《钻进工艺方法》PPT课件.ppt

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1、钻进工艺方法,地质勘探钻进工艺方法分类取心钻探技术无岩心钻探技术多介质反循环钻探技术其它反循环钻探技术水文水井钻探技术,油气井钻井工程,钻井工程的定义：利用钻机设备及破岩工具破碎地层形成井筒的工艺过程。,钻井的目的和意义：地质评价发现油气藏开发油气藏,钻井工程的工艺过程,定向井,定井位、设计井身轴线剖面根据地质及油气层特点或生产上的需要，确定井口位置及井底位置。根据井位及生产要求设计确定井身轴线剖面。根据井眼轴线剖面的类型，所钻的井可以分为：直井和定向井。,钻井工程的工艺过程,直井,基本钻探工艺过程,平整场地，挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机。按设计的方向开孔，在孔口固定孔口管。根据所

2、钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、钻柱给钻头加轴向压力和回转速度。钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管。清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再流回泥浆池，如此循环。把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心。重新配好钻具，再下放至孔内继续钻进。,地质钻探现场布局,可分为四种：全孔正循环(2)全孔反循环(3)孔底局部反循环(4)孔底局部正循环,钻孔冲洗方式,软岩和中硬岩层，用硬质合金钻头钻进；中硬及部分中硬以上岩层，用铣齿牙轮钻头钻进；中硬以上

3、岩层及硬岩，用金刚石钻头钻进；硬脆岩层，用液动（气动）孔内冲击器钻进或镶齿牙轮钻进更有效；,常用的钻进方法及选用原则,取决于钻进目的、钻孔结构和钻进方法金刚石钻头可适应不同的口径，主要用于小口径；硬质合金和牙轮钻头则既可钻进小口径孔，又可钻进直径 达2m以上的大口径水井、工程施工孔和浅井。钻孔的深度可在几米至几千米的范围内变化。,钻孔的直径,地质勘探钻进技术,3-1 地勘钻进特点3-2 地质勘探钻进方法分类3-3 钢粒钻进3-4 硬质合金钻进3-5 金刚石钻进3-6 反循环钻探技术简介,3-1 地勘钻进特点,地质条件千变万化使用设备五花八门取样要求严而又严技术应用从古至今,地质条件千变万化,沉

4、积岩、火成岩、变质岩样样不少；坚硬松软、完整破碎、坍塌缩径；构造复杂、裂隙丛生、溶洞发育；地形复杂、交通不便、供水困难；,3-2 地质勘探钻进方法分类,钢粒钻进硬质合金钻进金刚石钻进冲击钻进（砂矿钻进）,3-3 钢粒钻进,用未镶焊切削具的钻头压住钢粒或铁砂并带动它们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进法，统称为钻粒钻进。钢粒钻进是19 世纪后期开始用于钻孔工作的。这种钻进方法主要用于钻进中等硬度以上的坚硬岩层，硬合金钻进方法因受其切削具的硬度及耐磨性的限制，现在只用于钻进中等硬度以下的软岩层，在地质勘察钻孔中，用于钻进坚硬岩层的方法，目前主要有钢粒钻进和金刚石钻进两种，,钢粒钻进井底过程,如右图所示，可

5、把钢粒钻进时的孔底过程归纳为图中“底唇下”、“外环状间隙”和“内环状间隙”是投砂后钢粒所处的基本状态，在底唇下钢粒破碎岩石的同时，内、外环状间隙的钢粒分别磨损岩心、孔壁和钻头体。水口导砂是使钢粒向唇下转换的主要通道；外环状间隙中的水力分选则是维持孔底动平衡，使钢粒“新陈代谢”的关键；绝大多数被淘汰的碎钢粒最终都落入取粉管内。钢粒如此循环往复，是由水口形状、水量大小和转速快慢来调节。在钻进过程中，随着钢粒的消耗，钻头也不断被磨耗，水口逐渐变小，直至不能实现上述循环，机械钻速显著降低而结束回次钻程。,钢粒钻进碎岩机理,圆柱形钢粒在钻头给予的轴向压力Py 和回转力Px（应理解为钻头唇面与钢粒间的联系

6、力）作用下，在孔底岩石表面不断翻滚，主要以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎（辗压）方式破岩。,动疲劳破碎方式,动压入体积破碎方式,钢粒钻头,钻粒钻头的功用是将钻杆柱传来的轴向压力及回转力传递给钻粒；同时，钻头的唇面把钻粒压向孔底，进行钻进。钢粒钻头本身不直接破碎岩石，但在钻进过程中，它受钢粒及岩屑的作用，不断被磨耗。钢粒钻头一般用中碳钢（45 号钢）无缝钢管制成。其结构呈圆筒状，如图所示。钻头的外径上下一致，内壁上部有1：100 的锥度，以便卡取岩心。钻头壁厚随钻头直径不同而变化，小于200 m m 时，壁厚在9 11 m m 之间；大于200 m m 时，壁厚为14 20 m m。新钻头的长均

7、为500 m m。在钻进中，钻头沿高度逐渐被磨耗，直到剩余150 m m 时，则就不能继续使用。钻头在底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下不断补给钢粒。,钢粒钻进规程参数,钢粒钻进规程参数包括：投砂方法及投砂量、钻压、转速和冲洗液量等。向孔底供给钢粒的方法称为投砂方法。正确地选用投砂方法和合理控制投砂量对钢粒钻进的效果和质量有很大的影响。钢粒钻进的投砂方法有三种：一次投砂法、结合投砂法、连续投砂法。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。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。连续投砂法，是在钻进

8、过程中连续不断地（或小组分接连不断地）向孔内供给钢粒，以补充钻进中的消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器。,一次投砂量对各钻进参数的影响（单位，kg）,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。P=pS 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。,不同钻粒对最优单位压力的影响（钻粒直径3mm）1铁砂（=380kg）2合金铁砂（=

9、580kg)3纯钢砂（=575kg）4钢粒（=1900kg）,不同岩石对最优单位压力的影响112级石英岩；29级斜长花岗岩；38级花岗岩,不同转速对最优压力的影响,3-4 硬质合金钻进,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。显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。这类命名方式还有：金刚石钻进、钢粒钻进等。硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。但在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以下的地层，即可钻性1 7 级和部分8 级地层。若在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的和中硬以下

10、的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。,硬质合金钻进井底碎岩工况,钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（或最小等于）岩石的抗压入硬度，即：式中Py 单个切削具上的轴向压力；S0 切削具与岩石的接触面积；Hr 岩石的抗压入硬度。Py S0Hr 是切削具切入岩土的必要条件。否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎岩过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。,制造硬质合金钻头的材料,钻头体钢管钻头体是用D35 或D45 号钢的无缝钢管制成。前苏联是用9O CT1050 74 的30，35或

11、45 号钢或9OCT38071CT4号钢制造硬合金钻头体。这种钢可保证钻头体有足够的强度和焊接时对焊料有良好的浸润性。肋骨钻头的肋骨用与钻头体相同的钢制作。切削具的垫片和安装薄片用9OCT10507410，20和35号或9O CT38071号钢制作，以保持硬合金片的稳定性和刚性。固定的支撑片用强度较高的钢9OCT 7445 号钢制造。硬质合金地质勘探钻进中所采用的硬质合金主要是碳化钨（WC钴（CO）系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。这类硬质合金称为YG 类硬质合金。,影响硬质合金性能的因素,随着合金中含钻量的增加，相对密度有所下降，硬度逐渐降低，耐磨性能

12、降低；而抗弯强度逐渐增高，同时冲击韧性也提高。合金中碳化钨粉粒的粗细度对机械性能有影响：粒度变细、硬度增高，抗弯强度却有所下降。例如YG6 的碳化钨粉的粒度为2.81 3.23 时，其硬度为HRc A88.5；碳化钨粉的粒度为135时，其硬度为HR A92。碳化钨粉的粒度变细，其耐磨性能有所提高。硬合金的冲击韧性也随着含钴量增加和碳化钨粉的粒度增大而提高。如YG6的冲击韧性为0.35Nmcm2，而YG8 为025Nmcm2。以YG 类合金为基体，在其表面涂以很薄的一层（0.005 0.015mm）碳化钛（TiC）合金层，可使其表面硬度及耐磨性提高，而仍具有原基体的良好强度和韧性。涂层可使切削具

13、的寿命提高几倍，这是十分有益的措施。,钻探用硬合金切削具,岩心钻探中使用的硬合金切削具已定型生产，列入冶金部部标和国家标准。目前钻探中使用的硬质合金定型产品形状有片状、柱状及针状3 类。片状切削具片薄刃宽易于切入和切削岩石，但抗弯能力较差，主要用于钻进14 级塑性软岩；柱状切削具抗弯、抗压能力都较强，主要用于钻进4 7 级中硬岩层；针状硬合金及未列入标准的薄片硬合金（0.78.520，1520 等）用来制造自磨式钻头。硬合金切削具形状的确定和选择应从下面的原则来考虑：（1）有利于破碎岩石；（2）有利于抗磨损；（3）有利于抗断、抗崩：（4）有利于镶焊和修磨。,硬质合金钻头的制造工艺,在制造工艺中

14、，硬合金钻头除了对钻头体的加工应严格合乎要求外，镶焊合金是一个重要工序。在许多情况下，由于镶焊不当，影响钻头质量，使钻头过早地损坏而失效，从而影响钻进效果，甚至引起孔内事故。镶焊工作包括硬合金的镶嵌、焊接、修磨等工序。镶嵌工作是焊接的基础。硬合金切削具的定位和方向必须确保设计要求。内、外出刃及底出刃必须严格按图纸规定，镶嵌要均匀一致。,硬质合金焊接注意事项,焊接工作要求在不损伤硬合金本身质量的前提下，把硬合金切削具牢固地焊接在钻头体上。YG类硬质合金中的碳化钨是耐高温的，可是钻在空气中，当温度达到1000 时则会影响其性能。因此，焊接时若用过高的温度直接烧切削具，则很容易损伤硬合金本身的质量，

15、失去其切削能力。同时，在焊接时不均匀的加热和冷却都会对硬合金切削具造成显微裂隙，这将大大降低硬合金切削具的强度。,硬质合金焊接注意事项,焊接硬合金钻头时应该用氧乙炔焊（即所谓气焊），并使用前面所列的专门的含锌黄铜焊条，使其熔点最好降到900 以下，并具有良好的流动性和焊接性能。在镶嵌前应把硬合金表面的烧结浮层除掉，同时，在焊接时要用硼砂或其他焊剂，清除氧化膜和降低焊料的表面张力从而改善焊接口的浸润性。同时，还应注意焊缝宽度要选择适当，通常以01mm 为宜，过小则焊料不易流入，过大则降低焊接强度。成批生产时，最好采用浸铜焊法，即将所焊的钻头放在熔融的焊料中浸渍。这种方法不会使硬合金过热，容易保证

16、质量。,硬质合金钻头的主要参数,钻头体结构切削具的性能与规格形状：片状、方柱状、八角状、针状；切削具出刃：内出刃、外出刃、底出刃。切削具的镶焊角：直镶、正斜镶、负斜镶切削具在钻头底面的排列方式切削具在钻头上的数目钻头的水口与水槽（直槽与螺旋斜槽）,钻探用硬质合金,切削具出刃,为了使切削具顺利地切入岩石、冲洗液畅通以及减小钻头体的磨损，切削具必须突出于钻头体一定的尺寸，此突出部分称为出刃，如左图所示。根据突出部位的不同出刃分为内出刃、外出刃和底出刃。,硬合金切削具底出刃和补强,H 切削具底出刃；h0 切入深度；h1 钻头底面过水间隙,补强,切削具在钻头上的三种镶焊形式,（a)直 镶：0，90（b

17、)正斜镶：0，90（c)负斜镶：0，90Py 轴向压力，Px 回转水平力；刃角，a 切削角；镶焊角（前角）；h0 切入深度，Q 刃前面阻力,切削具排列与水口水槽,（a）单环；（b）两粒一组两环；（c）三粒一组三环；（d）四粒组四环；（e）密集式两环；（f）密集式三环,硬合金钻头的各种水口和水槽,典型钻头结构举例,磨锐式钻头：在钻进遇水膨胀、粘结性的地层肋骨钻头和薄片钻头；在钻进中硬及较硬地层分环式、掏槽式。自磨式钻头：针状硬质合金钻头（胎块式，钢柱式）和薄片硬质合金钻头,分环式钻头,掏 槽 式 钻 头,胎块式针状硬质合金钻头,常用硬质合金钻头选型,常用硬质合金钻头及其使用范围表,硬质合金取心钻

18、进,选择合适的取心钻头选择适当的取心钻具采用合理的钻进工艺,硬质合金取心钻进工艺,钻速钻压泵量,钻 压,钻压是孔底碎岩的必要条件。钻压的大小决定着碎岩的方式和特点，它直接影响钻进速度。机械钻速与钻压的关系是：机械钻速随着钻压的增加而不断地增大。这是两者关系的总趋势。具体可分为3 个阶段：表面破碎阶段、疲劳破碎阶段、体积破碎阶段。,钻 压,在钻进过程中，切削具逐渐被磨钝后，切削具与岩石的接触面积逐渐增大，使切削具接触面上的压强减小，以致低于岩石的压入硬度，因而碎岩方式由体积破碎过渡到疲劳破碎，甚至表面破碎，钻速急剧下降。所以，在磨锐式硬合金钻头的钻进过程中，为保持较高的钻速，应随着切削具的磨钝而

19、逐渐增大钻压，直至钻探设备或其他条件限制不可能继续增大钻压时为止。,合理确定钻压的依据,实际实施时，确定单颗钻压尚须考虑岩石的状态、钻头的类型、钻孔深度和钻具强度等因素。例如：钻进粘结性的软岩时，钻压应选得小一些，以免堵水糊钻；钻进研磨性较大的岩层时，钻压应适当加大一些，以免钻压不足而造成钻头过早磨钝；钻进裂隙性岩层时，则钻压应适当降低一些，以免崩刃。,初始钻压与钻进的关系,这是一个用92 m m 的小切削具硬合金钻头，在转速100rmin 下，钻进玄武岩的试验结果试验结果表明：以7.5kN 钻压开始的，其平均钻速约2倍于以1.8kN 开始而逐渐增至7.5kN 钻压时的平均钻速。因此，一开始就

20、以允许的大钻压钻进是有利的。其原因是它充分发挥了切削具刃具锋利的优势。当然，开始的大钻压应理解为合理的最大值，不应视为初始钻压愈大愈好。,确定合理钻压的原则,在磨锐式硬合金钻头钻进中，钻压是一个重要的钻进参数。钻压必须保证切削具切入岩石，以体积碎岩方式进行钻进。然后，依不同岩石性质（其中主要是岩石的压入硬度研磨性和抗剪强度），并考虑到钻进过程中工作刃的磨钝状况，充分发挥锋利刃的作用，力求达到最高的平均机械钻速（纯钻进效率）和最大的钻头进尺来确定钻压值。,确定合理钻压的原则,另一方面，必须充分考虑到实现所要求钻压的可能性。最大钻压除了受切削具本身和钻头本身的强度限制外，还受到钻杆柱和孔底钻具组成

21、的强度以及地面机械设备能力的限制。在实际生产中，首先确定每颗硬合金切削具上应该施加的压力，然后，再根据一个钻头上镶焊切削具的数目，计算出总钻压P。即：P pm式中：P 钻头上的总压力；p 每颗切削具上应加的压力（单颗钻压）；m 钻头上切削具的颗数。,硬合金钻进不同岩层时转速对机械钻速的影响,中硬以上岩层中钻进时机械钻速与转速的关系,h转速n时，切削具实际的碎岩深度；h0当n0 时的切入深度；取决于岩石的弹性及塑性的衰减系数。V（h0 n）mn,硬质合金钻进的推荐钻速,对于目前硬合金钻进所用的口径一般在91 151mm之间，钻头的圆周速度应在0.62 m s 的范围内，转速则一般为100 350

22、rmin。钻进可钻性2 4 级的软岩，钻头的转速可按圆周速度不超过2.5 3.0 m s 来选择，这样不同直径的钻头，其极限转速不应超过下列值：钻头外径mm 93 112 132 151极限转速（）rmin 500 400 350 300 当钻进含有夹层或包裹有砾石或漂砾的软岩时，上述数值应减小。,泵 量,送入孔内的冲洗液量、主要是用于清除孔底产生的岩粉和冷却钻头。随着冲洗液量的增加，对孔底清除岩粉和冷却钻头的能力也增强。孔底的清洁状态对钻进影响很大。把孔底破碎下来的岩屑及时冲离孔底，就为连续破碎岩石新鲜面创造了条件，从而避免重复破碎岩屑和无益地消耗功能。同时，孔底清洁也减少了钻具的磨损和防止

23、某些孔内事故的发生。在某些比较松软的岩层，冲洗液流可起到喷射碎岩作用（如石油钻井中的喷射钻井），因此，在硬合金钻进中，尽可能采用较大的泵量是有益的。,泵 量,但是过大的泵量，使其循环流动阻力也相应地增大，即工作泵压增大。由于流动阻力是流量的平方成正比，所以流动阻力的增长率大大超过泵量的增长率。流动阻力的增大，一大面直接增加了冲洗泵的负荷；另一方面，过大的泵量还会带来在软地层冲毁岩心和孔壁的问题，并且在岩心顶端造成很大的压力，使岩心劈裂而发生岩心堵塞，降低岩心采取率。因此泵量应有一个合理的值。,泵 量,一般说来，岩石可钻性级别越低，转速越大，机械钻速越高，则所用的泵量应越大；孔径越大，所用的泵量

24、也越大。冲洗液量应保证把岩屑颗粒带出地表。岩屑颗粒向上携带主要决定于上升流速（其次也与冲洗液的性能参数有关），而上升速度又与岩屑颗粒尺寸和其密度有关。清水冲洗时，上方流速不应小于0.25 ms，而采用泥浆作冲洗液时，上升液流速度不应小于0.2 ms。依此，流量可按下式来计算。Q FvQ 泵量，m 3s；F 管外环状空间的面积，m 2；v上升液流速度，m s。,反循环钻进,概 述,随着生产、科学技术的发展，人们对钻孔直径的要求越来越大，如何解决钻进中，取心和排除孔内大量岩粉就成为突出的问题。五十年代初期，国外最早采用泵吸反循环钻进方法，使钻进效率提高2 15 倍，钻进成本大幅度降低。这一成果发表

25、后，引起世界各国的重视，目前反循环钻进方法已为世界许多国家所采用，并取得显著经济效益。我国七十年代初期开始研试大口径反循环钻进，并取得钻速高、成本低、搬迁操作方便等较好的效果。反循环钻进与传统的正循环钻进相反，冲洗液自供水池，经过井口和钻杆与孔壁环状间隙，以自流方式流到孔底，然后携带岩粉通过钻杆内孔返回井口，并经过水接头和排渣管排到供水池，经沉淀澄清后重新流入孔内。,反循环钻进的特点,反循环钻进钻杆内，孔截面比钻杆与孔壁间的环状截面小得多，因此，钻进中冲洗液上升速度很高。据计算当钻孔直径为500 m m 时采用反循环钻进，钻杆内冲洗液上升速度很容易达到2 ms，而采用正循环钻进时，使用B W

26、60030 型泥浆泵，其冲洗液上返速度仅有0053 ms。由于冲洗液上升速度高，钻进时排粉能力强，孔底干净，避免重复破碎，因而提高了钻进效率，降低成本，特别是当钻孔直径增大时，钻进费用增加得很少。反循环钻进时，孔内经常保持较高的水位，故可利用高水位的静压力与地层压力平衡，保持井壁稳定。因此，采用反循环钻进在一般地层中均可采用清水钻进，从而降低成本，提高钻孔质量。反循环钻进，岩心和钻下的岩粉，由钻杆内孔返回地面，因此要求钻杆内孔较大，一般多采用内径150 200 m m 的钻杆，以通过较大的卵砾石。当地层中有大卵砾石时，必须采取措施以防循环回路堵塞，使钻进中断。反循环钻进是一种连续取心的钻进方法

27、，钻头使用寿命长，起下钻次数少，与正循环钻进相比，减少了辅助时间，降低了劳动强度。反循环钻进孔内水位高、静压力大，在钻进中冲洗液有一定的漏失，因此钻进时要不断向孔内注水，钻进用水量大，必须备有充分的水流和专门的供水措施，以保证钻进工作顺利进行。,反循环钻进的分类,反循环钻进按照产生冲洗液上升流动的方式不同，可分为地表喷射反循环，泵吸反循环和气举反循环三种方式。不同反循环钻进方式，随着钻孔深度的变化，钻进效率也有所不同，图1 27 所示为三种反循环钻进方式在不同孔深时的效率曲线，从曲线变化情况可以看出，地表喷射反循环钻进效率，在浅孔段效率较高，气举反循环钻进效率在50 m 以后较高。在选择反循环

28、钻进方式时，应根据孔深、水位等情况进行合理的选择，为了提高钻进效率，有时也采用两种方式相结合的复合式反循环钻进。,三种反循环钻进效率曲线图,地表喷射反循环钻进,其钻进原理是利用水泵或压气机所产生的高速液流或气流，注入喷射腔内的喷咀，产生高速射流，使喷咀外围形成负压，其压值可达8 104 9 104Pa。由于压差作用，使喷咀产生抽吸作用。喷射器通过接头与特制水龙头连接，从而抽吸钻杆内的液体，使钻杆内水位提高，最后在喷射腔内与高压喷射流混合后返回地表水源池内。在钻进中钻杆内这种高速上升的冲洗液携带岩样和岩屑连续返回地表，故也称为反循环连续取样钻进。,地表喷射反循环1 水龙头；2 钻机；3 孔口管；

29、4 钻杆；5 钻铤；6 钻头；7 喷射腔；8 离心泵或空压机；9 电机；10 水源池,地表喷射反循环钻进,射流反循环管路中射流泵布置形式有三种：一种是把射流泵潜入孔内，放置在钻头上部，如图a所示；一种是将射流泵放在地表，如图b所示；另一种是把射流泵装在水龙头的下方，如图c所示。从图中三种不同安装位置来看，b、c管路简单、射流泵不运动。但它是利用射流泵真空度来驱动循环的，因此，这种方式适用于浅孔使用。装置a是利用射流泵的扬程进行工作，因此，循环驱动力大于一个气压。若工作流体为液体，则上升流体为工作流体与引射流体之和，增大了上升流体的流速。若工作流体为压缩空气，则使上升流体变成气、水和固体混合物，

30、形成与气举反循环相似的形式。这种装置的缺点是使钻具复杂。,泵吸反循环钻进,泵吸反循环钻进是利用离心泵或轴流泵的抽吸力量，使钻杆内的液体上升的一种管路布置方式。泵的进水管与钻杆的提引水接头连接，并通过钻杆深吸入口下到井底，井内冲洗液经钻头（亦可看作泵的吸入口）携带岩屑经钻杆上升，由水泵出水管排到水源池。,泵吸反循环的适用范围,泵吸反循环钻进适于在地下水位高、地层渗漏量较小的地区工作。由于循环的动力为砂石泵的真空度，用以克服流体上升时的各种阻力。因此，泵吸反循环钻进深度受到限制。国内试验，在井深45m以内钻进效率较高随着井深的增加，泵的排量逐渐减少，钻进效率随之下降。当井深超过70m以后，虽然也能

31、工作，但效率显著降低，因此，有些资料上认为泵吸反循环的合理深度为70m。,气举反循环钻进,气举反循环是利用压缩空气与钻杆内的冲洗液混合后，形成低比重的气水混合物，在压差作用下以高速向上流动，从而把孔底岩心和岩屑连续不断的带出地表，,气举反循环钻进供气方式,同心式。上部采用双壁钻杆，下部是单壁钻杆。压缩空气自上部水气龙头经主动钻杆上部双壁钻杆之间间隙送入混合器内，经混合器进入钻杆内，并形成掺气水流上升至地面，这就是以上讨论的典型的气举反循环。气举反循环所使用的双壁钻杆与空气混合室结构如图7-6和图7-7所示。并列式。在单壁钻杆旁以并列的方式放一根（或两根）风管，钻杆之间的连接可以是丝扣连接，也可

32、以是法兰盘连接。这种方法起下钻具费时，但钻杆加工技术要求低。,气水混合器,空气钻进,空气钻进的实质是以压缩空气代替冲洗液，作为钻进中的循环介质来冷却钻头，吹洗钻孔把岩屑携带出地表的一种高效率、先进钻进方法。空气钻进可以正循环钻进，也可以反循环钻进，在钻探设备上只需要增加一台移动式空气压缩机，孔口防尘及除尘等设备。空气钻进方法见图。空气钻进特别适用于干旱缺水地区、常年永冻层、孔内严重漏水地层及用水钻进较困难地区。我国北方各省和西北各地有很多这样的地区，因此，研究空气钻进具有很大的现实意义。,空气钻进的优点,钻进效率高：空气钻进效率比一般钻进法约提高9 11 倍。其原因是：孔底岩石减掉了钻孔内的液

33、柱静压力，有助于岩石最大限度地释放残余应力，使孔底岩石处于一种负压效应状态，借助切削具的碎岩作用，岩屑呈“爆炸”形式崩离岩体，从而提高了钻进效率。另外压缩空气以高速吹洗孔底、孔内干净，几乎完全没有重复破碎，故在硬岩和深孔时，钻进效率更为显著。钻头寿命长：空气钻进钻头寿命长，除上面提到的因素外，还有一重要因素，即当压缩空气经过钻头时，由于压力骤然降低，在此大量吸收热量，有利于冷却钻头，防止烧钻，并为切削具创造有利的工作环境。与一般钻进方法相比，钻头寿命可提高十倍以上。能取得正确的地质资料：空气钻进以空气为循环介质，它不污染岩石和孔壁这不仅对洗井、抽水等工作有益，而且可以获取正确的水文地质资料。空

34、气钻进不用水：这在干旱缺水地区其优越性更为显著，同时可以避免因漏水而带来的堵漏问题和冲洗液、岩粉等对含水层堵塞的影响。,空气钻进工艺,空气钻进可分为：干空气钻进、泡沫钻进、泡沫泥浆钻进、充气泥浆钻进等四种钻进方法。本节将着重介绍干空气钻进工艺，其它方法从简。干空气钻进，又称为“粉尘”钻进，主要适用于完全干燥无水地层和含水量较少能被气流吸收的基岩地层或第四系覆盖层。在完全无水地层中钻进，当返回到地表的岩屑为粉尘状时，此时为最优钻进速度和最好的经济效果。因为此时孔底岩石所承受的压力为压缩空气柱的压力和钻孔内岩屑总重量之和，此压力低于钻孔冲洗液桂几倍到几百倍，故可获得最好的钻进效果。空气钻进技术参数

35、包括：钻头压力、钻头回转速度、空气量和空气压力。,泡沫钻进,当孔内渗水较多时，又不能被压缩空气吹干，使干空气钻进迂到困难，可采用泡沫钻进，泡沫钻进是用水与泡沫剂混合，通过压柱泵以雾状喷入压缩空气的气流中，送到孔底进行钻进，该方法具有较大的携带岩屑能力，但所需空气量约增加30 左右。,泡沫泥浆钻进,当钻进破碎地层，采用干空气钻进，泡沫钻进均不能保持孔内安全而出现坍塌、掉块、以致无法钻进时，可采用泡沫泥浆钻进。泡沫泥浆是一种比较稳定的“泥浆包气”的乳化浓，用稳定的泥浆添加剂和泡沫剂配制而成。使用时在足够的空气量中，喷射少量的稀泥浆，空气与泥浆的配比为1100 至1300。泡沫泥浆钻进适用于松散的稳

36、定性较差的地层。该方法具有钻速高、所需空气量少，在水敏地层也能取得较好效果。,充气泥浆钻进,当钻孔内出现涌水，空压机风量不足，不能把孔内水柱吹出地表；或钻孔内出现漏失严重时，可采用充气泥浆钻进。充气泥浆钻进是将压缩空气和泥浆同时用的钻头进入孔底进行钻进，充气泥浆是泥浆与空气组成的一种稳定而均匀的气泡泥浆，其目是降低钻孔内泥浆柱的密度，以减少孔内循环液漏失和对含水层的堵塞，起到保护孔壁作用。,CSR钻探方法原理,中心取样钻探方法的钻进原理，如图所示。压缩空气经侧入式气水龙头进入双壁钻杆的环状间隙下行，到达孔底后经内管中心通道上返，同时将所钻地层样品及岩屑携至地表并进入旋流器，样品在旋流器中与空气

37、分离，再根据地质要求进行不同比例的无分选缩分，最后将所分样品按要求包装编号后送交化验室分析处理。,中心取样钻探方法的由来,金刚石绳索取心钻进方法在一些复杂地层中显得无能为力;砂金勘探中常规方法取样难，长期未能获得突破；金刚石钻进方法的经济技术指标已经达到极限；常规钻探方法在干旱缺水地区施工因供水难而不得已另辟蹊径。,CSR钻探方法的地质特点,1.以取样段的概念取代了取心钻进中的回次长度概念 所谓取样段长度，就是在钻进过程中，把一定长度内(或一定进尺内)的岩样收集到一起，充分混合后作为一个送检样，这个定尺长度即为取样段。2.用满足地质要求的样品量来取代原取心钻进中岩心采取率的概念3.现场地质编录

38、程序有了较大区别 即现场地质人员仅对返上之岩样进行大概的定性描述记录，重点解决找矿问题，而那些更详尽的地质基础理论工作则交由专门的研究人员去进行。,在对一个取样段的样品进行缩分时，必须作到无分选，即样品在缩分时必须充分混合，以确保钻孔中该取样段的每一断面上的样品均能等量地保留在缩分样中。这样，无论分样比例为多大，所得到的样品因为包含了该孔段各截面上的内容，仍可认为是100%的采取率(图3)。相反，如果在取心钻进中，即使岩心采取率达到了90%，按规范完全满足地质要求，但仍有可能在没有拿到的10%的岩心里富含矿而使依靠拿到的90%岩心所进行的岩矿分析出现较大的误差，这种情况在金等贵金属矿产中表现得

39、尤为突出。,取心取样品位对比结果(山东),分样品位对比结果,CSR钻探方法的工艺特点,1.改变了冲洗循环介质 即从液态变为气态 2.改变了循环方式 即从单壁钻杆正循环变为双壁钻杆反循环 3.改变了碎岩方式及样品形态 由原来的切削与磨削碎岩改变为冲击与冲击切削碎岩，由获取柱状岩心改变为获取碎屑状岩样。,CSR钻探方法的优点,1.钻进效率高2.有利于穿越复杂地层 这是因为在钻进时，压缩空气在双壁钻杆中的循环恰似一闭路循环系统，即便遇到老窿或溶洞，一俟钻具到达洞底，正常循环也会立即恢复，而这在常规钻探方法中却是不可思议的。3.钻孔质量好4.钻进工艺简单 中心取样钻进与常规取心钻进相比，由于钻具自身的

40、特点及碎岩方式的改变，钻进参数如压力、转速等的控制比较简单，即便稍有不当，对钻进效率、孔内安全等影响均不大。5.可以气代水 有利于在干旱缺水地区施工，这一点对于开发我国大西北具有特殊意义。,CSR钻探方法确定矿体产状,空气钻进优点,中心取样钻具组合,CSR73/33双壁钻杆,CSR73/39双壁钻杆,双通道气水龙头,反吹接头,短气（气举）接头,正反循环转换接头,样品与收集装置现场安装示意图,复合片取心钻头,特殊需要时也可取心,承包外资金矿勘探施工,亦可用于工程施工,在干旱缺水地区，常规钻探方法施工需拉水维持，如遇漏失，则生产举步维艰；在某些火成岩地区，岩石表现为高硬度、强研磨性，常规钻探方法钻

41、进效率低；常规钻探方法在复杂地层钻进，钻材消耗大，钻探成本居高不下；钻探效率低，延长矿产资源评价周期；,客观条件迫切要求能有新的钻探方法来解决这些难题。,推该项技术的必要性,经济效益估算,投入70万圆(按2年计)：双壁钻杆钻具-20万圆，样品收集与处理装置-5万圆，潜孔锤、牙轮钻头、复合片钻头等-10万圆，设备租赁-30万圆，其他-5万。产出：目前金矿勘探平均钻探单位成本约420圆/m，根据中心取样钻探方法近年来在不同地质条件下的施工实际指标，每米即使按节约200圆计，2年如工作量能达到800010000m，可直接节约资金160200万圆。,有利于水资源快速评价,中国虽然是个资源大国，但水资源

42、的匮乏却是尽人皆知的事实，且水资源的分布极不均衡，在经济欠发达的中西部地区、特别是西北地区，水资源的短缺显得尤为突出，不仅直接影响到这些地区的经济发展，严重的还危及到当地人民的生活与生存。如这些地区的水资源问题得不到有效解决，是无法谈及进一步发展经济、改善人民生活条件、缩小与经济发达地区之间的差距的。显然，水资源是制约上述地区经济发展速度的关键因素之一。“西部找水计划”无疑是极其重要的正确决策，利用先进的多工艺空气钻进技术，为在干旱缺水地区进行水资源快速评价提供先进的技术手段，是加速干旱缺水地区水资源快速评价的有效途径。,采用新技术的必要性,由于受技术条件、传统观念等的限制，一些以前的水文结论

43、并不能完全真实地反映当地的地下水资源现状，应重新予以评估。以往我们在所谓的贫矿区找到富矿、在贫油区找到富油、在贫水区找到丰富的地下水的例子屡见不鲜，这充分说明了随着科学技术的不断进步以及新理论、新方法的产生，在上述地区已经做过水文结论的所谓贫水区，仍有可能在新理论的指导下，通过应用新技术、新方法而找到丰富的地下水。为此，我们认为进一步加快我国干旱缺水地区的水资源勘探速度，找到丰富的地下水并迅速开发利用，不仅是现实的，也是完全可能的。,空气反循环钻探方法最适宜在干旱缺水地区进行水资源快速评价,反循环可及时发现地下水,孔口开始涌水,水量开始增大,开始喷发,喷水量增加并逐渐达到高潮,从旋流器处观察水

44、量,多介质钻井液钻探技术,干空气钻进,干空气钻进，又称为“粉尘”钻进，主要适用于完全干燥无水地层和含水量较少能被气流吸收的基岩地层或第四系覆盖层。在完全无水地层中钻进，当返回到地表的岩屑为粉尘状时，此时为最优钻进速度和最好的经济效果。因为此时孔底岩石所承受的压力为压缩空气柱的压力和钻孔内岩屑总重量之和，此压力低于钻孔冲洗液桂几倍到几百倍，故可获得最好的钻进效果。,干空气钻进工艺参数,空气钻进技术参数包括：钻头压力、钻头回转速度、空气量和空气压力。钻头压力和回转度：空气钻进无液浮力和液润滑作用，因此，钻杆在空气中承受较，高的静载荷和动载荷，在深孔中尤其突出。故空气钻进压力不宜过高，一般比冲洗液钻

45、进低约1/31/2。干空气钻进压力一般控制在12 200 107pa 范围内。钻头回转速速度因无液润滑，回转阻力加大，故不宜过快，一般在松软地层为80一160rmin；坚硬地层一般为30 80rmin。,空气量和空气压力：空气钻进的气举能力与空气密度成正比，与环状空间的空气流速的平方成正比。这将随着钻孔深度的增加，空气密度和破碎岩石的岩屑重量的增加，必须保持孔内环状间隙的空气上返速度，才能有效的排除岩粉，因此，送入孔内压缩空气的空气量和压力要相应的增加。在一般情况下空气上返速度为15 m s，当钻速超过15 mh 以上时，上返速度应提高到20 m s，才能及时将孔内岩屑带出地表。,干空气钻进工

46、艺参数,空气量与钻杆直径和钻孔直径有直接关系，同时与钻孔深度，钻进效率也有一定关系，一般情况下钻进越深、钻进效率越高，所需空气量越大。一般钻进时空气量为6 9 m 3min。空气压力与钻孔深度、直径和钻进效率等有关，一般在浅孔和中深孔中，所需压力约为7 105Pa 以内，深孔所需压力可达十几个大气压力。另外在整个过程中，空气压力能帮助操作人员随时判断孔内情况，如孔内压力突然增高，说明孔内可能出现掉块、坍塌、岩粉过多，或进尺太快岩粉堵塞等情况。如空气压力突然降低，可能发生钻具折断或接头处漏气等现象，应及时提钻处理。,干空气钻进工艺参数,气动冲击器（潜孔锤）钻进,气动冲击器钻进是以压缩空气作动力介

47、质，在钻具上连接一个专门气动冲击器，在其下端连接一特制的球齿状合金钻头，在钻进中给钻具一定的轴向压力和回转运动，并通过钻杆将压缩空气送入冲击器，以推动冲击器上下运动，在活塞下行时产生冲击能量，通过球状合金钻头冲击破碎岩石，钻具回转是为改变切削具破碎岩石的位置，这是一种中频冲击破碎岩石的钻进方法。压缩空气同时兼做吹洗孔底岩屑和冷却钻头的循环介质。潜孔锤钻进特别适用于干旱缺水和水冻土地区钻进，它具有钻速高、成本低、事故少等优点。因此，引起国内外重视，目前国外已形成专门系列。我国目前多用于矿山开采，并正在推广应用于水文钻井和工程钻进等。我国使用的冲击器主要有C150、C150B型和J 200、W 2

48、20 型等。,气动冲击钻进的优点,钻进效率高：特别是在坚硬岩层利用气动冲击钻进，比普通回转钻进效率提高几倍到几十倍。机械钻速可达小时进尺20 m，平均班进尺可达100 m。钻头寿命长：一个球齿钻头在花岗岩中能进尺500 m，在石灰岩中可超过1000 m。一台气动冲击器钻具可钻进10000 m 左右。气动冲击器钻进所需压力小，仅为回转钻进的13 左右，回转扭矩小，故使用车装水井钻机，就可施工较大口径的钻孔，便于实现设备轻便化和车装化。气动冲击钻进所需压力小，钻具不易弯曲，故有较好的防斜效果。由于钻孔内没有静水柱压力，排粉速度快，孔内干净，对含水层没有堵塞与破坏作用。成本低，大约为常规钻进费用的5

49、0 左右。,泡沫钻进,当孔内渗水较多时，又不能被压缩空气吹干，使干空气钻进迂到困难，可采用泡沫钻进，泡沫钻进是用水与泡沫剂混合，通过压柱泵以雾状喷入压缩空气的气流中，送到孔底进行钻进，该方法具有较大的携带岩屑能力，但所需空气量约增加30 左右。,泡沫泥浆钻进,当钻进破碎地层，采用干空气钻进，泡沫钻进均不能保持孔内安全而出现坍塌、掉块、以致无法钻进时，可采用泡沫泥浆钻进。泡沫泥浆是一种比较稳定的“泥浆包气”的乳化浓，用稳定的泥浆添加剂和泡沫剂配制而成。使用时在足够的空气量中，喷射少量的稀泥浆，空气与泥浆的配比为1100 至1300。泡沫泥浆钻进适用于松散的稳定性较差的地层。该方法具有钻速高、所需空气量少，在水敏地层也能取得较好效果。,充气泥浆钻进,当钻孔内出现涌水，空压机风量不足，不能把孔内水柱吹出地表；或钻孔内出现漏失严重时，可采用充气泥浆钻进。充气泥浆钻进是将压缩空气和泥浆同时用的钻头进入孔底进行钻进，充气泥浆是泥浆与空气组成的一种稳定而均匀的气泡泥浆，其目是降低钻孔内泥浆柱的密度，以减少孔内循环液漏失和对含水层的堵塞，起到保护孔壁作用。,思考题,地质勘探钻进特点有哪些？取心钻进主要工艺参数有哪些？硬质合金与金刚石钻进的主要区别有哪些？什么是反循环钻进？中心取样钻探技术的特点是什么？,