钻探基础知识

1、第一讲 钻探基础知识一、钻探的基本概念1、钻探：用钻机按一定设计角度和方向向地下钻孔，通过取出孔内的岩芯、岩屑或在孔内下入测试仪器，以探明地下矿产储量、了解地层结构、岩石性质及满足其它工程施工要求等，这种工程称为钻探。2、岩芯钻探：钻进时，在孔底保留岩芯，并主要以提出的岩芯来研究、了解地下地质和矿产情况的钻探方法。3、钻进：利用钻头在孔底工作，破碎岩石和继续加深钻孔的作业。它包括破碎孔底岩石和使钻孔按要求延伸两个方面。4、钻进方法：向地下钻孔时，破碎孔底岩石的方法和技术措施的总称。5、钻探工艺：如何利用一定的设备和工具来破碎岩石（土层），在地层中造成一个有一定直径和深度的圆滑规则的钻孔，并采取

2、一定的技术措施以保证钻进工作顺利进行的全部工作。6、钻孔：为进行矿床勘探或其它工程目的，采用钻探机械设备或其它方法带动钻头而钻得的圆柱形孔。它具有深度大、直径小、方向任意的特点。7、钻孔空间三要素孔深（L）：孔口至测点的钻孔轴线的长度；顶角（）：测点处钻孔轴线（或其切线）与铅垂线的夹角；方位角（）：测点处钻孔轴线在水平面上的投影与磁北方向的夹角。8、钻孔结构：指由开孔至终孔，孔身口径的变化。它包含着钻孔口径、换径次数、下套管层数、管径、长度、换径深度及套管底部止水封固方法等。9、循环：泥浆泵通过钻柱内孔（或钻柱与孔壁间隙）将冲洗液送到孔底，完成冲洗孔底、冷却钻头作用后，沿钻柱与孔壁之间的环状间

3、隙（或钻柱内孔）返回地表并将岩粉携带出孔外的过程。二、钻探的分类1、按施工目的分类见下表序号钻探类别目的1岩芯钻探普查找矿钻探 为了揭露地表覆盖层，探察基岩的性质及产状、了解地质构造或验证物探资料等而进行的普查找矿钻探。特点：这类钻孔都比较浅。矿产勘探钻探 详细查明一个矿区的地质构造，探明矿体的产状、品位、求得矿产的储量，为矿产的开采提供必要的地质资料而进行的矿产勘探钻探。特点，这类钻孔一般属中深钻孔，钻探工作量比较集中。2水文水井钻探 为了查明某地区地下水的赋存状况、水质、水量和在地下的运动规律等水文地质情况，叫水文地质钻探。为开采地下而进行的钻探称水井钻探。3油、气井钻探为勘探和开采石油、

4、天然气矿产而进行的钻探。4工程地质钻探为查明建筑物或构筑物的地基承载力而进行的钻探。5工程施工钻探为达到某种工程施工目的而进行的钻探，例如钻孔灌注桩等。6其它钻探地热钻探、海洋钻探、科学深钻等。2、按碎岩工具（或称为磨料）分类硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进、牙轮钻头钻进等。3、按施加外力的性质和方式分类：冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等。4、按冲洗液类型分类： 清水钻进、泥浆钻进、乳状液钻进、饱和盐溶液钻进、泡沫钻进、空气钻进等。5、按冲洗液循环方式分类：正循环钻进、反循环钻进等。6、按是否取心分类：取心钻进、全面钻进等。7、按岩心从孔内输送至地表方式分类 提钻取心、不提钻取心（绳索取心

5、钻进和反循环连续取心等）8、特殊的钻探方法绳索取心、定向、潜孔锤、跟管、中心取样、井底动力钻进等。三、岩芯钻探生产过程1、钻探施工过程：就是从平地基开始，直到钻孔终孔后将设备拆卸完为止的全过程。它包括定孔位平整与修筑地基安装钻探设备及附属设备安装验收开孔前的准备工作开孔及下孔口管换径钻进岩矿芯整理、保管和编号其他工作（下套管，校正孔深，简易水文观测，钻孔弯曲测量）终孔起拔套管封孔钻孔质量检验。2、钻进前准备。是钻孔进入开孔之前进行的全部准备工作，如平地基、安装设备（钻塔、钻机、水泵、动力机等），安装附属设施（场房、安全设施、循环系统、水管、照明等），安装验收和试钻。3、钻进过程。是指钻孔从开孔

6、钻进到终孔的施工过程。4、终孔。是指钻孔停止钻进到设备拆卸完为止所进行全部工作，包括钻孔弯曲测量、测水位、抽水试验、封孔、起拔套管、拆卸设备等。5、岩芯钻进过程：由动力机带动钻机回转，由钻杆、岩心管和钻头组成钻柱，并由钻机供给钻柱一定的轴向压力和扭矩，从而使带切削具的钻头产生刻取岩石的作用，以达到不断往深部钻进的目的。钻进时该取下来的岩粉，随着由泥浆泵通过钻柱送入孔底的冲洗液，经孔壁的环状间隙冲到地表。钻进中岩芯进入岩芯管，通过提升钻具或其它取芯方法将岩芯卡断，从孔底提至地表。从下钻到提钻取岩芯，算一个钻程，叫做一个回次。升降钻具是通过钻塔和钻机的卷扬机来完成的。四、岩心钻探的主要内容钻探设备

7、、钻进方法（钻探工艺）、钻探质量及测量、钻孔冲洗与护壁堵漏、事故预防及处理、机场生产管理、安全技术、相关知识（机械基础知识、机械加工修理知识、电工知识、地质基础知识、矿床知识）等。五、钻探工作的基本内容（基本作业、基本程序、必要工作）破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁。六、岩石的基本知识1、岩石的分类按照岩石的成因不同，岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩：由岩浆冷凝固结而成的岩石叫岩浆岩，例如花岗岩、玄武岩等，岩浆岩具有坚硬致密、强度及硬度大、研磨性低等特性。沉积岩：在常温常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用等形成的碎屑物质，经搬运、沉积和成岩作用而形成的层状岩石，例如砂岩、石灰

8、岩等，沉积岩最大的特征是具有层理构造。变质岩：地壳中各种已成岩石受温度、压力或化学作用，形成的新的岩石叫变质岩，例如大理岩、千枚岩、板岩等，变质岩一般比较破碎，岩层容易漏失、取心困难等。2、岩石的物理性质与钻探关系密切的有致密性、膨胀性和稳定性等。3、岩石的力学（机械）性质硬度：岩石抵抗其它刚性物体压入的能力。强度：岩石在外力作用下抵抗破坏的能力（拉、压、弯、剪）。弹性、塑性和脆性：岩石在外力作用下的变形特性。研磨性：岩石对切削具的磨损能力。七、岩石的可钻性1、岩石可钻性的概念：在一定技术条件下，反映钻进岩石难易程度的综合指标。一般以机械钻速（m/h、m/s）作为可钻性指标。2、岩石可钻性的分

9、级原地质部1958年频布的岩石可钻性分级表和地矿部1984年颁布的金刚石岩心钻探可钻性分级表均把岩石可钻性分为12级。3、划分级四类十二级：软的相当可钻性13级；中硬的相当可钻性46级；硬的相当可钻性79级；坚硬的相当可钻性1012级。4、现场初略判定岩石可钻性的方法大拇指甲：能刻划13级岩石；铁刀：能刻划34级岩石；普通钢刀：能刻划45级岩石；锉刀（钢锯条）：能刻划56级岩石；合金刀：能刻划78级岩石；金刚石玻璃刀：能刻划9级以上岩石；5、影响岩石可钻性的因素岩石强度：岩石的强度俞大，则可钻性就大，钻进效率低。层理对强度的影响：垂直于层理强度大，平行于层理强度小。硬度：岩石的硬度俞大，则可钻

10、性就大，钻进效率低。层理对硬度的影响：垂直于层理硬度小，平行于层理硬度大。研磨性：岩石磨损切削具的能力。分级：分弱研磨性、中研磨性和强研磨性三级。岩石的研磨性大，对切削具的磨损严重，钻进时钻头的寿命低。弹性：弹性大，钻进困难；塑性：塑性大，钻进容易，但易产生缩径、蹩水、糊钻等；脆性：脆性大，钻进容易，但采心困难，会造成孔壁坍塌和掉块。八、地质构造的基本知识1、地质构造：岩层在长期地质作用下发生变化，产生变形、变位及不同的接触关系，这种变化的形迹叫地质构造。地质构造基本形态分为褶皱构造和断裂构造两大类。2、褶皱构造：因地壳运动造成的岩层呈一系列的波状弯曲、且保持连续性和完整性的构造变形。3、断裂

11、构造：因地壳运动造成的岩层破裂或沿破裂面位移的构造变形。岩石破裂后，破裂面两侧岩石没有明显位移的断裂构造叫节理；两侧岩层沿破裂面产生显著位移的断裂构造叫断层。九、地质构造对钻探工作的影响1、岩层倾斜对钻进的影响：岩石具有各向异性的特性，岩层垂直于层面方向硬度小，易破碎；平行于层面方向的硬度大，不易破碎。因此，水平岩层中钻进效率高，孔壁扩大小，钻孔弯曲小且孔内事故相对少。倾斜岩层、特别是倾斜的软硬互层对钻孔弯曲影响很大，钻孔会有“顶层进”或“顺层跑”的趋势。2、褶皱构造对钻进的影响：从褶皱的局部来看，可视为作倾斜岩层，对钻孔弯曲的影响是有规律可循的；但从褶皱构造的整体来看，各个部位的影响又是不同。3、断裂构造对钻进的影响：孔壁不稳定，容易出现坍塌、掉块现象。当护壁措施不力时，就会产生钻具回转阻力大，泵压高，蹩车及钻进效率下降等情况，最终导致卡、埋、烧钻及钻具折断和脱落等孔内事故。事故一旦发生，性质都比较严重，提升钻具的阻力较大。节理和断层的存在使岩石的孔隙度增大，程度不等地消耗钻孔冲洗液，严重时产生涌水