勘探钻进原理.ppt

勘探钻进原理Explorationdrillingprincipals,主讲段隆臣博士LecturedbyDr.longchenDuan,绪论Preface,一、“钻探工艺学”课程的内容、地位和任务二、钻进技术的用途三、钻进方法的分类四、学习本课程应注意的问题,一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位Contentsandstatusof“ExplorationDrillingPrinciples”,1、内容岩石的物理力学性质与碎岩机理钻头与钻进工艺钻探质量（钻孔弯曲、取芯等）2、地位2.1从专业课的课时分配上说明2.2从与其它专业课的关系上进行说明2.3从专业历史沿革进行说明,二、钻进技术的用途Applicationfieldsofdrillingtechnology,找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、极地钻探、科学钻探）开采矿产资源工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、通风孔等）,三、钻进方法的分类Classificationofdrilling,按钻头所用切削材料分类金刚石钻进、硬质合金钻进、钢粒钻进按碎岩方式分类回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进。按冲洗液循环方式钻进正循环钻进、反循环钻进、孔底局部反循环钻进按钻进目的分类地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进,四、学习本课程应注意的问题Problemsnotedinlearningthesubject,1.理论联系实际，课本描述性语言多,注意总结,结合实践,上升理论；2.理论、实践并重；3.注重实验课；4.注重工程实例。,第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism,第一节、岩石的物理力学性质第二节、岩石可钻性及其分级第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节、静载作用下的岩石应力状态第五节、外载作用下岩石的破碎过程,第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter1Drillingprocessofrocksandfracturingmechanism,第一节、岩石的物理力学性质第二节、岩石可钻性及其分级第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节、静载作用下的岩石应力状态第五节、外载作用下岩石的破碎过程,第一节岩石的物理力学性质Physicalh-孕镶层高度,Surface-setdiamondbitImpregnateddiamondbitPolycrystallinediamondcompactbit（PDCbit）,2、表镶金刚石钻头（Surface-setdiamondbit）,Varioussizeofdiamondusedinsurface-setdiamondbit,Othersofsurface-setdiamondbit,1.Layoutofdiamondonthecrownofthesurface-setbit；2.Crownconfigurationofsurface-setdiamondbit；3.Waterwaysofsurface-setdiamondbit；4.Manufactureofsurface-setdiamondbit；,3、孕镶金刚石钻头（Impregnateddiamondbit）DiamondqualityanddiamondsizeDiamondconcentrationClassificationofmatrixpropertiesofimpregnateddiamondbitandtherelationshipbetweenmatrixpropertiesandrockpropertiesCrownconfigurationofimpregnateddiamondbitManufacturingofimpregnateddiamondbit,Variousmeshsizeofdiamondusedinimpregnateddiamondbit,Recommendeddiamondconcentrationsofimpregnatedbitfordifferentrocks,Classificationofmatrixpropertiesandtherelationshipbetweenthemandrockproperties,amatrixwearsproperly,diamondexposenormally;bmatrixwearsfast,diamondeasilybreakordropoff;cmatrixwearsslowly,diamondsdonotexpose.,Hardness---oneofmatrixproperties,二、金刚石钻进的孔底碎岩过程Failureprocessofdownholerocksdrilledbydiamondbit1、表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程，试验装置如下图试验岩石如下表,（表镶）金刚石切削碎岩的基本过程在轴向力和切向力共同作用下，金刚石一方面吃入岩石，产生类似压入碎岩的作用，同时在金刚石转动的前方，则以剪切作用产生贝壳状剪切体，且在靠金刚石一方的厚度最大。图1.4-31表示金刚石切削破碎岩石时所产生的大、小剪切体示意图。用金刚石切削典型的脆性体光学玻璃时，其剪切破碎作用发育得十分完全，同时在切槽内部产生相应的裂纹，并有超前裂纹。由图可知，其裂纹状况与大、小剪切相互对应。随着岩石塑性系数的增大，其剪切破碎效果较差。在钻进过程中能量的消耗既体现着岩石破碎的难易程度，又表示着选用的工具和工艺的优劣程度。由图1.4-35知，切削塑性大的流纹岩所消耗的能量大大地高于光学玻璃和霏细斑岩。,孕镶金刚石钻头的钻进过程孕镶钻头的工作实质是1、依靠小而多的硬质点（即金刚石）刻划磨削岩石，要高转速工作才能取得应用的效率；2、胎体应有自磨自锐作用。根据施加轴向力方式的不同，钻头的钻进可分为1、保持金刚石上的轴向力为一定值，称为自由给进；2、保持金刚石的切削深度为一定值，称为强制给进。孕镶金刚石钻头的钻进是自磨自锐性质，在保持正常钻进的状态下，其钻速应当是一定的，亦即钻头每转的切入量应当是一定的。试验研究和生产实践表明钻头每转的切入量是评定金刚石钻头钻进效果的重要指标之一。,第五节钢粒钻进及孔底碎岩过程（Chilled-steelshotdrilling）,用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒，并带动他们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进。钢粒钻进曾广泛用于7-12级的岩石，一般用于大口径钻进。一、钢粒及钢粒钻进用钻具1、钢粒的材质（60号、70号，直径2.5，3.5，4mm圆柱体，高度与直径基本相等。）钢粒中含有较高的碳量，主要是为了能有较高的淬火硬度；锰和硅起固溶强化作用，以提高钢粒的强度；硅元素还能增加钢粒的回火稳定性；少量的钒能有效地细化晶粒，强化基体组织，提高钢的强度和硬度。,2、70号钢材的钢粒热处理工艺,采用钢粒的钢材成分，如表1.5－1所示,淬火质量的好坏，可用肉眼鉴别淬火质量好的钢粒，表面呈棕黑色或黑色；加热温度偏低，淬火程度不够，呈蓝色光泽；加热温度太高或加热时间过长，呈白色或银白色。3、钢粒的粒度一般情况下，钢粒直径与钻头壁厚的关系t（3-4）d式中t钻头壁厚，mm；d钢粒直径，mm。在测试的条件和范围内，钢粒粒度增大，钻速、功耗增大，钻粒消耗、钻头磨耗减少。钢粒直径过大，内、外环间隙增大，无用功亦会增大。,二、钢粒钻头（Chilled-steelshotbit）,1、钢粒钻头的功用和结构1）应能很好地压住钻粒，并能带动钻粒沿孔底滚动；2）应能顺利地流通冲洗液，排除岩粉；3）应能适量并及时地向钻头底唇下面补充钻粒，保证钻进正常；4）钻头应耐磨，并应在磨耗中保持良好的导砂性能和补砂性能。,2、钢粒钻头的材质及性能一般来说，所钻岩石越硬，钢粒强度应愈大，钻压应愈高，则所选用的钻头硬度也应相应地增大一些。在单位钻压为30-50kg/cm2的条件下，钻头硬度HRC24-32。材质45号钢或DZ40或多或50钢，经调质处理。3、钢粒钻头壁厚（略）（14-16mm）4、钢粒钻头的水口,,图1.5－10钢粒钻头水口示意图,三、钢粒钻进的孔底碎岩过程1、压碎碎岩压碎碎岩方式属于体积式碎岩，比例不大。2、压裂碎岩压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式。3、井底脉动冲击的作用,第三章回转钻进工艺Drillingtechniquesintherotary-tabledrilling,第一节、钻进效果指标及钻进规程参数间的关系第二节、硬质合金钻进工艺第三节、金刚石钻进工艺第四节、钢粒钻进工艺第五节、牙轮钻进工艺第六节、全面钻头钻进工艺,第一节钻进效果指标及钻进规程参数间的关系Relationshipbetweendrillingindsandparametersofdrillingregime,一、钻进效果指标（drillinginds）衡量钻进工艺效果的主要指标钻速、每米钻孔成本岩矿芯采取率和钻孔方向等。1、平均机械钻速（meanpenetrationrate）2、回次钻速（drillingspeedperrun）3、技术钻速（technicalspeedofdrilling）4、经济钻速（commercialspeedofdrilling）5、循环钻速（cyclespeedofdrilling）,二、钻进规程所谓钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的钻进参数钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。1、最优规程（optimaldrillingconditions）当地质-技术条件和钻进方法确定时，在保证钻孔质量指标的前提下，为获取最高钻进速度或最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配。,2、合理规程（rationaldrillingconditions）在给定的技术装备条件下，当钻进规程参数的选择受到期某种制约时，在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。3、专用规程（specialdrillingconditions）为完成特种取芯、矫正孔斜、进行定向钻进等任务所采用的参数搭配。确定钻进规程的一般步骤根据地层条件、钻头类型、设备条件和工人的技术水平等因素，查阅相关手册或标准，对每个工艺参数初选一个取值范围；其次，在以往经验的基础上，初步确定规程参数的若干个取值；最后，在生产实践中边钻进、边测算钻速和钻进成本，加以分析对比或借助计算机进行处理，找出钻效高、成本低的参数组合。,三、钻进过程中各参数间的基本关系1、钻压对钻速的影响2、转速对钻速的影响3、切削具的磨损对钻速的影响4、水力因素对钻速的影响5、冲洗液性能对钻速的影响5、1冲洗液密度对钻速的影响5、2冲洗液粘度对钻速的影响5、3冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响,Relationshipcurvebetweenbitweightandmeanpenetrationrate,Relationshipcurvebetweenbitspeedandmeanpenetrationrate,3、切削具的磨损对钻速的影响在钻进过程中随着切削具的磨钝，切削具与岩石的接触面积逐渐增大，若此时钻压值保持不变，则钻速必然下降。这与钻头唇面比压下降有关。4、水力因素对钻速的影响表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素。一定的钻速条件下，意味着单位时间内钻出的岩屑总量一定，而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层时，为了保持钻头一定的自锐能力，孔底须保持一定的岩粉量。,水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用。5、冲洗液性能对钻速的影响（Effectofpropertiesofdrillingfluidonpenetrationrate）冲洗液的密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性都对钻速有不同程度的影响。5、1冲洗液密度对钻速的影响（Effectofdensityofdrillingfluidonpenetrationrate）,5、2冲洗液粘度对钻速的影响（Effectofviscosityofdrillingfluidonpenetrationrate）5、3冲洗液固相含量信其分散性对钻速的影响（Effectofvolumeofsolidphaseanditsdispersalindrillingfluidonpenetrationrate）,第二节硬质合金钻进工艺（Drillingtechniquesofcarbide-insertbits）,磨锐式钻头的钻进工艺（Drillingtechniquesofself-sharpeningbit）钻压的选择,表5－1YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值,转速的选择,V（h0-n）mn,Vh0mn,表5－2硬质合金线速度的推荐表,P、n、Q参数间的合理配合,软岩石研磨性小，易切入，应重视及时排粉，延长钻头寿命，故应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；对研磨性较强的中硬及部分硬岩石，为保持较高的钻速并防止切削具早其磨钝，应取大钻压、较低的转速、中等泵量的参数组合。,确定最优回次钻程时间的方法,,,,,,,,,,第三节金刚石钻进工艺Diamonddrillingtechniques,合理选择金刚石钻头（Tochoosediamondbitproperly）金刚石钻进规程参数（Diamonddrillingregime）金刚石钻进的临界规程（Criticalconditionofdrilling）,合理选择金刚石钻头选用不当存在的问题选用的一般原则孕镶钻头坚硬、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）；表镶钻头硬度较低、完整岩层；PCD或PDC钻头中硬及中硬以下岩石；从钻头唇面形状岩石坚硬、致密、研磨性小者，应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面；钻裂隙的、软硬互层、研磨性的岩层，应用内外径补强、耐磨性好的半圆唇面；当钻进倾角大、易斜的岩层，应选用阶梯形或锥形唇面，以便钻头起导正作用。,金刚石钻进规程参数评定金刚石钻进规程的主要依据钻速、钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标。（钻压）,不同钻压下转速与钻速的关系,表镶金刚石钻头的钻压PPGp（kgordN）式中G钻头上的金刚石粒数；p单位金刚石上允许的压力，Kg/粒。对细粒金刚石p约1-1.5Kg/粒;对中粒p约1-1.5Kg/粒;对粗粒金刚石p约2-3Kg/粒;特优级金刚石p约5Kg/粒;孕镶金刚石钻头的钻压PSp（kgordN）式中S---钻头实际的工作唇面面积,cm2;p单位底唇面积允许的压力，Kg/cm2。对中硬岩石,推荐p约40-50Kg/cm2;对坚硬岩石或金刚石质量高者p约60-70Kg/cm2。,,不同金刚石钻头的比压,具体确定钻压时，应分别对待1、岩石性质2、钻头类型3、金刚石4、克取岩石的面积5、施加钻压的阶段性（磨合和正常钻进）6、有关孔内压力的传递问题（钻孔深度、冲洗液、转速对钻压的影响）,,转速转速；影响金刚石钻进的另一个重要因素。在一定条件下，转速越快，钻速越高。转速与金刚石的磨损关系比较复杂。若其它条件正常，二者之间存在一个合理值，即在某一转速下，金刚石磨损量为最小。转速过大或过小，金刚石的磨损量都较小。通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕镶金刚石钻头的周速应达到1.5-3m/s。表镶钻头所用的金刚石粒度较大，在钻进中允许有较大的切入量。所以，要求的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大，在回转中容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般为1-2m/s。,选择合理的转速还应考虑以下1、岩层的性质，在中硬完整的岩层中钻进，可采用高转速；如果岩层破碎、裂隙发育、软硬不均、孔壁不稳、不均，宜采用低转速。2、钻孔的结构和深度，钻孔结构简单、环空间隙小，孔深不大，宜采用高转速；反之，应降低转速。3、机械设备、钻杆柱及钻具的能力。,冲洗液量冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数。一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量QQ6sv（L/min,6是由单位换算所产生的系数式中v不小于0.3-0.5m/s;s-钻孔的环空面积,cm2.由于表镶、孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小，冲洗液的流动阴力很大，所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的。另外，泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作。试验表明当转速为800r/min，钻头唇面压力为10Mpa时，钻头每转一圈，胎体温度升高1.73℃。所以钻进中若冲洗液停止循环1-2min，便可能造成烧钻的恶性事故。,金刚石钻进存在正常规程和临界规程。在正常规程中，钻头胎体温度正常，功率消耗平稳，同时钻头磨损轻微；而在临界规程下，钻头胎体温升急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。1、胎体温度与钻压和转速的关系2、功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系3、胎体温度与冲洗液的关系4、钻头磨损与钻进规程的关系,金刚石钻进的临界规程,金刚石（200-400微米）钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系,钻进功率消耗kw与轴向压力和转速的关系,用该钻头钻进花岗岩时,其最高钻速不得超过临界值37mm/min,否则将出现胎体温度剧增的严重后果。,冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响,钻头磨损与钻进规程的关系,第三节钢粒钻进工艺Chilled-steelshotdrillingtechniques,钢粒钻进规程包括投砂方法及投砂量、钻压（轴向压力）、转速和冲洗液量（泵量）等方面。一、投砂方法及投砂量1、一次投砂法一次投砂法就是在钻进开始前，把一个回次所需的钢粒一次投入孔底。孔壁完整时，则从孔口直接投入；孔壁破裂时，则当钻杆下到接近孔底时，从钻杆中投入。从投砂方法来说，一次投砂法比较简便，所以使用较广。一次投入的砂量对回次钻程时间的长短、钻进效率、钻孔质量及管材消耗方面都有影响。2、结合投砂法又称分批投砂法。这种方法是在回次开始前先投入一定数量的钢粒，待钻进一定时间后再分别补投1-2次。这捉方法在一定程度上改善了一次投砂法扩大孔径和磨细岩芯的缺点。但中途停钻补砂、费时麻烦，其至可能引起岩芯堵塞或岩芯脱出。结合投砂法比较适用于硬、完整、深孔中使用。先投入砂量的50-60，然后再分1-2次补投其余部分。3、连续投砂法，无理想连续投砂器，很少采用。,图1.5－11一次投砂量对各钻进参数的影响（单位，kg）,表1.5－5,二、钻压在钢粒钻进中，钻压是保证钢粒在孔底破碎岩石的必要条件。钻压是岩石破碎和牵动钢粒所需连系力的主要依据。钢粒钻进中必须有足够大的钻压。PpS式中P轴向钻压kg；p钻头单位唇面面积所需的压力kg/cm2，S钻头唇面的实际面积cm2。大量的试验表明钢粒钻进的单位压力存在一个最优值。实践表明单位压力的最优值取决于钻粒强度、岩石级别以及钻头转速等因素。,图1.5－12不同钻粒对最优对最优单位压力的影响（钻粒直径3mm）1－铁砂（σ380kg）2－合金铁砂（σ580kg3－纯钢砂（σ575kg）4－钢粒（σ1900kg）,图1.5－13不同岩石对最优单位压力的影响1－12级石英岩；2－9级斜长花岗岩；3－8级花岗岩,图1.5－14不同转速对最优压力的影响,在钢粒钻进中，虽然最段单位压力可达75-95kg/cm2，但实际上所选用的单位压力大都低于此值。在生产中常用的压力见下表所列,三、转速,钻头的转速大小关系到钢粒在孔底滚动的速度和克取岩石的频率。钢粒的相对抗压强度是随岩石硬度的增加而降低的。在硬度大的岩石中，钢粒的抗压强度相应变小，如果转速过大，则更易使钢粒过早破损而失效，所以以采用较低的转速为宜。在硬度较低的岩石中，钢粒的相对抗压强度较大，所以可采用较高的转达速。,图1.5－15不同岩石在转速变化时对机械转速的影响1－12级石英岩；2－9级斜长花岗岩；3－8级花岗岩,实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最优转速要低得多。,110mm钢粒钻头的转速选择参考表,冲洗液量在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩粉和冷却钻具的作用,更重要的还起着分选\更新钢粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用。合理的冲洗液量应该是既能保证有效地将钻粉冲走、保持孔内清洁，能使多余的钢粒在外环间隙中呈悬浮状态；又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的工作过程。常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量QkD式中，Q钢粒钻进的冲洗液量L/min，D钻头直径cm，k送水系数，L/mincm。清水k5-3；泥浆k3-1.5钻头水口的大小直接影响到该处的流速。在钻进过程中水口是随钻头的磨耗而变小的。为了不使水口处液流速度过大而影响正常的补砂，冲洗液量应随水口变小而减小。,,一次投砂时，孔底钢粒的数量不断地磨耗而变少，钢粒的平均尺寸也在不断地变小，所以应随砂量和砂粒的减小而把冲洗液量逐渐改小。若采用连续投砂法，孔底砂量基本不变，冲洗液量也可不因砂量而变，但应随着钻头水口变小而改变冲洗液量。在采用一次投砂法时，在整个回次钻程中，冲洗液量应分为数次、逐步改小，一般称为“改水”，不改水就会影响后期的钻进效率。冲洗液量的选取还必须依钻压和转达速的大小而改变.转速一定时,钻压增加,最优冲洗液量也应增加;钻压一定时,转速增加,最优冲洗液量有所下降。,图1.5－16最优冲洗液量与单位压力和转速的关系,第四章、冲击回转钻进与冲击、振动钻进Percussionrotary-tabledrillingandpercussionvibrat0rydrilling,第一节、概述第二节、液动及气动冲击器第三节、冲击回转钻进用钻头第四节、冲击回转钻进工艺第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺,第四章冲击回转钻进与冲击、振动钻进Percussionrotary-tabledrillingandpercussionvibratorydrilling,第一节、概述第二节、液动及气动冲击器第三节、冲击回转钻进用钻头第四节、冲击回转钻进工艺第五节、钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺,