第四讲-钻探设备与工艺.ppt

第二章钻探设备与工艺2 1钻探方法的选择2 2钻探设备2 3钻探工艺 2020 4 1 现代钻探技术 2 一 钻探工程的定义钻探工程是用一定的工具 在地壳内按着一定的工艺破碎岩土体并取岩土试样的整个过程 这项工程的结果即地壳内的钻孔 2 1钻探方法的选择 2020 4 1 现代钻探技术 3 二 钻探工程的发展简史 1 中国古代盐井钻凿技术发展时期 第一阶段 大口径浅井时期 从公元前255年至公元1040年 自秦至宋初 李冰任蜀郡太守后 率领人民兴修都江堰工程的过程中 发现了多处盐泉 通过认真考察 初步掌握了水文地质条件 并创造性地运用大口径水井开凿方法 成为了开凿我国第一口盐井的开拓者 第二阶段 小口径深井发明与推广时期 公元1041 1048年 北宋庆历年间 第三阶段 小口径深井钻凿工艺的完善和提高时期 明清 2020 4 1 现代钻探技术 4 2 近代与现代钻探发展过程 钻探工程用途越来越广 钻探工程量逐年上升 局部时期徘徊或下降 钻探设备种类越来越多 功能更多 性能更佳 钻头等钻具品种种类越来越全 性能越来越优 钻进方法越来越多 越来越先进 中国与发达国家在钻探领域的技术差距较大 2020 4 1 现代钻探技术 5 三 钻探施工过程 1 钻孔的概念钻孔是从地表 或坑道中 向岩石中开凿的圆形断面的空间 一般具有较小的直径和较大的深度 直径在25 500mm之间 称为钻孔 钻孔的深度从数厘米到数千米 目前的钻孔深度已超过10000m 钻孔包括孔口 孔底 孔壁 2020 4 1 现代钻探技术 6 三 钻探施工过程 2 钻探施工的主要工序钻进现场布置图见图2 1所示 钻进按下列工序进行 用升降机把钻具下入孔内 连接好所有接头 开泵 给钻具加压 并带动其回转 破碎岩石 提钻取心或更换钻具 下钻继续钻进 钻进一段时间后及时测斜 提出全套钻具 停钻 封孔 2020 4 1 现代钻探技术 7 图2 1钻探现场布置全貌图1 钻头 2 岩心 3 岩心管 4 异径接头 5 钻杆柱 6 固定空口管 7 钻机 8 回转器 9 卡盘 10 提引水龙头 11 游动滑车 12 游动钢绳 13 天车 14 钻塔 15 钻机房 16 升降机 17 高压胶管 18 泵 19 电动机 20 循环槽 21 沉淀池 22 泥浆池 23 吸水管 24 拉力表 25 出水管 2020 4 1 现代钻探技术 8 四 钻探工程的应用范围和分类 一 应用范围1 地质勘探 普查找矿钻探 矿产勘探钻探 水文地质钻探 工程地质钻探 2 开采矿产资源钻探 打水井 石油 天然气 钻探 盐井钻探 3 煤矿井下钻探 地质勘探钻探 瓦斯抽放钻探 排放水钻探 锚杆锚索钻探 救援钻探 4 工业钻探 加固建筑物的基桩孔 建大桥的大直径 桥墩施工用空间 钻孔 以测量地面沉降精确变比资料的标孔 加固水坝 防漏水的防渗漏墙 利用钻孔灌注水泥防治地质灾害 地面锚索 杆孔 铺设管道 电缆的技术孔 矿山的竖井 通风井及多种辅助井 代替开挖隧道打大断面的地下坑道 用于军事 如导弹的发射井 2020 4 1 现代钻探技术 9 二 钻探方法的分类1 根据钻进时取心的特点分类 岩心钻探和不取心 无岩心 无心 全面 钻探 2 根据钻孔用途分类 按钻探的应用范围分出相应类型 3 根据钻孔中心线的倾角和方位角分类 垂直孔 上 下垂 下斜孔 上仰孔 水平孔 4 根据钻孔位置的分类 地表钻探 水上 河 湖 海 钻探 地下坑道钻探 2020 4 1 现代钻探技术 10 四 钻探工程的应用范围和分类 二 钻探方法的分类5 根据钻孔布置方法分类 丛状钻探 图2 2 多井筒钻探 图2 3 多孔底钻探 图2 4 图2 2丛状布孔 图2 3多井筒布孔 图2 4多孔底布孔 2020 4 1 现代钻探技术 11 四 钻探工程的应用范围和分类 二 钻探方法的分类6 根据破岩形式分类 1 物理方法破岩 高温 1400 3500 高压 200 250MP 破岩 用超声波和低声波破岩 用爆破 高压水射流等方法破岩 2 化学方法破岩 此法使用较少 如溶解 软化岩石等 3 机械方法破岩 使用最为广泛 其分类如图2 5所示 2020 4 1 现代钻探技术 12 图2 5机械破碎岩石的钻探方法分类 2020 4 1 现代钻探技术 13 二 钻探方法的分类7 根据钻进使用的冲洗液分类清水钻进 乳化液钻进 泥浆钻进 含加重泥浆 饱和盐溶液钻进 钻盐井 以防溶解岩心和孔壁 空气钻进 泡沫钻进 雾化钻进 充气泥浆钻进 降低泥浆比重 以防漏失 2020 4 1 现代钻探技术 14 二 钻探方法的分类8 根据冲洗液循环方式分类钻孔冲洗液的循环方式示意图如图2 6所示 冲洗液正循环钻进 冲洗液反循环钻进 全孔反循环钻进 孔底局部反循环钻进 图2 6钻孔冲洗液的循环方式a 全孔正循环 b 全孔反循环 c 孔底局部反循环 1 来自泵 2 往冲洗液沉淀系统 2 2钻探设备 2 2 1钻机 2 2 2泥浆泵 2 2 4钻塔及其附属设备 2 2 3动力机 2 2 5其它设备 2020 4 1 现代钻探技术 16 2 2 1钻机 一 钻探工艺对钻机功能的基本要求1 提供使钻杆柱及碎岩钻具 钻头 破岩所需的回转动力 2 提供钻具克入岩石的压力 并能调节 3 具有起下钻具的能力 二 钻机的类型用于岩心钻探的钻机分为 机械式钻机 包括立轴式钻机和转盘钻机 全液压钻机 当然还有旋挖钻机 车装钻机 履带式钻机 2020 4 1 现代钻探技术 17 XY 4型立轴式岩心钻机 GPS 15型转盘式钻机 2020 4 1 现代钻探技术 18 G 3型全液压钻机 全液压坑道钻机 2020 4 1 现代钻探技术 19 旋挖钻机 旋挖钻机 2020 4 1 现代钻探技术 20 车装钻机 履带式跟管钻机 2020 4 1 现代钻探技术 21 三 选用 评价钻机的主要参数 钻机的技术参数有以下三种 1 基本参数 是反映钻机钻进能力最稳定的参数 一般用钻进深度和使用钻杆的直径联合表示 2 主要参数 它取决于基本参数 主要有 回转器的转速 上顶力和钻进力 给进速度和行程 提升能力和提升速度 钻进的重量与外廓尺寸 动力机的功率和转速等参数 3 一般参数 从属于基本参数和主要参数 如钢丝绳直径 卷筒直径等 反映次要技术参数 2020 4 1 现代钻探技术 22 四 机械传动式钻机的构成部件 一 回转器与卡盘回转器的功用是传递回转动力 提供钻速和转矩 能正反转 卡盘 转盘式钻机无此件 主轴式钻机的卡盘常与回转器连为一个部件 的任务也是传递回转运动和扭矩 它起加紧钻杆的作用 同时还传递轴向运动和钻进 上顶 力 二 给进机构给进机构是回转钻进的主要执行机构之一 其任务是 称量钻头质量 进行加压或减压钻进 提供一定的轴向压力和钻进速度 倒杆 提动和悬挂钻具 强力起拔钻具等 给进机构有以下两种 液压给进 通过油缸给进 手动机械给进 边回转边通过机械手动给进 2020 4 1 现代钻探技术 23 三 升降机又称卷扬机或绞车 在钻进过程中升降钻具和套管 进行减压钻进 处理孔内事故时 配合给进机构进行强力起拔 四 变速箱和分动箱变速箱用来变更回转器和升降机的转速和扭矩 分动箱的作用是将动力传送分配给回转器和升降机 或联动两者同时运转 五 摩擦离合器摩擦离合器是用来切断或接通动力机传来的动力 完成钻机换档和孔内特殊工序操作 如套岩心 扭断岩心 起过载保护作用 2020 4 1 现代钻探技术 24 六 机座可分为两种类型 开合式让开孔口机座 为整合式 后移式让开孔口机座 图2 7立轴式钻机部件构成简图1 电动机 2 油泵 3 摩擦离合器 4 变速箱 5 分动箱 6 回转器 7 升降机 2020 4 1 现代钻探技术 25 五 全液压钻机 全液压钻机是指钻机的回转 钻进和升降钻具等机构均用液压驱动完成 全液压钻机一般是由主机 泵站 操作台三部分组成 中间用高压油管连接 如图2 8所示 图2 8全液压钻机结构示意简图 2020 4 1 现代钻探技术 26 五 全液压钻机 全液压钻机的特点 外形和结构与传统机械式钻机完全不同 由三部分组成 结构简单 可实现无极调速 实现无塔升降 能机械自动拧卸钻具 操作方便 使用工人少 可实现较远距离操作 操作更加安全 甚至可实现遥控操作 但也存在不足 消耗功率大 机械效率低 液压原件精度要求高 对液压油的质量 过滤精度要求也很严格 因此维护保养较困难 2020 4 1 现代钻探技术 27 2 2 2泥浆泵 一 泥浆泵在钻探工作中的作用泵是通过一定的方式将动力机的机械能转变为液体压力能的设备 泥浆泵是泵在钻探中应用的设备 有以下用途 提供冲洗液以清除岩屑 向孔底钻具供给能量 如给涡轮钻具 螺杆钻头 液动冲击钻具及其它水力冲击钻具提供动力 输送特种物质 如堵漏 封孔时 利用泵向孔内灌注水泥浆或其它堵漏物质 判断孔内情况 利用水泵的仪表在地面及时了解孔内的一些情况 2020 4 1 现代钻探技术 28 二 泵的分类 泵由于其能量转换的方式不同 可分为不同的类型 容积式泵 动力式泵 离心泵 轴流泵等 靠旋转叶轮进行能量转换 往复式泵 活塞泵 柱塞泵等 回转式泵 螺杆泵 齿轮泵等 其它泵 电磁泵 水锤泵 喷射泵等 靠其它方式进行能量转换 靠密闭腔容积变化进行能量转换 钻场上常用容积式活塞泵作为冲洗液循环泵 2020 4 1 现代钻探技术 29 NBQ25 380电驱动泥浆泵 NBQ25 380型柴油驱动泥浆泵 2020 4 1 现代钻探技术 30 三 钻探工作对泥浆泵的要求 流量均匀且能在较大的范围内调整流量具有一定的强制压力及较大的调压范围排量要稳定具有超载承受能力和保护措施要适应野外施工的恶劣环境运移性要好 2020 4 1 现代钻探技术 31 四 往复式泵的工作原理 图2 9单作用泵工作原理示意图 图2 10双作用泵工作原理示意图1 活塞 2 排水活门 3 吸水活门 4 活塞杆 5 排水管 6 吸水管 7 水源箱 2020 4 1 现代钻探技术 32 五 煤田钻探常用泥浆泵 煤田钻探常用的泥浆泵为几个泵 常说几缸 组成的泥浆泵 如NBB系列是由三个单作用活塞泵组成 而TBW系列是由两个双作用活塞泵组成 TBW系列泥浆泵 2020 4 1 现代钻探技术 33 NBQ35 600W型五缸泥浆泵 2020 4 1 现代钻探技术 34 2 2 3动力机 现代岩心钻探设备中 主要使用以下类型的动力机 动力驱动装置 电力驱动装置 电动机内燃机 汽油机 柴油机 常用 用原油为燃料的燃烧室式内燃机气动动力机液动动力机 在井下 尤其是在粉尘爆炸危险的矿井内常用 2020 4 1 现代钻探技术 35 2 2 4钻塔及其附属设备 一 钻塔1 钻塔的作用钻塔是安装钻探设备和操作工人活动的场所 钻塔在钻进工程中主要用于起下钻具 在处理事故时 用来处理井内事故及起下套管 2 钻探工作对钻塔的要求要求钻塔有足够的承载能力及足够的刚度 要求钻塔有合理的高度及足够的上下顶面积 此外 要求钻塔自重轻 运移性好 拆卸 安装 操作方便 安全可靠 制造成本低廉 2020 4 1 现代钻探技术 36 一 钻塔3 钻探的类型按制造钻塔的材质分类金属钻塔木质钻塔按钻塔的构造分类三角钻塔四角钻塔两脚轻便钻塔桅杆式钻塔 二 钻塔的附属设备天车游动滑车提引钢丝绳梯道安全栏杆或土电梯简易场房防雨天棚盖避雷针 2020 4 1 现代钻探技术 37 图2 11带普通手摇辘的三脚架 2020 4 1 现代钻探技术 38 图2 13两脚轻便钻塔1 下主腿 2 中主腿 3 上主腿 4 副腿 5 天车帽 6 天轮 7 天轮轴 8 绷绳 9 塔衣绷绳 10 活动工作台 图2 12四角钻塔1 上部工作面活动棚顶 2 上部工作面 3 活动棚顶 4 玻璃窗 5 塔外安全挂梯 2020 4 1 现代钻探技术 39 图2 14桅杆的结构及竖立形式a 整体竖立式 b 折叠式 c 伸缩式 图2 15角钢四脚斜塔结构示意图 2020 4 1 现代钻探技术 40 2 2 5其它设备 空压机提供高压风 供空气 泡沫风动冲击钻进使用 泡沫发生器 泡沫注入泵这两种设备是泡沫钻进的专用设备 拧管器立轴式 转盘式钻机配套拧卸钻杆用 除砂 泥 器 振动筛供除去泥浆中的岩屑使用 柴油发电机组提供无电工区动力和照明电 2020 4 1 现代钻探技术 41 空压机 泡沫发生器 拧管器 泡沫注入泵 2020 4 1 现代钻探技术 42 除砂器 振动筛 2020 4 1 现代钻探技术 43 2 3 1设备安装与开孔 2 3钻探工艺 2 3 2硬质合金钻进 2 3 3冲击回转钻进 2020 4 1 现代钻探技术 44 2 3 1 1设备的安装 一 修筑地盘 平整场地 应注意的事项如下 地盘的位置由设计位置确定 地面应平整 且有一定的抗压强度 在山坡修筑地盘时 应注意靠山坡一面的坡度 对于坚硬稳固岩石 一般不超过60 对于松软岩石坡度应小于45 填方面积不得超过地盘面积的四分之一 填方必须夯实 需进行凿岩爆破时 应严格按安全规程进行 2020 4 1 现代钻探技术 45 二 修建地基 修建地基的主要目的是为了能承受钻探设备等的荷重 常见的地基类型如下 浅槽地基 适合较实的土壤地面 基台槽底垫石 土 夯实 如图2 16 a 所示 卧枕地基 在比较松软或填方部分不够坚实时使用 如图2 16 b 所示 竖桩地基 适用于承受性较差的潮湿地面或山坡地基的填方一侧 如图2 16 c 所示 深坑地基 一般用于较坚实的土壤上 作柴油机底的基础 混凝土地基 表土软硬不均或钻进深孔时采用 2020 4 1 现代钻探技术 46 二 修建地基 a b c 图2 16地基的形式a 浅槽地基1 基台木 2 基台枕 b 卧枕地基1 卧枕地基 2 上 下基台木 3 扒钉 c 竖桩地基1 上基台木 2 下基台木 3 扒钉 4 涂沥青或柏油处 5 竖桩 6 螺丝杆 2020 4 1 现代钻探技术 47 三 钻塔安装在钻孔位布置好的基台上将使用的钻塔竖起称为钻塔安装 其安装方法为 整体安装 适合 A 字形钻塔和三脚钻塔 在地形平坦广阔处四脚钻塔安装也可采用此法 分节安装 多用于四脚钻头的安装 四 机械安装根据不同的机型 按照要求 依次将钻机 中间轴 动力机 水泵等用螺杆固定在基台上 2020 4 1 现代钻探技术 48 一 钻孔的结构及其选择钻孔结构是由孔口 孔深 孔壁等要素组成 在实际钻进中遇特殊情况 可适当调整钻孔的结构 但应满足地质或工程要求 右图2 17为常见的钻孔结构图 有的仅下孔口管 有的可能还下几层套管 图2 17钻孔结构图 2 3 1 2开孔工作 2020 4 1 现代钻探技术 49 二 开孔 开孔前及开孔过程中的注意事项 准备好所有钻进用器材 对钻探设备及安装质量进行全面的检查 制定钻孔的施工方案和技术措施 要防止孔斜 应注意护壁 钻进规程应该轻压慢转 2020 4 1 现代钻探技术 50 一 硬质合金钻进的定义利用镶焊在钻头上的硬质合金切削具 作为破碎岩石的工具 这种钻进方法通称为硬质合金钻进 二 硬质合金钻进的特点硬质合金镶焊在钻头体上比较坚固 方便 可以灵活改变钻头结构参数 操作简单方便 易保证钻孔质量 成本低 但受硬质合金本身强度和耐磨性限制 此法不能钻进坚硬 强研磨性岩石 2 3 2硬质合金钻进 2020 4 1 现代钻探技术 51 三 孔底碎岩过程1 塑性岩石中的碎岩过程切削具在Py作用下切入岩石 在Px作用下作回转运动 切削具前面的岩石不断塑性流动 并自由滑移 这种现象为切削 如图2 18所示 图2 18切削具在双向力作用下切入塑性岩石 2020 4 1 现代钻探技术 52 2 塑脆性岩石中的碎岩过程在塑脆性岩石中 岩石破碎大体分为三个过程 即吃入 小剪切 大剪切 如图2 19所示 a b c 图2 19切削具破碎塑脆性岩石的过程 a 切入 b 小剪切 c 大剪切 2020 4 1 现代钻探技术 53 四 切削具的磨损 在实际的钻进过程中 切削具的不同部位磨损程度有很大差异 切削具出刃的内 外磨损量是不均匀的 如图2 20所示 y外 y内 yt外 t内 t随着切削具的磨损 与岩石接触面积加大 因而 引起单位面积上的比压下降 机械钻速减小 y 切削刃磨损高度 y内 切削刃内侧磨损高度 y外 切削刃外侧磨损高度 t 刃端磨损宽度 t内 刃端内侧磨损宽度 t外 刃端外侧磨损宽度 b 环槽宽度 切削宽度 r 环槽内径 R 环槽外径 图2 20切削具的实际磨损情况 2020 4 1 现代钻探技术 54 冲击回转钻进是将冲击式钻进和回转式钻进结合起来的一种钻进方法 其孔内钻具的结构是在一般回转钻进钻具的基础上 加上一个冲击器 在取心钻进中 冲击器安装在岩心管上端 在无心钻进中 则直接安装在钻头的上方 该方法不但可提高硬岩钻进效率 而且降低钻头的磨损 并有利于防斜 钻头的选择既可采用硬质合金钻头 也可用金刚石和牙轮钻头 2 3 3冲击回转钻进 2020 4 1 现代钻探技术 55 一 冲击器的分类冲击器是冲击回转钻进的关键部位 按动力方式分为 液动冲击器 采用高压水或泥浆做动力介质 气动冲击器 又称气动潜孔锤 采用压缩空气作为动力介质 机械作用式冲击器 利用某种机械运动 在钻具回转时产生冲锤上下的动作 其中 在钻探工作中 液动冲击器和气动冲击器使用较多 2020 4 1 现代钻探技术 56 二 液动冲击器 一 液动冲击器的类型 二 液动冲击器的工作原理1 阀式正作用液动冲击器阀式正作用液动冲击器是以液压推动冲击锤下进行冲击 用弹簧恢复其原位特征 其工作原理如图2 21所示 液动冲击器的类型 阀式 无阀式 射吸式 反作用 双作用 射流式 正作用 图2 21阀式正作用液动冲击9 器工作原理图 1 外壳 2 活阀座垫圈 3 阀簧 4 活阀 5 冲锤活塞 6 锤簧 7 铁砧 8 缓冲垫圈 2020 4 1 现代钻探技术 57 二 液动冲击器的工作原理2 无阀式射吸液动冲击器SX 54 型射吸式冲击器由云南地矿局研制 其工作原理 结构简单 如图2 22所示 该冲击器利用高压液流喷射时的卷吸作用 使阀与活塞 冲锤的上下腔产生交变压力差 从而推动冲锤活塞往复运动 阀和活塞的回程和冲程均由液压推动 2020 4 1 现代钻探技术 58 图2 22SX 54 型射吸式冲击器工作原理图a 未送水时的起始状态 b 送水时的起始状态 c 举锤是的回程状态 d 冲程开始1 喷嘴 2 上腔 3 活塞 4 阀 5 冲锤 6 下腔 7 砧子 8 低压腔 9 高压腔 10 产生水击区 11 降压区 2020 4 1 现代钻探技术 59 三 气动冲击器 潜孔锤 一 气动冲击器的分类目前 潜孔锤根据配气方式分为有阀和无阀两大类 无阀潜孔锤因免去了配气阀片 比有阀潜孔锤节约30 的空气消耗 还具有零件少 结构简单 加工制造容易等优点 根据阀的运行原理 分为控制阀 自由阀和混合阀三类 根据排粉吹气方式 分为中心排气吹粉 前端排气吹粉和旁侧排气吹粉 根据活塞结构 分为同径活塞 异径活塞和串联活塞 根据整体结构 分为贯通式和非贯通式 根据钻头数 分为单头潜孔锤和多头潜孔锤 或叫捆绑式 3 16个头 2020 4 1 现代钻探技术 60 图2 23无阀气动潜孔锤结构示意图 1 单向阀 2 进气道 3 上阀 4 上进气道 5 内缸体 6 冲锤 7 外壳 8 钻头 9 下排气道 10下腔室 11 中心孔 12 上腔室 二 无阀式气动冲击器的工作原理结构如图2 23所示 压缩空气经接头内孔推开单向阀 经过气道进入冲锤下腔室 推动冲锤上行 上腔室内的气体从冲锤中心孔排出 当继续上行接触上阀时 中心孔被关闭 与此同时 冲锤 部位关闭下腔进气道 冲锤再上行使冲锤 部位离开内缸体时 从而打开上腔进气道 使上进气道与上腔室相通 此时冲锤 部位打开下排气道 使下腔室的气体从钻头中心孔排出 从而压缩空气推动冲锤下行直至冲击钻头破碎井底岩石 2020 4 1 现代钻探技术 61 四 冲击回转钻进钻头 冲击回转钻进钻头受力条件比较复杂 因此 液动冲击回转硬质合金钻头具有以下特点 钢体常采用40Cr 45CrNi合金钢 选用抗冲击性较强的合金 刃角较大 采用八角柱状不对称切削具较多 底出刃较大 多为平底形 水口通道断面较大 有利于冷却和减少背压 水口形式多采用三角形和半圆形 常用的液动冲击回转硬质合金钻头的结构如图2 24所示 潜孔锤钻进选用的钻头承受较大动载荷及摩擦作用