玻璃时 其剪切破碎作用发育得十分完全 同时在切槽内部产生相应的裂纹 并有超前裂纹 由图可知 其裂纹状况与大 小剪切相互对应 随着岩石塑性系数的增大 其剪切破碎效果较差 在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度 又表示着选用的工具和工艺的优劣程度 由图1 4 35知 切削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细斑岩 孕镶金刚石钻头的钻进过程孕镶钻头的工作实质是 1 依靠小而多的硬质点 即金刚石 刻划磨削岩石 要高转速工作才能取得应用的效率 2 胎体应有自磨自锐作用 根据施加轴向力方式的不同 钻头的钻进可分为 1 保持金刚石上的轴向力为一定值 称为自由给进 2 保持金刚石的切削深度为一定值 称为强制给进 孕镶金刚石钻头的钻进是自磨自锐性质 在保持正常钻进的状态下 其钻速应当是一定的 亦即钻头每转的切入量应当是一定的 试验研究和生产实践表明 钻头每转的切入量是评定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一 第五节钢粒钻进及孔底碎岩过程 Chilled steelshotdrilling 用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒 并带动他们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进 钢粒钻进曾广泛用于7 12级的岩石 一般用于大口径钻进 一 钢粒及钢粒钻进用钻具1 钢粒的材质 60号 70号 直径2 5 3 5 4mm圆柱体 高度与直径基本相等 钢粒中含有较高的碳量 主要是为了能有较高的淬火硬度 锰和硅起固溶强化作用 以提高钢粒的强度 硅元素还能增加钢粒的回火稳定性 少量的钒能有效地细化晶粒 强化基体组织 提高钢的强度和硬度 2 70号钢材的钢粒热处理工艺 采用钢粒的钢材成分 如表1 5 1所示 淬火质量的好坏 可用肉眼鉴别 淬火质量好的钢粒 表面呈棕黑色或黑色 加热温度偏低 淬火程度不够 呈蓝色光泽 加热温度太高或加热时间过长 呈白色或银白色 3 钢粒的粒度一般情况下 钢粒直径与钻头壁厚的关系 t 3 4 d式中t 钻头壁厚 mm d 钢粒直径 mm 在测试的条件和范围内 钢粒粒度增大 钻速 功耗增大 钻粒消耗 钻头磨耗减少 钢粒直径过大 内 外环间隙增大 无用功亦会增大 二 钢粒钻头 Chilled steelshotbit 1 钢粒钻头的功用和结构1 应能很好地压住钻粒 并能带动钻粒沿孔底滚动 2 应能顺利地流通冲洗液 排除岩粉 3 应能适量并及时地向钻头底唇下面补充钻粒 保证钻进正常 4 钻头应耐磨 并应在磨耗中保持良好的导砂性能和补砂性能 2 钢粒钻头的材质及性能一般来说 所钻岩石越硬 钢粒强度应愈大 钻压应愈高 则所选用的钻头硬度也应相应地增大一些 在单位钻压为30 50kg cm2的条件下 钻头硬度HRC24 32 材质 45号钢或DZ40或多或50钢 经调质处理 3 钢粒钻头壁厚 略 14 16mm 4 钢粒钻头的水口 图1 5 10钢粒钻头水口示意图 三 钢粒钻进的孔底碎岩过程1 压碎碎岩压碎碎岩方式属于体积式碎岩 比例不大 2 压裂碎岩压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式 3 井底脉动冲击的作用 第三章回转钻进工艺Drillingtechniquesintherotary tabledrilling 第一节 钻进效果指标及钻进规程参数间的关系第二节 硬质合金钻进工艺第三节 金刚石钻进工艺第四节 钢粒钻进工艺第五节 牙轮钻进工艺第六节 全面钻头钻进工艺 第一节钻进效果指标及钻进规程参数间的关系Relationshipbetweendrillingindexesandparametersofdrillingregime 一 钻进效果指标 drillingindexes 衡量钻进工艺效果的主要指标 钻速 每米钻孔成本岩矿芯采取率和钻孔方向等 1 平均机械钻速 meanpenetrationrate 2 回次钻速 drillingspeedperrun 3 技术钻速 technicalspeedofdrilling 4 经济钻速 commercialspeedofdrilling 5 循环钻速 cyclespeedofdrilling 二 钻进规程所谓钻进规程是指为提高钻进效率 降低成本 保证质量所采取的技术措施 通常指可由操作者人为改变的参数组合 在回转钻进中主要的钻进参数 钻压 钻具转速 冲洗介质的品质 单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数 1 最优规程 optimaldrillingconditions 当地质 技术条件和钻进方法确定时 在保证钻孔质量指标的前提下 为获取最高钻进速度或最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配 2 合理规程 rationaldrillingconditions 在给定的技术装备条件下 当钻进规程参数的选择受到期某种制约时 在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程 3 专用规程 specialdrillingconditions 为完成特种取芯 矫正孔斜 进行定向钻进等任务所采用的参数搭配 确定钻进规程的一般步骤 根据地层条件 钻头类型 设备条件和工人的技术水平等因素 查阅相关手册或标准 对每个工艺参数初选一个取值范围 其次 在以往经验的基础上 初步确定规程参数的若干个取值 最后 在生产实践中边钻进 边测算钻速和钻进成本 加以分析对比或借助计算机进行处理 找出钻效高 成本低的参数组合 三 钻进过程中各参数间的基本关系1 钻压对钻速的影响2 转速对钻速的影响3 切削具的磨损对钻速的影响4 水力因素对钻速的影响5 冲洗液性能对钻速的影响5 1冲洗液密度对钻速的影响5 2冲洗液粘度对钻速的影响5 3冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响 Relationshipcurvebetweenbitweightandmeanpenetrationrate Relationshipcurvebetweenbitspeedandmeanpenetrationrate 3 切削具的磨损对钻速的影响在钻进过程中随着切削具的磨钝 切削具与岩石的接触面积逐渐增大 若此时钻压值保持不变 则钻速必然下降 这与钻头唇面比压下降有关 4 水力因素对钻速的影响表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素 一定的钻速条件下 意味着单位时间内钻出的岩屑总量一定 而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全清除 低于这个水功率值 孔底净化就不完善 则钻速降低 对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层时 为了保持钻头一定的自锐能力 孔底须保持一定的岩粉量 水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用 5 冲洗液性能对钻速的影响 Effectofpropertiesofdrillingfluidonpenetrationrate 冲洗液的密度 粘度 失水量和固相含量及其分散性都对钻速有不同程度的影响 5 1冲洗液密度对钻速的影响 Effectofdensityofdrillingfluidonpenetrationrate 5 2冲洗液粘度对钻速的影响 Effectofviscosityofdrillingfluidonpenetrationrate 5 3冲洗液固相含量信其分散性对钻速的影响 Effectofvolumeofsolidphaseanditsdispersalindrillingfluidonpenetrationrate 第二节硬质合金钻进工艺 Drillingtechniquesofcarbide insertbits 磨锐式钻头的钻进工艺 Drillingtechniquesofself sharpeningbit 钻压的选择 表5 1YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值 转速的选择 V h0 n mn V h0mn 表5 2硬质合金线速度的推荐表 P n Q参数间的合理配合 软岩石研磨性小 易切入 应重视及时排粉 延长钻头寿命 故应取高转速 低钻压 大泵量的参数配合 对研磨性较强的中硬及部分硬岩石 为保持较高的钻速并防止切削具早其磨钝 应取大钻压 较低的转速 中等泵量的参数组合 确定最优回次钻程时间的方法 第三节金刚石钻进工艺Diamonddrillingtechniques 合理选择金刚石钻头 Tochoosediamondbitproperly 金刚石钻进规程参数 Diamonddrillingregime 金刚石钻进的临界规程 Criticalconditionofdrilling 合理选择金刚石钻头选用不当存在的问题 选用的一般原则 孕镶钻头 坚硬 致密 弱研磨性 优质金刚石 较低的金刚石浓度 均匀性差 完整度差 破碎地层 金刚石浓度高 胎体硬度大 表镶钻头 硬度较低 完整岩层 PCD或PDC钻头 中硬及中硬以下岩石 从钻头唇面形状 岩石坚硬 致密 研磨性小者 应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面 钻裂隙的 软硬互层 研磨性的岩层 应用内外径补强 耐磨性好的半圆唇面 当钻进倾角大 易斜的岩层 应选用阶梯形或锥形唇面 以便钻头起导正作用 金刚石钻进规程参数评定金刚石钻进规程的主要依据 钻速 钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标 钻压 不同钻压下转速与钻速的关系 表镶金刚石钻头的钻压PP Gp kgordN 式中G 钻头上的金刚石粒数 p 单位金刚石上允许的压力 Kg 粒 对细粒金刚石 p约1 1 5Kg 粒 对中粒 p约1 1 5Kg 粒 对粗粒金刚石 p约2 3Kg 粒 特优级金刚石 p约5Kg 粒 孕镶金刚石钻头的钻压P Sp kgordN 式中 S 钻头实际的工作唇面面积 cm2 p 单位底唇面积允许的压力 Kg cm2 对中硬岩石 推荐 p约40 50Kg cm2 对坚硬岩石或金刚石质量高者p约60 70Kg cm2 不同金刚石钻头的比压 具体确定钻压时 应分别对待 1 岩石性质 2 钻头类型 3 金刚石 4 克取岩石的面积 5 施加钻压的阶段性 磨合和正常钻进 6 有关孔内压力的传递问题 钻孔深度 冲洗液 转速对钻压的影响 转速转速 影响金刚石钻进的另一个重要因素 在一定条件下 转速越快 钻速越高 转速与金刚石的磨损关系比较复杂 若其它条件正常 二者之间存在一个合理值 即在某一转速下 金刚石磨损量为最小 转速过大或过小 金刚石的磨损量都较小 通常以圆周线速度来规定钻头的转速 孕镶金刚石钻头的周速应达到1 5 3m s 表镶钻头所用的金刚石粒度较大 在钻进中允许有较大的切入量 所以 要求的转速可比孕镶钻头低些 由于出刃量大 在回转中容易折断或损伤 不宜高转速 线速度一般为1 2m s 选择合理的转速还应考虑以下 1 岩层的性质 在中硬完整的岩层中钻进 可采用高转速 如果岩层破碎 裂隙发育 软硬不均 孔壁不稳 不均 宜采用低转速 2 钻孔的结构和深度 钻孔结构简单 环空间隙小 孔深不大 宜采用高转速 反之 应降低转速 3 机械设备 钻杆柱及钻具的能力 冲洗液量冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数 一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q Q 6sv L min 6是由单位换算所产生的系数 式中 v不小于0 3 0 5m s s 钻孔的环空面积 cm2 由于表镶 孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小 冲洗液的流动阴力很大 所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的 另外 泵压是反映孔底工况的敏感参数之一 防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作 试验表明 当转速为800r min 钻头唇面压力为10Mpa时 钻头每转一圈 胎体温度升高1 73 所以钻进中若冲洗液停止循环1 2min 便可能造成烧钻的恶性事故 金刚石钻进存在正常规程和临界规程 在正常规程中 钻头胎体温度正常 功率消耗平稳 同时钻头磨损轻微 而在临界规程下 钻头胎体温升急剧上升 功率消耗剧增 钻头磨损严重 甚至出现烧钻 1 胎体温度与钻压和转速的关系2 功率消耗 机械钻速与钻进规程的关系3 胎体温度与冲洗液的关系4 钻头磨损与钻进规程的关系 金刚石钻进的临界规程 金刚石 200 400微米 钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系 钻进功率消耗 kw 与轴向压力和转速的关系 用该钻头钻进花岗岩时 其最高钻速不得超过临界值37mm min 否则将出现胎体温度剧增的严重后果 冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响 钻头磨损与钻进规程的关系 第三节钢粒钻进工艺Chilled steelshotdrillingtechniques 钢粒钻进规程包括 投砂方法及投砂量 钻压 轴向压力 转速和冲洗液量 泵量 等方面 一 投砂方法及投砂量1 一次投砂法 一次投砂法就是在钻进开始前 把一个回次所需的钢粒一次投入孔底 孔壁完整时 则从孔口直接投入 孔壁破裂时 则当钻杆下到接近孔底时 从钻杆中投入 从投