第三讲岩心钻探工艺

24第三讲岩心钻探工艺第一部分：钻进基本知识一、钻孔结构1、定义：指由开孔至终孔，孔身口径及长度的变化。亦即钻孔的技术剖面。2、内容：包括钻孔口径、换径次数、下套管层数、管径、长度及换径深度、套管底部止水封固方法等。3、要求：在保证钻孔质量和安全的前提下，尽可能采用优质泥浆、水泥浆或化学浆液护壁堵漏，力争少换径，少下或不下套管，最大限度地简化钻孔结构。4、下套管的目的：隔离复杂地层。5、在下列情况下，往往需要换径和下入套管：①钻进松散的砂砾石层、流砂层，受地下水影响泥浆护孔无效时。②穿过较厚的节理裂隙发育的破碎带，坍塌掉块严重，采用泥浆或其它护孔方法无效时。③钻孔遇到含水构造与大裂隙贯通，严重漏水，用其它方法止水无效时。④钻孔达到一定深度后，为了适应设备负荷的能力可换径钻进。6、钻孔结构的选择因素岩石性质、水文地质条件、终孔口径、钻孔深度、钻进方法、钻孔用途、护孔措施、施工设备等。7、钻具级配：钻杆直径与钻孔直径（钻头直径）的配合关系。它反映了孔壁间隙的大小，对钻杆的工作状态、冲洗液的流动、钻具回转阻力的大小都有重要影响。二、钻进基本知识1、钻进方法：向地下钻孔时，破碎孔底岩石的方法和技术措施的总称。2、钻探工艺：如何利用一定的设备和工具来破碎岩石（土层），在地层中造成一个有一定直径和深度的圆滑规则的钻孔，并采取一定的技术措施以保证钻进工作顺利进行的全部工作。3、钻进方法分类①根据破碎岩石的外力和方式不同，分为回转钻进、冲击钻进和冲击回转钻进等；②根据碎岩工具（磨料的材质）不同，分为硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进等；25③根据冲洗循环方式不同，分为正循环、反循环和孔底局部反循环钻进。④根据是否取心分为取心钻进和全面钻进。4、如何选择钻进方法：主要根据岩石的物理机械性质选择钻进方法。①软的和部分中硬岩层，选用硬质合金钻进；②部分中硬至硬的岩层，选用针状合金、金刚石复合片或钢粒钻进；③中硬至坚硬岩层，选用金刚石、钢粒或潜孔锤钻进。5、开孔钻进前应作好哪些准备①开孔钻进前应备好足够数量的钻杆、套管、定向管、钻头、钢粒、油料、冲洗液、拧卸工具、专用取心工具、必要的短岩心管、岩心箱及各种报表等。②必须对钻探设备及安装质量进行全面检查，不合要求时应进行修理、调整。必要时可重新安装，决不能凑合。③深孔钻进开孔时，为防止孔斜，必要时可以在孔口挖一坑，埋入定向管，钻进到基岩后再下入套管。浅孔开孔应使用泥浆护孔，如坍塌严重，可采用人工造壁的方法钻进，钻到基岩后下入套管。6、开孔钻进时应注意事项开孔钻进时应逐步加长岩心管，并采用轻压、慢转、适当泵量钻进。换径时应使用综合式导向钻具，以防止钻孔弯曲。开孔钻进时往往是覆盖层，冲洗液易漏失，降低孔壁的稳定性，要注意防止卡钻、埋钻、糊钻、烧钻等孔内事故发生。套管应下在完整的基岩上。下套管之前，先向孔内投入粘土球并捣实，使套管插入粘土中，以封闭套管底部。套管上端应用木楔固定，并用粘土封闭，必要时可用水泥封闭。在固定套管前，将主动钻杆与套管连接，用以检验套管是否端正以及钻孔中心是否与套管中心对正。三、钻进技术参数（钻进规程）1、定义：影响钻进效率和钻头使用寿命的一些可控制的技术参数以及它们之间的配合关系。2、内容：一般钻进方法的钻进技术参数包括钻压（P）、转速（n）和泵量（Q），钢粒钻进方法还包括投砂量和投砂方法，冲击回转钻进方法还包括冲击间隔、冲击频率和冲击功大小等。3、理解：①钻进技术参数直接影响着钻进效率和钻头使用的寿命，所以它很重要；26②根据钻进地层情况和钻进方法，可人为调控钻进技术参数，改变它们的数量大小及它们之间的配合关系；③钻进技术参数之间不是孤立的，而是相互联系、相互配合的。4、分类：①最优钻进规程：指在一定的技术条件下，确定能达到最好技术经济指标的钻进参数值。一般所说的钻进规程即是指最优钻进规程。②强力钻进规程：指钻进时采用比一般钻进参数为高的钻进参数值，以达到更高钻进速度。有时也称快速钻进规程。③特殊钻进规程：为了某一或某些特殊的目的和要求而采用的特殊技术措施和特殊的受限制的且合理的钻进参数值。5、如何控制和调整钻进技术参数：①根据孔内情况：包括孔底岩石性质、孔壁情况、孔深、孔径、角度、钻头类型及磨损情况、钻具条件、冲洗液性质等；②操作人员不能直接观测孔内情况，要控制钻进参数，必须勤于观察，善于分析，积累知识和操作经验。四、钻探破碎岩石的方式1、三种碎岩方式：①表面研磨破碎。钻压过小，切削具不能压入岩石；②疲劳破碎。钻压稍大，但仍不足以压入岩石，只能使岩石表面产生裂纹，经反复作用才能产生效率很低的碎岩方式；③体积破碎。钻具能保证切削具压入岩石，在回转力的共同作用下产生剪切破碎。2、体积破碎的过程：①压入、②剪切第二部分：硬质合金钻进一、概述1、概念：利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具在给进力和回转力共同作用下破碎孔底岩石，同时，用冲洗液来冷却钻头并将破碎下来的岩石颗粒排出孔外的钻进方法。2、特点：钻进操作简单，在中硬以下地层钻进效率高，质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻探方法灵活，适应范围广。3、硬质合金钻进适应范围27适用于岩石可钻性1~6级及部分7~8级弱研磨性的岩层钻进，钻孔直径46~150mm，钻孔角度任意。4、硬质合金钻具：单管硬质合金钻具。二、影响硬质合金钻进的主要因素1、岩层性质：包括硬度、研磨性、裂隙性、不均匀性及岩层的硅化程度等。2、钻头方面：①硬质合金的质量：如硬度、强度、韧性和抗磨性能等；②硬质合金切削具的形状、规格等；③切削具在钻头体上的排列形式及数量；④镶焊的方法及镶焊的质量。3、钻进时的操作技术和钻进规程。三、硬质合金钻进原理脆性岩石碎岩过程、塑性岩石碎岩过程、切入和切削同时作用下的碎岩过程四、硬质合金1、钻探用硬质合金的特点：①硬度大，耐磨性好；②有一定的抗弯强度和抗冲击韧性，能够承受一定的弯矩和冲击；③热稳定性和导热性好；④成型性好，便于镶焊在钻头体上。2、硬质合金成份地质矿山用硬质合金主要成份是碳化钨（WC）和钴（CO），其中碳化钨粉末为骨架，钴的粉末为粘合剂，这类硬质合金统称为钨钴合金，代表符号为YG。3、硬质合金牌号①牌号：YG4X（Y－碳化钨、G－钴、4－钴的百分含量、X－细粒）②钴含量对合金性能的影响：随着钴含量的增加，抗弯强度增高，韧性增大，硬度和耐磨性降低；含钴量减少，则抗弯强度降低，韧性变小，硬度增高。③碳化钨粉末粗细对合金性能的影响：粉末愈粗，硬质合金抗弯强度增加，硬度下降；粉末愈细，硬度增高，抗弯强度降低。4、地质勘探用硬质合金形状①硬质合金形状有：薄片形、柱形、针状和八角形等。②磨锐式硬质合金的形状及特性A、磨锐式合金都具有刃尖角（或修磨成刃尖角），钻进时随合金磨损，刃尖角断面积逐渐增大，几何形状有薄片形合金和柱状合金。28B、薄片形合金：有直角薄片、菱形薄片和矩形薄片，这类合金切削性能好，易切入岩石较深，但强度和耐磨性较差，多用于钻进1~4级软岩层。C、柱状合金：有方柱状、八角柱状和锥片状三种，这类合金钻进时与岩石接触面积大，但其强度和耐磨性都较大，多用于钻进4~7级中硬岩层，其中八角柱状合金可用于较硬岩层，锥片桩柱状可用于液动冲击回转钻进。一般情况下，八角柱状合金比方柱状合金钻进时，具有易于破碎岩石，便于排除岩粉，抗磨能力强和便于焊牢等优点。③自磨式硬质合金的形状及特性：自磨式硬质合金有圆柱状（针状）和片状两种，钻探现场针状合金用的较多。在钻进中，它没有刃尖角，磨损后合金断面不增加，能维持原有克取效率，适用于钻进6~7级和部分8级地层。五、硬质合金钻头1、钻头结构参数钻头体、切削具数量、切削具出刃、切削具在钻头底面的排列方式、切削具的镶焊角、水道形式及数量等称为钻头结构参数。①钻头体：镶嵌切削具的基体，长度85~100mm；②合金数量（切削具数量）：取决于钻头直径和岩石的研磨性；③切削具出刃：切削具镶焊好后超出钻头体的部分；分为底出刃、内出刃和外出刃，目的是保证切削具切入岩石和冲洗液畅通；④切削具排列方式：分为单环和多环，单环适用于软岩石，多环适用于中硬岩石；⑤切削具的镶焊角：分为直镶、正斜镶和负斜镶；⑥水口及水槽数：目的是保证冲洗液畅通冷却钻头和排粉。2、硬质合金钻头分类①取心式钻头：包括磨锐式和自磨式两种。②全面式钻头：包括翼片式、矛式和环翼式等。3、常用硬质合金钻头类别及适应地层①螺旋肋骨钻头：适用于钻进2~4级松软、塑性、易膨胀堵水的岩层；②阶梯式肋骨钻头：适用于钻进3~5级胶结不紧密的岩层；③普通硬质合金钻头：适应于钻进2~5级均质岩石；④单双粒钻头：适用于钻进4~5级较硬、研磨性岩石；⑤品字形钻头：适用于钻进4~6级范围内的岩石；29⑥三八式硬质合金钻头：适用于钻进5~7级多裂隙岩层；⑦负前角阶梯式钻头：适用于钻进5~7级较硬、研磨性、节理发育的岩石；⑧自磨式针状硬质合金钻头：适用于钻进6~7级及部分8级地层。4、对钻头加工质量的要求①保证有高的同心度，钻头底唇面应与轴线垂直；②硬质合金在钻头底唇面上的定位要准确；③镶焊硬质合金的槽穴要略大于略大于合金，保证有一定的间隙，以便于焊接铜液充填，镶焊要牢固；④底出刃要平齐，内外出刃应保持一致；硬质合金的切削刃要一致；⑤不要用铁锤直接敲击硬质合金，焊接时要先预热，加热时喷枪火焰不能直接对着硬质合金，焊好后放入灰箱中缓慢冷却并进行修磨；⑥水口、水槽加工要符合设计要求。六、硬质合金钻进技术参数1、钻压①表示方法：钻头上的总钻压（总压力）和单位钻压（每颗合金上的钻压）。②钻压对钻速的影响：切削具作用在岩石上的单位压力必须大于岩石的抗压强度，才能以体积破碎方式进行工作，从而获得较高钻速和减少切削具的磨损。但压力过大则易产生下列危害：A、切削具切入岩石过深，容易引起崩刃或加大磨损，导致钻头寿命和钻进效率降低；B、易造成钻孔弯曲，影响钻孔质量；C、钻杆弯曲，易磨损和断裂，弯曲的钻杆刮磨、敲打孔壁，影响孔壁稳定并使回转阻力增大；D、在软岩钻进中冲洗孔底跟不上破碎岩石速度，容易造成烧钻事故。E、钻具受力条件恶化，容易出现钻具断、脱等孔内故障，扫孔时还可能出现夹钻事故。③合理确定钻压的原则：保证切削具能压入岩石，产生体积破碎，即P≧σ·Sσ－岩石抗压入能力，取决于岩石性质；S－切削具与岩石接触面积，取决于切削具的类型和数量。④确定钻压的步骤：按钻进需要计算钻压，然后根据具体加以修正和调整。轴向总钻压＝每颗切削具所需钻压×切削具数30⑤实际操作时钻压选择应注意的事项A、钻进较硬岩石和强研磨性岩石应适当增大压力，否则光磨切削具，进尺少；钻进软岩或弱研磨性的岩石可采用中等压力，如压力过大，进尺过快，会造成重复破碎或糊钻现象，也会降低效率；钻进裂隙地层或软硬不均地层时，应适当减少压力，以防合金崩刃或造成孔斜。B、在实际生产中，开始接触孔底时的初钻压，应比正常压力小1/3~1/4，钻进5~10分钟再转为正常压力。初压小，主要防止合金崩刃和消除钻头镶焊质量造成的出刃误差，以适应孔底条件。在钻进中，要随切削具的磨损与岩石接触面积增大，而增大钻压，以保证使岩石产生体积破碎时所需钻压。C、采用针状合金钻头时，因钻头上针状合金胎块的截面积大于同径的普通合金钻头切削具刃部截面，又因有一部分钻压要消耗于胎体的磨损，因此需要较大钻压，一般比同径普通合金钻头所需压力大20%左右。2、转速①定义②表示方法：转数（n）和转速（V）；关系：n＝60v/πD。n－转/分钟、v－米/秒、D－米（钻头直径）、π－3.1416③转速对钻进效率的影响5④钻进中如何选择转速3、冲洗液量①定义：指钻进时送入孔内的冲洗液流量，有时也称泵量或送水量。②冲洗液量对钻进的影响③冲洗液量的计算A、计算公式：Q＝6VF（L/min）式中：Q－冲洗液流量L/minV－冲洗液上返流速，取V＝0.3~0.45m/sF－钻孔与钻杆环状间隙，F＝π（D2－d2）/4cm2D－钻头直径cmd－钻杆直径cmB、经验公式：Q＝KD（L/min）式中：Q－冲洗液流量L/minK－送水系数，K＝6~15L/cm·minD－钻头直径cm。岩石软、研磨性大