钻探工艺学

勘探钻进原理Explorationdrillingprincipals主讲：段隆臣博士LecturedbyDr.longchenDuan绪论(Preface)•一、“钻探工艺学”课程的内容、地位和任务•二、钻进技术的用途•三、钻进方法的分类•四、学习本课程应注意的问题一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位Contentsandstatusof“ExplorationDrillingPrinciples”•1、内容岩石的物理力学性质与碎岩机理钻头与钻进工艺钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）•2、地位2.1从专业课的课时分配上说明2.2从与其它专业课的关系上进行说明2.3从专业历史沿革进行说明二、钻进技术的用途Applicationfieldsofdrillingtechnology•找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、极地钻探、科学钻探）•开采矿产资源•工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、通风孔等）三、钻进方法的分类Classificationofdrillingmethod•按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质合金钻进、钢粒钻进•按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进。•按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环钻进、孔底局部反循环钻进•按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进（a）正循环（b）正循环（c）孔底局部反循环四、学习本课程应注意的问题Problemsnotedinlearningthesubject•1.理论联系实际，课本描述性语言多,注意总结,结合实践,上升理论；•2.理论、实践并重；•3.注重实验课；•4.注重工程实例。第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism•第一节、岩石的物理力学性质•第二节、岩石可钻性及其分级•第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式•第四节、静载作用下的岩石应力状态•第五节、外载作用下岩石的破碎过程第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism•第一节、岩石的物理力学性质•第二节、岩石可钻性及其分级•第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式•第四节、静载作用下的岩石应力状态•第五节、外载作用下岩石的破碎过程第一节岩石的物理力学性质Physical&mechanicalpropertiesofrocks一、岩石的组成与分类岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成。沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。二、岩石的结构与构造岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造。岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。图1－1晶体结构类型图1－3层理产生的原因图1-2胶结物的类型岩石照片花岗石花岗石花岗岩白云岩第二节岩石的自然性质Naturalpropertiesofrocks岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成的特性。密度:单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量.比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积.一般来说,密度越高,强度越大。孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大,强度越低.含水性:W=(GW-GD)/GD透水性:KW=ŋql/A(Pi-Po)岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。第三节岩石的力学性质Mechanicalpropertiesofrocks•岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。•变形特性：弹性、塑性和脆性•强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度•表面特性：硬度和研磨性1.3.1、变形特性（deformationproperties）•弹性变形•塑性变形岩石破坏的形式Brokenformofrocks脆性破坏塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）(a)(b)(c)影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Factsaffectingrockselasticityandplasticity）1、岩石物质成分2、岩石结构构造3、应力状态4、载荷性质5、受力条件6、温度和湿度岩石弹塑性的测定Measureofrock’selasticityandplasticityKp=SOABC/SODE图1.1－10由应力－应变曲线确定弹性模数图1.1－11岩石压入时的载荷－侵深曲线1.3.2、强度性质（Strengthproperties）•岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。图1.1－14岩石单轴抗压试验1－岩样；2－球座；3－钢垫板图1.1－15岩石单轴拉伸试验1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cmiPPaAσ图1.1－16圆盘劈裂试验图1.1－17剪切试验1－岩样；2－上下剪切模具；3－模套；4－斜锲块；5－上下垫板；6－钢滚子Бt=2p/3.14DL影响岩石强度的因素（Factorsaffectingrocksstrength）1、岩石的物质成份2、岩石的结构构造3、岩石的容重和孔隙度4、受力条件5、应力状态6、载荷速度7、岩样的线性尺寸8、湿度和温度1.3.3、表面特性(Surfaceproperties)•岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。•岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。影响岩石硬度的因素（Factorsaffectingrockshardness）•岩石的矿物成分和结构构造•应力状态•载荷速度•液体介质•工具形状和尺寸影响岩石研磨性的因素（Factorsaffectingrocksabrasiveness）•岩石的矿物成分和结构特征•正压力•滑动速度•介质第四节岩石可钻性及其分级（Drillabilityofrocksanditsclassification）•岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度。•它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。•岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。1.4.1岩石可钻性分级的观点(Viewpointsonclassificationofrockdrillability)•用岩石力学性质评价岩石的可钻性•用实钻速度评价岩石的可钻性•用微钻速度评价岩石的可钻性•用碎岩比功评价岩石的可钻性1.4.2划分岩石可钻性的具体方法(Methodsforclassificationofrockdrillability)•力学性质指标法•实际钻进速度法•模拟钻进速度法•破碎比功法第五节钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式（Mainmodeofactionbetweenrock-brokentoolandrock）第六节静载作用下的岩石应力状态（Stressconditionsofrockunderstaticload）•一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态()222rPpaar2Ppa图1.1－34平底圆柱压头压力面上的压力分布图1.1－36球形压头压力面上的压力分布图1.1－37平底压头压入时沿对称轴的应力分布三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态图2－15轴向力作用时岩石内的应力分布图2－16轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布（a）等应力线图；（b）应力状态特征Ⅰ－压应力区；Ⅱ－拉应力区；Ⅲ－过渡区在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图2－15）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图2－16）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无线体内（如图2－16(b)所示），形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ）。由此可以推知，在兩向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点：1.轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。2.轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。3.当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。第七节外载作用下岩石的破碎过程（Failureprocessofrockunderexteriorload）•一、岩石的变形破碎方式图1.1－45破碎功与破碎产物粉碎度的关系1－根据黎金格尔定律；2－根据基尔切夫定律图1.1－46转速与载荷的关系曲线•二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程•三、尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理图2－21液体压差下的碎岩机理图2－20尖楔状切削具碎岩机理第二章、回转钻进用钻头Drillingbitsusedintherotary-tabledrilling•第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程•第二节、硬质合金钻头•第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程•第四节、金刚石钻头和扩孔器•第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程•第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程•第七节、全面钻头第二章回转钻进用钻头Drillingbitsusedintherotary-tabledrilling•第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程•第二节硬质合金钻头•第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程•第四节金刚石钻头和扩孔器•第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程•第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程•第七节全面钻头第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failureprocessofdownholerockdrilledbycarbide-insertbit•一、钻探用硬质合金(hardmetalfordrilling)通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料，