钻探复习

勘探工程的目的

是探明各种具有工业开采价值的有用矿产。勘探工程分为两大部分：地质普查和勘探矿产地；钻探工作和山地工作。钻探工程在整个地质勘探工作中占有很重要的地位。

钻探工程

是用一定的工具，在地壳内按着一定的工艺破碎岩石的整个过程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。

钻探的主要工序：①钻进破碎岩石。②取心排粉。把破碎后的岩石用取岩心和排除岩粉的形式将其从孔底排出到孔口外，以保证钻进继续进行。③升降钻具。提取岩心或更换钻具。④加固井壁。保证井壁稳定，不坍塌埋卡钻具。

根据取心的情况钻探分为岩心钻探和无岩心钻探两大类。 岩心钻探可以从钻孔内取出圆柱形的岩样——岩心。 无岩心钻探（不取岩心钻探，全面钻进钻探），即在钻进过程中将孔底的岩石全部破碎成岩粉（屑）排出孔口。

三、钻探工程的应用范围和分类 （一）应用范围

（1）普查找矿钻探。 （2）矿产勘探钻探。 （3）水文地质钻探。 （4）工程地质钻探。 （5）石油、天然气钻探。 （6）工业工程施工钻探 （二）钻探方法分类

1．根据钻进时取心的特点分类 2．根据钻孔的用途分类

3．根据钻孔中心线的倾角和方位角分类 4．根据孔位位置分类

5．根据钻孔布置方法和方案分类 6．根据破岩形式分类 （1）物理方法破碎岩石

（2）化学方法破碎岩石。此法使用较少，例如溶解、软化岩石等。 （3）机械方法破碎岩石。这种方法目前应用最广，分类如图所示： 7．根据钻进使用的冲洗液分类 目前采用的冲洗液有以下几种形式

（1）清水。在孔壁稳定的岩层中钻进时使用．

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（2）泥浆。在弱稳定性岩石或破碎岩石中钻进时使用．

（3）加重冲洗液。为防止地下水、石油和气体从孔内喷出，为防止弱稳定性岩石从孔壁上塌落，可用加重冲洗液洗孔钻进。

（4）充气冲洗液。为降低冲洗液的比重，减小浪性对孔壁的静液住医力，为在裂隙和有洞穴的岩石中减少冲洗液的而失，可用充气冲洗液钻进。

（5）乳化液。为降低钻具与扎墨的摩擦系数，降低钻具振动、减少钻具回转功率及实现高速钻进等，可用乳化液冲洗钻孔钻进．

（6）饱和盐溶液。当钻进盐类地层时用同样成分的饱和盐溶液，可以防止岩心和孔壁的溶解。

（7）冷的压缩空气（气体）。用于永冻地层钻进，对供给孔内的空气进行冷却和脱水处理、吹洗钻进时可以避免岩心和孔壁暖化。 四、全液压钻机类型

根据钻机的不同结构，全液压钻机可以分为立轴式和动力头式两类． （1）立轴式全液压钻机。 （2）动力头式全液压钻机。

立轴式和动力头式两种全液压钻机相比，后者比前者先进。动力头或全液压钻机是岩心钻机的发展方向之一．

一、泥浆泵在钻探工作中的作用 （1）清除岩屑。 （2）供给钻具能量。 （3）输送特种物质。 （4）判断孔内情况。

三、钻井工作对泵的要求

①流量均匀且能在较大范围内调整流量。 ②具有一定的强制压力及较大的调压范围。 ③排量要稳定。

④具有超载承受能力和保护措施。

⑤要适应钻探工作在野外施工的恶劣环境。 ⑥运移性好。

目前钻探设备中往复泵应用最广泛，其次是旋转式的螺杆泵。在反循环钻进中，由于抽送带有大颗粒的两相液流，常采用属于动力式泵的砂石泵。

二、钻塔的类型

（一）按制造钻塔的材质分类

（1）金属钻塔用金属管子或角钢制成，一般多用于中深孔及深孔施工。 （2）木质钻塔用圆木制成，一般多用于浅孔施工。

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（二）按钻塔的构造分类 （1）三角钻塔 （2）四角铁塔 （3）两脚轻便钻塔

（4）桅杆式钻塔 一、钻进工具

钻进工具常指钻头、岩心管、异径接头、取粉管、钻杆、接头和水龙头等。 （1）钻头 钻头主体是一个空心钢筒，上端有螺纹丝扣拧在岩心提断器外壳上或直接拧在岩心管上；在钻头底端面镶有硬质合金或金刚石。钻头是破碎井底岩石的工具，一般由钻头体与切削具组成。

（3）岩心管 岩心管是由壁厚 3.5～4.0mm的无缝钢管制成的。岩心管长度一般为1.5、3.0、4.5m；其外径比所连接的钻头小1～4rnm，岩心管有单层岩心管与双层岩心管之分。与钻头配套的岩心管规格分别为168、146、127、108、89、73、57、44 rnm。

（4）套管 套管在钻进工作中主要起保护井壁作用。其规格与岩心管相同，可以互相通用。

（6）钻杆 钻杆是钻进工具的主要组成部分之一。钻进时，通过它把动力传递给粗径钻具，同时又把冲洗液输送到井底。几根钻杆接成一个单元，称之为立根，组成立根的长度决定于施工时选用钻塔的高度．常用的钻杆规格有42（43）、50（53）、63.5（60）mm几种。

（7）主动钻杆 主动钻杆是在钻机回转器中的那根钻杆．其作用是主动钻杆把钻机回转器的动力传给全套钻杆往。主动钻杆可以是带通长键糟的、两扁形的，或者是六方外形的。

岩石的强度一般理解为固体抵抗机械破坏的能力。

岩石的硬度通常被认为是岩石表面对工具压入时的反抗性，硬度只是固体表面的局部对另一物体压人或刺人时的阻力；而抗压强度是固体整体被破坏时的阻力。因而不能把单轴抗压强度作为硬度的指标。

对于钻进岩样来讲，岩石的压人硬度比岩石的单向抗压强度更具有实际意义。因为工具对孔底岩石的破碎方式，在大多数的情况下是局部破碎，即硬度指标更接近反映钻进碎岩的实质和难易程度。

2．影响岩石硬度的因素

影响岩石硬度的因素和影响岩石强度的因素相似，有造岩矿物的成分、颗粒度、胶结物的性质、孔隙度、层理和各种结构上的缺陷等。但层理对硬度的影响正好与强度相反。即垂直层理方向的硬度值最小，而平行层理方向的硬度值最大。

另外水的侵入对岩石的硬度也有很大的影响。使硬度与强度降低。

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四、岩石的研磨性

在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头上的切削具（硬质合全、金刚石、牙轮等）或钻头体本身及其磨料（钻粒）将与岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦。有摩擦就有摩损，因而碎岩工具在破碎岩石的同时，也受到岩石的磨损而逐渐变饨、损坏。岩石磨损钻进工具的能力，称为岩石的研磨性。研磨性测量的方法：钢杆磨损测量法。

一、岩石的可钻性及其影响因素

岩石可钻性可理解为钻进过程中岩石抵抗破碎的程度，亦即表示岩石破碎的难易程度。

岩石可钻性是岩石在钻进过程中表现出来的综合指标。它受诸多因素的影响。 岩石的硬度、强度、弹性、脆性、塑性和研磨性决定岩石破碎的难易程度。岩石的硬度、强度越大，岩石就越难破碎，可钻性就越低．

岩石破碎方式在很大程度上决定着岩石破碎效果，即可钻性。

钻进工艺参数包括钻头的回转速度、钻进压力、冲击力和冲击频率等，所有这些因素都决定着岩石的可钻性．

孔底岩屑的排除情况也对岩石的可钻性有很大的影响。

钻孔结构的变化主要是指钻孔的开孔至孔底，口径由大变小的变化、钻孔结构选择应以岩石的物理性质、覆盖层厚度、开孔地层情况、水文地质条件、钻孔深度、终孔直径、以及钻进方法和钻探用途为依据．

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，它是以碎岩切削研磨材料而命名的。

硬质合金钻进具有以下特点：

①硬质合金镶焊在钻头体上比较坚固，因而可应用于任意方向的钻孔。孔径、孔深可按设计任意选择．

②根据不同岩性，可以灵活改变钻头结构参数，以便在不同的岩层中都取得优良效果。

③操作简单方便，钻进规程参数容易控制，孔内事故较少。

④比较容易保证钻孔质量，岩心采取率较高，孔斜较小。有利于控制煤层顶底板煤心的采取。

但是，由于硬质合金硬度有限，强度和耐磨性尚嫌不足，与金钢石和钻粒钻进相比，硬质合金不能钻进坚硬、强研磨性岩石，主要用于钻进l～7级及部分8级岩石。

一、钻压

钻压也称为轴向压力，表示整个钻头受的载荷．每颗切削具上的钻压称为单位钻压。单位钻压P与钻速的关系：曲线变化分三个阶段。

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①表面破碎阶段 ②疲劳破碎阶段 ③体积破碎阶段 由此可知，单位钻压必须满足切削具切入岩石是体积破碎。切削具的形状不同，岩石性质不同，单位切削具上的钻压也不同。

在实际施工过程中应根据具体情况，考虑各方面的因素确定钻压。钻进松软岩石时，冲洗液量一定，钻压选小一点、岩粉过多，易造成堵水、糊钻；钻进裂隙性岩石，切削具容易崩刃，钻压一般比钻进正常岩石降低20％～30％；钻进倾角大的岩层，适当减小压力，防止孔斜；若硬质合金强度较低，刃尖角较小，也要减小钻压。

二、转速

钻头的转述指钻头每分钟的转数。在钻进中常用钻头圆周线速度来衡量转速。 三、冲洗液量

在钻探工作中，将送入井内的冲洗液的流量称为冲洗液量。在没有泄漏的情况即是水泵的泵量。冲洗液的功能是及时地排除岩粉，减少重复破碎，冷却切削具，防止刃端产生的热磨损，润滑钻具和保护孔壁。其中排除岩粉所需泵量最大，是选择泵量的主要依据。一般说来，冲洗液量大，携带岩粉能力强，冷却效果好、但冲洗液量太大，将产生一定的举离力来抵消部分轴向压力，对孔壁和岩心的冲刷作用也加强。 一、金刚石

（一）物理性质 1．硬度

金刚石的莫氏硬度为 10级。 2．强度

全刚石具有极大的静抗压强度（简称强度）。金刚石的冲击强度、抗弯强度较小。由于金刚石脆性大，受冲击易产生裂纹，甚至碎裂，在钻进时要避免冲击、碰撞。

3．耐磨性

具有最高的耐磨性和研磨能力。 4．热学性质

金刚石的热膨胀性对金刚石钻头的制造非常重要。

金刚石具有良好的导热性，容易吸热，也容易散热。防止产生碳化。

热稳定性是指在高温下性能的稳定程度。金刚石的热稳定性较差，在空气中加热到1000℃时金刚石完全消失。温度对金刚石强度影响较大，温度升高，强度下降。

（二）化学性质

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常温下金刚石与酸不反应，与碱起缓慢反应，具有十分好的化学稳定性。其表面具有很高的亲油流水性．

三、金刚石钻进的特点

1钻进效率高，在岩石愈硬的地层，钻进效率提高的幅度愈大。

2钻孔质量好，岩心采取率比较高，而且岩心完整、光滑．钻孔弯曲较小。 3孔内事故少，应用范围广。

4装备轻，劳动强度低，钻探成本小。 （一）泵吸孔底反循环

无泵孔底反循环钻进，就是不用水泵送水，借助频繁地上下提动钻具，造成岩心管内外压力使孔内液体形成局部反循环，实现孔底冲洗。

无泵反循环钻进主要用于松散或片理发育、倾角很徒、易坍塌的岩煤层，如3～5级的褐煤，松软脆碎的l～6级岩煤层及怕冲刷、溶蚀的岩层等。此外，还可用于干旱缺水地区和漏失地层。此法操作劳动强度大，一般只适于150m左右的孔深范围。 （二）喷射式孔底反循环

喷射式孔底反循环钻进是利用射流泵的工作原理来形成孔底反循环。

这两种反循环钻进相比，其后者的优点是：使用操作简便，劳动强度小；孔内清洁，钻效高，埋钻少，岩矿心采取率有所提高。不足之处有：对破碎性岩矿心，喷射作用过强时容易造成层次的混乱和分选现象；孔深时，沿程损失大，局部反循环效果降低且难控制，容易造成岩屑堵塞或发生事故。

第二种钻具适用范围较广，可用于7级以上硬、脆、碎岩矿层，进行钻粒钻进和金刚石钻进；也可于4～6级松软，胶结性差，易磨损的岩矿层，进行硬合金钻进；还可用于漏水、涌水地层中的直孔和斜孔钻进。

在钻探施工过程中，由于种种因素的影响，实际的钻孔轨迹偏离设计的钻孔轨迹，这种现象称为钻孔弯曲。

钻孔弯曲直接影响钻探工作的质量和能否顺利进行。在实际中完全避免钻孔弯曲是不可能的。因此，现行规范规定，钻孔顶角最大允许弯曲度垂直孔不超过2／100m，倾斜孔不超过3／100m。随着钻孔加深，允许递增计算。

处理钻孔弯曲问题，一是及时进行钻孔弯曲测量，准确测知钻孔的空间位置。二是分析钻孔弯曲的原因和规律。三是对钻孔孔斜进行预防和及时地纠斜。 实际工程中，有时需要人为地控制钻孔沿设计轨迹弯曲，称为定向钻进。

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