【大学课件】岩土钻掘工程学

第五章回转钻进工艺

1、钻进效果指标及钻进规程参数

2、硬质合金钻进工艺

3、金刚石钻进工艺

4、钢粒钻进工艺

5、牙轮钻进工艺

6、全面钻头钻进工艺国家精品课程第五章回转钻进工艺1、钻进效果指标及钻进规程参数国家2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

一、钻进效果指标（一）概述

1、钻进效果指标的定义

是衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻进成本、钻进质量之间有着密切的联系。

2、钻进效果指标内容

钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。不可控影响因素（客观存在），地层岩性及其埋深等可控影响因素（可人工调节），钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节【大学课件】岩土钻掘工程学【大学课件】岩土钻掘工程学2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

4、经济钻速在国外叫做商业钻速，表示一台钻机在一个月（季）可计入成本时间（基本工序时间

t

、辅助工序时间

t1、补充作业时间T1和非生产工序所用的时间T2

）与同期钻进进尺H

之比。

(m/h)

T2——一个月（季）钻机安装、大修、处理孔内事故等非生产性作业的时间，h。劳动组织、动力供给、物资供应、技术状况越好，特别是无事故，经济钻速就会越高。台月效率——

vB×

30×24。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

5、循环钻速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速

(m/h)

式中：T3——用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔等开孔准备和终孔作业的时间，h。循环钻速表示钻探工程技术和组织管理、协调的总状态。它取决于经济钻速、安装及运输、基地的条件等。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

二、钻进规程

（一）概述

钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

（二）钻进规程的类型1、最优规程在一定地质条件和钻进方法下，为保证钻孔质量，获取最高钻速或最低钻进成本而选择的钻进参数搭配叫最优规程。每米钻进总成本(元/m)Cb—钻头价格；Cr—钻机单位时间费用；H—钻头进尺。变换得：(元/m)

vm—机械钻速，m/h；t—纯钻时间，h；

k=t1/t

、K1=T1

/t、K2=T2

/t

；2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

对于一定的钻孔、设备和孔深，k、K1、K2基本上为一经验值。依据C=f（vm），求出对应于最低成本Cmin的最优钻速vm优，并由此可确定最优的钻压、转速等规程参数。2、合理规程在给定条件下，当规程参数选择受到某种制约时（例如设备功率不足，钻具强度不够、冲洗液泵量不足等），在保证钻孔质量的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。3、专用规程为完成特种取心，纠斜，定向钻进等任务所采用的参数组合称为专用规程。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节钻进2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

三、钻进过程中各参数间的基本关系

1、钻压对钻速的影响实际钻压=给进力(钻具质量+正或负的机械施加力)-(冲洗液浮力+孔内摩擦阻)。常用的表示钻压的方法：（1）钻压P——整个钻头上的轴向载荷，受钻头类型、口径和切削具数量影响，可比性较差；（2）钻头唇面比压p——切削具与岩石接触单位面积上的轴向载荷，涵盖了钻头口径和类型的影响，可比性较好。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节钻进2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

钻压在很大的变化范围内与钻速近似成线性关系；a点之前，钻压太低，钻速很慢；b点之后，钻压过大，甚至切削具完全吃入岩层，孔底冷却和排粉条件恶化，钻头磨损也加剧，钻进效果变差钻速:vm∝（P-W）,式中

W—ab线在钻压轴上的截距，相当于切削具开始压入地层时的钻压。在石油钻井中称为门限钻压，取决于岩层性质。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

2、转速对钻速的影响

钻软、塑性大、研磨性小的岩层时（曲线Ⅰ），钻速vm与转速n基本呈线性关系；钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线Ⅱ），钻速vm与n开始呈

直线关系，但随着n继续增大而逐渐变缓，转速愈高，钻速增长愈慢；钻中硬、研磨性强的岩层（曲线Ⅲ），开始类似于曲线Ⅱ，但vm随n增大而增大的速率缓慢，当超过某个极限转速n0后，钻速还有下降的趋势。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节钻进2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

在其他钻进参数保持不变的情况下，钻速可表述为

vm∝nλ

λ为转速指数，一般小于1，其数值大小与岩性有关。3、切削具的磨损对钻速的影响在钻进中随着切削具的磨钝，若此时钻值保持不变，则机械钻速v也必然逐渐下降。实质是钻头唇面比压p下降引起的。

4、水力因素对钻速的影响一定钻速下，单位时间钻出的岩屑量一定，需要一定的水功率才能完全清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。软岩：高于这个水功率值水力参加破岩，机械钻速升高。但水浮力增加，对钻速的提高会造成不利影响(硬岩层中)。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节钻进2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

对孕镶和自磨式钻头，若遇到弱研磨性岩石，为保持钻头自锐能力，必须在孔底保存一定的岩粉，过大的水功率将导致钻速下降，甚至抛光钻头。

5、冲洗液性能对钻速的影响

5.1冲洗液密度对钻速的影响冲洗液密度决定着孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差孔底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍孔底岩屑及时清除，压差增大将使钻速明显下降。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第一节

钻进效果指标与钻进规程参数

5.2冲洗液粘度对钻速的影响其他条件一定时，冲洗液粘度的增大,将使孔底压差增大，浮力增大，并使孔底钻头获得的水功率降低，从而使钻速降低。5.3冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响固相含量、固相颗粒的大小和分散度对钻速对钻进速度有明显影响。固相含量相同时，分散性冲洗液比不分散冲洗液的钻速低。固相含量越少，两者的差别越大。一般应用固相含量<4%的不分散冲洗液。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第一节钻进2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。

一、钻头压力的选择

钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图5-1中，a点继续增加钻压，其钻速将呈直线增长。不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。

中硬—硬（Ⅵ~Ⅶ级）岩石最敏感。

Ⅳ~Ⅴ级岩石钻压过大，孔底排粉冷却条件恶化，阻碍钻速成比例上升；

Ⅷ~Ⅸ级岩石不宜硬合金钻进，在钻杆强度范围内钻压不能使钻速直线增长。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

应充分发挥切削具初刃的切入优势。硬质合金钻进开始时就应以允许的最大初始钻压钻进。等切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得好的钻效。从两个方面分析增加钻压的意义：岩石方面——钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加钻压对提高钻速更为有效；在切削具方面——初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较大差距。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

实际生产中首先选择每颗切削具上的压力值p，然后根据钻速的变化情况适时调整。岩石越硬、研磨性越强，p值取上限；粘性软岩取小值；裂隙地层也应取小值。钻头上的总压力为P总=p×m

YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值岩层切削具形状单位压力推荐值p

(kN/颗)

Ⅰ~Ⅳ级软-部分中硬岩石片状0.40~0.70Ⅴ~Ⅶ级中硬-部分硬岩石方柱状中八角柱状大八角柱状0.80~1.200.90~1.401.50~1.80研磨性大的岩石方柱状中八角柱状1.20~1.401.20~1.702024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

二、钻头转速的选择(必须考虑岩性和时间因素的影响)

由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学，

(m/s)

钻软岩↑转速的效果最显；而另两类岩石由于破岩时间效应影响显著，故钻速随转速而增大的趋势下降。时间效应——岩石在切削具作用下，从发生弹性变形-形成剪切体-跳跃式吃入一定深度，需要一短暂时间。切削具要在岩面停留短暂时间Δt，使裂隙发育至自由面形成剪切体。如果转速超过临界值(n＞n0)切削具作用于岩面时间＜Δt，裂隙尚未发育载荷便移走了，造成表面破碎。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

硬质合金切削具的线速度推荐值岩石性质

线速度取值范围

(m/s)

软的、弱研磨性岩石1.2~1.6中硬的、具有研磨性的岩石0.9~1.2中硬—硬的研磨性岩石0.6~0.8裂隙性岩石0.3~0.62024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

三、冲洗液泵量及其性能的选择

冲洗液的排粉、冷却、润滑和护壁诸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此为依据来选择泵量。液流的阻力与流速平方成正比，如泵量过大引起的孔底脉动举离力将抵消一部分钻压；造成在岩心管内、外环间隙中流速过高，可能冲毁岩心或孔壁。合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。

(L/min)

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

孔内岩屑颗粒的上返速度主要取决于液流的上返流速、冲洗液的性能、岩屑颗粒尺寸及其密度。清水冲洗时，液流上升速度取0.25～0.6m/s；泥浆冲洗液时，液流上升速度取0.20～0.5m/s。为提高钻速，在可能的条件下应尽量选用清水作冲洗液；若用泥浆其粘度和密度值宜小不宜大，并尽量用低固相不分散泥浆。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第二节

硬质合金钻进工艺

四、P、n、Q参数间的合理配合

在实际钻进中P、n、Q都不是单独起作用，存在交互影响。软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。定性分析的原则是：钻进Ⅳ~Ⅴ级及以下岩层，以较高转速为主；钻进Ⅴ~Ⅵ级及以上岩层，应以较大的钻压为主。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

五、最优回次钻程时间的确定

1.思路原理磨锐式钻头的瞬时钻速随切削具磨钝而递减。当瞬时钻速下降到什么程度起钻换钻头最好？确定最佳回次钻程时间的标准是回次钻速达最大值。钻头在t时间内的累计进尺H为：代入到回次平均钻速计算公式中，可以得到：

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

令，可求出最优回次钻程时间：

，代入上式得最优回次钻速为：据瞬时钻速vm与进尺H的关系()，代入t0，可求出此时的瞬时钻速为：在t0时刻，瞬时钻速与回次钻速正好相等。这便为在现场用绘图法确定最佳钻程时间t0提供了理论依据。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

2.作图法确定最优回次钻程时间利用瞬时钻速vm-t和

vR-t两曲线的交点来确定t0

。在钻进中，随时计算vm＝△H/△t

，vR=H/(t+T)。当两者相等时，此时间即为最优钻程时间t0

。用回次进尺曲线的切点来确定t0

。起下钻时间为T，令OA＝T。当斜率直线AB与H-t相切时，tgθ为最大值，即vR为最大值。切点对应的时间为t0。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

3.自动确定最佳钻程时间的方法

在有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每7s由微机计算一次瞬时钻速和回次钻速，按不等式

vR/vm＜Cm

(Cm取值1.1~1.2)判断是否需要终止回次钻程。若不等式能满足，则钻进过程处于图5-6中t0点左边或刚过，可继续钻进。如果不满足，说明已稳定地超过t0

点。为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察5min。这时微机系统给一个钻压增量ΔP，观察瞬时钻速vm

是否继续增大而重新满足不等式，同时每秒测算一次Cm

值，如果不满足不等式的次数达60%，则发出“起钻”的命令。应用该方法曾使回次钻速提高了10%~20%。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第二节

硬质合金钻进工艺

六、自磨式硬质合金钻头的规程特点

自磨式与磨锐式钻头的主要区别：接触面积恒定，回次进尺较长，以磨削和微剪切碎岩为主，要求切削具能自磨出刃。（1）钻压：与岩石的接触面积大，总钻压应大于磨锐式20~25%；（2）转速：由破岩机理，必须采用比磨锐式更高的转速，以提高单位时间的破岩次数；（3）泵量：可以采用比磨锐式略小的泵量，但为了充分冷却（转速较高）和避免重复破碎，应尽量采用大泵量。随着胎块的磨耗，过水断面减小需及时调小泵量，以防蹩泵。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第二节硬质2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

一、合理选择金刚石钻头金刚石钻进中所选用的钻头必须和所钻的岩性相适应。尤其是孕镶金刚石钻头的结构参数较为复杂，选择时应根据所钻岩层性质综合考虑到金刚石品级、胎体性能（保证钻头自锐）、唇面形状、内外径补强和水路设计等因素。二、金刚石钻进规程参数

评定金刚石钻进规程的主要依据是：钻速、钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

1.钻压

金刚石钻进分：表面研磨破碎、疲劳破碎、体积破碎随钻压的增加，单位进尺的金刚石耗量也增长很快。过大的钻压使金刚石耗量急剧增大，导致钻速下降。钻压值应选择在最优区内。具体选择钻压时，可根据岩石硬度、金刚石的抗压强度和钻头的类型等因素确定。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

1.1表镶金刚石钻头的钻压P

根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压：

P=mp

（N）m——工作金刚石的粒数=总粒数的2/3~3/4；p——单粒金刚石压力，N/粒.细粒金刚石：p≈1~1.5dN/粒；中粒金刚石：p≈1.5~2dN/粒；粗粒金刚石：p≈2~3dN/粒；特优质级金刚石：p≈5dN/粒.

1.2孕镶金刚石钻头的钻压W

孕镶钻头金刚石粒多、刃小，钻压对金刚石强度的影响降为次要因素，主要应根据岩石的性质确定钻压W=Fq

（N）

F——钻头实际面积,mm2；q——单位面积压力。中硬岩石4~5N/mm2；坚硬或高质量金刚石6~7N/mm2。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

3、选择和施加钻压时还应注意以下几点：

（1）岩石性质。软岩层或破碎、非均质岩层宜选下限钻压；

（2）金刚石。金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限钻压，反之，则取下限钻压；

（3）钻头类型。钻头直径大、壁厚、岩石接触面积大时，宜选用上限钻压。

（4）注意新钻头与孔底的磨合。在磨合阶段应使用低钻压、低转速，使钻头唇面形状与孔底及岩心根部逐渐相吻合。

（5）

孔底实际钻压。钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成钻具振动，使孔底实际的瞬时动载可能是地表仪表指示钻压的0～3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

2.转速转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最小。

2.1

表镶金刚石钻头的线速度表镶金刚石粒度较大出刃也较大，允许有较大的切入量，转速应低于孕镶钻头。推荐的线速度为1~2m/s。2.2孕镶金刚石钻头的线速度孕镶金刚石粒度很小（一般粒径0.2mm）出刃微小，主要靠高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为1.5~3m/s。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速

单位：r/min

钻头直径(mm)

364659(56)6675(76)91表镶钻头650~1300500~1000400~800350~650300~550250~500孕镶钻头1000~2000750~1500600~1200500~1000400~850350~700选择合理转速时：(1)岩性。如岩层破碎、软硬不均、孔壁不稳，宜选下限转速。(2)钻孔。如钻孔结构简单、环空小、孔深不大，应选高转速。(3)设备和钻具。实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转速。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

3.冲洗液泵量在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。Q=6vF(L/min)。v—环空上返流速，要求v≥0.3~0.5m/s。金刚石钻头环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔

壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。例如，钻进中突然钻速降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或“烧钻”的预兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

选择冲洗液量时应考虑以下因素：

岩性：坚硬致密岩岩粉量少，选择下限泵量；强研磨性岩，摩擦功较大需大泵量冷却，但防止冲蚀胎体使金刚石脱落。钻头：孕镶出刃微小，多水口循环，高转速，宜用较大泵量防烧钻。表镶出刃较大，排粉和冷却较好，可选较小泵量。防烧钻(尤其孕镶)

：试验表明，满足冷却胎体只需每厘米钻头直径0.2~0.3L/min就可。但转速为800r/min，钻头唇面压力为10MPa时，钻头每转一圈胎体温升1.73°C。所以钻进中冲洗液停止循环1~2min，便可能造成烧钻的恶性事故。金刚石钻进常用泵量值:钻头36~91(mm)

泵量20~70(L/min)2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

三、金刚石钻进的临界规程

在临界规程下钻头胎体急剧温升，功耗剧增，甚至烧钻。1、胎体温度与钻压P和转速n的关系当P×n达临界值胎体温度由100~200°C急升至600~700°C对具体岩石而言P×n

的临界值基本上是常量。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第三节

金刚石钻进工艺

2、功耗、机械钻速与钻进规程的关系钻进功耗、机械钻速也与临界规程有直接关系。规律与胎体温升的趋势一致，与胎体温升同步进入临界状态，在同一临界值，功耗、机械钻速激增。用孕镶金刚石钻头钻进某花岗岩时，最高钻速不得超过临界值37mm/min，否则将出现胎体温度剧增的严重后果。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节金刚2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

3、胎体温度与冲洗液的关系试验表明，当钻进过程进入临界状态后，冲洗液的冷却效果有限度，单纯依靠增大泵量不解决问题。表5-8数据表明泵量增大一倍时，胎体温度和功率消耗虽有某种程度的降低，但并不能使钻进过程从临界转为正常规程。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

4、钻头磨损与钻进规程的关系当由正常规程转入临界规程时，钻头磨耗都是突然急剧增大。曲线Ⅱ的磨耗量比曲线Ⅰ高3倍，可能是生产条件下孔内动载使金刚石强度和胎体硬度降低。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第三节

金刚石钻进工艺

综上所述，可以得出两点结论：（1）金刚石钻进，每种岩石都存在临界规程，其P·n值基本是个常数；P和n之间存在着明显的交互影响，必须同时考虑它们的取值；进入临界规程的主要表现是胎体温度急升，钻头严重磨耗，虽然此时钻速也很高，但可能导致烧钻。因此，必须保证钻进生产工艺处在小于临界规程的状态下。（2）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程是否正常。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第三节2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

一、影响钢粒钻进效果的因素

1.钢粒规格对钻进效果及质量的影响钢粒粒度大要求钢粒钻头的壁厚加大，导致岩心过细，孔径扩大，对取心和防斜不利。常用直径3mm的切制钢粒，钻头壁厚为粒径的3~4倍。2.钻头硬度和水口形状的影响

为了有效地带动钢粒在孔底翻滚破岩，要求钻头与钢粒之间有水平联系力。这种联系力靠钻头唇面的变形和摩擦。联系力应大于钢粒翻滚时的阻力。钻头底唇硬度应略低于钢粒硬度，才能带动钢粒翻滚。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

选择钢粒钻头水口形状的原则具有良好的“导砂”性能，能保持较稳定的孔底过水断面；钻头磨损后唇面压砂面积变化幅度较小，水口加工方便。双斜边和双弧形水口有利于顺利导砂，在水口高度磨短后，钻头唇面面积变化相对较小，可保持轴向压力基本不变。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

二、钢粒钻进的规程选择

钢粒钻进要求孔内有一定量的钢粒，规程中除P、n、Q外，还包括投砂方法与投砂量两个规程参数。投砂方法及投砂量1.1一次投砂法回次开始前，把回次进尺所需要的钢粒一次投入孔内。投砂量取决于岩性和回次长短。投砂量不足将造成钻速低、钻孔缩径，挤卡钻具的事故。投砂过多不利于排粉和孔底的钢粒分选，也影响钻速和取心质量。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

估算钻进Ⅷ~Ⅹ级岩石的一次投砂量

G=KD

(kg)

1.2结合投砂法

回次开始前先投入所需钢粒的50%~60%，待到确认孔底钢粒已消耗得差不多时，再从钻杆中分1～2次补投其余的钢粒。可钻性达Ⅺ、Ⅻ级或强研磨性岩石宜采用结合投砂法可适当延长回次纯钻进时间。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

2.钻压的选择钻压是孔底碎岩的必要条件，并影响碎岩方式；钻压是钻头牵动钢粒联系力的主要依据。总的钻压值实践证明，随着单位压力增大机械钻速上升，但当达pmax值后，钢粒可能被压碎或“嵌入”钻头唇面，钻速明显下降。影响pmax

的因素：钢粒钻头唇面硬度、钢粒强度、岩石可钻性和钻头转速。岩石愈硬，钢粒相对强度和耐磨能力↓，则所需的pmax

也↓；随转速加快钢粒在孔底翻滚频率↑，对提高钻速有利，所以，当转速较快时pmax值↓。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第四节

钢粒钻进工艺

3.转速的选择钢粒在孔底翻滚受到孔壁和岩心限制，其速度滞后于钻头的线速度。钢粒钻进主要用于脆性岩石，破岩的时间效应不明显，钢粒可在孔底自动分选与补给。所以可采用较高转速。实践证明，只要钻头外环状空间钢粒柱的高度不小于水口高度，水口又能保证及时导砂，则适当提高转速不会出现“高转速的离心力会把钢粒甩出钻头唇面”。选择转速应综合考虑钻头口径、钢粒的强度、孔深和钻杆强度等因素。其中钢粒的相对抗压碎强度与岩石硬度及孔底的脉动频率有关，所以在坚硬岩石中宜采用较低的转速。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四节钢粒2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

110mm钢粒钻头的转速选择参考表

岩石级别Ⅶ~Ⅸ＞Ⅹ孔深(m)0~200200~400＞4000~300＞300转速(r/min)180~250180140~180180150~1804.泵量的选择

钢粒钻进泵量除了排粉、冷却的功能外，还在孔底钢粒的补给、分选中起主要作用。泵量存在着最优值。若不足无法正常地排屑和碎钢粒，使完整钢粒的翻滚阻力增大，甚至较少接触孔底，故钻速很低。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

泵量过大，会把孔底完整钢粒冲上来，既破坏了钻头唇面附近钢粒动平衡，又将加剧岩心管的磨损，导致钻速下降甚至酿成岩心管折断或钢粒卡钻的恶性事故。泵量的选择取决于岩性、钢粒规格、钻头直径、水口尺寸、钻压和转速的大小、冲洗液性能及一次投砂量等因素。

Q=q0D(L/min)清水q0=3~5L/min·cm，泥浆时q0=1.5~3L/min·cm。岩石级别较高、钻头水口较小、钻压较低、转速较高、孔底存砂量较少时取下限，反之亦然。生产中随进尺增加水口将逐渐被磨短，水口处的流速加快；这时孔底钢粒也被磨小，钻头处工作钢粒数量减少。因此，在整个回次钻程中应分段逐次改小泵量，称为“改水”。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第四节

钢粒钻进工艺

三、钻进规程合理性的判断

1、根据钻头磨损的情况判断（1）正常磨损的钻头，其底唇呈圆弧形麻痕均匀，说明投砂量和冲洗液恰当。（2）钻头底唇面光滑明亮、没有麻痕，说明钻头下面没有钢粒。（3）钻头底端磨成喇叭口形，且内周没有麻痕。说明冲洗液量过大，钻头底内没有钢粒，直接与岩心摩擦。（4）钻头底磨成外锥形，锥面光滑。说明冲洗液量过小，钻头外周与岩粉和孔壁磨损所至。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四节钢粒2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第四节

钢粒钻进工艺

（5）钻头外麻痕过高超过水口，说明孔底钢粒偏多水量过大。麻痕高度基本上与水口齐平或略低于水口，则砂量正常，送水合适。

2、根据岩心变化情况判断

（1）岩心直径上下基本一致，说明钢粒量和冲洗液掌握适当；（2）岩心直径过粗，说明冲洗液过大或孔底钢粒偏少；（3）岩心直径过细，说明冲洗液量过小，或孔底钢粒过多；（4）岩心粗细上下不均一，冲洗液时大时小或投砂不均所致；（5）岩心上细下粗，回次初投钢粒量多水小，回次末水偏大。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第四2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第五节

牙轮钻进工艺

一、牙轮钻进的钻速方程牙轮钻进钻速vm与钻压、转速、牙轮磨损、压差和水力因素间的关系式(m/h)式中：P—钻压kN；W—门限钻压kN；n—转速r/min；K—地层可钻性；λ—转速指数(<1)；C2—与齿形和岩性有关的牙齿磨损系数；CH—孔底水力净化系数CH≤1；CP—差压影响系数CP≤1；h——牙齿相对磨损量,新钻头h=0，全磨损h=1。W、K、λ、C2在岩性、钻头类型、冲洗液和水力参数一定时是常量，可通过现场钻进试验和钻头资料确定。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第五节牙轮2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第五节

牙轮钻进工艺

二、钻头磨损方程

钻压对牙齿磨损速度的影响

牙齿磨损速度式中:D1和D2—钻压影响系数与牙轮钻头尺寸有关。钻压=D2/D1时，牙齿的磨损速度无限大，即D2/D1是该钻头的极限钻压。2.转速对牙齿磨损速度的影响钻压一定时转速↑牙齿的磨损速度也↑。式中：Q1和Q2——由钻头类型决定的系数。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第五2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第五节

牙轮钻进工艺3.牙齿磨损状态对牙齿磨损速度的影响楔形齿的面积将随着齿高的磨损不断增大，磨损速度也随着齿高的磨损而下降。牙齿磨损速度方程

式中：C1—牙齿磨损减慢系数；Af—地层研磨性系数。三、钻进方程中有关参数的确定(自习)四、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速确定

(自习)五、水力参数的优选(自习)

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第五2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻头钻进工艺一、硬质合金全面钻头的规程选择1、翼片（刮刀）式全面钻头的规程选择（1）泵量：

Q=vF

（L/min）（2）钻头转速：

n=120~300（r/min）（3）轴向载荷：

P=qcmD

（N）（4）大直径钻进为防钻杆弯曲与折断，在钻柱的下部加接钻铤的合理长度：h=kP/qT

（m）

k=1.25~1.4

。

刮刀式钻头钻进时推荐的规程参数如表5-13所列。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻头钻进工艺2.干式螺旋钻的规程选择

2.1转速在长螺旋钻进中，钻屑是依靠钻杆旋转时的离心力甩到螺旋叶片外侧输送上来（主动），否则只有被随后的钻屑推着向上走（被动），这容易造成堵塞。∴螺旋转速是关键参数。临界转速的概念

转速低钻屑的离心力小，孔壁对钻屑的摩擦力不足以使钻屑与叶片之间产生相对运动，钻屑只能随叶片旋转而不上升。转速增大，孔壁对钻屑的摩擦力也增大，转速超过某一临界值后，孔壁对钻屑的摩擦力足以使钻屑与螺旋叶片之间产生相对运动，钻屑就会上升。这称为临界转速。

2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻头钻进工艺（2）临界转速的计算取单颗钻屑为研究对象，以临界转速nk（ωk）旋转时，颗粒随螺旋叶片旋转而不上升，钻屑颗粒处于临界平衡状态。受重力mg，离心惯性力F1，孔壁对颗粒的法向反力（惯性力的反作用力），孔壁对颗粒的摩擦力Ftμt，螺旋叶片对颗粒的全反力（用分力Fsz和Fsy表示）。2024/3/31中国地质大学勘查与基础工程系第六节全面钻2024/4/1中国地质大学勘查与基础工程系

第六节全面钻头钻进工艺展开螺旋线，孔壁作用于颗粒的摩擦力Ftμt水平方向，重力mg向下，螺旋面对颗粒的全反力Fs。由力多边形