《钻进成孔方法》PPT课件.ppt
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1、1,第五讲 钻进成孔方法,窦 斌 博士、教授2012.07,2,水文地质和水井钻的钻孔(井)方法:,取芯钻进 回转钻进法 扩孔钻进 全面钻进 钢丝绳冲击钻进 冲击钻进法 反循环冲击钻进 泵吸反循环钻进 反循环钻进法 气举反循环钻进 射流反循环钻进 空气钻进法;潜孔锤钻进法,3,第一节 钢丝绳冲击钻进,一、钢丝绳冲击钻进的原理、特点及适用范围(一)钢丝绳冲击钻进的原理 钢丝绳冲击钻进的基本原理是:借助于一定重量的钻头,在一定的高度内周期地冲击井底,使岩石破碎而获得进尺。在每次冲击之后,钻头在钢丝绳带动下,回转一定的角度,从而使钻孔得到规则的圆形断面。,4,工作原理图,5,(二)钢丝绳冲击钻的特点
2、和应用范围1钢丝绳冲击钻的特点(1)冲击钻进是以冲击动载荷破碎岩石的,由于岩石在动载作用下容易发生应力集中,使得破碎效果比静载作用好得多,因此,用冲击方法破碎岩石,特别是大卵砾石、漂石、裂隙硬岩等岩层,具有效率高、消耗功率低、成本低等优点。(2)设备简单,移动方便,维修方便。(3)钢丝绳冲击钻,只能钻进垂直井孔,故在应用上受到限制。,6,2钢丝绳冲击钻的应用范围(1)钻凿大直径水井;(2)钻凿露天矿山爆破孔;(3)用于钻进基础桩孔、连续墙钻孔、坝基处理孔以及其它工程孔。,7,二、钢丝绳冲击钻机 钢丝绳冲击钻机一般是组装在汽车或拖车上,安装和运输都很方便。我国水文地质和水井钻探(井)工作中,广泛
3、使用的冲击钻机有CZ20c型,CZ22型,CZ30型和丰收120型,丰收250型等。这些钻机都是由动力机、主轴、冲击机构、卷筒、桅杆和行走机构等部件组成。,8,9,三、钢丝绳冲击钻具 钢丝绳冲击钻具主要有:钻头、冲击钻杆、钢丝绳接头和捞砂筒。,10,1钻头,冲击钻进的钻头是直接破碎岩石的钻具。冲击钻头底部带有各种刃角的切削刀,用它将冲击力传给岩石。钻头中部称钻头体,为了减少钻头在运动中岩粉浆对它的阻力,钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽,以增大钻头的冲击力。,冲击钻头的刃角,取决于所钻岩石的软硬程度。一般情况是地层越硬,刃角的角度越大。,11,2冲击钻杆,冲击钻杆是为加重钻头重量的实心钻杆。钻杆间的
4、连接方式有两种:一是丝扣连接,另一种是法兰盘连接。钻杆的结构如图5.14所示。,12,3钢丝绳接头,钢丝绳接头又称绳卡。它的作用是联接钢丝绳与钻具;并使钻具在钢丝绳扭力作用下,能在钻头冲击一次后自动回转一定的角度。,13,4掏砂桶,掏砂桶又称抽筒,主要作用是捞取井内的岩粉。也可用它来钻进砂质或粘土质等软地层。掏砂桶为一圆桶,上有提梁连接钢丝绳,下有活门抽取岩粉。,14,四、钢丝绳冲击钻进规程,冲击钻进规程是指在冲击钻进时,为了达到好的钻进效果,依据一定的理论基础和实践经验,对钻具及钻进工艺参数进行控制,这些人为可以控制的参数称之为冲击钻进规程。,影响钻进速度v的因素主要有:钻具重力(量)、冲击
5、高度、钻具的下降加速度、冲击次数和岩粉浆密度。,15,1钻具的重力(Q)钢丝绳冲击钻进是利用钻具在井中自由下落冲击而破碎岩石,因此,钻具重力直接影响着钻进效率。钻具重力的计算公式为:,(N),式中:L钻头上的有效刃长,cm。q0单位钻头刃长的钻具相对重力,N/cm。,16,相对重力q0值,可根据岩石的硬度来选择:软岩 250300 N/cm;中硬岩石 350400 N/cm;硬岩 500600 N/cm;极硬岩石 650800 N/cm。实际制造钻具时,除根据岩石选择钻具的重量外,还要考虑钻具上泥浆的“通槽”和整个钻具的长度。实验表明,钻具的实际断面与钻孔的实际断面之比为0.75时,钻具下降速
6、度最佳,所以一般选择取其比值为0.6 0.8之间。,17,2冲击高度(S)和悬距 冲击高度S是指钻具在冲击过程中,钻具被提离井底的高度。改变冲击机构上的曲柄与连杆连接的位置,可得到不同的冲击高度。一般冲击钻机其可变的冲击高度范围在0.61.1m。由于钻具是经过很长的钢丝绳与钻机联系着,压轮的上下摆动高度不等于钻具在井内的冲击高度。如何解决钢丝绳在受力后弹性伸长和不断延伸的井深问题。在实际工作中,常采用控制放绳和留悬距的办法,来提高钻进效率。,18,悬距是当压轮停止到上死点时,待钢丝绳静止后,钻头距井底的距离。留悬距不仅防止因钢丝绳松弛而造成钻具抖动、进而产生钻具丝扣脱扣等事故外,还可以防止钢丝
7、绳载荷突然增大给钻机带来的损害。悬距值的大小,根据岩石性质而定。钻进软岩时,因每次冲击切入岩石的深度较大,悬距可以少留甚至不留。硬岩因切入深度小,故应适当多留。悬距值还与井深有关,当钢丝绳越长,其弹性伸长量就越大。冲击高度仍然是根据岩石性质确定,钻进硬岩,应选择较大的冲击高度,钻进软岩则应选择较低的冲击高度。,19,3冲击次数,钢绳冲击钻进时钻机冲击机构往复一次所需时间和钻具冲击循环时间相吻合。即冲击次数和冲击高度相匹配,这样的冲击次数才是合理的冲击次数。合理的冲击次数可按下式计算:式中:n冲击次数,次/min;1下降角(冲击梁从下死点转到上死点曲柄回转的角度);j钻具在井内岩粉浆中下降的加速
8、度,m/s2;S冲击高度,m。,20,适用于目前冲击钻机的冲击高度与冲击次数的配合关系,可参考表1-1。,505458 60,1.10.950.78 0.48,合理的冲击次数,次/min,钻具冲击高度,m,表1-1冲击高度与冲击次数关系表,21,4岩粉浆密度 冲击钻进时,井内岩粉浆的密度过大,将影响钻具下降的加速度,从而影响冲击破碎岩石的效果;从另一方面看,井内有一定密度的岩粉浆,却有利于悬浮岩粉、岩屑。否则岩粉、岩屑就会滞留而沉积在井底,形成一层岩粉垫,使钻头不能直接冲击新鲜岩面,破碎岩石的效果不好。对于某种岩石,有最佳的岩粉浆密度,一般是岩石的比重越大,岩粉浆的最佳密度相应越高。,22,第
9、二节 回转钻进,当前,我国各有关部门在水文地质和水井钻钻孔(井)工作中,应用广泛而有效的钻进方法仍是回转钻进方法。近年来逐步试验、推广的反循环钻进,空气钻进,潜孔锤钻进等方法,都是在回转钻进的基础上发展、演变而形成的。一、回转钻进过程1回转钻进破碎岩石 回转钻进是采用回转钻机带动钻杆拄转动,钻杆拄的下面装有钻头,钻杆转动带动钻头一起转动。但要有效地破碎岩石,还必须给钻头施加一定的压力,从而使钻头能够在转动的同时切入破碎岩石。,23,24,25,26,27,28,29,30,2冲洗介质循环,钻进碎岩的同时,必须向孔内输送冲洗介质,冲排碎岩岩屑,冲洗介质循环的循环方式可分为三种方式。(1)全孔正循
10、环:来自泵的冲洗介质通过钻杆柱中心进入孔底,由钻头水口处流出,经钻杆与孔壁环状间隙上返至孔口,流入地面循环槽中。,31,(2)全孔反循环:冲洗介质由钻杆与孔壁环状间隙进入孔底,由钻头水口进入钻具和钻杆中上返至地表主动钻杆水龙头,经胶管返回循环系统或水源箱中。(3)孔底局部反循环:在整个钻孔的大部分孔段仍是正循环,仅在孔底岩心管部分实现反循环,使冲冼液的流动方向与岩心的进入方向一致。,32,二、回转钻探(井)设备,1SPJ300型钻机 SPJ300型钻机由动力机1,泥浆泵2,绞车3,转盘4和A字型钻塔5组成(见图319所示)。,33,SPJ400型钻机,34,SPJ400型钻机转盘,35,钻机编
11、号所表达的意思,S P CX X X 第二特征代号:C车装、S散装 第一特征代号,转盘钻 类别标志,水文标志,SPJ系列型钻机可拆性强,适用于交通不便的地区施工。钻塔可整体竖起,但整个设备笨重、钻进方法单一。,36,2SPC300H型钻机 SPC300H型钻机全部部件组装在国产“黄河”牌汽车上,动力为汽车的发动机,钻机具有冲击机构(见图3-1-10所示)。,37,38,动力头式汽车钻机,39,40,三、取芯钻进,水文地质普查孔、勘探孔、长期观测孔、探采结合孔以及基岩中的供水井常采用取芯钻进。取芯钻进除了能满足水文地质要求、获取岩芯外,钻孔内还可以进行物探测井,这样可以进行对比,准确划定含水层的
12、位置,这对于提高勘探质量和减少施工的盲目性都有意义。取芯钻进常用的钻头直径在110190mm,超过200mm直径的钻孔,称大直径钻孔。,41,(一)软地层取芯钻进 软地层主要为粘土类地层、砂类地层、泥岩和无矽化的灰岩等地层。这些地层对钻进易造成缩径、糊钻、埋钻、塌坍或孔径扩大等。因此,在钻进措施和钻具选择上应适合地层的特点。1钻头 适于软地层的钻头,主要是合金钻头,当前采用的硬质合金取芯钻头,一般为肋骨钻头。,42,(1)螺旋肋骨钻头:在钻头体外焊上肋骨片,肋骨片呈螺旋形,根据钻头直径不同,焊接36片肋骨。这种钻头不易糊钻,适用于粘土、泥岩类的地层。,43,44,45,(2)阶梯肋骨钻头:这种
13、钻头是在钻头体外垂直焊接肋骨片。肋骨片的底面比钻头底面高10mm。可焊成两级阶梯,每级差10mm。这种分级破碎岩石的钻头,适用于做双管钻进的外管钻头。用于钻进砂类,含砂粘土及页岩地层。,46,三阶梯肋骨钻头,47,二阶梯肋骨钻头,48,(3)内外肋骨钻头:在钻头内外都焊接肋骨片,以减少冲洗液的阻力、钻头的糊钻与蹩泵。这种钻头在松散地层除减轻糊钻外,还有防止岩芯滑落的作用。,49,50,2.取芯钻具的选取及其连接方式,软地层取芯钻具的选取,取决于地层的松散程度和取芯的难易程度。当地层联结力较强或容易取芯,选用普通钻具。其连接方式参考图5.111a。随着地层松散程度的增加,岩芯管可以选双层或三层,
14、其上可以接弹子接头或喷反钻具,以提高岩芯的采取率和岩芯的质量,如图5.111b所示。,51,取粉管接头,52,岩心管,53,绳索取芯钻杆,54,钻杆,55,取芯钻具之间的连接,在直径较小或扭力不大时,一般采用丝扣连接。当直径较大或扭力较大时,为防止钻进期间钻具的跳动和脱扣,采用丝扣加焊接或完全焊接方式联接。,56,3软地层取芯钻进的技术参数 回转取芯钻进中为了优质、高效、安全地钻进成孔,必须对钻进中的回转速度、给钻头施加的轴向压力以及用于冲洗液循环的水泵的泵量进行控制。粘土类地层硬度小粘性大,切削具易于压入切削,并有冲洗液的溶蚀、分解泥屑,排离孔底。当进尺快时,如果泵量不足常出现蹩泵、糊钻等。
15、因此钻进时多采用大泵量、高转速勤活动钻具的操作方法。软岩取芯钻进规程参数可查阅岩心钻探手册。,57,(二)基岩硬地层取芯钻进,水文地质水井钻探经常钻遇的硬岩层有基岩的破碎带、溶隙石灰岩和河床上的大漂石、大卵石等地层。这类地层用带切削具的钻头进行钻进,切削具很易被崩落。难取芯、效率低且易产生孔斜。当前,我国钻进这类地层,多采用钢粒钻进。只有当地层比较完整时才采用密集式的硬合金钻进,近年来也试验了取芯牙轮钻进、潜孔锤钻进。,58,1大直径钢粒钻头和钢粒,制造大直径钢粒钻头所用的材料有:厚壁无缝钢管、铸钢管、钢板卷焊管、岩芯管或套管等。其结构如图5.113。钢粒:优质高碳钢丝切制而成,直径3.54m
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