岩土钻掘工程学考试重点(经典)

岩土钻掘工程岩土钻掘工程 题型 填空 1 16 判断 1 10 名词解释 3 5 简答 6 4 论述 10 1 12 1 计算 10 1 第一章第一章 岩土的物理力学性质及其破碎机理岩土的物理力学性质及其破碎机理 1 岩石按粘结状态的分类 坚固岩石 粘结性岩石 松散性岩石 流动性岩石 2 影响岩石强度的因素 自然和工艺因素 1 一般情况下 造岩矿物强度越高 岩石的强度也越高 2 岩石的孔隙度减小 密度增大 强度则升高 因此 一般岩石的强度随埋深的增大而增大 3 岩石的强度具有明显的各向异性 垂直于层理方向的抗压强度最大 平行于层理的抗压强度最小 在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间 4 岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大 岩石的抗压强度最大 抗剪强度约为抗压强度的 10 因此 钻掘过程中 破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石 5 多向应力状态下的岩石强度比简单应力状态下的强度高出许多倍 6 加载速度的影响 加载速度增加 岩石的强度提高 加载速度对塑性岩石强度的影响大 对脆性岩石强度的影响小 影响岩石硬度的因素 自然和工艺因素 1 岩石中坚硬矿物愈多 胶结物的硬度越大 岩石的颗粒越细 结构越致密 岩石的硬度越大 而孔 隙度高 密度低 裂隙发育的岩石硬度将会降低 2 岩石的硬度具有明显的各向异性 层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反 垂直于层理方 向 硬度值最小 平行于层理方向 硬度最大 两者之间可相差 1 05 1 8 倍 3 在各向均匀压缩的条件下 岩石的硬度增加 在常压下硬度越低的岩石 随着围压增大 其硬度值 增长越快 4 一般而言 随着加载速度增加 将导致岩石的塑性系数降低 硬度增加 但当冲击速度小于 10m s 时 硬度变化不大 加载速度对低强度 高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著 3 岩石硬度的测定 静压入法 以 1 5mm2 的压头压入岩样表面 岩石破碎时的载荷 Pmax 除以接触面积 S 则为岩石的硬度 值 Hy 通常称为压入硬度 冲击回弹法 利用重物落在岩石表面后回弹高度或回弹角度或回弹次数来确定岩石的硬度 4 岩石可钻性的概念 岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度 5 根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理 可把碎岩刃具分 切削 剪切型 冲击型 冲击 剪切型三类 第二章第二章 钻探设备与钻头钻探设备与钻头 1 填空 钻探设备的组成 提提升系统 循循环系统 旋旋转钻进 动动力系统 传传动系统 控控制系统 钻钻机底 座 辅辅助系统 2 钻头的种类 按类型 刮刀钻头 牙轮钻头 硬质合金钻头 金刚石钻头 特殊用途钻头 3 钻头的使用范围 1 刮刀钻头 用于软 塑性岩石 扭矩大 对钻具不利 无活动件 2 牙轮钻头 应用广泛 用于软 硬地层 扭矩小 牙轮转动 3 金刚石钻头 用于坚硬 高研磨性地层 无活动件 4 PDC 钻头 用于软到中硬的均质地层 无活动件 钻压小 钻速快 5 取芯钻头 从地下井内取出岩石 进行分析 刮刀钻头从在极软和软地层使用发展到极软 软和中硬地层使用 金刚石钻头从坚硬和硬地层使用 发展到坚硬 硬和中硬地层使用 4 填空 钻头性能指标 钻头进尺 米 钻头工作寿命 小时 机械钻速 米 小时 单位进尺成本 元 米 5 铣齿牙轮钻头和镶齿牙轮钻头有哪些主要区别 铣齿牙轮钻头的牙齿是由牙齿毛坯经铣削加工而成的 主要是楔形齿 而镶齿牙轮钻头是在牙轮上钻出孔后 将硬质合金齿镶入孔中 有多种齿形 第三章第三章 钻具 钻塔与钻机钻具 钻塔与钻机 1 钻具是指方钻杆以下 含方钻杆 钻头以上 含钻头 各部分钢管柱的总称 2 方钻杆作用 传递扭矩和承受井内钻具的重量 3 钻铤作用 1 给钻头施加钻压 2 保证复杂应力条件下的必要强度 3 减轻钻头的振动使其 工作稳定 4 控制孔斜 4 名词 钻孔结构 是指钻孔由开孔至终孔 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 5 简答 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 正是导正钻孔方向 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掉块 缩径危险 时 6 钻机按使用地区条件分 陆地钻机 海洋钻机 海滩钻机 沙漠钻机等 7 填空 钻塔按照结构特点可以分为 三脚钻塔 四脚钻塔 A 型钻塔和桅杆四种类型 第四章第四章 回转钻进用钻头回转钻进用钻头 1 钻孔的钻进方法 钻进方法是指向地下钻孔 井 时 破碎孔 井 底岩石的方法及技术措施的总称 目前主要是应用机械的方法破碎岩石 2 井下动力钻具主要有三类 螺杆钻具 涡轮钻具和冲击器 3 牌号的意义 合金牌号如 YG8c 的意义为 YG 钨 钴系硬质合金 8 钴的百分含量为 8 c x 粗 细 粒合金 4 典型硬质合金钻头 松软及中软岩层用钻头 肋骨式钻头 薄片硬合金钻头 中硬及较硬岩层用钻头 内外镶硬质合金钻头 单双粒硬合金钻头和品字形硬合金钻头 5 计算 题 1 在钻探的切削具磨损与钻进进尺计算中 已知 v0 A so2 且机械转速 Vm A S0 t 2 其中 S0 切削具的初始面积 mm2 t 磨损时间 min A 系数 为常量 磨损系数 mm2 min 求钻头在 t 时间内的总进尺 求平均钻速 6 胎体 包裹金刚石 并与钻头刚体牢固连接的钻头冠部或金属称为胎体 7 简答 钢粒钻进的基本原理 岩心管的下端接有钢粒钻头 钻头上开有口 孔底投有一定量的 自由 的钢粒 受周围岩石的限制 钢粒压在钻头的底唇之下和两侧 钻进中 钻头向下施加一定的轴向压力 并作回旋运动 随着钻头的转动 钢粒在钻头与岩石之间不断滚动 对孔底岩石进行碾压 达到破碎岩石 的目的 同时 泵送冲洗液由钻头内间隙流经孔底 再由钻头外间隙上返流出 冲排岩屑和磨损失去工作 能力的钢粒屑 8 全面钻进与全面钻头 钻进中不采取岩心 对孔底岩石进行全面破碎的钻进方法称为全面钻进 全面钻进 所使用的钻头称为全面钻头 9 简答 金刚石钻进的特点 1 钻进效率高 特别是在岩石硬度大的地层 钻进效率提高的幅度较大 2 钻孔质量好 岩心采取率比较高 而且岩心完整 光滑 3 金刚石钻进的钻孔弯曲较小 4 孔内事故少 应用范围广 5 装备轻 劳动强度低 钻探成本小 第五章第五章 回转钻进工艺回转钻进工艺 1 名词五选一 钻进速度 1 平均机械钻速 2 回次钻速 3211 TTTtt H vC 3 技术钻速 4 经济钻速 5 循环钻速 式中 T3 用于安装和拆卸钻塔 起拔套管 封孔等开孔准 备和终孔作业的时间 h m h 2 投砂方法 向孔底补给钢粒的方法称之为投砂方法 常用的投砂方法有三种 一次投砂法 回次开始前 把回次进尺所需要的钢粒一次投入孔内 结合投砂法 回次开始前先投入所需钢粒的 50 60 待到确认孔底钢粒已消耗得差不多时 再从钻 杆中分 1 2 次补投其余的钢粒 连续投砂法 第六章第六章 冲击回转钻进与冲击 振动钻进冲击回转钻进与冲击 振动钻进 1 简答 液动冲击器根据结构不同可分为 1 阀式液动冲击器 a 正作用冲击器 工作原理 以液体压力推动冲锤下行进行冲击 以弹簧作用力复位 特点 结构简单 技术成熟 冲锤活塞向下作功时 可利用高压室中巨大的水锤能量 但复位弹簧的反 作用力将抵消相当大的冲击力 b 反作用冲击器 工作原理 利用高压液流的压力推动冲锤活塞上行 并压缩工作弹簧储存能量 经弹簧释能而作功 特点 结构简单 技术成熟 由于被压缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞自重同时作用 故可获得较大的单 次冲击功 冲击器内部压力损失小 能量利用率高 但工作弹簧的工作寿命只有 40 100h c 双作用冲击器 工作原理 冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动 特点 结构较复杂 采用差动运动方式 必须有既滑动又隔压的密封件 以使冲击器内部能形成一个压 力差 在铁砧部位设有 节流环 下阀 等元件 在与冲锤活塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有 呼 吸道 从理论上讲 该冲击器的液流功率恢复较高 2 无阀冲击器 a 射流式冲击器 工作原理 由我国独创的采用双稳射流元件作为控制机构 冲锤活塞正 反冲程均由高压液体推动的新型 钻具 特点 结构较简单 除活塞与冲锤外无其他运动零件 也无弹簧 配水活阀等易损零件 因而钻具工作可 靠 使用寿命长 冲锤向下冲击砧子时 没有自由行程阶段和弹簧对冲击力的抵消作用 因而冲击器能量 利用率高 能适用于高温高压条件下的深井作业 缺点是对冲洗液杂质含量要求高 否则射流原件易堵塞 b 射吸式冲击器 工作原理 由我国独创的利用高压液流喷射时的卷吸作用 使冲锤活塞的上下腔产生交变压力差推动冲锤 活塞往复运动实现冲击作用的新型钻具 特点 结构简单 运动部件及易损件少 液流在腔体内畅通性较好 适于小口径钻进 3 其他型式的液动冲击器 a 绳索取心式液动冲击器 是一种将绳索取心钻具同液动冲击钻进相结合的新型钻具和先进的钻进方法 b 孔底反循环液动冲击器 是一种既可以实现局部反循环 又具有冲击作用的孔底钻具 c 孔底可调式液动冲击器 是一种可以根据所钻岩石的特性自动调节冲击功和冲击频率的冲击器 在钻进不同岩石时 都处于最 优的工作状态 2 判断 不同入射波形和冲锤 纤细冲击锤 的关系 课本 P121 右上角图片 3 钢丝绳冲击钻进的原理 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 振动钻进的基本原理 振动钻进是在钻具的上部或下部安装一个振动器 振动器产生激振力 在激振力与钻具重力的共同作用下 推动钻具向下钻进的一种方法 第七章第七章 土样及岩矿芯的采取土样及岩矿芯的采取 1 岩 矿 心的采取率是指在回次钻进过程中 实际取出的岩 矿 心长度与实际钻进进尺的比值 对岩矿心采取率要求也不同 一般 岩心不低于 65 矿心不低于 75 如果不足应进行补取 2 卡取岩心的方法 1 卡料卡取法 方法 在钻进回次终了时 从钻杆内向孔底投入卡料 小碎石 铁丝 钢粒等 卡紧并扭断岩心 适用 硬质合金或钢粒钻进中硬及中硬以上 完整的岩矿层时 2 卡簧卡取法 方法 卡簧 也称提断器 卡取法在回次终了稍上提钻具 把岩心卡住并拉断 适用 适于硬和中硬 岩心完整 直径均匀岩矿层的金刚石钻进 取心方便可靠 但对岩心直径与卡 簧的配合精度要求较高 常用的卡簧结构有三种形式 内槽式 外槽式 切槽式 3 可能为论述 绳索取心钻进是指在钻进过程中 当岩心充满岩心管后 不需提钻取岩心 而是以钻杆 为通道 借助于绳索和专用打捞工具 把钻进过程中贮存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法 优点 1 钻进效率高 绳索取心钻头的壁厚比普通取心钻头厚 钻进时的机械钻速略低于普通钻头 但由于减少了辅助作业 时间 增大了纯钻进时间 所以总的钻进效率仍比普通钻头高 2 地质效果好 绳索取心钻具具有打捞速度快 提升平稳以及岩心堵塞后能即时报警等特点 所以绳索取心钻进岩心 采取率高 完整度和纯洁性好 3 钻头寿命长 由于减少了提钻次数 因此钻头在升降过程中的拧卸 碰撞的机会及扫孔时的磨损减少 可以提高钻 头寿命 通常 绳索取心钻头寿命比普通钻头寿命高一倍左右 4 有利于复杂地层钻进 孔内安全和便于测斜工作 由于减少了提钻次数 因而缩短了孔壁的裸露时间 也减少了升降钻具时对孔壁的破坏 有利于护 壁 5 减轻劳动强度 由于起下钻具次数少 因此减轻了劳动强度 孔越深 钻具越长 这个优点越明显 6 降低钻探成本 由于绳索取心钻进效率高 钻头管材以及动力消耗比较小 因此 钻进成本可大幅度下降 据有关 资料统计 使用绳索取心钻进成本降低 30 一 40 缺点 1 钻杆柱与孔壁间隙小 增加了钻杆柱的磨损 也使冲洗液循环阻力增大 2 钻头壁较厚 钻杆柱较粗 回转阻力大 功率消耗较大 钻进硬岩时 效果较差 3 钻杆的内径大而管壁薄 连接强度要求高 因此要求钻杆的材质好 加工精度高 使得钻杆昂 贵 4 打捞器 由打捞和安全脱卡机构组成 打捞机构 打捞钩 1 打捞钩架 3 重锤 7 和钢丝绳接头 取心时 用钢丝绳把打捞器放入钻杆内靠重锤 以 1 5 2 0 m s 的速度下降 当它到达内管总成上端时 能准确钩住捞矛头 把内管总成提升上来 安全脱卡机构 它是一根长 1 米 内径比重垂稍大的套管 壁上开有斜口 需脱卡时将套管套入钢丝绳 靠 自重下降 撞击并罩住打捞钩尾部 迫使其向内收缩 端部张开 从而使打捞 器与内管总成脱离 5 小题 全孔反循环连续取心的优点 1 无需提钻减少了辅助时间 钻效高 2 判断 岩心采取率95 以上 取心质量好 3 岩粉及时被排出孔底干净 延长钻头寿命 4 易于穿过坍 漏 破碎等复杂地层 5 单位成本低 相同地层条件下 反循环连续取心钻进的成本 仅为普通取心钻进的 1 5 1 3 第八章第八章 钻井事故处理与预防钻井事故处理与预防 1 填空 孔内事故的种类 卡钻事故 钻具断落事故 井下落物事故 烧钻事故 套管事故 埋钻事故 跑钻事故 测井等事故 2 名词 落鱼 指在钻进中因断钻具 卡钻等事故发生后 在处理过程中 掉入或落入井下的钻具部 分 称之为落鱼 名词 鱼顶 鱼头 指落鱼的顶部 一般计算鱼头深度是为了准确打捞落鱼 3 烧钻事故的征兆 1 进尺很慢或不进尺 2 严重蹩水 泵压猛增 高压腔管蹩劲跳动厉害 水泵压力表指针突然上升 3 孔内钻具阻力很大 扭矩表指针急剧上升 4 动力机负荷增大 发生与正常运转时不同的声音 夜间照明电灯忽明忽暗 5 水泵往复次数减少 6 提动钻具团难 一旦烧住以后 既开不动车 又提不动钻具 4 填空 处理事故中常用的基本方法概括为 捞 提 冲 扫 打 反 串 顶 磨 割 炸 劈 扩 震 透 第九章第九章 钻孔弯曲与测量钻孔弯曲与测量 1 名词 钻进 井 工程施工中 由于自然和技术因素的影响 实际的钻孔轨迹往往偏离设计轨迹 这种 现象称为钻孔弯曲钻孔弯曲或钻孔偏斜 2 计算 钻孔轨迹基本要素 利用钻孔轨迹的基本要素 可以计算出轨迹上每一点的空间坐标 设钻孔 轨迹为一斜直线 坐标系的原点为孔口 X 轴取正北 Y 轴取正东方向 Z 轴铅垂向下 据钻孔各深度上 即测点 的顶角和方位角 轨迹上的空间坐标计算如下 3 判断 钻头沿垂直于岩层方向钻进的岩石破碎效率最高 而平行于层理的方向 效率最低 倾斜方向 的破岩效率居中 4 钻孔弯曲的测量 顶角