岩土钻掘工程学所有重点资料

1、第一章1. 岩石的物理力学性质有哪些？ 岩石力学性质是岩石在受外力作用后所表现的性质， 包括岩石的变形特性、 强度特性、 表面 特性等。 变形特性包括弹性塑性和脆性； 强度特性包括抗压抗剪抗拉和抗弯强度； 表面特性 包括硬度和研磨性，这些力学性质对钻进速度、碎岩功耗和钻头寿命等有直接的影响。3. 岩石在静载作用下的破碎机理 在平底压头受载时， 在第一极值带会形成环形裂纹， 呈圆锥形向深部延伸， 到一定深度后截 止，而对称轴上的第二危险值带朝边缘发展， 形成镰刀状极限状态区， 继续加载时极限区的 体积和压力增大， 他向外趋于排挤或排开周围岩石的力也增大， 由于岩石的抗剪抗拉强度很 小，一旦侧压力

2、达到某一极值时，周围的岩石便突然崩离并形成破碎穴，周围岩石崩离后， 丫头下方的圆锥被压碎，压头突然入侵到一定深度。特点是塑性变形+“跳跃性 ”剪蹦,破碎坑穴大于切削具的断面积4. 岩石在动载作用下的破碎机理 当冲击能量不大时， 在岩石的表面只能见到压头冲击的痕迹边缘出现裂纹。 增加冲击能后， 在边缘之外变出现环形崩离体， 称之为脆性破碎第一形态， 随着冲击能的增加， 崩离题的体 积稍有增加。 冲击能量达到一定值后， 压头地下的岩石发生与静压时相似的脆性破碎， 称之 为脆性破碎第二形态， 再继续增大冲击能， 不会引起破碎形态的明显的质的变化， 余下的能 量使压头的侵深有所增加， 并使接触面周围的

3、岩石， 崩离体出现， 当冲击能达到相当大的数 值的时候，则出现稳定的第三破碎形态。特点:“跳跃性 ”剪蹦,体积破碎5. 影响碎岩效果的因素 载荷大小的影响， ;碎岩工具形状的影响， ;加载速度的影响，液柱压力的影响.6. 岩石可钻性分级的方法： 1）按岩石的物理力学性质分级：压入硬度法、摆球硬度法、普氏系数法、综合力学性质法； 2）利用现场实际钻进资料， 即实钻法； 3）利用破碎岩石单位体积所消耗功， 即比功法； 4） 利用模拟钻进实验台对岩石进行标定，即微钻法。7. 岩石的强度和硬度的区别和联系： 强度是固体物质在外载作用下抵抗破坏的能力。 硬度是岩石抵抗外部更硬物体压入其表面的 能力。前者

4、时抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力， 硬度是故意表面对另一物体局部压入 或侵入时的阻力。硬度指标更接近于钻探过程的实际情况。一般硬度和抗压强度成正相关。8. 为啥说岩石的单轴抗压强度与钻探工程的关系密切？ 因为在回转钻进中， 岩石破碎工具在岩石表面移动时， 是在局部侵入的同时是岩石发生剪切 破碎。岩石的抗压硬度为单向抗压硬度的（1+2 n）倍。9. 影响岩石强度的因素： 影响岩石强度因素可分为自然因素和工艺因素两类。（1 ）一般造岩矿物强度高者其岩石的强度也高。但沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例 及成分。（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，其强度则降低，反之亦然，一般岩石的强度随埋深的 增大

5、而增大。（3）岩石的强度具有明显的各向异性。（ 4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。（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）外载作用速度的增加使岩石的应变速率增大，大幅度地提高岩石的强度；加载速度对 塑性岩石强度的影响大于对脆性岩石强度的影响。10. 影响岩石硬度的因素分为自然因素和工艺因素两大类（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细， 结构越致密，则岩石的硬度越大。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。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响 相反。垂直于层理方向的

6、硬度值小，平行于层理的硬度最大。（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）随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。11. 影响岩石研磨性的自然因素和工艺因素，（1）岩石颗粒的硬度越大，岩石的研磨性也越强，富含石英的岩石具有强研磨性。（2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。（3）岩石颗粒形状尖锐，颗粒尺寸越大，则岩石的研磨性越强。（4）孔隙性岩石表面粗糙， 在与工具接触的局部易产生应力集中， 从而增强岩石的研磨性。（5）硬度相同的时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的岩石研磨性较强。（6）介质会改变

7、岩石的研磨性，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。12. 影响岩石可钻性的固有因素和技术因素固有因素 岩石自身因素和自然环境因素； 技术因素 设备因素、工具方法、 工艺参数。第四章：1.金刚石的特性： 金刚石为碳的结晶体，晶体结构为正四面体， 碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定，典 型的晶型有：立方体，八面体，十二面体。金刚石是世界是最硬、抗压强度最大、抗磨碎能 力最强的材料。2. 天然与人造金刚石各分几个等级： 天然金刚石品级： TT TY TB TD TX TS 人造金刚石品级： RT RY RB3. 表镶金刚石的碎岩过程： 即金刚石沿同心圆运动时， 它向岩石传递一定的能量， 岩石吸收

8、能量后产生破碎并形成小的 沟槽。在弹 -脆性岩石中，由于大小剪切体的产生，沟槽的宽度大大超过了金刚石吃入岩石 的深度。 在破碎岩石时， 金刚石逐渐被磨钝。 这时磨钝的金刚石在抽载的作用下使岩石产生 应变，应变的结果是在岩石中出现一些微小的裂纹， 使岩石的致密结构改变最终导致岩石破 坏破碎。4. 孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程 其破岩机理是类似于砂轮摩削工件，即以唇面上多面而小的硬质点（金刚石 ） 对加工件（孔底岩石） 进行刻画、磨削，并随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨损，新的硬质 点又裸露出来参加工作。 按照钻探的步骤进行操作， 致使岩石结构的致密性被破坏， 反复的 对孔底岩石进行补

9、充轴荷载致使岩石出现裂隙发生破坏。5. 表镶金刚石钻头的结构要素： 金刚石的粒度，金刚石在唇面的排列，钻头的唇面形状，钻头的水口和水槽6. 孕镶金刚石钻头的结构要素：粒度的选择，金刚石在台体中的浓度，钻头的台体性能， 钻头的唇面形状， 钻头的水口和水 槽7. 金刚石的制造方法： 冷压烧结法；冷压浸渍法；无压浸渍法；普通热压烧结法；真空热压烧结法第五章1. 衡量钻进效果的指标有哪几个？ 平均机械钻速，回次钻速，技术钻速，经济钻速，循环钻速3. 硬合金钻进，金刚石钻进，钢粒钻进规程参数（主要包括钻压、转速、冲洗液量）的确定： 硬质合金钻进 ：钻压：开始事就以允许的最大初始钻压钻进转速：转速不宜过高

10、，应考虑钻头的形式，冲洗液类型等具体情况而定 冲洗液量：为提高钻速，在有可能的条件下应尽量选用清水做冲洗液，若泥浆应考虑低固 相泥浆。金刚石钻进 ：钻压：要考虑地层岩性和水力冲洗引起的孔底转速转速应在尽可能高些，安全转速为 150r/min 冲洗液量：曼祖唤醒孔间最低反流速度的要求钢粒钻进 ：投砂方法及投砂量：一次投砂法和结合投砂法前者投砂量取决于岩石性质和回次进尺的长短； 后者投砂量是在次回开始前先投入所需钢粒的50%到 60%待到确认孔底钢粒已消耗的差不多时，再从钻杆中分 1-2 次补投其余的钢粒。钻压的选择：钻速的选择：泵量的选择：第六章1. 冲击回转钻进的优点：1）冲击力以应力波作用于

11、岩石，应力集中，岩石易于实现体积破碎2）冲击产生破碎坑穴为回转切穴创造条件3）冲洗量大，孔底干净，不产生重复碎片4）钻压低，钻头磨损小，使用寿命长5）钻孔质量好，冲击回转具有防斜抑制孔弯及减少孔内事故的作用6）冲击器高频冲击，岩石分子产生高频震荡而形成疲劳破坏2. 阀式正作用液动冲击器 ：它以液体压力推动冲锤下行进行冲击，而以弹簧力作用恢复其原位，故称之为 正作用液动冲击器。工作原理 ：冲锤活塞 5 在锤簧 6 的作用下处于上位，其中心孔被活阀 4 盖住，液流瞬间被阻，液压急剧增 高而产生水锤（也称水击）效应。在液压作用下，冲锤活塞和活阀一同下行，压缩阀簧 3 和锤簧；当活阀 下行到一定位置时

12、，活阀被阀座 9 限制，活阀停止运行并与冲锤活塞脱开，液流经冲锤活塞中心孔而流向 孔底，液压下降，活阀在阀簧作用下返回原位；冲锤活塞在动能作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7，冲击能量经铁砧 - 岩心管接头 -岩心管等传至钻头，冲击之后，冲锤活塞在锤簧力作用下弹回；再次与活阀 接触，完成一个冲击周期。这种冲击器结构简单，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；但回动弹簧的 反作用力将抵消相当大的冲击力。易损件事弹簧。3. 阀式反作用液动冲击器 ：它是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。工作原理 ：高压液流进入冲击器对冲锤活塞 3 产

13、生作用，当冲锤活塞上下端压力差超过工作弹簧 1 的压缩 力和冲锤活塞本身的质量时，迫使冲锤活塞上行，并压缩工作弹簧储存能量；与此同时，铁砧 4 的水路被 逐步打开，高压液流开始流向孔底，液压下降，冲锤活塞利用惯性继续上行，当上行到上死点时，由于冲 锤活塞自身质量和工作弹簧释放储存能量，便驱动冲锤活塞急速向下运动而冲击铁砧；产生冲击作用的同 时，由于冲锤活塞与铁砧相接触而又封闭了液流通向孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值，再次 作用于冲锤活塞，使其上行，开始第二个工作周期。这种冲击器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

14、率高。但弹簧寿命低。4. 阀式双作用冲击器 ：它的冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动。工作原理 ：当钻具到达孔底时，由于钻具自重作用，使活接头 f 被压紧到外套上的 g 处，这时冲击器内压 力工作腔 d 处的液流，分别作用在活阀 2 和塔形冲锤活塞 6 上，由于活阀上下两端的压差，迫使活阀上移 到最上位置；由于冲锤活塞上、下两端面积不同而产生的压力差，迫使其也向上移动；当冲锤活塞上行到与活阀接合时，通道 di被关闭，冲锤活塞与活阀便一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座4限止，冲锤活塞与活阀分离，借助惯性作用继续下行，下行到 s 时，冲击砧子 9；由于冲锤活塞中心通道被打开，液 流又恢复循

15、环，在液流压力作用下，活阀急剧上升，冲锤活塞也急剧上行，如此运行，周而复始进行。这种冲击器采用差动运动方式， 故必须有既滑动又隔压的密封件， 为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孔 。从理论上讲，该冲击器的液流功率恢复较高。 （无弹簧），水泵的利用率高。寿命长。5. 无阀射流式冲击器 ： 射流式冲击器是我国独创的一种采用双稳射流元件作为控制机构的新型钻具，工作原理 ：高压液流从射流元件 1 的喷嘴喷出，假如在附壁作用下先附壁于右侧，高压液流便由E 输出，进入缸体 2 的上部，推动活塞 3 下行。此时，与活塞连接

16、的冲锤 4 便冲击砧子 5，因砧子与岩心管 6 相连， 冲击能量便经岩心管传至钻头 7 上，完成一次冲击作用。活塞冲程末了，上缸液压升高，反馈讯号回到F控制孔，促使射流由 E 切换到 C 输出，液流经 C 进入缸体下缸，推动活塞上行，做返回动作。回程末了， 反馈讯号又回到 D ，将射流切换到开始位置，液流又从 E 输出，进入上缸，如此往返，实现冲击作用。上、 下缸的回水，则通过 E、C输出道而返到放空孔 B、A，再经与放空孔连接的水路及砧子内的孔，流入岩心 管。射流冲击器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

17、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；射流式冲击器能适用于高压高温条件下的深井作业。在两次冲击之间，切削刃回转一个角度，这个角度称之为冲击间隔。6. 无阀射吸冲击器： 射吸式冲击器利用高压液流喷射是的卷吸作用，使活塞冲锤的上下腔产生交变压力差推动活塞往返运动。 工作原理：启动前，冲击器的冲锤活塞 3机活塞 4均处于行程下限，液流通道畅通。启动时，工作液体从 喷嘴 1 喷出，高速射流的卷吸作用将活塞上腔介质抽往下腔，上腔迅速降压；进入下腔的液流，由于通道 扩大，流速减慢和砧子 7 节流孔的增压作用，使活塞下腔压力升高；于是，上下腔形成压差，使冲锤活塞 与活塞套同时上行。由于活塞

18、套的质量较轻，运动速度较快，先抵达行程上限，随后冲锤活塞也抵达行程 上限，至此回程结束。冲程时，由于冲锤活塞顶部锥体与活塞套下端闭合，高速液体被迅速切断而产生水 击，上腔压力猛增；与此同时，冲锤活塞下腔压力急剧下降，故上下腔压力差推动冲锤活塞和活塞套向下 运动。活塞套抵达行程下限后，冲锤活塞因惯性继续向下运动，直至冲击砧子为止。此时，通道完全打开， 液流通畅，活塞套与冲锤活塞又进入下一循环的回程，如此周而复始地产生冲击。 这种冲击器结构简单，运动部件及易损件少，液流在腔体的畅通性较好，适于小口径钻进。7. 冲击回转钻进的规程参数的特点： 钻压低，转速低，冲洗液的流量大和工作压力要大于配气室的压

19、差8. 冲击回转用钻头的特点： 液动冲击回转钻进用钻头：硬质合金钻头、金刚石钻头、风动潜孔垂 第七章2. 取土的方法 ：压入法，击入法，回转击入法3. 按土样的扰动程度分级 ：1级 不扰动； 2级轻微扰动； 3级 显著扰动； 4级 完全扰动4. 钻探工程的质量指标是： 岩矿芯采取，钻孔弯曲，孔深校正，简易水文观测，原始报表，封孔5. 钻探工程的质量标准 ：优良钻孔，合格钻孔，不合格钻孔6. 影响岩矿芯采取率和品质的因素 自然因素（地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性、研 磨性和易溶度等） ：人为因素（钻进方法选择不合理，钻具结构选用不合理 ，钻进规程不当，操作方法不正确）7. 卡取岩

20、心的方法 ：卡料卡、卡簧卡取、干钻卡取，沉淀卡取，楔断器卡取，综合卡取。9. 绳索取心钻进方法的优缺点：优点： 1）纯钻进时间长 2）岩芯采取率高 3） 钻头寿命长 4）孔内事故少 5）工人劳动强度低缺点： 1）钻具与孔壁环状间隙小流动阻力大，同时钻具也易磨损，如果钻杆结泥会影响取心钻进2）钻头壁厚 3） 钻具材质和加工精度要求高 4）钻杆壁薄10. 绳索取心钻具具有那些功能：1）主要使用深孔钻进，在孔深大于 150 米以上应用 2）在可钻性 49 级地层应用效果最好 3）在软地层应 用要求泥浆性能好 4）在硬地层中要求配合冲击器使用 5）在深孔补取岩矿芯中应用 6）在孔壁不稳定地层 中应用可

21、减少孔内事故 7）钻头质量要好11. 无泵反循环钻具、喷射反循环钻具工作原理无泵反循环钻具工作原理 ：回转钻进的同时， 每分钟数十次的上下提动钻具数十厘米。 上提时球阀 3 关闭， 则粗径钻具在孔中有类似活塞的抽吸作用，将混有岩粉的冲洗液吸入岩心管 6 中；迅速下落时，被吸进来 的冲洗液在压力作用下冲开球阀， 并从其上的回水口 2 流出， 岩粉即沉淀于取粉管中。 由于反复提动钻具， 使冲洗液在孔底形成局部反循环，从而达到清除岩粉、冷却钻头和提高采心质量的目的。其卡取岩心是采 用干钻和沉淀相结合的方法。喷射反循环钻具工作原理 ：当水泵送来的高压冲洗液沿钻杆 1 经街头 2、3 进入喷嘴 4，由于

22、喷嘴内腔为锥 形，且喷嘴口断面短小，因此，冲洗液以高速射入扩散管 5 中。在此高速射流的作用下，喷嘴与扩散管所 组成的喷射器周围的液体，被射流带走一部分而形成负压区，在压力差的作用下，下部岩心管 8 中液体被 抽吸到喷射器里，高速液流和吸入的液体便在混合室 12 内混合，进行能量传递和交换后流入喉管13；再经扩散管和出水孔 11 或弯管排除。 排除的冲洗液一部分在剩余压力作用下， 沿钻杆与孔壁的环状间隙返回 地面；一部分在负压作用下流向孔底，进入岩心管内形成孔底反循环，而冲洗孔底。12. 岩矿芯采取的要求有那些： 避免选择性磨损，取心部位准确，岩矿芯采取率、完整性、纯洁性第十章1. 钻孔弯曲的

23、条件：1）存在孔壁间隙，为粗径钻具提供偏倒的空间。此条件主要影响钻孔弯曲强度2）具备倾倒（或弯曲）的力，为粗径钻具轴线偏离钻孔轴线提供动力。3）粗径钻具倾斜面方向稳定。粗径钻具倾斜面是指偏倒或弯曲的粗径钻具轴线与钻孔轴线所决定的平面2. 钻孔弯曲的危害：1）造成岩矿体打丢，打薄或打厚，讲直接影响地质资料的准确性和矿床储存的计算2）对钻进施工的危害也很大 3）增大钻具与孔壁的摩擦阻力，造成钻具回转及升降的困难，也容易引起钻杆的折断和钻进无用功率 的消耗增大 4） 会引起卡、埋钻事故发生3. 钻孔弯曲的原因有哪些？答：1）地质方面的原因有：各向异性的岩层；倾斜的软硬不均的交错岩层；地质构造复杂和自

24、然破 碎的岩层。2）施工技术方面的原因：设备性能及安装；、开孔换径；钻进技术参数的确定；钻进 方法；钻具结构的选择。 3）工艺因素：钻进方法钻进规程参数4. 测斜原理有哪些： 顶角测斜原理：液面水平原理、重锤原理；方位角测量原理：地磁场定向原理、地面定向原理5. 钻孔弯曲的规律 均质岩石钻孔弯曲强度v不均质岩石，岩石各向异性T钻孔弯曲强度T 层理、片理发育的岩石钻孔顶层进”弯曲。遇层角45，二上匚厅曲强反帀丿 软硬互层岩石中钻孔从软入硬时，弯曲强度T,虽然从硬进入软岩层时，弯曲强度较小，但最终弯曲 趋势仍与顶层进。 芽三松顔戒対岩右、息掐同寸乜L趋T T:古儿注召担包枣依寸可蛰讪仁三-1.疔=

25、1 -(5) 钻孔顶角大时方位角变化小；反之变化大。一般，方位角弯曲与钻具回转方向一致。顶角接近零时方位.2-匕卜已:(6) 在近似水平的岩层中钻垂直孔，即使岩石各向异性强，软硬不均，钻孔也不会产生较大的弯曲。(7) 孔壁间隙大，粗径钻具短，钻具刚度差，钻孔弯曲强度大。立轴与导向管安装不正，钻孔朝安装不正I勺丿1川偏呆-：(8) 钢粒钻斜孔时，由于钢粒集中于孔底左下方，孔身向右上方弯曲，顶角和方位角都发生变化。6. 预防孔斜的措施有那些1)按照地层条件设计钻孔，按钻孔弯曲规律设计钻孔2)保证安装质量，把好换径关3 )采用合理的钻具结构第十一章2. 泥浆漏失的原因：渗透性漏失；天然裂缝，溶涧性漏

26、失；地层被压裂造成的钻孔漏失3. 堵漏用浆液种类：钻井液堵漏，水泥堵漏名词解释强度 ：它是固态物质在外荷载（静或动载）的作用下抵抗破坏的性能指标。硬度 ：它是反映抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力研磨性 ：岩石磨损工具的能力称为岩石的研磨性可钻性 ：钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即表示岩石破碎的难易程度。坚固性系数：把岩石单轴抗压强度的 1/10作为岩石的坚固系数：f= b c/10，岩石抵抗破碎的相对值。它表示 某种岩石比致密的粘土的抗压强度高多少倍 .塑性系数 ：岩石破碎前耗费的总功与岩石破碎前的弹性破碎功之比破岩比功 ：岩石破碎比功表征破碎单位体积岩石的功耗量各向异性 ：指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各 方面。目：国际上金刚石的粒度计量单位， “目”筛网每英寸内的网格数克拉：国际上金刚石的的重量计量单位。 1 克拉=0.2 克PDC :金刚石复合片，由一层金刚石多晶薄层、一层较厚的硬质合金层复合而成。PCD :人造金刚石聚晶，由细小的金刚石颗粒、粘合剂烧结成较大颗粒的多晶金刚石台体浓度 ：金刚石的数量一般以浓度表示最优冲击间隔 ：使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大间隔破岩比功 ：