《刚粒钻进》PPT课件

工程钻探学课件,工程钻探,主讲人：杜振川,工程钻探学课件,第三章回转钻进钻头与工艺,第四节刚粒钻进,钢粒钻进与硬质合金钻进、金刚石钻进相比，最主要的特点是：作为碎岩磨料的钢粒，不被固定在钻头上面，而是在周围岩石的限制下，靠钻头的底唇把钢粒压在其下，随着钻头的转动，带动钢粒在岩石上面不断滚动，达到破碎岩石的目的。这种钻进方法主要用于中等硬度以上的坚硬岩层。但由于其钻进速度较慢，在地质钻探中有被取代的趋势。但在大口径坚硬岩层中钢粒钻进较为经济，故仍被采用。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,钢粒钻进如图所示。在岩心管的下端接有钢粒钻头，在孔底投一定量的“自由”钢粒，钢粒钻头压在这些钢粒上。钻进中，钻头向下施加一定的轴向压力、并作回转运动，同时冲洗液由钻头内壁与岩心的间隙流经孔底，再由钻头外表与孔壁形成的间隙向上流出，携带岩粉至地表。,一、概述,1、钢粒钻进的井底工作过程,1-孔壁；2-岩心；3-岩心管；4-钻头；5-水口；6-钢粒；7-冲洗夜流,工程钻探学课件,在钻进过程中，当钢粒消耗后可以继续补给，或一开始就投入较多的钢粒储存于钻孔底部，这样就可在不停钻、提钻的情况下，获得较长的钻程，这对于钻进坚硬的、研磨性大的岩层来说是有利的。孔底钻头唇面下的钢粒，靠其弹塑性变形及磨擦力带动钢粒使其翻转滚动来破碎岩石，因此，孔底的岩石主要是靠钢粒的重复碾压作用而破碎的。同时，在钻头转动中，由于钢粒的大小和形状不同、孔底高低不平等原因而产生纵向脉动冲击，也有助于破碎岩石。在这种情况下，它可以破碎比钢粒本身硬度还大的岩石，可钻7级以上的坚硬致密的或研磨性很大的岩层。,一、概述,工程钻探学课件,由于在钢粒钻进中钻粒并不固定在钻头上这一特点，给这种钻进方法带来了某些有利的和不利的因素，也为其钻进工艺带来了一些特殊性和复杂性。,一、概述,2、钢拉钻进的特点及应用,（1）在钻进中，一部分钢粒在钻头唇面下破碎孔底岩石，还有一部分钢粒被挤在钻头内、外环状间隙中，研磨岩心及孔壁，这不仅增加了钢粒、钻头及动力的消耗，并且还磨细岩心和扩大孔壁，影响岩心采取率和容易发生孔斜。同时，钻头转动时，作用在钢粒上的离心力与转动半径成反比，也就是说，孔径越小，钻头越不容易压砂，钢粒被抛离钻头底唇从而影响钻进效率。因此，钢粒钻进不适宜用小口径钻进。在地质勘探钻进中，钢粒钻进用的最小口径为75mm，常用口径为91mm及110mm。,钢粒钻进的缺点和使用上的局限性：,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,一、概述,2、钢拉钻进的特点及应用,(2)钢粒钻进不能用于钻进小倾角的、接近于水平的钻孔，只适用于钻进倾角7590的钻孔。(3)钢粒钻进不能钻进大裂隙、空洞或涌水量大的地层。在这些地层中，钢粒会漏失或被冲走。(4）对冲洗液量的调节和掌握，必须适应孔底钢粒分布及分选的要求，且需随着孔底情况的变化而改变。,钢粒钻进的缺点和使用上的局限性：,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,一、概述,3、钢粒钻进的碎岩方式,1）压碎碎岩,当钢粒转到以较小的面积与孔底岩石接触，或钻头给予钢粒的轴向压力比较集中，而使钢粒与岩石的接触面上的压强达到岩石的压入硬度时，则在接触的地方，发生压碎式碎岩的情况。此时，钢粒压入岩石，岩石呈体积破碎方式破裂。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,一、概述,3、钢粒钻进的碎岩方式,1）压碎碎岩,图(a)表示圆柱状切制的钢粒，在钻进开始时，尚成圆柱状，以其边棱压碎岩石的情况；图(b)表示被磨成球形的钢粒在钻头压力集中作用下，接触面上的压强达到了压入硬度值，发生压入压碎岩石的情况。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,一、概述,3、钢粒钻进的碎岩方式,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。钢粒在钻头轴向压力下，由于钢粒的变形和与岩石的磨擦力，在滚动过程中将岩石撕成许多裂纹，称之为碾压作用。虽然钢粒与岩石接触处的压强尚未达到岩石的压入硬度，也未发生体积破碎，但这些表面裂纹已经使岩石破裂到一定深度，并且在钢粒的不断重复碾压作用下和冲洗液的侵蚀下，裂纹很快加密加深，使岩屑不断地从岩面上剥离下来而达到碎岩的目的。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,一、概述,3、钢粒钻进的碎岩方式,3）井底脉动冲击作用,钢粒钻头在钻杆柱传来的轴向压力作用下压在井底钢粒层上，作回转运动。一方面，在回转钻进时，钻杆柱本身产生纵向、横向和扭转振动，加之钢粒形状和大小不均、井底岩面不平等原因、钻具会产生强烈的弹性脉动并作用于钢粒上面；另一方面，在碎岩过程中，钢粒每次体积破碎也产生激振一次。这种脉动冲击对破碎岩石是有利的。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,二、钢粒,常用的钢粒是用60号、70号钢或Y7、Y8钢的粗拉线材，或者是用废钢丝绳破股成钢丝，在专门的切钢粒机上切制而成的。常用的钢粒直径为2.54mm。并按2.5mm、3mm、3.5mm、4mm分成粒度级别。其形状是高度基本上等于直径的圆柱体，其高度与直径之差限制在0.25mm范围内，这样有利于钢粒滚动并形成圆球。,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,三、钢粒钻头,钢粒钻头的功用：是将钻杆柱传来的轴向压力及回转力传递给钢粒；同时，钻头的唇面把钢粒压向孔底，进行钻进。,1、钢拉钻头的功用与结构,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,三、钢粒钻头,结构：钢粒钻头一般用中碳钢(45号钢）无缝钢管制成。其结构呈圆筒状，钻头的外径上下一致，内壁设计成1：100的锥度，以便卡取岩心。钻头外径有：75mm,91mm,110mm,130mm,150mm等级别。钻头壁厚随钻头直径不同而在911mm之间变化。新钻头的长度均为500mm。在钻进中，钻头沿高度逐渐被磨耗，直到剩余150mm时，就不能继续使用。钻头在底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下不断地补给钢粒。,1、钢拉钻头的功用与结构,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,三、钢粒钻头,良好的钢粒钻头应具有下列性能：1）应能很好地压住钢粒，并能带动钢粒沿孔底滚动；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钢粒，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。,1、钢拉钻头的功用与结构,工程钻探学课件,三、钢粒钻头,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。但一般要求钻头的硬度稍小于钢粒的硬度。假如钻头硬度过大，则难于牵动钢位滚动，且容易压碎钢粒；相反，钻头过软，钢粒嵌入钻头底唇过深，也不易牵动钢粒滚动，且使钻头磨耗过快。此外，钻头还必须具有足够的强度，以便有效地传递轴向压力和回转扭矩。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DZ50号钢，经调质处理。,2、钢拉钻头的材质及性能,工程钻探学课件,第四节刚粒钻进,三、钢粒钻头,在钢拉钻进中，为了稳定地把钢粒压于钻头底唇之下，以便连续的破碎岩石，钻头应当有适当的厚度。一般要求钻头壁厚应为钢拉直径的34倍。实际生产中，所用的厚壁钻头多限于1416mm。大口径施工钻头壁厚可能有3050mm,3、钢杜钻头的壁厚,工程钻探学课件,三、钢粒钻头,在钻头上开了水口，实际上就减小了钻头“压砂”端面，也即减小了钻头的有效工作面积，所以水口不宜过宽。通常开口宽度不应大于钻头端面周长的1/4。为了使水口不致过分影响钻头的强度与刚度，水口也不宜过高、一般采取150mm以下。钢粒钻头的水口在钻进过程中会随着钻头磨耗而不断减小。最后，会使过水断面过小而不能继续钻进。因此，在再次使用钻头时，必须重新切割水口。,4、钢拉钻头的水口,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,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。,1、投砂方法及投砂量向孔底供给钢粒的方法称投砂方法。钢粒钻进的投砂方法有三种：即一次投砂法、结合投砂法和连续投砂法。其中以一次投砂法使用最为广泛。,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,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人孔底。孔壁完整时，则从孔口直接投人；孔壁破裂时，则当钻杆下到接近孔底时，从钻杆中投入。,1、投砂方法及投砂量,2）结合投砂法结合投砂法又称分批投砂法。这种方法是在回次开始前先投入一定数量的钢粒，待钻进一定时间后再分别补投1-2次。,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,3）连续投砂法连续投砂法是在钻进过程中连续不断地向孔内供给钢粒，以补充钻进中的消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器由于无理想的连续投砂器，所以生产中实际使用连续投砂法很少。,1、投砂方法及投砂量,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,在钢粒钻进中，钻压是保证钢粒在孔底破碎岩石的必要条件。假如钻压不足，钢粒只能达到微量压裂岩石的程度，须经多次重复碾压，才能产生表层碎岩，故钻进效率不高。此外，轴向的钻压也是钻头产生牵动钢粒所需的连系力。假如钻压不足，则连系力不足，带不动钢粒，就不能钻进。因此钢粒钻进中必须有足够大的钻压。,2、钻压,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,钻头的转速大小关系到钢粒在孔底滚动的速度和克取岩石的频率。在一定条件下，转速大就意味着钢粒在单位时间内滚动的次数多，因而破碎岩石的效果可增强。但是，转速过大，会引起动载过大，使钢粒提前破碎损耗。此外，转速增大离心力也增大，可能使钢粒抛离钻头的底唇，使唇底的工作钢粒减少，引起钻进速度降低。同时，增大转速会使钻具摆动加剧，使钻具对钻孔中心的回转偏心距增大。这样，一方面扩大了孔壁；另一方面也使所钻的岩心变细，从而使钻孔弯曲增大和岩心采取率降低，影响钻孔的质量。,3、转速,工程钻探学课件,四、钢粒钻进规程,在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩粉和冷却钻具的作用,更重要的还起着分选更新钢粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用。冲洗液量不足时，较粗粒岩粉冲不上来，大量地积聚在孔底。冲洗液量过大时，会把