第五讲---钻进成孔方法.ppt

1 第五讲钻进成孔方法 窦斌博士 教授2012 07 2 水文地质和水井钻的钻孔 井 方法 取芯钻进回转钻进法扩孔钻进全面钻进钢丝绳冲击钻进冲击钻进法反循环冲击钻进泵吸反循环钻进反循环钻进法气举反循环钻进射流反循环钻进空气钻进法 潜孔锤钻进法 3 第一节钢丝绳冲击钻进 一 钢丝绳冲击钻进的原理 特点及适用范围 一 钢丝绳冲击钻进的原理钢丝绳冲击钻进的基本原理是 借助于一定重量的钻头 在一定的高度内周期地冲击井底 使岩石破碎而获得进尺 在每次冲击之后 钻头在钢丝绳带动下 回转一定的角度 从而使钻孔得到规则的圆形断面 4 工作原理图 5 二 钢丝绳冲击钻的特点和应用范围1 钢丝绳冲击钻的特点 1 冲击钻进是以冲击动载荷破碎岩石的 由于岩石在动载作用下容易发生应力集中 使得破碎效果比静载作用好得多 因此 用冲击方法破碎岩石 特别是大卵砾石 漂石 裂隙硬岩等岩层 具有效率高 消耗功率低 成本低等优点 2 设备简单 移动方便 维修方便 3 钢丝绳冲击钻 只能钻进垂直井孔 故在应用上受到限制 6 2 钢丝绳冲击钻的应用范围 1 钻凿大直径水井 2 钻凿露天矿山爆破孔 3 用于钻进基础桩孔 连续墙钻孔 坝基处理孔以及其它工程孔 7 二 钢丝绳冲击钻机钢丝绳冲击钻机一般是组装在汽车或拖车上 安装和运输都很方便 我国水文地质和水井钻探 井 工作中 广泛使用的冲击钻机有CZ 20c型 CZ 22型 CZ 30型和丰收 120型 丰收 250型等 这些钻机都是由动力机 主轴 冲击机构 卷筒 桅杆和行走机构等部件组成 8 9 三 钢丝绳冲击钻具钢丝绳冲击钻具主要有 钻头 冲击钻杆 钢丝绳接头和捞砂筒 10 1 钻头 冲击钻进的钻头是直接破碎岩石的钻具 冲击钻头底部带有各种刃角的切削刀 用它将冲击力传给岩石 钻头中部称钻头体 为了减少钻头在运动中岩粉浆对它的阻力 钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽 以增大钻头的冲击力 冲击钻头的刃角 取决于所钻岩石的软硬程度 一般情况是地层越硬 刃角的角度越大 11 2 冲击钻杆 冲击钻杆是为加重钻头重量的实心钻杆 钻杆间的连接方式有两种 一是丝扣连接 另一种是法兰盘连接 钻杆的结构如图5 1 4所示 12 3 钢丝绳接头 钢丝绳接头又称绳卡 它的作用是联接钢丝绳与钻具 并使钻具在钢丝绳扭力作用下 能在钻头冲击一次后自动回转一定的角度 13 4 掏砂桶 掏砂桶又称抽筒 主要作用是捞取井内的岩粉 也可用它来钻进砂质或粘土质等软地层 掏砂桶为一圆桶 上有提梁连接钢丝绳 下有活门抽取岩粉 14 四 钢丝绳冲击钻进规程 冲击钻进规程是指在冲击钻进时 为了达到好的钻进效果 依据一定的理论基础和实践经验 对钻具及钻进工艺参数进行控制 这些人为可以控制的参数称之为冲击钻进规程 影响钻进速度v的因素主要有 钻具重力 量 冲击高度 钻具的下降加速度 冲击次数和岩粉浆密度 15 1 钻具的重力 Q 钢丝绳冲击钻进是利用钻具在井中自由下落冲击而破碎岩石 因此 钻具重力直接影响着钻进效率 钻具重力的计算公式为 N 式中 L 钻头上的有效刃长 cm q0 单位钻头刃长的钻具相对重力 N cm 16 相对重力q0值 可根据岩石的硬度来选择 软岩250 300N cm 中硬岩石350 400N cm 硬岩500 600N cm 极硬岩石650 800N cm 实际制造钻具时 除根据岩石选择钻具的重量外 还要考虑钻具上泥浆的 通槽 和整个钻具的长度 实验表明 钻具的实际断面与钻孔的实际断面之比为0 75时 钻具下降速度最佳 所以一般选择取其比值为0 6 0 8之间 17 2 冲击高度 S 和悬距冲击高度S是指钻具在冲击过程中 钻具被提离井底的高度 改变冲击机构上的曲柄与连杆连接的位置 可得到不同的冲击高度 一般冲击钻机其可变的冲击高度范围在0 6 1 1m 由于钻具是经过很长的钢丝绳与钻机联系着 压轮的上下摆动高度不等于钻具在井内的冲击高度 如何解决钢丝绳在受力后弹性伸长和不断延伸的井深问题 在实际工作中 常采用控制放绳和留悬距的办法 来提高钻进效率 18 悬距是当压轮停止到上死点时 待钢丝绳静止后 钻头距井底的距离 留悬距不仅防止因钢丝绳松弛而造成钻具抖动 进而产生钻具丝扣脱扣等事故外 还可以防止钢丝绳载荷突然增大给钻机带来的损害 悬距值的大小 根据岩石性质而定 钻进软岩时 因每次冲击切入岩石的深度较大 悬距可以少留甚至不留 硬岩因切入深度小 故应适当多留 悬距值还与井深有关 当钢丝绳越长 其弹性伸长量就越大 冲击高度仍然是根据岩石性质确定 钻进硬岩 应选择较大的冲击高度 钻进软岩则应选择较低的冲击高度 19 3 冲击次数 钢绳冲击钻进时钻机冲击机构往复一次所需时间和钻具冲击循环时间相吻合 即冲击次数和冲击高度相匹配 这样的冲击次数才是合理的冲击次数 合理的冲击次数可按下式计算 式中 n 冲击次数 次 min 1 下降角 冲击梁从下死点转到上死点曲柄回转的角度 j 钻具在井内岩粉浆中下降的加速度 m s2 S 冲击高度 m 20 适用于目前冲击钻机的冲击高度与冲击次数的配合关系 可参考表1 1 50545860 1 10 950 780 48 合理的冲击次数 次 min 钻具冲击高度 m 表1 1冲击高度与冲击次数关系表 21 4 岩粉浆密度冲击钻进时 井内岩粉浆的密度过大 将影响钻具下降的加速度 从而影响冲击破碎岩石的效果 从另一方面看 井内有一定密度的岩粉浆 却有利于悬浮岩粉 岩屑 否则岩粉 岩屑就会滞留而沉积在井底 形成一层岩粉垫 使钻头不能直接冲击新鲜岩面 破碎岩石的效果不好 对于某种岩石 有最佳的岩粉浆密度 一般是岩石的比重越大 岩粉浆的最佳密度相应越高 22 第二节回转钻进 当前 我国各有关部门在水文地质和水井钻钻孔 井 工作中 应用广泛而有效的钻进方法仍是回转钻进方法 近年来逐步试验 推广的反循环钻进 空气钻进 潜孔锤钻进等方法 都是在回转钻进的基础上发展 演变而形成的 一 回转钻进过程1 回转钻进破碎岩石回转钻进是采用回转钻机带动钻杆拄转动 钻杆拄的下面装有钻头 钻杆转动带动钻头一起转动 但要有效地破碎岩石 还必须给钻头施加一定的压力 从而使钻头能够在转动的同时切入破碎岩石 23 24 25 26 27 28 29 30 2 冲洗介质循环 钻进碎岩的同时 必须向孔内输送冲洗介质 冲排碎岩岩屑 冲洗介质循环的循环方式可分为三种方式 1 全孔正循环 来自泵的冲洗介质通过钻杆柱中心进入孔底 由钻头水口处流出 经钻杆与孔壁环状间隙上返至孔口 流入地面循环槽中 31 2 全孔反循环 冲洗介质由钻杆与孔壁环状间隙进入孔底 由钻头水口进入钻具和钻杆中上返至地表主动钻杆水龙头 经胶管返回循环系统或水源箱中 3 孔底局部反循环 在整个钻孔的大部分孔段仍是正循环 仅在孔底岩心管部分实现反循环 使冲冼液的流动方向与岩心的进入方向一致 32 二 回转钻探 井 设备 1 SPJ 300型钻机SPJ 300型钻机由动力机1 泥浆泵2 绞车3 转盘4和A字型钻塔5组成 见图3 1 9所示 33 SPJ 400型钻机 34 SPJ 400型钻机转盘 35 钻机编号所表达的意思 SPC XXX第二特征代号 C 车装 S 散装第一特征代号 转盘钻类别标志 水文标志 SPJ系列型钻机可拆性强 适用于交通不便的地区施工 钻塔可整体竖起 但整个设备笨重 钻进方法单一 36 2 SPC 300H型钻机SPC 300H型钻机全部部件组装在国产 黄河 牌汽车上 动力为汽车的发动机 钻机具有冲击机构 见图3 1 10所示 37 38 动力头式汽车钻机 39 40 三 取芯钻进 水文地质普查孔 勘探孔 长期观测孔 探采结合孔以及基岩中的供水井常采用取芯钻进 取芯钻进除了能满足水文地质要求 获取岩芯外 钻孔内还可以进行物探测井 这样可以进行对比 准确划定含水层的位置 这对于提高勘探质量和减少施工的盲目性都有意义 取芯钻进常用的钻头直径在110 190mm 超过 200mm直径的钻孔 称大直径钻孔 41 一 软地层取芯钻进软地层主要为粘土类地层 砂类地层 泥岩和无矽化的灰岩等地层 这些地层对钻进易造成缩径 糊钻 埋钻 塌坍或孔径扩大等 因此 在钻进措施和钻具选择上应适合地层的特点 1 钻头适于软地层的钻头 主要是合金钻头 当前采用的硬质合金取芯钻头 一般为肋骨钻头 42 1 螺旋肋骨钻头 在钻头体外焊上肋骨片 肋骨片呈螺旋形 根据钻头直径不同 焊接3 6片肋骨 这种钻头不易糊钻 适用于粘土 泥岩类的地层 43 44 45 2 阶梯肋骨钻头 这种钻头是在钻头体外垂直焊接肋骨片 肋骨片的底面比钻头底面高10mm 可焊成两级阶梯 每级差10mm 这种分级破碎岩石的钻头 适用于做双管钻进的外管钻头 用于钻进砂类 含砂粘土及页岩地层 46 三阶梯肋骨钻头 47 二阶梯肋骨钻头 48 3 内外肋骨钻头 在钻头内外都焊接肋骨片 以减少冲洗液的阻力 钻头的糊钻与蹩泵 这种钻头在松散地层除减轻糊钻外 还有防止岩芯滑落的作用 49 50 2 取芯钻具的选取及其连接方式 软地层取芯钻具的选取 取决于地层的松散程度和取芯的难易程度 当地层联结力较强或容易取芯 选用普通钻具 其连接方式参考图5 1 11a 随着地层松散程度的增加 岩芯管可以选双层或三层 其上可以接弹子接头或喷反钻具 以提高岩芯的采取率和岩芯的质量 如图5 1 11b所示 51 取粉管接头 52 岩心管 53 绳索取芯钻杆 54 钻杆 55 取芯钻具之间的连接 在直径较小或扭力不大时 一般采用丝扣连接 当直径较大或扭力较大时 为防止钻进期间钻具的跳动和脱扣 采用丝扣加焊接或完全焊接方式联接 56 3 软地层取芯钻进的技术参数回转取芯钻进中为了优质 高效 安全地钻进成孔 必须对钻进中的回转速度 给钻头施加的轴向压力以及用于冲洗液循环的水泵的泵量进行控制 粘土类地层硬度小粘性大 切削具易于压入切削 并有冲洗液的溶蚀 分解泥屑 排离孔底 当进尺快时 如果泵量不足常出现蹩泵 糊钻等 因此钻进时多采用大泵量 高转速勤活动钻具的操作方法 软岩取芯钻进规程参数可查阅 岩心钻探手册 57 二 基岩硬地层取芯钻进 水文地质水井钻探经常钻遇的硬岩层有基岩的破碎带 溶隙石灰岩和河床上的大漂石 大卵石等地层 这类地层用带切削具的钻头进行钻进 切削具很易被崩落 难取芯 效率低且易产生孔斜 当前 我国钻进这类地层 多采用钢粒钻进 只有当地层比较完整时才采用密集式的硬合金钻进 近年来也试验了取芯牙轮钻进 潜孔锤钻进 58 1 大直径钢粒钻头和钢粒 制造大直径钢粒钻头所用的材料有 厚壁无缝钢管 铸钢管 钢板卷焊管 岩芯管或套管等 其结构如图5 1 13 钢粒 优质高碳钢丝切制而成 直径3 5 4mm 长度4mm以上的圆柱体 单粒抗压强度为14000 17000N 粒 59 60 2 钢粒钻进的基本过程 往孔内投入一定量的 自由 的钢粒 落入孔底后 下入钢粒钻头 钻头压在这些钢粒上 钻进时 钻头向下施加一定的轴向力 再作回转运动 同时 冲洗液由钻头内间隙流经孔底转向 再由钻头外间隙上返流出 61 62 孔底的钢粒受着钢粒自重 钻头压力 回转的离心力及冲洗液的冲刷力等的作用 钢粒分布在钻头底部及钻头内 外环状间隙中 外环的钢粒多于内环的钢粒 底部的钢粒在钻头回转力的带动下 在孔底行走 翻转 对孔度岩石进行碾压破碎 随着底部钢粒的磨损 部分细小的钢粒被冲于外环间隙中 粗大完整的钢粒落于底部顺着钻头水口的斜边进入钻头唇面下 参与破碎孔底岩石 63 3 大直径钢粒钻进技术参数 1 钻头压力P 根据钻头单位底唇面积压力计算 式中 P 钻头总压力 kN q 钻头单位面积上的压力 kN cm2 参考表5 1 10所给的值 F 钻头底唇面积 cm2 D 钻头外径 cm d 钻头内径 cm K 水口占唇面的比例 64 400 八 硬度 HRC 50 300 350 七 抗压强度 14000 17000N 颗 250 300 六 直径 3 5 4 0 200 250 五 钢粒性能 单位压力kN cm 岩石级别 表5 1 10钢粒钻进钻压表 65 2 转速v 大直径钻头的转速 常用圆周线速来度量 在一定条件下 转速愈大 钢粒在孔底滚动次数愈多 运动的轨迹长 破碎岩石机会多 钻进效率也相应提高 但是提高钻头转速时也应考虑岩石性质 孔深 钻头直径及钢粒在孔底碎岩状态等 大直径钢粒钻进转速的选择 一般多在圆周线速度1 2m s范围内选择 岩石硬选低值 岩石软时可选高值 当使用转盘钻机时 转速范围的下限可降至0 7m s左右 66 3 泵量Q 大直径钢粒钻进冲洗液在孔底的循环 不仅用以冷却钻头和排除岩粉 而且还起着分选钢粒促使其在钻头下合理布砂等作用 因此 泵量大小对钻进效率影响很大 实际工作中常用以下经验公式计算泵量 L min 式中 Q 冲洗液量 L min D 钻头直径 cm K 经验系数 取4 6L min cm 67 实际选用泵量时 可参考表5 1 12中的数据 表5 1 12钢粒钻进冲洗液量表 68 4 投砂方法和投砂量大直径钢粒钻进一般采用一次投砂法 只有当钻遇严重破碎或孔内严重漏砂时 才采用结合投砂法 投砂量可参考表5 1 13所列数据 69 表5 1 13回次投砂量参考表 注 表内系数K 为钻头平方厘米环状面积的投砂量 回次投砂量 Q K F 70 四 扩孔钻进 为了获取分层的水文地质资料 或是探采结合钻孔或因设备能力不适一次成井时 采用先用小直径取芯钻进后再加大孔径 扩孔钻进 扩孔 可以扩一次 也可以多次扩孔成井 71 1 扩孔钻头根据所钻进的地层 扩孔钻头有以下几种 1 螺旋翼片式扩孔钻头此型钻头 是在常规口径或大口径管体上焊六片顺钻头回转方向成螺旋形的翼片 此种钻头用于钻粘土 粘土夹砾石和砂质粘土 粘砂等地层 图5 1 15A所示 72 73 2 直焊翼片扩孔钻头此型钻头 按翼片数量 可分为四翼 六翼两种 其特点是钻头成阶梯或锥形 扩孔时在孔底以锥形或阶梯形克取岩石 扩孔阻力小 钻头强度大 适用于粘土 粘土类砾石等地层 图5 1 15B 74 3 多级翼片式扩孔钻头此型钻头 基本属于直焊翼片式 相当于把三片翼片扩大为9 15片 分3 5组逐级焊在常规口径管或89mm直径的钻杆上 其特点是逐级克取破碎岩石 减少扩孔阻力 适用于粘土 砂或粘砂等地层 图5 1 5C 75 多级翼片式扩孔钻头 76 77 2 扩孔钻具及其连接 扩孔钻具结构应具备的特点 1 要有足够的连接强度 由于扩孔阻力大 粗径钻具及其连接要牢固可靠 常用厚壁管材做钻具 长丝扣 强焊接或法兰盘连接 2 增加导正装置 使钻具回转平稳 防止钻孔弯曲 同时 对孔壁进行修正 在扩孔钻头翼片上和离钻头5 6m左右的岩芯管或钻杆上 各焊一个小于钻头直径4 10mm的导正圈 78 3 带有小径导向钻具大直径扩孔是在原小径钻孔基础上进行 扩孔时不能脱离原孔 因此在扩孔钻头底部都装有比原小孔直径小一级的钻具 长度0 5m左右 做为大直径钻具的导向 79 3 扩孔钻进的规程参数 粘土类地层扩孔的规程为中等压力 中转速和大泵量 其参考数值 钻头总压力 P 5 10kN转速 v 0 5 1 5m s泵量 Q 400L min 井径越大 Q值越高 砂类地层扩孔钻进规程是 轻压 慢转 大泵量 其具体参数为 钻头总压力 P 3 8kN转速 v 0 4 1 1m s泵量 Q 400L min 随井径的增加而增大 80 五 全面钻进 水文地质与水井钻的全面钻进 即不取芯钻进一次成井 其适用条件是在地质情况清楚 不需要取芯或某些层段不需取芯的水井 探采结合孔或水文勘探钻孔 在某些大卵砾石层 漂石层用取芯钻进确有困难时 也可以采用全面钻进 81 82 一 全面钻进钻头 1 翼片式钻头适用于水文地质孔和水井钻的全面钻进翼片式钻头有 鱼尾钻头 三翼钻头和四翼钻头等 83 1 鱼尾钻头 鱼尾钻头是用40 45钢板制成 或用翼片焊在粗径管上 或焊在接头料上 2 三翼钻头 三翼钻头是将三个翼片焊接在贯眼接头料上 三个翼呈120 均匀分布 三翼钻头钻进时 具有工作面多 井壁规整 钻具工作稳定 井孔直等优点 三翼钻头适用于粘土类 砂类 砾石层中钻进 84 3 四翼钻头四翼钻头也具备工作稳定 井孔规整等优点 但刀翼过多 与孔 井 底接触面大 因而扭矩要增多 钻头单位面积钻压下降 因此在钻进效果上不如三翼钻头好 四翼钻头可用在夹有大卵石地层中钻进 85 2 牙轮钻头 牙轮钻头钻进适用范围广 从软地层到硬基岩均可钻进 牙轮钻头是高效钻头 这在石油钻井实践中已充分被证实 三牙轮钻头是当前使用最广泛的牙轮钻头 86 87 88 三牙轮钻头结构 三牙轮钻头是由钻头体 牙轮掌 轴承 牙轮 水眼和储油密封系统等部分组成 89 90 91 六翼牙轮钻头 92 组合牙轮钻头 93 94 95 单牙轮钻头 96 二 全面钻进的技术参数 相对于取芯钻进 全面钻进由于钻头在孔底切削破碎岩石的面积大 产生的岩屑较多 其钻进时一般采用较大的钻压与泵量 但必须兼顾设备的能力与管材的强度 大直径全面钻进的技术参数可参考表3 1 6选用 97 表3 1 6大直径全面钻进的钻进技术参数表 98 第二节反循环钻进 凡是冲洗介质循环方式与传统的正循环方式相反的钻进方法 皆可称反循环钻进 反循环钻进的冲洗液 自供水池 兼做沉淀池 流向井口 从井内环状间隙到达井底 然后挟带岩屑经钻杆中空返回井上供水池 经沉淀澄清后重新流入井内 反循环钻进法的工作原理示意图见5 1 18 99 反循环钻进的循环介质 可以是清水 空气或泥浆 当地层不稳定时 泥浆的性能也需要进行处理 以防井壁坍塌 为了防止在钻进过程中井下突然漏失 沉淀池和供水池的容量至少等于钻进施工期间所需排除岩粉体积总量的三倍 一 反循环钻进的优点 1 冲洗液上返速度高 携粉能力强 避免了重复破碎 钻进效率高 2 井孔内可保持较高水位 环空流速平稳 有利于井壁稳定 100 101 102 反循环潜孔锤钻进现场 103 反循环潜孔锤钻进现场 104 正循环潜孔锤钻进现场 105 106 二 反循环钻进的分类及其工作原理反循环钻进 按形成反循环液流的动力和方式 可分为三种类型 泵吸反循环气举反循环射流反循环泵压反循环 107 108 一 泵吸反循环 1 泵吸反循环的工作原理泵吸反循环是利用砂石泵 离心泵的一种类型 的抽吸作用 在钻杆内形成负压 在大气压力的作用下 循环液从地表泥浆池流入井口 经环状间隙流向井底 与井底破碎的岩粉混合一起 被吸入钻杆内腔 上升至地面 经排出管 砂石泵进入沉淀池 沉淀后的循环液 继续进入井内 形成反循环钻进 109 沙石泵 110 2 泵吸反循环的适用范围 泵吸反循环钻进适于在地下水位高 地层渗漏量较小的地区工作 由于循环的动力为砂石泵的真空度 用以克服流体上升时的各种阻力 因此 泵吸反循环钻进深度受到限制 国内试验 在井深45m以内钻进效率较高随着井深的增加 泵的排量逐渐减少 钻进效率随之下降 当井深超过70m以后 虽然也能工作 但效率显著降低 因此 有些资料上认为泵吸反循环的合理深度为70m 111 112 二 射流反循环 1 射流反循环的工作原理射流反循环又称喷射反循环 其工作原理是利用高速流体 气体或液体 经喷嘴射入循环管路 造成负压 利用这种负压产生抽吸作用 使管路液流形成反循环 如图7 3所示 113 114 2 射流泵的安装形式与特点射流反循环管路中射流泵布置形式有三种 一种是把射流泵潜入孔内 放置在钻头上部 如图5 1 24a所示 一种是将射流泵放在地表 如图5 1 24b所示 另一种是把射流泵装在水龙头的下方 如图5 1 24c所示 115 116 从图中三种不同安装位置来看 b c管路简单 射流泵不运动 但它是利用射流泵真空度来驱动循环的 因此