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2011年《岩土钻掘工程学》课程习题1.试述钻探工程所包含的三个基本工艺破碎孔底岩石、提取岩芯及岩粉、加固孔壁。2.钻探工程的包括哪几个基本工序过程1、平整场地，布置循环系统，安装钻塔及设备；2、按设计方向开孔，在孔口固定孔口管；3、根据岩石的物理力学性质和钻孔直径，选择钻进方法和钻进工艺参数，加压回转，破碎岩石；4、冲洗介质循环，排屑、冷却、润滑钻具、保护孔壁等；5、钻头在孔底钻出环状空间，并形成岩心，随着钻孔的加深岩心充满岩心管；，6、提钻取心，重新组配好钻具，下入孔内延伸钻进。钻孔三要素：钻孔直径、钻孔深度、钻孔方向3.按成因，简述岩石基本类型、成因及物理力学特征根据其成因，岩石可分为三类：1、岩浆岩：岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。2、沉积岩：沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。。3、变质岩：变质岩是岩浆岩、沉积岩甚至是变质岩本身在地壳中受到高温、高压及活动性流体的影响而变质形成的岩石。岩浆岩的强度和硬度都较高，沉积岩的强度和硬度则较低，而变质岩的强度和硬度变化不均。4.岩石的强度与哪些因素有关？（1）一般情况下，造岩矿物强度越高，岩石的强度也越高。沉积岩的强度取决于胶结物所占的比例及其矿物成分。细粒岩石的强度大于同一矿物组成的粗粒岩石。（2）岩石的孔隙度增加，密度降低，强度也降低。因此，一般岩石的强度随埋深的增大而增大。（3）岩石的强度往往具有各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。（4）岩石的受载方式导致岩石的强度值差异很大。岩石的抗压强度最大，抗剪强度约为抗压强度的10%。因此，钻掘过程中，破岩工具应主要以剪切的方式来破碎岩石。（5）多向应力状态下的岩石强度比单应力状态下的强度高出许多倍。（6）加载速度的影响：①加载速度增加，岩石的强度提高；②加载速度对塑性岩石强度的影响大，对脆性岩石强度的影响小。5.试述岩石硬度与岩石强度的区别和联系，影响岩石硬度的因素有哪些？区别与联系（1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；（2）抗压强度是物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。（3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。影响岩石硬度的因素螺旋钻进震动钻进其他钻进方法回转冲击钻进冲击回转钻进冲击回转钻进金刚石复合片钻进金刚石钻进牙轮钻进硬质合金钻进钢粒钻进回转钻进冲击钻进钻进方法分类（1）岩石中坚硬矿物愈多、胶结物的硬度越大、岩石的颗粒越细、结构越致密，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。层理对岩石硬度的影响与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向，硬度值最小；平行于层理方向，硬度最大；两者之间可相差1.05～1.8倍。（3）在各向均匀压力的条件下，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。6.根据岩石在外载作用下的变形特征，图示说明岩石破坏的形式（1）脆性破坏：破坏前不存在塑性变形。呈脆性破坏的岩石称为脆性岩石；（2）塑性破坏：破坏前发生大量的塑性变形。呈塑性破坏的岩石称为塑性岩石；（3）塑脆性破坏：先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏。呈塑脆性破坏的岩石称为塑脆性岩石。7.试述岩石的研磨性及其影响岩石研磨性的因素，岩石对切削工具的磨损有哪些形式？岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。岩石磨损形式（1）摩擦磨损：岩石与切削工具相对滑动而产生的磨损。与所钻岩石的研磨性、切削工具的耐磨性、钻进规程参数有关；（2）磨粒磨损：孔底破碎岩屑对切削工具的磨损。与岩屑的硬度和研磨性、岩屑的数量（钻进速度）、钻孔冲洗的程度等有关。在金刚石钻进中这种磨损形式起着重要的作用，因为岩粉能磨蚀金刚石钻头的胎体，帮助孕镶金刚石出刃。影响岩石研磨性的因素（1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性也越强，石英岩具有强研磨性（2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强。（3）岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强。（4）岩石表面粗糙，局部接触易产生应力集中，研磨性增强（5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质和多矿物的岩石（如花岗岩）研磨性较强。岩石中较软的矿物（云母，长石）首先被破碎下来，使岩石表面变粗糙，同时石英颗粒出露，从而增强了研磨能力。（6）介质的影响，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低8.何谓岩石的可钻性？划分岩石的可钻性有何意义。岩石可钻性的概念岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。在钻探生产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m／h。岩石的可钻性及可钻性分级的意义可钻性及可钻性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩石破碎的难易程度的综合指标。对钻探生产非常重要，它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。9.简述碎岩刃具对岩石破碎的作用方式及基本特征，硬质合金钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、分属哪一类？切削一剪切型:钻头碎岩刃具以速度vθ向前移动而切削(剪切)岩石。冲击型:冲击型刃具给孔底岩石以直接的冲击动载冲击—剪切型:钻头刃具不仅以Pz和Pθ作用于岩石，而且还有使钻头向前回转的移动速度vθ和冲锤对齿刃的冲击速度vz或牙轮滚动时齿刃向下冲击的速度vω。10.根据切削具对岩石的作用力不同，简述岩石的破碎形式及其主要特征。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。11.以平底圆柱形压头或球形压头为例，试述压入岩石的应力特征及碎岩过程。平底压模压入时的岩石变形破碎过程1、加载时，第一极值带产生环形裂纹；2、开始时，ac方向裂隙的伸展比ao快；3、远离自由面，ac方向的伸展速度迅速减慢；4、多数情况下，裂隙在o点相交比到达c点晚；5、在c点产生指向自由面、o点的裂隙；6、c点迅速到达自由面并与从o点来的裂隙相遇；7、产生aob主压力体和mon剪切体；8、压模阻力急剧降低，压模下落；9、aob体破碎，部分碎岩压出，部分压在压头下面。10、继续施载，碎岩石在压模下面被压实，并在剪切体内产生弹性变形；11、裂隙沿a′c′和a′o′方向向深部伸展；12、在比第一种情况下大得多的外载作用下，裂隙把a′o′b′体和m′c′o′c′n′体分离开来；13、a′o′b′体和m′c′o′c′n′体中的岩石将被压碎，部分碎岩压出，部分被压在压模的下面；14、继续施加外载，上述现象将重复进行。球状切削具压入时的岩石变形破碎过程1、开始时，切削具与岩石接触的是一个点；2、外载增加，切削具和岩石产生弹性变形，接触面开始增大；3、接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；4、随外载增加，接触面增大，产生与原有裂隙平行的新裂隙系；5、外载再增加，触面增大，新裂隙向深处伸展；6、球状切削具总的弹性变形不与外载成正比例。外载继续增加时，弹变总值减小，应力增大，裂隙伸展的深度增大；7、以后的破碎过程与平底压模时类似。球状切削具与平底压模压人岩石时的区别在于：1、裂隙对主压力体aob内的岩石进行了初步破坏；2、破碎的岩石再次压在切削具下面的较少；3、球状切削具压入岩石时，可以分为2种破碎形式：（1）形成相交的裂隙系对岩石进行破碎；（2）剪切体mcocn的分离。12.试述硬质合金钻进的基本概念与特点，钻探用硬质合金有何特性？硬质合金钻进的基本概念利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。硬质合金钻进的特点（1）切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔。不受孔向、孔径和孔深的限制；（2）钻出的孔壁及岩心直径比较一致，表面比较光滑，有利于安全钻进和保证取心；（3）可以根据不同的岩性和要求，合理地设计和选择钻头的结构，以便在不同的岩层中取得较优的效果；（4）钻进中操作简便，容易掌握。（5）钻孔质量容易保证，岩心采取率较高，孔斜较小。硬质合金的特性（1）钻探用的钨—钴合金：主要是碳化钨（WC）—钴(Co)系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉为粘结剂，用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG类硬质合金。（2）牌号的意义：合金牌号如YG8c的意义为：YG—钨-钴系硬质合金；8—钴的百分含量为8%；c（x）—粗（细）粒合金。（3）硬质合金的特性：合金中含钴量增加，相对密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗弯强度、冲击韧性增高；WC的颗粒越细，硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。13.试述硬质合金钻进的碎岩机理及其在塑性岩石和弹-塑性岩石碎岩过程硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎。根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。塑性岩石的碎岩情况切入岩石的过程钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于或至少等于岩石的抗压入硬度。回转切削过程切削具切入岩石并回转时，在水平力Px作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自由面滑移，称为切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全段面断裂之前，下一部分切屑又发生滑移。因此，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。实际上，由于钻具的振动、冲洗液的冲刷，切削的岩屑是碎裂成岩粉被冲洗液带至地表；在Py和Px共同作用下的切入比Py单独作用下切入更容易，也切入的更深弹塑性岩石的孔底破碎过程弹塑性岩石是硬质合金钻头的主要钻进对象。理论上，按切削具的切入条件，需要很大的轴向力，而实际的Py力要小得多（1/6~1/3），究其原因，主要是切削具并非以静压入的方式破岩，而是在双向力的同时作用下破碎岩石。其碎岩的显著特点则是在切削具的作用下以跳跃式的剪切破碎为主。岩石破碎大体分三个阶段：1、切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。2、刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。3、当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；同时，Px力急剧增大，当Px力达到极限值时，产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。切槽断面近似于梯形。切槽宽度有规律地变化，B1为大剪切时的切槽宽。孔底的破碎过程沿着倾角为γ的螺旋面进行。14.何谓硬质合金钻头的出刃？其有何作用？钻进中如何选择确定出刃？切削具出刃镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃。切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。内、外出刃作用：保证钻头体与孔壁、岩心之间有一定的间隙，避免钻头体摩擦孔壁和岩心，为循环冲洗