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钻孔工程钻探施工组织设计书1. 钻孔主要岩石的物理力学特性及可钻性1.1 岩石主要物理力学特性1.1.1 岩石的矿物组成不同矿物组成的岩石具有不同的强度。岩石中石英的含量高，而且石英颗粒在岩石中连结成骨架时，则岩石的强度较大，而方解石和白云石等强度较小，在碳酸盐类岩石中方解石含量增加，则岩石的强度降低。1.1.2 岩石的结构和构造岩石的结构和构造也影响岩石的力学性质。矿物颗粒的大小、形状、表面特征、晶体结构、胶结物对岩石强度有一定的影响。一般说来，细粒岩石的强度高于粗粒岩石的强度，并且颗粒愈细，其影响就愈大，结晶程度对岩石强度也有影星，在岩浆岩中非结晶物质越多，其强度就愈低。岩石是矿物颗粒的集合体，按其力学性质可分为坚固的，塑性的和松散的。坚固和塑性岩石颗粒之间存在着粘结力和内摩擦力。松散岩石间只有内摩擦力。故钻进坚固岩石时碎岩困难，松散岩石较易。1.1.3 岩石孔隙度岩石孔隙度对岩石结构影响较大，岩石强度随孔隙度的增加而降低。1.1.4 岩层倾角岩层倾角影响钻进时钻杆柱对岩石施加的轴向压力，岩石抗压强度受地层倾角影响。1.1.5 岩石的研磨性在钻进过程中，钻头破碎岩石，同时也接受研磨变钝，影响因素有摩擦力、滑动速度、摩擦时间。摩擦力取决于正应力和动摩擦系数、岩石粗糙度、摩擦面滑度、滑动速度等。1.1.6 岩石的含水性含水性对岩石强度影响很大，矿物颗粒自由面受水分子的影响而改变岩石的物理状态，消弱颗粒间的联系，使岩石强度降低。涌水、突水、漏水影响钻进速度和困难度。1.2岩层的可钻性分类岩石可钻性是是决定钻进钻进效率的基本因素，它受控于岩石的性质，外界技术条件和工艺参数。岩石在钻进过程中抗破碎的能力,它代表钻进的难易程度。它是合理选择钻进方法及相应的钻进工具和规程参数的依据；是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据；同时也是对生产机台评定的客观依据。我国将岩心钻探岩石分为十二级。岩石的可钻性可采用如下方式：用岩石力学性质评价岩石可钻性；用实钻速度评价岩石的可钻性；用微钻速度评价岩石可钻性；用碎岩比功评价岩石可钻性。2.钻孔及钻探工作量2.1按勘探线或矿段，说明钻孔布置情况及施工顺序 本区有已知勘探线东西向，已知钻孔1。有钻孔1取得的地质资料可知岩层产状为9020，煤层共六层，为获取勘探线上其他地质资料，于孔1正东方向200m处布置钻孔2.本次的钻孔为探采结合水文钻孔，钻孔的分布按勘探线分布，钻孔与钻孔之间为200M，本工作区均为浅孔钻进，钻机可同时在勘探线上钻进。布孔示意图2.2按钻孔性质、钻孔深度设计分类说明根据孔深，该钻孔2属于中深孔钻孔的深度可由几米至数千米。目前钻进最深的孔为前苏联钻进的大陆科学钻探孔，钻深达12000m以上。2.3水文孔的抽水，止水层数及地质要求2.3.1水文孔的抽水水文孔抽水的目的是为了了解水井的性能与效率，抽水的同时测得水位变化，根据这些数据来了解水井及含水层的特性。在这种情况下，抽水结果主要为产水量，降水位与单位出水量，根据这些信息可选择合适的水泵，另一个目的是为获取含水层的有关资料。2.3.2止水层数孔口需下孔口管，阻止第四系潜水；需下套管阻止砂岩层、煤层及灰岩层。在水文钻孔中，止水是防止对目的层的干扰，止水的目的是在水文地质钻孔中获得不同层位水文地质资料，其工作的优劣影响资料的准确性和真实性，一般采用套管隔离含水层，为了对两个以上目的层进行测试，常用的止水材料有;海带，桐油石灰，橡胶制品等，在实际中可根据具体条件而选定，也可对又的含水层进行永久止水，就像本次钻孔最终用于供水，通常采用粘土，水泥等材料。本次钻孔的含水层较多，共有5层含水层。2.3.3地质要求地层剖面特别是含水层的有个地质资料；含水层性状的有个资料；含水层近远期的平衡条件；未固结含水层材料的颗粒分析。2.4按钻进方法列出工作量本次钻孔钻进到奥陶系（O2）地层,第四系厚度为27.8米，二叠系为36.5米，石炭系厚度为105.7米，奥陶系到8米，钻孔深度为177.5米。3.设备选择及施工安排3.1确定钻探设备类型钻探用动力机主要有柴油机和电动机两类，柴油机多用于无电、交通不便的环境；电动机体积小，重量轻，使用维修对环境污染小，经济性能好。本次的钻孔可选用柴油机。水泵采用泥浆泵，有利于排出钻孔中的较大颗粒，维护孔壁的稳定。钻机采用回转钻进。钻塔选用三角钻塔，结构简单稳定性好，拆装方便。泥浆搅拌方法采用搅拌机，若两个单机距离不远，可并用一个机械搅拌。3.2供水设计供水应根据钻孔及勘探网的密度水源及地形条件不同的方法向钻场供水和泥浆。当勘探网密度大工程量大时，采用集中供水，在矿区较远山上建贮水池，在水源处设水泵站，将水经管路压送到各机台。贮水池高差较大时可自流。当钻探工作量不大且较分散，而水源较远时，采用汽车送水。如果附近有水源，可就近建立贮水池。在钻进过程中，可根据岩性的不同适当增加泵流量。在软地层可用中压、快转、大泵量；在中硬地层可用大钻压、中转速、中泵量。4.工程质量要求 对钻井的工程质量要求具体考核共6项：（1）钻孔岩（矿）心采取与整理；（2）钻孔弯曲度；（3）孔深校正；（4）简易水文观测；（5）原始报表；（6）封孔。4.1钻孔岩（矿）心采取与整理 4.1.1岩矿心的采取率 岩矿心的采取率指在回次钻进过程中，实际取出的岩（矿）心的长度和实际钻进进尺的比值。 采取率反映出取上岩（矿）心的数量，越高越好。根据普查勘探深度的不同，钻进矿层岩层的条件不同，按要求各自有一定的岩矿心采取率，才能满足地质方面的要求。岩心不低于65%，岩矿心不低于75%，如不足应进行补取。 4.1.2 完整性 所谓的完整性即取出的岩心，矿心要求保持天然的结构和构造。如岩石的胶结状态，孔隙度，层理，片理，原始接触界面，矿物的颗粒形状，大小等。以便划分矿石类型，观察其原生结构和共生关系。 4.1.3 纯洁性要求取上的岩矿心不受外污的侵蚀，以免影响矿石的品位，品级和物理性能。 4.1.4 避免选择性磨损岩矿心的选择性磨损，会使其在物质成分发生变化，造成矿物人为的贫化和富集。从而歪曲原来的品味和品级，丧失其代表性。为避免选择性磨损，在矿层钻进时，一般都采取结构性能好的钻具，限制钻进时间和控制进尺长度等方法与技能措施。4.2钻孔弯曲度为说明钻孔轨迹某段的弯曲强度，采用曲率K或弯曲强度i,弯曲强度和曲率部表示钻孔单位长度上角度的变化量。他们的关系是：I=360K/=57.3K钻孔轨迹单位长度的顶角变化量，称顶角弯曲强度；单位长度的方位角变化量称方位角弯曲强度。顶角弯曲强度用i表示，若某一孔段的变化场匀则 i=/L =(B-L)/( LB-LA)式中：BB点的钻孔顶角LA，LBA、B两点的孔深A、B两点的顶角增量LA、B两点的延伸长度方位式中角弯曲度用i表示。若某一孔段的方位角均匀变化，则：i=/L=(B-A)/( LB-LA)式中：A、B两点的钻孔方位角 两点的方位角增量4.3孔深校正钻孔歪斜是指在钻进过程中，由于地质条件和技术等原因，使原设计的角度和方位发生了偏斜。钻孔歪斜后会直接影响孔的深度，要使孔深达到预计的深度，必须进行校正。具体校正法为：将偏离勘探线剖面的钻孔资料，通过钻孔空间位置的几何关系，求出各测点的空间对X、Y、Z轴的偏距，然后画出钻孔的纵剖面图及水平投影图。4.4简易水文观测 对孔内水位随钻做简易观测并记录。4.5原始报表 详细真实填写原始报表4.6封孔 对完成任务的钻井，要进行封孔，并检查封孔质量。达标后绘图封存。5.钻探技术设计5.1钻孔结构钻孔结构是指由开孔到终孔，孔段深度和口径次数变化情况。一般说来，换径次数越多，钻孔结构就越复杂，换径次数越少，钻孔结构就越简单，在可能的情况下，应使钻孔结构尽量简单化。（1）钻孔的用途和目的（2）钻孔的设计深度和钻孔的方位等（3）钻孔的终孔直径（4）地层及其岩层的物理力学性质（5）钻探设备参数5.2冲洗液与护壁堵壁5.2.1配制泥浆用的粘土的选择及性能测定5.2.1.1配制泥浆用的粘土的选择（1）用一般的的天然粘土配制泥浆时，粘土需要有一段的时间进行溶胀，因此配制前应事先将粘土浸于水中进行预水化处理。（2）用浸泡好的粘土按配比设计中的土量加水搅拌。由于搅拌时间不可能很长，粘土颗粒不能达到充分水化分散，因此在实际生产中都要将搅拌出来的新泥浆集中储存在泥浆池中进行24小时以上的陈化处理。（3）天然粘土在露天存放过程中随存放时间的长短、气候条件不同，粘土的比重在不断的变化，所以同一批粘土在配浆前应做小样试验，不能一律套用计算方法确定加土量和加水量。5.2.1.2性能测定在做性能调整试验时，由于试验中处理剂在泥浆中作用时间较短，处理剂的作用可能短时间反映不出来，因此往往小样配方的处理剂加量应大于实际钻进中所需的加量。正式配制时，要注意适当减少处理剂加量，防止浪费。5.2.2不同地层选用的泥浆类型及性能不同地层所使用的泥浆类型会有所不同，其性能也可能有较大的差别。在流砂层或砂层中，要使泥浆具有足够大的比重，较小的失水量，薄而坚韧的泥皮；在细沙层，由于地表循环系统除砂困难，需要更严格控制泥浆的含砂量；在粘性土层中钻进，由于粘土有自身造浆的特点，为此要设法控制泥浆的粘度不断增大的趋势；如果遇到水敏膨胀性地层就应在泥浆中加入适量的防坍剂；钻进风化层、砺石层，需要减少泥浆的比重加大粘度等。5.2.3泥浆的配制，性能调节的方法，仪器配备计划及用量计划5.2.3.1泥浆配制（1）用一般的的天然粘土配制泥浆时，粘土需要有一段的时间进行溶胀，因此配制前应事先将粘土浸于水中进行预水化处理。（2）用浸泡好的粘土按配比设计中的土量加水搅拌。由于搅拌时间不可能很长，粘土颗粒不能达到充分水化分散，因此在实际生产中都要将搅拌出来的新泥浆集中储存在泥浆池中进行24小时以上的陈化处理。（3）天然粘土在露天存放过程中随存放时间的长短、气候条件不同，粘土的比重在不断的变化，所以同一批粘土在配浆前应做小样试验，不能一律套用计算方法确定加土量和加水量5.2.3.2性能调节（1）泥浆选择不同地层和不同钻进目的所使用的泥浆性能可能有较大差别。（2）泥浆配比设计泥浆配比设计是确定泥浆各组分在泥浆中所占比例的过程，目的在于使所配泥浆的性能符合钻进需要。5.2.4护孔方法孔口管为了加固孔口，一般为23m，管外空隙用水泥浇注或粘土固结。孔口管直径应比钻进时或钻头直径大2050mm或大12级。设计套管间隙时，要考虑套管、钻头、岩心管及接头之间的尺寸配合，此为，还要考虑套管本身的材质及其壁厚等问题。每下一层套管，必使孔径缩小一级。为了护孔对泥浆提出一下要求：采用造浆率高的膨润土配浆时，粘土含量在4%6%以下，便可达到要求的粘度，此时泥浆相对密度在1.031.05左右，优质泥浆粘度符合要求的固相含量应控制在4%左右（体积含量），此时，泥浆相对密度在1.051.08左右。在保证地层压力平衡的前提下，应尽量降低泥浆的相对密度和固相含量来减少对钻头、钻杆的磨损，其次也应适当提高泥浆的流变性能和泥浆的稳定性能。此外粘土颗粒带负电荷，必须在碱性条件下才能维持稳定，因此泥浆PH值必须在碱性范围内。5.3钻进方法5.3.1金刚石、硬质合金、钢粒钻进的具体技术要求5.3.1.1金刚石钻进的技术要求（1）钻压确定钻压要考虑使用设备、钻具和地质等方法因素，要据钻压与钻进速度的关系（2）转速在细砂岩、灰岩、花岗岩中钻进，转速和钻速的变化规律呈线性规律。在较高钻压下，转速与钻速呈正比例关系，转速与钻头的磨损随转速的提高钻探相对磨损降低。（3）泵量在粉砂岩和花岗岩中钻进，泵量对钻速影响表现为，当泵量减少到一定程度后，对钻速产生明显的影响，泵量和岩石的种类的有关系。在细沙岩中钻进，泵量降至5L/min，钻速才下降，而花岗岩泵量应降至1L/min，钻速才发生明显变化。5.3.1.2硬质合金钻进技术要求（1）硬质合金切削具在钻头底面上排列形式考虑的因素有切削具应成组地排列在钻头底端，每组完成一个环槽宽度的切削；有利于玻碎岩石，即将孔底环宽分成多环来分别破碎岩石，造成更多的自由面，有利于碎岩；尽量提高抗磨能力，并使各个切前具的磨损均匀，以免局部磨损过多而影响整个钻头的寿命。便于排除岩粉，减少岩屑对切削具的磨损和避免重复碎岩。（2）不同地层的钻进特点有所不同在钻进过程中，必须同时考虑钻进、护壁、取心等方面的问题，因此对于不同地层有各自的钻进特点。松软及较软地层中钻进采用“中压、快转、大泵量”的钻进规程。同时选用优质泥浆护孔，以保护孔壁 。中硬地层的钻进对这类岩层，应选用大钻压、中转速和适当的泵量，一般称为“大压、中速、中泵量”的钻进规程。 裂隙及高研磨性地层中的钻进在高研磨性岩层，应充分发挥大钻压的作用，选用适当小的转速和较大的泵量，使孔底保持清洁，以减小磨损。在钻头选用上，可选用抗磨性能强的磨锐式硬合金钻头或自磨式硬合金钻头。在裂隙地层，应选用较低的钻压、中等转速、中等泵量。钻速要求应适当，以避免切削具崩断和钻孔偏斜。在钻头选用上，应选用抗崩刃和抗折断能力强的（负前角）钻头。5.3.2钻头的选择及钻进技术参数确定5.3.2.1金刚石钻进规程中的技术参数的确定转速是影响金刚石钻进效率的主要因素之一，在细砂岩、灰岩、花岗岩中，转速和钻速呈线性关系；在较高的钻压条件下，转速对钻速影响显著，成正比线性关系。钻速的选择遵循以下原则：中硬至中等研磨性完整岩层中钻进，可采用高转速；在复杂地层中，采用低转速。泵量的选择影响钻进，对坚硬致密岩层，由于排粉少，可采用小泵量；对软、中硬岩层，由于转速快，为加速排粉，泵量应大些；对研磨性岩层，为使钻头尽快降温冷却，泵量应大些。另外，钻压也是钻进中的一个重要参数。总之，转速、泵量与钻压相互影响相互配合制约，为提高钻进效率必须优化钻进规程。5.3.2.2 钢粒钻进规程中技术参数的确定钢粒钻进规程包括：投砂方法及投砂量、钻压、转速、冲洗液量等方面。应当根据岩层性质，钻孔直径，设备能力等因素确定合理的参数，以获得较高钻速，较大进尺，低耗和较好的钻孔质量。钻压方面，在保证钻孔质量要求的条件下，应使用足够大的钻压；转速方面，在硬度较低的岩石中，转速不宜过大。冲洗液在孔底循环中不仅起排除岩粉和冷却钻具的作用，更主要的还有分选作用。冲洗液的选取根据钻压和转速大小改变，转速一定时，钻压增加，最优冲洗液量也增加；钻压一定，转速增加，最优冲洗液量减小。5.3.3 分层钻进技术措施5.4保证质量技术措施为加快钻速和节约材料，应采用一般方法处理钻空中可能发生的坍塌、掉块、漏失等涌水事故，当钻孔有特殊用途或地质情况复杂而采用各种冲洗液处理无效时，需加套管。 在钻进松散的砂、砾石层，受地下水影响，泥浆护壁无效时，需下套管；穿过较厚的节理发育破碎带时，坍塌掉块严重时，需下套管；钻进含水构造或大裂隙贯通、严重涌水地层，需下套管；表土层、风化层易坍塌，一般下孔口管。采用的取心方法和工具采用测斜仪器和种类定向钻孔设计保证达到6项质量指标的具体技术方案和措施6.钻探的组织施工与管理钻探工作是在远离城镇，交通不方便的条件下进行的季节性很强的工作。目的是直接获取深部地质资料，占用很大人力、财力、物力，涉及多个部门、工种，可变因素多、工艺复杂，故组织管理工作意义重大。钻探工作组织管理的任务是提高劳动生产率，保证钻探工作六项指标，保证必要的地球物理和水文地质研究，降低钻探成本。该工作涉及钻探过程的组织和人员的配备，辅助部门的组织和人员配备，安装拆卸、运输、供水、供电、机修等。钻探工作的管理包括：生产计划管理，质量管理，成本管理。6.1 钻探工作组织钻探工作组织包括钻探过程的组织和辅助部门，如安装拆卸、运输、供水、供电、机修等部门的组织。6.1.1 机台的组织钻探生产的特点是连续性。中途不得间断，为适应这个特点，机台班组一般有三班制、四班制等形式。三班制分早、中、晚三班。每班工作8小时，每周倒一次大班，即早班换中班，中班换晚班，晚班换早班，如此循环。四班制又叫四班三制，生产人员分为固定四组，每组工作8小时，各组依次衔接，周而复始，循环工作。根据钻探类型、孔深、钻进方法不同，每班工人3-5人，包括轮休人员。各机台设机长一名，材料员一名。少数浅孔钻机，一个机长管理两个机台班组。远离工区或钻探分队的普查单个机台，其机台组成除机长、材料员和各班人员外，还有一名炊事员。机台的生产任务通常负责由开孔到终孔的钻探生产。钻探设备的安装、搬迁由专门的安装队承担，只有当钻探工作量不大，钻机数量不多或远离工作区或钻车分队的单个钻机由机组成员完成。6.1.2 安装队的组织矿区钻探工作量较大，钻探机组过多的钻探队，成立专门的安装队。工作任务包括：修通到达钻场的简易道路，修筑地基，拆卸搬运钻探设备。安装队成员包括：木工、运输工、钻工、焊工、电工。人员数量据工作量、孔深、地形、运输条件确定，可以十几人到几十人。当工作量大，地形复杂时需要较多人力，这时，除固定安装队外，常配合季节性临时工，合同工。安装队常为一班制，即白天工作8小时。6.1.3 供水和泥浆的组织根据工作量、勘探网密度、水源、地形条件，有不同方法向钻场供水、泥浆。当勘探网密度大，工作量大时，采用集中供水，在矿区高山上建贮水池，在水源处设水泵站，将水经管路压送到机台，水池高差大时，水可自流到机台。当工作量大又分散时，采用单独供水，从不同水源用泵直接向机台送水。机台设小型水池。当工作量不大且分散，水源又较远时采用汽车送水。矿区岩层复杂或沉积岩矿床如煤田等，钻探需要用泥浆作为冲洗液。根据钻探工作量、勘探网的密度和地形条件等，可采用泥浆站集中制备泥浆，用管路压送给各机台，或只向机台供水，由机台根据钻孔岩层情况自行配制泥浆。6.1.4 机修车间的组织地质机械的正常运行和及时维修是保证钻探不间断生产的基本条件。由于钻探工作远离城镇居民点和机修基地。因此，机械的日常维护和修理具有重要意义。地址机械依据地质勘探机电设备保养作业规程和地址机械保养工作图的要求进行班、周、月保养。6.2 钻探管理钻探管理分为分队或大队的队级管理和机台级管理。6.2.1队级管理队级钻探管理有：生产管理、质量管理和成本管理。生产管理施工前要编制施工技术设计和施工作业图表。施工中定期或不定期召开生产调度会，检查任务完成情况，研究存在问题，布置下一阶段任务，协调各部门工作；下达各种通知书。钻探生产的总结和汇总，大队要按季、月向上级报送季、月报。钻孔质量