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钻探工程概论考试复习题一、简答题每题10分1.根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类型。弹塑性岩石弹脆性岩石高塑性和高孔隙性岩石弹脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为Pmax处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h［图(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5。弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点载荷达Pmax时才突然发生脆性破碎［图(b)］。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎［图(c)］，h/δ=1。2.什么是岩石破碎的体积破碎？岩石的变形破碎形式表面破碎疲劳破碎体积破碎表面破碎切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度低。这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区。疲劳破碎切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。体积破碎切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。3.什么是岩石的各向异性？对钻进有哪些影响？岩石在不同方向上表现出不同的强度值称为岩石的各项异性。岩石的各向异性分为两种：一种是由于微裂缝的存在以及在不同方向上的排列，分布不同而导致的，这种各向异性会随着岩石的应力变化而变化，可称为应力各向异性；另一种是由于岩石颗粒的定向排列引起的，这种岩石的各向异性不会随着岩石的应力变化而改变。对钻进的影响：影响进效率的：由于在不同的层理结构上表现出不同的强度性质，在钻进这样的岩石层时会加大钻进的工作量，因此岩石的各向异性会影响钻进效率。影响钻孔偏斜：由于存在岩石的各向异性，使得钻杆在钻进过程中出现受力不平衡的情况，使得钻杆发生一定角度的偏斜甚至弯曲，会影响钻孔的偏斜量。4.影响岩石硬度的因素有哪些？岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。因此，硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩石表面移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生剪切破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。（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。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。（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）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。5.钻探技术的基本构成是什么？设备：钻孔施工所使用的地面设备总称。包括钻探机、动力机、泥浆泵、钻塔等。工艺：取心钻探技术，无岩心钻探技术，多介质反循环钻探技术，其它反循环钻探技术，水文水井钻探技术地质学基础、矿物岩石学、地层学、构造地质学、钻探工程、工程地质、工程与环境物探、钻探机械、6.简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图）与刀具（切削类似）相联系：利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。但在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以下的地层，即可钻性1～7级和部分8级地层。若在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。7.7影响硬质合金性能的主要因素有那些？8.8金刚石钻头有哪些主要类型金刚石钻头按其制造方法不同，可分为烧结法和电镀法两种。金刚石钻头按包镶形式的不同，可分为表镶钻头与孕镶钻头两种1.表镶钻头金刚石分布在胎体表面上，当其刃角磨钝后可回收复用。钻头按金刚石粒度分粗、中、细三种：5～20粒/克拉的为粗粒钻头；20～40粒/克拉的为中粒钻头；40～100粒/克拉的为细粒钻头。一般情况下，细粒钻头适用于钻进致密、坚硬地层。金刚石都是用天然品。硬度较低、完整岩层；2.孕镶钻头金刚石不只是分布在胎体表面上，而且，还分布于胎体内部的一定层厚中。金刚石是10～80目的天然粉级品或60～129目JR4级的人造品。含金刚石的胎体层称为工作层。钻进时，随着胎体的磨损，金刚石切刃才不断露出，旧切刃失去工作能力或脱掉，新切刃相继出露参加工作。因此，孕镶钻头可保持稳定的钻速，应用范围较广。它坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金刚石浓度高、胎体硬度大）；3.还有一种“多层钻头”。它是孕镶钻头的变种形式，与孕镶的区别是胎体内部的金刚石分成几层并有一定排列方式。钻头按金刚石成因分类，可分为天然金刚石钻头(表镶)和人造金刚石钻头(都是孕镶)。此外，还有一种聚晶金刚石钻头，金刚石的镶焊属于表镶，但在工作时却起孕镶钻头作用。它用于钻进较软和研磨性强岩层，可得到很高的钻速。9.简述孕镶金刚石钻头的碎岩机理10.地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？主要区别有以下几点：1.钻孔的直径：Hole：孔，用于地质钻探，孔比较小，用于勘察，勘探Well：井，用于油气井钻探，孔比较大，往往还要用于生产2.钻孔的深度：钻探：比较浅，油气井：比较深，技术有，成本高3.地层情况：钻探：地层比较复杂，低层遇到的种类比较多油气井：一般低层地层单一。11.什么是钻孔结构（也称井身结构）？钻孔结构设计是与钻进有关的，所有工程计算的基础。钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各孔段的深度和口径的变化情况。据地层理想柱状图做出来的。一般来说，换径次数越多、钻孔结构越复杂；换径次数越少，钻孔结构越简单。在可能情况下，应使钻孔结构尽量简单。根据地层条件，一层一层放入套管，所形成图示的结构：设计依据1．钻孔的用途和目的；2．该地层的地质结构、岩石物理力学性质；3．钻孔的设计深度和钻孔的方位方向、顶角方向；4．必需的终孔直径；5．钻进方法、钻探设备参数。11套管在钻探工程中起什么作用？保护孔壁，支撑孔壁防止倒塌，为钻探提供通道在钻探施工过程中，套管用途很广。钻进复杂地层时，用套管护壁堵漏，可保证正常钻进。岩心钻探抽水试验孔可用套管进行止水，保证抽水资料的准确性。长期水文观测和开采孔，可用套管作为出水的通道。下多层套管的目的主要是考虑一下几个方面：一、每口井至少有两层套管;必须下表层套管，目的是保护浅部地层特别是地层水不受污染；二、通常每口井钻进时所穿越的地层存在多个压力系统，钻井行业标准规定同一裸眼井段上下地层压力系数差不得超过0.4；三、如果同一裸眼井段上下压力系数相差太大，无法进行钻井施工，会出现上漏下喷，必须将上部薄弱地层下套管封住；四、对于特别复杂的地层，如容易缩径和蠕变的石膏盐地层为减少卡钻等事故复杂，多下层套管可减少钻井施工的难度和缩短钻井周期，经评估有可能还降低钻井成本。钻探地质套管是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管。套管又是钻探和钻井工作中下人钻孔内,用以保护孔壁封闭孔身的钢管。它的主要功用是防止孔壁坍塌,隔离地层,封闭涌水或漏水层、油气层。在开采井中,套管又是流体、气体生产的通道,例如水井、油气井、地热井、溶解类矿产的开采钻井等,都必须下入生产套管。地质钻探孔内的套管外径小,一般下入的套管也较浅,在钻探任务完成后要将套管起拔出来,可以继续使用。石油天然气下入的表层套管、技术套管和油层套管,在下入井内之后,都需要注水泥将套管与井壁固结起来,封闭死管外的环状间隙,套管就无法取出。即使无工业油气流的探井,下入了套管也一样丢弃在井内。供水井下入的套管称为井管,强度要求不高,井浅时可不用无缝钢管,用铸铁管。12.套管在钻探工程中起什么作用？答:保护孔壁，支撑孔壁防止倒塌，为钻探提供通进钻进复杂地层时，用套管护壁堵漏，可保证正常钻进。岩心钻探抽水试验孔可用套管进行止水，保证抽水资料的准确性。长期水文观测和开采孔，可用套管作为出水的通道。13.12钻探设备包括哪些主要内容？钻探设备是指用于钻探施工这种特定工况的机械装置和设备，主要由钻机、泥浆泵及泥浆搅拌机、泥浆净化设备、钻塔等组成钻机：是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向底层深部钻进，并通过钻机上的升降机来完成起下钻具和套管、提取岩心、更换钻头等辅助工作。钻塔的主要功能：起下钻具（套管）、减压钻进时悬挂钻具、处理孔内事故并为空中作业提供平台。泵的主要功能是：向孔内输送冲洗液以及清洗底孔、冷却钻头和润滑钻具。通常，主要类型的钻探设备均由钻机、钻塔－桅杆、泥浆泵等三部分构成。当然，对于一些大型钻探设备来讲，划分得可能会更细一点，如石油钻机就号称8大件：井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。钻塔设备主要包括以下三个方面的内容：1.钻机：钻机（drill）是在地质勘探中，带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备。又称钻探机。主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。可用于钻取岩心、矿心、岩屑、气态样、液态样等，以探明地下地质和矿产资源等情况。主要分类：潜孔钻机凿岩钻机全液压一体机探矿钻机2.钻塔：钻塔是一种具有一定高度和跨度的金属桁架，是钻井设备的重要组成部分，分为天车、塔身主体、二层台、起塔架、副腿、底盘六个主要部分（可以根据实际需要增减结构部分），钻塔在钻井过程中，用于安放和悬挂提升系统，承受钻具重量，存放钻杆或钻铤等，必须具有足够的承载能力、强度、刚度、整体稳定性和必要的操作使用空间。系列钻塔从结构上分为单管两脚塔、三角塔、四角塔、A型塔、K型塔、桅杆型塔、门字型塔、动态型塔等；从起塔方式上分为液压式、机械式、组装式、伸缩式、折叠式等；从钻塔工作角度上分为直立式和倾斜式；从选材上分为角钢塔、管子塔、型钢塔；从安装型式分为散装型、整体车装型等；从用途上分为石油钻井、水文凿井、岩土工程、地质找矿、煤田勘探、工程勘察等；从提升有效高度上分为8米~55米；从提升能力上分为5吨到1000吨等。3.泥浆泵：钻探过程中﹐向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液的机械。泥浆泵是钻探设备的重要组成部分。在常用的正循环钻探中﹐它是将地表冲洗介质──清水﹑泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下﹐经过高压软管﹑水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端﹐以达到冷却钻头﹑将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的。常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的﹐由动力机带动泵的曲轴回转﹐曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动。在吸入和排出阀的交替作用下﹐实现压送与循环冲洗液的目的。14.什么是正循环钻进？什么是反循环钻进？反循环的形式有多少种？正循环钻进是泥浆自供应池由泥浆泵泵出，输入软管送往水龙头上部进口，再注入旋转空心钻杆头部，通过空心钻机一直流到钻头底部排出，旋转中的钻头将泥浆润滑，并将泥浆扩散到整个孔底，携同钻碴浮