岩土钻掘工程学-第一章--岩芯钻探钻具课件.ppt

钻探工艺,第一章 岩芯钻探钻具第二章 钻进方法 第三章 岩矿芯的采取 第四章 特种取芯方法 第五章 钻孔弯曲及其测量,第一章 岩芯钻探钻具,第一节 岩芯钻具的组成 第二节 钻杆柱第三节 钻杆柱在孔内的工作状态第四节 钻杆柱的合理使用,第一节 岩芯钻具的组成,钻头,岩芯管,取粉管,钻杆柱,水笼头,全套钻具,岩芯提断器,第一节 岩芯钻具的组成,钻头,岩芯管,取粉管,钻杆柱,水笼头,钻头bit：破碎岩石,岩芯管core barrel：容纳岩芯、传递钻压和扭矩,钻头,接头,钻具,钻杆,钻杆,第一节 岩芯钻具的组成,取粉管core barrel：捞取岩粉、收集大粒岩屑,钻杆柱drill string：传递钻压、扭矩及通道冲洗液,测斜器,单根single立根stand，多为三根,主动钻杆drive pipe/kelly：孔口钻杆，与动力机相接,水笼头water swivel：输送冲洗介质的高压胶管与回转钻具间的连接的专用装置,第一节 岩芯钻具的组成,提引钻具lifting tools 拧卸钻具make-up or breaking-out tools夹持器clamp,拧卸钻具,提引钻具,水笼头,提引器,移动滑车,木马夹持器,第一节 岩芯钻具的组成,钻头和岩芯管的基本尺寸,第二节 钻杆柱 drill string/column,一、钻杆柱的功用,传递动力,钻压 bit pressure,转矩 rotary torsion,2作为通道,冲洗液,岩矿芯,卡料或仪器等,第二节 钻杆柱 drill string/column,二、钻杆柱的连接方式,平接头连接 rod,锁接头连接tool joint,接箍连接coupling,接箍,第二节 钻杆柱 drill string/column,三、钻杆柱的材质与要求,45钢，少量用铝合金,有足够的接头强度,加重钻杆（钻铤drill collar）,钻 探 设 备Drilling Equipments,绪 论,钻探设备 drilling equipments是指钻探施工中直接应用的机械设备和装置。,钻探设备包括动力机、钻机、泥浆泵和钻塔等。,动力机 power machine作为通用机械，不属于本课程范围。,电动机 electric motor柴油机 diesel engine 空压机 air compressor,钻探设备中，以钻机作为主机来配备其它设备。,一、钻探设备的组成,1钻机drill/rig,是进行钻探工作的主要设备。它的功能一般包括两个方面:,带动钻具向地层深部钻进；,通过升降机起、下钻具。,2泥浆泵及泥浆制备、净化设备,泥浆泵 mud pump/slush pump向孔内输送冲洗液以清洗孔底、冷却钻头和润滑钻具。,泥浆搅拌机 mud mixer 用于制备泥浆及其它类型的冲洗液。,泥浆净化设备mud purifying device:振动筛和泥浆旋流除砂器。,一、钻探设备的组成,3钻塔derrick/mast(轻便),用于升降钻具的构筑物。,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,1钻机按用途分类,地质勘探钻机,矿山地质钻机,水文地质与水井钻机,工程地质勘察钻机,工程施工钻机,石油天然气勘探与开发钻机,二、钻机的分类,2钻机按钻进方法分类,冲击式钻机,钢绳冲击式,钻杆冲击式,回转式钻机,立轴式,转盘式,移动回转器式,手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进,钢绳加减压液压缸加减压,全液压动力头式机械动力头式,振动钻机,复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机,二、钻机的分类,2钻机按钻进方法分类,冲击式钻机,钢绳冲击式,钻杆冲击式,回转式钻机,立轴式,转盘式,移动回转器式,手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进,钢绳加减压液压缸加减压,全液压动力头式机械动力头式,振动钻机,复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机,二、钻机的分类,2钻机按钻进方法分类,冲击式钻机,钢绳冲击式,钻杆冲击式,回转式钻机,立轴式,转盘式,移动回转器式,手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进,钢绳加减压液压缸加减压,全液压动力头式机械动力头式,振动钻机,复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机,二、钻机的分类,2钻机按钻进方法分类,冲击式钻机,钢绳冲击式,钻杆冲击式,回转式钻机,立轴式,转盘式,移动回转器式,手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进,钢绳加减压液压缸加减压,全液压动力头式机械动力头式,振动钻机,复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机,三、钻探设备的发展方向,1、小型、轻便化,2、大型、多功能化,3、特殊专用化,第三节 钻杆柱在孔内的工作状态,一、钻杆柱在孔内的工作特点,二、钻杆柱在孔内的波形弯曲,三、钻杆柱在孔底的弯曲状态,四、回转钻杆柱所产生的扭应力,五、提升钻杆柱所产生的拉应力,六、处理事故中的钻杆柱受力情况,一、钻杆柱在孔内的工作特点,钻头上的钻压P0,驱动钻杆柱的扭矩,钻机轴向调节力,孔内摩擦扭矩1,钻头工作扭矩M0,钻杆柱重量W,加压钻进forced feed drilling,减压钻进reduced bit load drilling,二、钻杆柱在孔内的波形弯曲,产生弯曲的原因：,自身某些偏心,自重失稳弯曲,部分质量偏离回转中心,产生离心力,促使钻杆柱弯曲,钻杆柱由于自重产生的纵向压力,促使钻杆柱弯曲,离心力,纵向力,共同作用，钻杆柱在孔内呈波形弯曲,波峰wave crest压向孔壁,萨尔基索夫半波长计算公式,以钻杆柱中心线和钻孔中心线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以 表示。,钻杆柱中心线,钻孔中心线,注意两点：,（1）由于自重产生的纵向力的变化，各部位的半波长是不一样的。,（2）减压钻进中，钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点。,零断面,萨尔基索夫作一假定：,钻杆柱受外力(离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所储存的位能。,钻杆柱变形位能；,离心力所作的功；,纵向力所作的功。,1关于钻杆柱变形能U,断面的弯矩；,取一x断面,钻孔轴线方向,边界断面的转角=；,该处的曲率半径。,由材料力学知：,故有：,所以，弯曲的半波长内钻杆柱中储存的变形能为：,为纵向弹性模量,为钻杆断面积的轴惯性矩,根据实际弯曲情况，若把钻杆的弯曲视为正弦波形，有：,最大的挠度,D为钻孔直径；d为钻杆直径。,所以：,kgfcm,关于离心力所作的功,取一x断面,钻孔轴线方向,离心力对钻杆柱所作的功可以根据离心力及其变化过程计算。,长的钻杆质量为：,为单位长度钻杆的质量,当钻杆柱角速度为,时，,单元的离心力为：,关于离心力所作的功,取一x断面,钻孔轴线方向,该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，所以该力所作的功为：,即：,kgfcm,关于纵向力所作的功1,作用于某一半波长上端中心的纵向力P为一常值。,纵向力可以是拉力；也可能是压力。,规定拉力为正；压力为负。,对于用方程式,所表示的平缓曲线，其曲线的长度与其弦长之差，可以近似地表示为：,关于纵向力所作的功1,同样，设钻杆柱的弯曲方程式为：,则有：,于是：,所以：,kgfcm,4萨尔基索夫公式,解方程式得：,z为所求断面距零断面的距离。,5关于钻杆柱的弯曲应力,钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。,其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。,钻杆柱的弯曲曲线方程式为：,由材料力学知，弯曲曲线的方程式为：,5关于钻杆柱的弯曲应力,所以有：,当,因为,且圆管的断面模量为：,时，,5关于钻杆柱的弯曲应力,所以有：,即,钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径和最大挠度,成正比关系，而与半波长度的平方成反比。,由萨尔基索夫公式知，半波长度又与,(转速)成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响较大。,三、钻杆柱在孔底的弯曲状态,实际钻杆柱磨损会出现两种情况：,四周磨损均匀,某一侧面磨损特别厉害,偏磨,钻杆柱在孔内存在两种旋转方式：,公转revolution,自转rotation,磨损均匀,偏磨,三、钻杆柱在孔底的弯曲状态,在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻头之上，使得下部钻杆柱受压缩。,在钻压小和直孔的条件下，钻杆柱也可能是直的。,但当压力达到某一临界值时，下部钻杆柱失去直线稳定状态而发生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。,钻杆柱的中和点N1在切点T1的上方，这是第一次弯曲(如曲线所示)。,如果继续加大钻压，则弯曲状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移(如曲线所示)。,当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的第二次弯曲(如曲线所示)。,四、回转钻杆柱所产生的扭应力,钻杆柱受压,正应力direct stress,钻杆柱传递扭矩,剪应力shearing stress,M大,小,研究钻杆柱扭应力思路：,计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩,确定钻杆柱上端所传送的总功率,一定的转速条件,已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。,四、回转钻杆柱所产生的扭应力,M大,小,计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩,确定钻杆柱上端所传送的总功率,一定的转速条件,已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。,用第三强度理论计算钻杆柱合成应力,钻进功率,1空转钻杆柱的功率,2克服摩擦阻力时增加的功率,3钻头破碎岩石所需的功率,钻机的输出转速,五、提升钻杆柱所产生的拉应力,当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上端受有最大的拉应力。,钻杆柱最大的拉力,提升加速度的惯性力,提升钻杆柱时孔内增加的阻力,钻杆柱本身的重力,六、处理事故中的钻杆柱受力情况,这是钻杆柱在非正常工作条件下可能遇到的受力情况。,这种受力状况往往对钻杆柱可能造成严重损伤。,卡夹钻具 drill rod sticking,回转运动受阻,扭转变形,埋 钻 drill rod burying,强力提拔,钻杆拉断,第四节 钻杆柱的合理使用,长时间在孔内经受着,各种载荷,磨损,侵蚀,磨损,折断,消耗,优化的钻杆柱使用方式较为成功的使用方式：,变换次序使用法,综合使用法,一般说KTl,第四节 钻杆柱的合理使用,一、变换使用方式,当KT1时，即钻孔时间与钻杆寿命相等或接近时，为了使钻杆消耗均匀，钻孔须成对考虑，即两个钻孔的工作量一起计算。在钻第二个钻孔时，把立根使用的次序颠倒过来，称为变换次序使用法。,对于KT0.5和0.7KT1的各种情况，这种优化使用的方式都可采用，实际上只是所钻的孔数不同而已。,第四节 钻杆柱的合理使用,二、综合使用方式,当KT0.7时，可采用综合使用方式优化钻杆的使用。在钻第一个孔深度一半的过程中，把立根依次1，2，3，5接到钻杆柱上进行钻进。,在钻完深度的一半后，提钻时把这些立根依次放于立根台上待用。,而在继续钻下半部钻孔时，把其他末用的一半立根6，7，8，10一起下入孔中，在继续向深部钻进时，把原上部用过的钻杆按相反的顺序，(即从5到1)接上继续工作。,第一章 岩芯钻探钻具,第一节 岩芯钻具的组成 第二节 钻杆柱第三节 钻杆柱在孔内的工作状态第四节 钻杆柱的合理使用,