第一讲----钻探基础知识

１第一讲钻探基础知识一、钻探的基本概念1、钻探：用钻机按一定设计角度和方向向地下钻孔，通过取出孔内的岩芯、岩屑或在孔内下入测试仪器，以探明地下矿产储量、了解地层结构、岩石性质及满足其它工程施工要求等，这种工程称为钻探。2、岩芯钻探：钻进时，在孔底保留岩芯，并主要以提出的岩芯来研究、了解地下地质和矿产情况的钻探方法。3、钻进：利用钻头在孔底工作，破碎岩石和继续加深钻孔的作业。它包括破碎孔底岩石和使钻孔按要求延伸两个方面。4、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。5、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。6、钻孔：为进行矿床勘探或其它工程目的，采用钻探机械设备或其它方法带动钻头而钻得的圆柱形孔。它具有深度大、直径小、方向任意的特点。7、钻孔空间三要素①孔深（L）：孔口至测点的钻孔轴线的长度；②顶角（θ）：测点处钻孔轴线（或其切线）与铅垂线的夹角；③方位角（α）：测点处钻孔轴线在水平面上的投影与磁北方向的夹角。２8、钻孔结构：指由开孔至终孔，孔身口径的变化。它包含着钻孔口径、换径次数、下套管层数、管径、长度、换径深度及套管底部止水封固方法等。３9、循环：泥浆泵通过钻柱内孔（或钻柱与孔壁间隙）将冲洗液送到孔底，完成冲洗孔底、冷却钻头作用后，沿钻柱与孔壁之间的环状间隙（或钻柱内孔）返回地表并将岩粉携带出孔外的过程。４二、钻探的分类1、按施工目的分类见下表序号钻探类别目的1岩芯钻探普查找矿钻探为了揭露地表覆盖层，探察基岩的性质及产状、了解地质构造或验证物探资料等而进行的普查找矿钻探。特点：这类钻孔都比较浅。矿产勘探钻探详细查明一个矿区的地质构造，探明矿体的产状、品位、求得矿产的储量，为矿产的开采提供必要的地质资料而进行的矿产勘探钻探。特点，这类钻孔一般属中深钻孔，钻探工作量比较集中。2水文水井钻探为了查明某地区地下水的赋存状况、水质、水量和在地下的运动规律等水文地质情况，叫水文地质钻探。为开采地下而进行的钻探称水井钻探。3油、气井钻探为勘探和开采石油、天然气矿产而进行的钻探。4工程地质钻探为查明建筑物或构筑物的地基承载力而进行的钻探。5工程施工钻探为达到某种工程施工目的而进行的钻探，例如钻孔灌注桩等。6其它钻探地热钻探、海洋钻探、科学深钻等。2、按碎岩工具（或称为磨料）分类硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进、牙轮钻头钻进等。3、按施加外力的性质和方式分类：冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等。4、按冲洗液类型分类：清水钻进、泥浆钻进、乳状液钻进、饱和盐溶液钻进、泡沫钻进、空气钻进等。5、按冲洗液循环方式分类：正循环钻进、反循环钻进等。6、按是否取心分类：取心钻进、全面钻进等。7、按岩心从孔内输送至地表方式分类提钻取心、不提钻取心（绳索取心钻进和反循环连续取心等）8、特殊的钻探方法绳索取心、定向、潜孔锤、跟管、中心取样、井底动力钻进等。５三、岩芯钻探生产过程1、钻探施工过程：就是从平地基开始，直到钻孔终孔后将设备拆卸完为止的全过程。它包括定孔位→平整与修筑地基→安装钻探设备及附属设备→安装验收→开孔前的准备工作→开孔及下孔口管→换径→钻进→岩矿芯整理、保管和编号→其他工作（下套管，校正孔深，简易水文观测，钻孔弯曲测量）→终孔起拔套管→封孔→钻孔质量检验。2、钻进前准备。是钻孔进入开孔之前进行的全部准备工作，如平地基、安装设备（钻塔、钻机、水泵、动力机等），安装附属设施（场房、安全设施、循环系统、水管、照明等），安装验收和试钻。3、钻进过程。是指钻孔从开孔钻进到终孔的施工过程。4、终孔。是指钻孔停止钻进到设备拆卸完为止所进行全部工作，包括钻孔弯曲测量、测水位、抽水试验、封孔、起拔套管、拆卸设备等。5、岩芯钻进过程：由动力机带动钻机回转，由钻杆、岩心管和钻头组成钻柱，并由钻机供给钻柱一定的轴向压力和扭矩，从而使带切削具的钻头产生刻取岩石的作用，以达到不断往深部钻进的目的。钻进时该取下来的岩粉，随着由泥浆泵通过钻柱送入孔底的冲洗液，经孔壁的环状间隙冲到地表。钻进中岩芯进入岩芯管，通过提升钻具或其它取芯方法将岩芯卡断，从孔底提至地表。从下钻到提钻取岩芯，算一个钻程，叫做一个回次。升降钻具是通过钻塔和钻机的卷扬机来完成的。四、岩心钻探的主要内容钻探设备、钻进方法（钻探工艺）、钻探质量及测量、钻孔冲洗与护壁堵漏、事故预防及处理、机场生产管理、安全技术、相关知识（机械基础知识、机械加工修理知识、电工知识、地质基础知识、矿床知识）等。五、钻探工作的基本内容（基本作业、基本程序、必要工作）破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁。６７８六、岩石的基本知识1、岩石的分类按照岩石的成因不同，岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。①岩浆岩：由岩浆冷凝固结而成的岩石叫岩浆岩，例如花岗岩、玄武岩等，岩浆岩具有坚硬致密、强度及硬度大、研磨性低等特性。②沉积岩：在常温常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用等形成的碎屑物质，经搬运、沉积和成岩作用而形成的层状岩石，例如砂岩、石灰岩等，沉积岩最大的特征是具有层理构造。③变质岩：地壳中各种已成岩石受温度、压力或化学作用，形成的新的岩石叫变质岩，例如大理岩、千枚岩、板岩等，变质岩一般比较破碎，岩层容易漏失、取心困难等。９2、岩石的物理性质与钻探关系密切的有致密性、膨胀性和稳定性等。3、岩石的力学（机械）性质①硬度：岩石抵抗其它刚性物体压入的能力。②强度：岩石在外力作用下抵抗破坏的能力（拉、压、弯、剪）。③弹性、塑性和脆性：岩石在外力作用下的变形特性。④研磨性：岩石对切削具的磨损能力。七、岩石的可钻性1、岩石可钻性的概念：在一定技术条件下，反映钻进岩石难易程度的综合指标。一般以机械钻速（m/h、m/s）作为可钻性指标。2、岩石可钻性的分级原地质部1958年频布的岩石可钻性分级表和地矿部1984年颁布的金刚石岩心钻探可钻性分级表均把岩石可钻性分为12级。3、划分级四类十二级：软的―相当可钻性1~3级；中硬的―相当可钻性4~6级；硬的―相当可钻性7~9级；坚硬的―相当可钻性10~12级。4、现场初略判定岩石可钻性的方法大拇指甲：能刻划1~3级岩石；铁刀：能刻划3~4级岩石；普通钢刀：能刻划4~5级岩石；锉刀（钢锯条）：能刻划5~6级岩石；合金刀：能刻划7~8级岩石；金刚石玻璃刀：能刻划9级以上岩石；5、影响岩石可钻性的因素①岩石强度：岩石的强度俞大，则可钻性就大，钻进效率低。层理对强度的影响：垂直于层理强度大，平行于层理强度小。１０②硬度：岩石的硬度俞大，则可钻性就大，钻进效率低。层理对硬度的影响：垂直于层理硬度小，平行于层理硬度大。③研磨性：岩石磨损切削具的能力。分级：分弱研磨性、中研磨性和强研磨性三级。岩石的研磨性大，对切削具的磨损严重，钻进时钻头的寿命低。④弹性：弹性大，钻进困难；塑性：塑性大，钻进容易，但易产生缩径、蹩水、糊钻等；脆性：脆性大，钻进容易，但采心困难，会造成孔壁坍塌和掉块。八、地质构造的基本知识1、地质构造：岩层在长期地质作用下发生变化，产生变形、变位及不同的接触关系，这种变化的形迹叫地质构造。地质构造基本形态分为褶皱构造和断裂构造两大类。2、褶皱构造：因地壳运动造成的岩层呈一系列的波状弯曲、且保持连续性和完整性的构造变形。3、断裂构造：因地壳运动造成的岩层破裂或沿破裂面位移的构造变形。岩石破裂后，破裂面两侧岩石没有明显位移的断裂构造叫节理；两侧岩层沿破裂面产生显著位移的断裂构造叫断层。１１１２１３１４九、地质构造对钻探工作的影响1、岩层倾斜对钻进的影响：岩石具有各向异性的特性，岩层垂直于层面方向硬度小，易破碎；平行于层面方向的硬度大，不易破碎。因此，水平岩层中钻进效率高，孔壁扩大小，钻孔弯曲小且孔内事故相对少。倾斜岩层、特别是倾斜的软硬互层对钻孔弯曲影响很大，钻孔会有“顶层进”或“顺层跑”的趋势。2、褶皱构造对钻进的影响：从褶皱的局部来看，可视为作倾斜岩层，对钻孔弯曲的影响是有规律可循的；但从褶皱构造的整体来看，各个部位的影响又是不同。3、断裂构造对钻进的影响：①孔壁不稳定，容易出现坍塌、掉块现象。当护壁措施不力时，就会产生钻具回转阻力大，泵压高，蹩车及钻进效率下降等情况，最终导致卡、埋、烧钻及钻具折断和脱落等孔内事故。事故一旦发生，性质都比较严重，提升钻具的阻力较大。②节理和断层的存在使岩石的孔隙度增大，程度不等地消耗钻孔冲洗液，严重时产生涌水和冲洗液严重漏失，使钻进不能正常进行。③节理和断层中钻进容易造成钻孔弯曲，特别是钻孔沿断层面的滑动。岩层的不均匀性及孔壁间隙的增大，是造成钻孔弯曲增大的主要原因。十、钻孔口径知识公称直径46597595(91)150DCDMA标准AQBQNQHQPQSQ47.7559.6975.4495.76122.30150说明：DCDMA标准是美国金刚石钻机制造者协会标准。１５１６