非开挖钻进方法及工艺参数

目前在石油天然气、地质矿产、水文水井、基础工程勘察和施工、环境治理工程和科学钻探等领域所使用的钻进方法很多。例如硬质合金钻进、金刚石钻进、牙轮钻进、绳索取心钻进、冲击回转钻进、定向钻进等等。

钻进工艺参数主要是指钻压、转速和冲洗液流量等，而钻速、扭矩、泵压等也是非常重要的技术指标。

钻进方法和钻进工艺参数一、硬质合金钻进在钻头体上镶焊硬质合金切削刃作为破碎岩石的工具，主要适用于土层和软-中硬岩层中钻进。

钻头出刃大，碎岩机理以压入和切削过程为主，切削刃的磨损会影响钻进效率，应及时修复或更换钻头。

1、钻压的确定

钻压是保证钻头有效碎岩的必要条件。钻压的大小直接影响碎岩方式和钻进效率。钻速随钻压的增大而不断增大，可以分为三个不同的阶段。

I表面破碎阶段；II疲劳破碎阶段；III体积破碎阶段。

阶段I：表面破碎阶段。钻压太小，切削刃作用在岩石上的压力小于岩石的压入硬度，只在岩石表面通过摩擦方式破碎岩石，碎岩效率极低，而钻头的磨损却会不断发生。该阶段的钻压太小，是不合理的。阶段II：疲劳破碎阶段。钻压较小，切削刃作用在岩石上的压力接近于岩石的压入硬度，在岩石中产生很多疲劳裂纹；当钻头回转时，经过切削刃的反复作用，会产生一定量的体积破碎，碎岩效率得到提高。该阶段的钻压偏小，也是不合理的。

阶段III：体积破碎阶段。钻压合理，切削刃作用在岩石上的压力超过了岩石的压入硬度，切削刃发挥切削作用，碎岩效率最高。

钻压可由下式确定：式中：W-钻压，m-钻头上切削刃数量，s-切削刃与岩石的接触面积，σ-岩石的压入硬度。

钻压也不能过高，过高后可能造成下述情况：*在软岩中可能会堵塞钻头水口，造成糊钻；*在硬岩中可能会造成钻头切削刃被压碎；*钻杆柱受压变形，易造成回转阻力增加，钻孔偏斜。（如右图）一般情况下，片状硬质合金钻头适合1-3级岩层，每片切削刃上压力400~600N为宜；柱状硬质合金钻头适合4-8级岩层，每片切削刃上压力800~1600N为宜。

W2、转速的确定

1）在软岩中钻进时由于岩石的压入硬度小、塑性大、研磨性小，可以认为切削具切削下来的岩石厚度等于切削具的压入深度，并且切削具在钻进中磨损很小。可以近似地得出钻速v=h0mnv-钻速，h0-切削具的切入深度，m-钻头上一个切槽宽度上切削具的数目，n-钻头转速。既在容许范围内，转速越高，钻速也越高。

2）在中硬地层中钻进时岩石压入硬度和研磨性都较高，切削具压入岩石阻力较大，并被不断磨损而造成压入更加困难。转速过高会使岩石破碎不充分。在该类岩石中钻进切削具切削下来的岩石厚度小于切削具的压入深度，即h=h0-μn，式中μ为衰减系数，取决于岩石的弹性及塑性；h0为切削具的静压入深度。因此，钻速为v=(h0-μn)mn可见转速有一个最优值n0。m-钻头上一个切槽宽度上切削具的数目，n-钻头转速地层性质、设备能力、钻柱振动、孔壁稳定性以及泥浆的润滑减阻条件等。3）与转速的确定有关的因素确定原则：在设备能力和钻杆质量等完全能满足安全的条件下，小直径钻孔可以开较高转速；浅钻孔可以开较高转速；孔壁稳定性好可以开较高转速；直孔可以开较高转速。否则应适当降低转速。

在普通的硬质合金钻进中，采用的转速一般为100-350r/min；在水平钻孔中转速一般不会超过150r/min。

3、冲洗液量的确定

冲洗液的作用主要是清除孔底岩屑、冷却钻头、保护孔壁和润滑减阻等。冲洗液量的确定首先应以能充分清除孔底岩粉为主要依据。（如果岩粉清除不干净，会产生二次破碎，影响切削刃有效破碎地层。）从确保排出岩粉出发，冲洗液量的确定可用下式计算：

式中：Q-冲洗液量m3/s；β-上返速度不均匀系数（取1.1~1.3）；D-钻孔直径或最大套管内径m；d-钻杆外径m；v-冲洗液上返流速m/s。冲洗液上返速速度必须大于于质量最大的的岩屑在冲洗洗液中的沉降降速度，即：：v=v0+u式中：v0=冲洗液使岩屑屑处于悬浮状状态的临界速速度，或岩屑屑在冲洗液中中的等速沉降降速度；u-岩屑的上升速速度，可取u=(0.1~0.3)v0，钻孔越深，钻钻进速度越高高，u值越大。在一些松软地地层中，如果果在钻头上合合理地设计喷喷嘴，高压冲冲洗液通过喷喷嘴产生高速速射流（50~100m/s），可以实现现辅助碎岩或或造斜的目的的。在石油钻井和和非开挖施工工中都采用了了射流原理。。为了提高射射流的碎岩能能力，需要较较大的冲洗液液流量。冲洗液流量增增加的不利影影响：造成沿程流动动阻力损失加加大，泵压升升高，对泥浆浆泵和钻杆等等输液管线的的质量和密封封有较高的要要求。流量的增加使使环状间隙的的流速加快，，会对孔壁造造成冲刷破坏坏，引起不稳稳定孔壁的垮垮塌。二、金刚石钻钻进主要针对在我我国应用比较较普遍、价格格比较合理的的孕镶金刚石石钻头的钻进进原理进行简简单介绍孕镶金刚石钻钻头所用的金金刚石粒度小小，且埋藏在在胎体之中，，在钻进过程程中金刚石逐逐渐被磨钝，，同时胎体也也会被磨耗；；磨钝的金刚刚石将从胎体体上脱落或被被压碎，而新新的比较锋利利的金刚石不不断出露，始始终能保持钻钻头的钻进碎碎岩能力。钻进规程参数数在孕镶金刚刚石钻进中非非常重要。规规程参数对钻钻头的唇面状状态、钻进效效率以及钻头头的磨损等都都有很大的影影响。1.钻压的确确定在孕镶金刚石石钻进中，由由于钻压的变变化同样存在在表面破碎、、疲劳破碎和和体积破碎三三个阶段。为为了提高钻进进效率，当然然应该使钻压压达到体积破破碎阶段。钻压选择太低低钻进效率低被磨钝的金刚刚石，难于脱脱落或破碎，，新的金刚石石难于出露最终使钻头抛抛光失去继续续钻进能力钻压选择太大大造成钻头过度度磨损，缩短短钻头寿命；；钻进扭矩加大大，使钻杆承承受过大负荷荷；严重时造成断断钻事故等。。一般推荐采用用钻头唇面上上的比压值（（单位有效面面积上的钻压压），对于中中硬岩石，比比压值为400~500N/cm2，对于坚硬岩石比比压为600~700N/cm2。2.转速的确定孕镶金刚石钻头是是靠微切削实现碎碎岩，钻头每转一一圈破碎岩石深度度很小。因此，在在一定范围内加大大钻头转速可以提提高钻速。如果条条件允许的话，应应尽可能开高转速速。孕镶金刚石钻头回回转线速度为1.5~3m/s表镶金刚石钻头回回转线速度为1~2m/s推荐孕镶金刚石钻头所所用的金刚石粒度度小（0.2mm左右），出刃微微小，主要靠高转转速获取钻进效率率。表镶则不然。。3.冲洗液量的确确定冲洗液流量必须满满足充分冷却钻头头和清除岩粉。由由于钻头高速回转转，可能产生大量量热量，而且金刚刚石在高温下会很很快发生碳化失去去切削能力。推荐的冲洗液流量量，供参考。钻头直径,mm3646597591流量，l/min20~3025~4030~4540~6050~704.定切入量钻进进定切入量钻进就是是在钻进过程中保保持钻头每转切入入岩石的深度不变变。通过调节钻压压和转速可以使钻钻头每转切入岩石石的深度不变，实实现定切入量钻进进。定切入量钻进可以以有效地防止钻头头抛光，达到较高高的钻速，减小钻钻头磨损。是比较较合理的钻进方法法。在硬~坚硬岩石中，推荐荐的每转切入量和和钻头直径有关，，可以根据下式来来确定。h=(0.001~0.003)D式中：h-钻头每转切入深度度（mm）D-钻头直径(mm)三、孔底动力钻具具（泥浆马达）钻钻进适用范围：1、在穿越类似河河流等长距离的钻钻孔；2、在坚硬