1(第一天)一、岩芯钻探工程基本理论知识.ppt

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1、山东黄金集团金刚石钻探技术讲座,主讲：姜明和山东冶金技师(技术)学院,一、岩芯钻探工程基本理论知识,一、钻探设备与钻探工具钻探设备包括钻机，泥浆泵(空压机)、钻塔、动力机。钻机：驱动钻杆柱在钻孔内转动，提供钻头破碎岩石的动力（压力和扭矩）泥浆泵（空压机）：驱动钻孔内循环介质的循环，目的是清除钻粉、冷却钻头钻塔：为钻进过程中提钻、下钻提供支撑,动力机：为钻进设备提供动力。自备发电机组同时提供机场照明。钻探工具：钻探工具是施工用的工具，它又可分为钻进工具、辅助工具、打捞工具和专用工具等。钻进工具是直接用来加深钻孔的各种工具，它包括粗径钻具、钻杆柱与主动钻杆三部分；辅助工具主要用来升降钻具和套管时使

2、用；打捞工具用于处理钻进期间可能发生的孔内事故，包括各种丝锥、反丝钻杆、事故钻头等；专用工具用来进行孔内特种工作，例如钻孔人工造斜、堵漏止水等。,金刚石钻进工具包括以下组件：钻头、卡芯器（卡簧与卡簧座）、扩孔器（上、下）、岩芯管、岩芯管钻杆异径接头等。钻头主要是用来破碎孔底岩石的；卡芯器用于从孔底卡断岩芯。扩孔器：保持孔径不减小并可往孔内自由地下入另一同直径钻头。同时有导向作用。岩芯管用以容纳岩芯，同时也承受和传递钻压和提力，带动钻头工作，它在钻进过程中能保全岩芯，并把岩芯运载到地表。当钻具组从孔内提出时，卡簧将岩芯卡在钻头内，并保持在岩芯管中。钻进方法和工作条件不同钻进工具有不同的种类、型式

3、。,GB/T 16950-1997金刚石岩心钻探钻具设备本标准规定了金刚石岩心钻探钻孔深度在1500m 以内，适用于不同地层的单层岩心管、多种设计的双层岩心管以及钻杆、套管的型式、尺寸、主要机械性能、连接螺纹等技术内容。金刚石岩心钻探常规钻具分为单层岩心管、双层岩心管两大类。口径规格依国际通用的R,E,A,B,N,H,P,S作为代号，规格代号及对应的公称口径见表,规 格 代 号 与对 应 的 公 称 口径 mm,钻具设计类型分为单管和M,T,P三种设计的双管。钻具代号由口径规格和设计类型组成.,例:B S 设计类型(单管)口径规格N T 设计类型(T型双管)口径规格,金刚石岩心钻探双层岩心管(

4、双管钻具),M型薄壁设计适用于较坚硬和完整的岩层有A,B,N三种规格,T型标准设计适用于稍破碎和松散岩层有R,E,A,B,N,H六种规格,P型厚壁设计用于破碎、松散和要求过水段面较大的岩层A,B,N,H,P,S六种规格,双管的外管是通用的。M 型钻头与单管钻具A,B,N规格钻头通用。M 型卡簧与单管钻具A,B,N规格卡簧通用。,钻具类型及规格,金刚石岩心钻探常规钻具单双管系列,套管及其附件金 刚石岩心钻探用套管分为X和W两种系列。X系列是管体两端均为内螺纹，靠接箍连接;W系列则是管体两端分别加工成内、外螺纹，可以直接连接。X系列接箍内径与W 系列套管内径相同。套管、套管接箍、套管钻头、套管扩孔

5、器、套管鞋内外径尺寸见表所示,GB/T 16951-1997金刚石绳索取心钻探钻具设备本标 准 规 定了钻孔深度在15 00m 以内的金刚石绳索取心钻探通用设计的岩心管、钻杆及接头、钻头、扩孔器等尺寸、连接螺纹等互换性技术内容.金 刚石绳索取心钻探钻具口径规格依国际通用的A,B,N,H,P、作为代号。钻具代号由口径规格及绳索(国际通用WL)组成规 格 代 号 及 对 应 的 公 称 口径 mm,绳索取心钻具,除内、外岩心管，钻头、扩孔器，钻杆及接头等必须保证互换的型式及尺寸外，关于钻具的单动、悬挂、长度调节、定位、导正、报信、捞矛等型式及尺寸都由设计者选定.,金刚石绳索取心钻探用的套管与常规金

6、刚石钻探设备的套管是通用的。,二、钻杆柱主要的作用。(1)把钻机动力和回转器的回转运动传递给孔底的钻头。(2)将轴向载荷(钻压)传递给钻头并加以调节。(3)用作钻孔冲洗介质的通道。冲洗介质经过钻杆、钻杆与孔壁(或套管内壁)形成的环状间隙进行循环，用来冲洗钻孔和冷却钻头。(4)在某些特殊钻进方法中，钻杆柱还用作输送岩芯或岩芯提取器的通道或作为更换井底钻头的通道、以及投送卡取岩心的卡料，输送测斜仪器或者输送堵漏材料等,钻杆柱的连接普通金刚石钻进的钻杆采用端部加厚的管坯制造，钻杆柱由接头或上、下接头副连接。连接螺纹分为圆柱梯形螺纹和顶锥式圆柱梯形螺纹，相应的钻杆两端、接头或接头副的螺纹均互相对应。立

7、根：由两根或者多根钻杆单根通过接头连接起来的，在提下钻过程中不卸开的钻杆柱。立根的长度根据钻塔高度确定。提下钻时，是在两个立根之间卸开。钻杆柱的薄弱环节：钻杆两端加工螺纹的部位，钻杆接头。钻杆柱在孔内的工作特点：钻杆柱在孔内呈螺旋弯曲状态，在孔内可能有两种方式不同的旋转运动，（1）公转：围绕着钻孔中心,轴旋转。在这种情况下，钻杆产生一边偏磨。（2）自转：围绕着自身的中心轴旋转。此时钻杆表面产生均匀磨损。理想状态为钻杆柱自转。为什么会出现公转：压力压力大，增加弯曲、回转速度（转数）转数增加，离心力增大，弯曲、钻杆本身的质量材质、螺纹加工、热处理缺陷。公转时出现的问题：摩擦阻力增大、钻杆疲劳破坏、

8、钻杆折断、敲击孔壁、钻杆偏磨、钻孔质量下降等。钻杆在孔内的弯曲不可避免在钻进中，由于部分钻杆柱的质量是作为钻压施加于钻头之上的，使得下部钻杆柱受压，在减压钻进中，部分钻杆自重由钻机提拉而平衡。所以在钻杆柱上就有某一个点纵向力为零，称为零断面或中和点，通常用0-0表示。在零断面以上钻杆受拉，而,以下部分则受压。在钻压小和直孔的条件下钻杆柱也可能是直的，但是，压力达到某一临界值时，如图，下部钻杆柱失稳发生弯曲并且在某一点和孔壁接触称为切点。此时中和点N1在切点T1上方，这是第一次弯曲。如果继续增大钻压，则切点下移，中和点上移，当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线出现第二个切点，这是第二次变曲。

9、如果继续加压则可能出现第三次弯曲或更多次弯曲。假设钻杆柱在自转的情况下，并假定钻杆柱两端为铰支方式，通过计算，钻头落于井底、钻杆柱不断给钻头加压，当中和点达到钻头上方1.94m时，钻杆柱发生一次弯曲；继续加压，当中和点到达钻头上方3.75m时，钻杆柱开始发生二次弯曲，但此时钻杆柱上面的弯曲与井壁还没有切点，直到钻压增大到中和点位于钻头上方4.22m时，上部才与井壁有切点。,所以，实际工作中一般岩心管的长度（粗径钻具）不小于3米，对于易造斜地层应加长岩心管长度。钻杆柱的合理使用（1）变换次序使用法，（2）综合使用法。用钻孔钻进时间与钻杆柱寿命之比（K）来辨别。在地质勘探中，钻杆的寿命要比钻孔钻进

10、时间高许多倍，即K1。但在个别情况下，钻孔很深，岩层研磨性很高或地质技术条件较复杂时，K也可能接近于1。所以，钻杆最优使用方式的选择都是在K1的条件下进行的。(一).变换使用方式当钻孔时间与钻杆寿命接近时，为了使钻杆消耗均匀，钻孔须成对考虑。在钻进第二个钻孔时，把钻杆立根使用的次序颠倒过来使用，此为变换次序使,用法。这种方法在大多数钻孔中都可以使用。(二).综合使用方式当K=0.7时，可采用此法。在钻第一个钻孔深度一半的过程中，把钻杆立根依次标记接到钻杆柱上使用。在钻进完深度的一半后，提钻时把这些立根依次放于立根台上待用。而在继续钻进时把其他未用的一半立根一起下入孔中，在继续向深部钻进时，把原

11、上部用过的立根按照与原来相反的次序接到钻杆柱上继续使用。在钻进第二个钻孔时，把钻进第一个钻孔用过的立根完全按照相反的次序使用。这种方法可以使钻杆的寿命大大提高。施工过程中，钻杆接头的拧卸端必须涂丝扣油、垫密封圈。使用绳索取心钻杆必须遵守以下规定：（1）、钻杆下孔前，用“通棒”(外径比钻杆内径小,051 毫米，长051米的圆钢)试通钻杆，通不过者，不得下入孔内。（2）、钻杆直径单边磨损达1毫米或均匀磨损达15毫米，弯曲超过1毫米米；螺纹严重磨损，连接旷动或有明显变形的，均不得下入孔内。（3）、钻杆立根下应垫木板、橡胶等缓冲材料。备用钻杆要三点垫放，排列整齐。机台搬迁时，要卸开立根，单根存放、搬运

12、；螺纹部分应拧上护丝。（4）、钻杆拧卸应使用多触点自由钳，禁用管钳或大锤敲击。（5）、钻杆接头变形，丝扣损坏，磨损过度必须及时更换。,三、钻探施工的基本过程钻探工程中采用的破碎岩石的方法，主要是机械式碎岩。通常根据破碎岩石的工具的材质，将钻进方法分为：硬质合金钻进、金刚石钻进、钢粒钻进三大基本类别。在这三大基本类别中又可以按照其他的分类依据将他们分成更小的类别；根据施加外力的方式和外力的性质，可把钻进方法分为：冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等。,为了完成钻孔，必须进行三项基本操作，即破碎岩石、清除岩屑、维护孔壁稳定。破碎岩石是实现钻进的首要条件，不能破碎岩石就不能实现进尺；破碎下来的岩石（岩

13、屑）如果不能及时清除，就会影响下一步破碎岩石；随着钻孔的不断延伸，如果孔壁失去稳定，比如发生坍塌，那么，钻进也无法连续进行下去，也会影响连续钻进。上述三项工作在不同的地层中钻进，其难度是不同的。例如，在松软的地层中钻进，破碎岩石比较容易，清除岩屑的工作量较大，而维护孔壁稳定则成为完成整个钻孔的难点和重点。实际上钻进工艺就是为经济地、快速地完成上述三项工作而采取的技术措施。因而，应根据施工的实际情况来采取不同的工艺措施完成上述三项工作。,1、工序：对于钻孔施工来讲，钻孔施工技术设计工器具、材料准备 修筑地盘设备安装与验收 开孔回次钻进特种工作终孔验收拆卸、搬迁修筑地盘：在进行设备安装之前，要首先

14、由钻探技术人员会同地质人员到现场确定机场位置、大小、方位、面积等。地盘的面积是由所用设备类型决定的，地盘方位由钻孔的设计方位决定。当施工垂直孔时，可不考虑钻孔方位，而施工倾斜孔时，应使地盘的纵长中心线与钻孔设计方位线一致。在修筑地盘时，要尽量减少挖方和填方。必须填方时，填方面积不得大于场地面积的四分之一，孔深超过600米及土层松散、地形坡度大于30度时，塔基不允许安装在填方部位上。,在山坡修筑地基时，地基靠山坡一边的坡度要适当。当地基岩石坚硬，稳固时，坡度不得大于80度；地基特别松散时，坡度不得大于45度，并要除掉坡上的活石。在悬崖下面修地盘，崖上面的活石要除掉，并在离现场35m处挖积石沟以防

15、活石落下伤人和机械。在河滩或山沟修地盘，要使地盘的纵长方向与水流方向平行，并挖排水沟，筑拦洪坝以防积水和山洪侵击。设备的基座可采用机台木、混凝土、工字钢、槽钢等，无论采取那一种型式，都必须保证设备安装稳固、周正、水平。,钻探工器具、材料准备与钻探设备安装在本工序内的主要工作内容是：（1）.根据施工钻孔的目的、深度、终孔直径及施工的环境条件确定所用设备类型；（2）.按照所用设备及采用的钻进方法准备相应的工器具和有关材料；（3）.安装设备及验收工作。钻探设备的选择主要依据钻孔深度、钻孔目的和钻探方法确定。金刚石钻探选用具有较高转速、较大调速范围稳定性好、振动小的液压钻机，并配备孔底压力指示表转速表

16、、扭矩表。选用电动机驱动时，须配备能测电压电流的配电盘和启动补偿器。金刚石岩心钻探要选用变量泵，并配备完好的泵压表和流量计。为预防烧钻，应推广安装报警器。,绳索取心金刚石钻探选用液压驱动或电力驱动的绞车，要求安装周正、牢固；操作方便灵活；起动、制动可靠。；在进行设备安装时，应保证钻机立轴的中心线与天车中心（或前缘切线）、钻孔中心在同一直线上，并符合倾角要求。安装设备时还应遵守安全操作规程，同时，安装必要的安全防护装置，如传动部位防护罩、座式天车的安全护板、吊式天车保护绳、钻塔绷绳、避雷针、电气设备接地、漏电保护装置等。钻塔离高压线的距离应符合安全规定。安装与拆卸钻塔必须遵守下列规定：（1）、安

17、、拆钻塔工作应在机长的指挥下进行，安装人员必须戴安全帽。在建塔、封塔布等塔上工作时必须系牢安全带，要穿平底的橡胶鞋，不得在台,板上放任何物件，必要的工具、螺栓要放在工具袋内，不得在安、拆钻塔的同时在塔下进行工作。（2）、钻塔应安装稳固、周正。安、拆钻塔前，应对钻塔构件及所有工具、绳索和挑杆进行严格检查。（3）、安装钻塔时，台板必须架设牢固，各部位螺栓与构件的规格要合乎要求并装全、装牢；钻塔安装完毕，要从下向上认真检查、调整，直至符合要求。（4）、安装钻塔时,应自下而上,先安装塔腿,再依次安装斜拉、横梁(横杆)。拆卸钻塔时，应从上向下逐层逐件拆卸，禁止先拆下层构件或同时拆卸上下层构件，严禁由塔上

18、往下抛扔钻塔构件、螺栓、工具等。（5）、夜间或刮六级以上强风，以及雷雨、雪雾天气时，禁止安、拆钻塔。冬季施工时，必须清除梯子、台板及鞋底上的冰、雪、霜后，方可上塔工作。,（6）、整体拉立式钻塔或者各种需要竖立的钻架，在立、放操作时，工作人员需离开塔架的起落范围，要有专人统一指挥，专人掌握绷绳。钻机的安装应了解所用钻机底座的孔眼及立轴中心（处于垂直位置时）与基座前孔眼的距离，确定钻机的安装位置。机械安装的注意事项：(1)机械设备安装时，必须仔细检查，要求周正、水平、稳固。(2)钻机立轴中心线、天车中心(或前缘切点)与孔口(拧管机)中心必须在同一直线上。安装完毕务必认真检查。,(3)固定机械底座的

19、螺杆，必须合乎规格，应带垫片，用两个螺帽拧紧，以防松动。(4)机械安装前，各部机件要检查清洗，将油杯、润滑油箱加注润滑油。(5)拆装机件需用锤击时，要用软物垫之，以免击坏。（6）电气设备和辅助设备必须安装在干燥清洁的地方，严防油、水及杂物进入；电气设备及启动、调整装置的外壳应有良好的接地保护装置，机场内不得有裸露的带电导体；电动启动手柄应套有绝缘橡胶。,在进行设备安装时，要及时挖好冲洗液的地面循环系统。冲洗液地面循环系统一般由循环槽、沉淀池、水源箱等组成。循环槽长度应大于15米，内宽220250毫米，高220毫米，安装坡度为1：1001：80，槽中每隔1.52米，要上、下交错安放挡板，上挡板高

20、100毫米，距离槽底50毫米，下挡板高100毫米直接安装在槽底。水源箱及沉淀池各两个，容积分别为5立方米和0.5立方米以上。钻进复杂地层及深孔时应适当加大水池容积，并有大容积的备用水源箱。场房的安装；照明安装：各关键部位都要安装灯泡。钻孔、钻机附近、水源箱、记录桌旁要保证充足的照明）。严禁用明火照明，应用变压器使照明电压降到36伏。动力线和照明线必须与金属钻塔绝缘。,安全装备的安装：机场内必须安装下列安全防护设备：（1）安全防护栏杆：传动皮带和机械的传动部分要安设牢固的防护栏杆和防护罩。机械运转时，凡是有机械传动、转轮的地方，必须安装安全栏杆或防护罩。将皮带罩住，否则，会造成伤人。（2）防火工

21、具：场房内有油料或易燃物，如有疏忽大意，就可能发生火灾，故机场应备有防火工具，例如，砂箱、灭火器、防火工具等。（3）土电梯必须安装牢靠，并有可靠的制动和断绳防坠、自动卡夹安全装置。平衡铊的牵引绳和导向钢丝绳直径不得小于10毫米。平衡铊应在塔角位置或塔外侧，其接近地面部位应设警戒或围栏装置。土电梯导向绳下端设防震装置。梯笼要,牢固耐用、方便操作，笼底要用木板制作，要经常检查钢绳的磨损情况，发现断股及时更换。（4）地板安装必须整齐、稳固，地板厚度要大于40毫米。（5）座式天车要有安全挡板，吊式天车要有保险绳。个别情况需要塔上有人操作时，安装台板厚度要大于50毫米，并架设1.2米高的坚固栏杆。钻塔右

22、侧要架设13处立根支撑靠架，各层支撑架在同一斜面上，要与摆扶管装置调配安装。（6）必须用直径125毫米以上的钢丝绳做钻塔的绷绳，塔高18米以下的设四根，塔高18米以上的分两层设八根。各绷绳的张力要相等，安装位置力求对称，绷绳与水平面的夹角要小于45度。绷绳下端的固定锚杆要埋设坚实稳固，不允许捆在小树上。,（7）雷雨季节施工时，塔上必须安设避雷针，并要与钻塔绝缘良好。避雷针截面钢质应大于100(毫米)2，铜质直径不小于20毫米，钢质引下线截面应大于28(毫米)2，铜质引下线截面应大于16(毫米)2。避雷针应高出塔顶15米以上。引下线与钻塔及绷绳的距离应大于1米，接地装置与电机接地体、孔口管、绷绳

23、锚杆的距离应大于3米。避雷针、引下线和接地体的连接必须严密牢靠，不便于在现场焊接时，应预先将各部件连接处焊一接触面积大于10(厘米2)的金属板，安装时再用螺栓紧固。接地电阻应小于10欧姆。雷雨季节更要注意接地电阻的检测和安全技术的改进工作。,（8）施工区内有高压输电线路，在确定钻孔位置时，应注意施工安全问题。钻塔起落范围与高压线路保持安全距离，万伏以上不少于50米，万伏以下不少于30米；在输电线路下搬运钻机时，如果沿公路运行，钻机高度(距地面或路面)不超过5米，沿无坚固路面或无路可行时，其高度不超过35米。钻机搬迁时离高压线最低点距离不少于2米。拆卸各种机器时，禁止用大锤猛力敲打或盲目拆卸。由

24、机器上拆下的零件、仪表、油管等，应专人妥善保存；气孔、油眼必须堵严。各连接螺栓、螺帽、轴座、销子等，卸除后仍应装回原处。上述工作进行完毕后，要按照有关的规程标准进行检查验收，合格后方可开钻钻进。,开孔钻进开孔钻进是指从地面到基岩的一段钻进过程，它是一个钻孔的开始。开孔钻进通常在第四纪地层和风化冲积层钻进，一般不做采取岩心的要求，但在这一类地层中钻进时，孔壁不稳定，易发生坍塌、掉块、冲洗液漏失等现象，造成钻孔容易弯曲（超出设计方位和倾角的要求）或发生孔内事故，严重影响钻探生产效率和后续的施工质量，因而，应引起重视。钻孔结构钻孔结构是指由开孔至终孔，孔身直径的变化。一般讲，钻孔变换直径的次数愈多，

25、钻孔结构愈复杂。,换径次数少，则钻孔结构简单，相应的可以简化钻具规格。最简单的钻孔结构上是自开孔至终孔一径到底的钻孔。在开孔之前，应首先设计钻孔结构。钻孔结构设计，就是要画出钻孔的总向剖面图。钻孔结构剖面中应注明以下因素：钻孔的总深度和不同直径的分段深度；钻孔各口径段的直径；套管的直径和下入深度；套管外环空间的封闭材料及封闭深度。钻孔结构设计的依据主要有：钻孔地质剖面图，了解所施工钻孔的岩层的物理机械性能、覆盖层的厚度、水文地质条件、钻孔深度、终孔直径、钻孔的目的、钻孔的质量要求；所用的钻进方法、钻探设备的技术性能。钻孔结构设计的基本原则在地质条件允许的情况下，应尽量简化钻孔结构，减少换径次数

26、，采用优质泥浆护壁，少下或不下套管。,比如，在稳定地层钻进，可在开孔穿过覆盖层或风化层进入基岩35米后，下入套管封闭套管底部四周，尽可能采用一径能够到终孔的结构。或者，直接在基岩上钻进，采用一径到底。在复杂地层钻进，原则上尽可能用泥浆、水泥浆或化学浆液护壁堵漏，在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，力争不换径，少下或不下套管，最大限度地简化钻孔结构，以提高效率和降低钻探成本。但在深孔钻进时，因地质条件、设备能力限制等，往往需要下入套管，采取换径钻进，这样钻孔结构就要复杂一些。a.钻进松散的砂砾石层、泥砂层，受地下水影响，泥浆及其他浆液护孔无效时，需下入套管换径钻进；b.穿过较厚的节理裂隙发育的破碎

27、带，坍塌掉块严重，其它方法护孔无效时，需下入套管护孔，换径钻进；,c.钻孔遇到含水构造或大裂隙贯通，严重漏水或涌水。在这种情况下，在采取泥浆或其它方法护壁堵漏、止水无效时，可采用套管护壁、止水、堵漏，换径钻进；d.因设备能力限制，在钻孔达到一定深度后，可由较大口径换用较小口径钻进，以适应设备负荷能力。在能够满足地质要求的基础上，尽量采用小口径钻进，以提高钻进效率。钻孔的终孔直径在设计钻孔结构时是个先决条件，根据已设计的终孔直径和其它要求，对照钻孔地质剖面图，自下而上地推出开孔口径。钻孔孔口必须下孔口管（定向管、导向管），以保护孔口，防止偏斜；必要时，应下表层套管，以防止表层漏失。根据岩层情况确

28、定出需要下入的技术套管的深度，,应尽零使套管一次下入到需要的最大深度，以减少换径次数，简化钻孔结构。在地质条件复杂或地质情况不明的情况下，可以考虑使终孔的口径比所要求的增大一级，以预防可能出现的意外情况。或者在不改变终孔直径的情况下，在开孔时预留一级口径，以备在遇到意外情况时采取相应的处理措施。开孔前的准备及开孔在开孔钻进时，应充分了解钻孔的设计目的、设计深度、钻孔倾角、各种岩石的物理力学性质、各项质量要求，认真研究岩层分布，分析可能出现的一些问题，制定完成钻孔施工及保证钻孔质量的技术方案、技术措施，做好施工之前的思想、物质、技术准备工作。,（1）.认真做好各种钻具、材料的准备工作。一般开孔口

29、径为130、110、91，所以应准备必需的、足够数量的套管、钻头、磨料、油料、岩心管、钻杆以及拧卸工具、专用取芯工具、必要的处理事故工具、各种原始记录报表、岩芯箱等。要准备一定数量的短岩芯管、短钻杆以便于开孔钻进。（2）.开孔前必须检查验收钻探设备安装质量。如果不符合要求，应马上进行调整。要求钻机、钻塔、动力机安装必须稳固；天车、立轴中心、孔口三点必须成一线；立轴或主动钻杆倾角必须与钻孔设计倾角一致；冲洗液循环系统符合要求；钻塔有避雷设施，钻探场地有防洪水措施、防山上滚石措施；机台的电气线路及其它设施安装符合安全规定。,（3）.在第四纪、第三系地层或松散的地层开孔钻进时，可使用肋骨钻头、刮刀钻

30、头并使用泥浆护壁，也可以用硬质合金钻头干钻开孔。坍塌严重时可采用从孔口投入粘土球或稠泥浆钻进或者用其它护壁方法钻进。钻进到基岩后一定深度下入孔口管换径钻进。（4）.开孔钻进必须用小规程钻进。换径钻进时要导正，并逐步加长岩芯管；孔口管周围要密封；换径钻进后要及时测量钻孔弯曲度，采取综合式导向钻具，防止孔斜。（5）.开孔前要组织机台人员进行技术、安全教育。让职工了解钻孔施工的要求，采取的技术措施、质量保证措施；要开展安全教育，让机台人员接受安全教育，做好安全预防工作。,钻进在开孔钻进完成后，就要进行常规钻进。随着钻孔的不断延伸，钻杆柱逐渐加长,在作业过程中或因需要更换磨损的钻头、钻具，或因需要把钻

31、进所得的岩心取出来，就必须把孔内钻杆柱及粗径钻具提到地面（提钻），若需继续钻进还需把钻具、钻杆柱再重新放入孔内（下钻），这就是钻具的升降工作。很显然，钻进工作包括钻进破损岩石和升降钻具工作两个必要的作业基本程序。通常将钻进过程中向孔内降入钻具钻进到提升钻具至地面的过程称为一个回次钻进。钻探工作就是由许多个回次钻进循环而完成钻孔。钻进工作中的重要工作内容：确定合理的钻进工艺规程，采取岩心、保证钻孔弯曲度、预防孔内事故等,特种工作主要指为了保证钻孔质量或维持正常钻进而进行的工作。如：岩矿心采取与整理、钻孔弯曲度测量与纠正、简易水文观测、钻孔孔深测量与校正、原始记录、封孔工作、护壁堵漏工作、处理孔内

32、事故等工作冲洗介质循环钻进过程中破碎下来的岩粉需要及时地排除孔外，以避免妨碍钻进工作的进行，同时钻头在破碎岩石的过程中，会产生大量的热，需要及时冷却，否则，会由于钻头温度的急剧升高而失去工作能力，严重时会发生钻头金属熔化而产生孔内事故。在钻探工作中排除岩粉、冷却钻头工作是靠冲洗介质循环来实现的。钻探工作中采用的冲洗介质有液体的和气体的，根据液体冲洗介质的组成成分不同可以分为泥浆类（其中含有不同比例的粘土）、乳化液（清水+乳化油）、,化学浆液等，有时将液体类统称为冲洗液。钻进过程中，冲洗液循环分为正循环和反循环。正循环是冲洗液经泥浆泵进入钻杆内孔经钻头唇面底下携带岩粉后由钻杆与孔壁之间的间隙从孔

33、口返回地面。反循环与正循环的冲洗介质的循环路线相反。冲洗介质的地面循环系统通常包括水源箱（池）、沉淀池、循环槽等。,四、岩石的性质及破碎理论1.岩石的分类和组成岩石是矿物的集合体，是各类地质作用的产物。岩石根据成因可分为岩浆岩，沉积岩和变质岩。岩浆岩是地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成。沉积岩是在地表条件下母岩(岩浆岩、变质岩或早先形成的沉积岩)风化剥蚀的产物，经搬运、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。变质岩是岩浆岩，沉积岩甚至变质岩本身在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石。2、岩石的结构和构造岩石的微观组织特征，即岩石的结构，体现了岩石中矿物或碎屑的粒度、形状和表面

34、性质，反映着岩石的非均质性和孔隙性。,岩石的宏观组织特征，即岩石的构造，与岩石中矿物或碎屑彼此之间的组合形式和空间分布情况有关。它决定着岩石的各向异性和裂隙性。岩浆岩主要具有块状构造，且组成岩石的矿物分布均匀，但排列方向无一定规律；其次是有气孔状和杏仁状构造，即岩石中分布着大小不等的圆形或椭圆形空洞，甚至空洞中还被硅质物或钙质物所充填；第三是流纹状构造，即岩石中沿一定方向分布着不同颜色的条带、拉长了的气孔或长条状矿物。沉积岩的成因广泛，因而其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑结构，按碎屑的大小又可分为砾状结构(碎屑直径大于2mm)、粗粒结构(碎屑直径21mm)、中砂结构(碎屑直径10.1mm)和粉

35、砂结构(碎屑直径0.10.01mm)。,碎屑岩的胶结形式主要有三种(图1.12)；碎屑颗粒彼此不接触，颗粒周围被胶结物布满，称为基底胶结；碎屑颗粒相互接触，碎屑之间为胶结物充填，称为充填胶结；碎屑颗粒接触处才有胶结物存在，而碎屑之间留有空隙，称为接触胶结。碎屑岩胶结形式对岩石的自然性质和力学性质有着明显的影响。沉积岩经常具有层状构造。这种层状构造是由层理所决定的。层理反映岩石在其垂直方向上成分的变化。这些变化主要表现为岩石颗粒大小在垂直方向上的改变，不同成分颗粒的交替，或者某些岩石颗粒的定向排列。层理导致岩石的各向异性。沉积岩也可能具有块状构造。在这种情况下层理不明显，矿物排列无一定规律。有时

36、沉积岩具有页片状构造,变质岩常具有片理状构造。所谓片理就是岩石沿平行平面分裂为薄片的能力。片理面常常发生在单向压力作用的方向与层理面不一致的地方。片理会引起岩石的各向异性。各种岩石并非完全致密，在不同程度上都具有裂隙或孔洞，所以裂隙和孔洞也是岩石所具有的一种组织特征3、岩石的自然性质岩石的自然性质是岩石在形成过程中形成的特姓。通常也称为物理性质或物理地质性质。岩石的自然性质包括：岩石的比重、密度、孔隙率、岩石的水理性质如含水性、透水性、吸水率，岩石的松散性、流动性和岩石的稳定性。（1）岩石的密度：是指岩样质量m与其总体积V之比。（2）岩石的容重：是指岩样的重量与岩石的总体积之比,岩石的比重：是

37、指岩石中固体物质的重量G与固体物质的体积V固之比岩石的比重取决于其组成矿物的比重，并且与岩石的风化程度有关。组成岩石的矿物的比重越大，岩石的比重也越大；岩石的风化程度越重，岩石的比重就越轻。（3）岩石的孔隙率(度)是指岩石中孔隙的体积与岩石的总体积之比，用百分数表示。（4）、岩石的内聚性：岩石内部颗粒联系的紧密和强弱程度称为岩石的内聚性。按内聚性的大小岩石可分为三类：坚固的岩石；粘结的岩石；松散的岩石坚固岩石的破碎，往往是由于受剪切或断裂作用而发生的，一般说其钻孔孔壁较稳定，不需加固。,只是在那些裂隙发育引起掉块和冲洗液强烈漏失的孔段才要求护壁堵漏。粘结的岩石主要是粘土质岩石。它具有较高塑性、

38、较低强度和不大的研磨性。粘结的岩石易于钻进。用泥浆洗孔时，一般其孔壁稳定。但是，也遇到这样的粘土，它迅速吸水而体积膨胀，因此引起缩径、垮塌和卡钻。穿过这类岩石时，通常采用低失水量泥浆或对孔壁缩径无影响的冲洗液。松散的岩石包括砂和砾石。在完全干燥或被水饱和时，颗粒之间实际上没有联结力，但有一定的内摩擦力存在。松散岩石的强度取决于内摩擦力，而内摩擦力又受正压力的影响。因此，此类岩石埋藏越深，强度越大。,松散的岩石不稳定。当钻孔穿过接近地表的松散岩石后，易造成孔壁坍塌，应立即下套管或采取其它有效措施护壁。岩石的自由面有极力趋向于水平的性能(保持能量最低)，称为岩石的流散性。如流沙，钻进时极易造成孔壁

39、坍塌。4、岩石的力学性质岩石在外力作用下所表现出来的变形和破坏的性质，叫做岩石的力学性质。强度：岩石的强度是指岩石在各种外力作用下(如拉、压、剪、弯)，抵抗破碎的能力称为岩石的强度。按照外力作用的方式，岩石的强度存在着抗压、抗剪、抗拉、抗弯强度；,岩石的强度取决于岩石的内聚力和内摩擦力，岩石的内聚力主要是颗粒内部晶体之间的连结力和胶结力。岩石的内摩擦力是颗粒之间的原始状态即将被破坏而产生位移时的摩擦力。坚固的和塑性岩石的强度主要取决于岩石的内聚力和内摩擦力；而松散岩石的强度主要取决于内摩擦力影响岩石强度的主要因素有矿物成分:岩浆岩中石英的含量越多，并且石英颗粒在岩石中连接成骨架时，则岩石的强度

40、越大。碳酸类岩石中方解石含量增加，则岩石的强度降低。沉积岩中，胶结物的成分对岩石的强度有较大的影响，一般情况下，同一类岩石中，比如砂岩，硅质胶结的强度大于钙质胶结的强度，而泥质胶结的强度最小。沉积岩的胶结物的含量越多时，则胶结物对岩石的强度影响越大，而被胶结的岩石碎屑或矿物成分对岩石强度的影响越小。,矿物的颗粒尺寸:通常情况下，同一种岩石由细颗粒组成时其强度比由粗颗粒组成时的强度大。岩石的容重和孔隙率:同一种岩石，当孔隙率增加时，其容重降低，强度降低。岩石的孔隙率随着埋藏的深度增加而降低，其强度增加。岩石的层理:层理对于岩石强度的影响表现为岩石的强度有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最

41、大，平行于层理方向的抗压强度最小。岩石的结构和构造方面的缺陷:岩石的孔隙、层理、节理等可以看成是岩石的结构和构造方面的缺陷。另一方面，岩石是多种矿物的集合体，在不同的矿物颗粒的集合处和胶结处，会出现许多微小的孔隙和裂隙，破坏了介质的连续性和完整性。,在外力地作用下，应力集中首先出现存岩石结构和构造的缺陷部位，从而使岩石首失在这些缺陷处产生局部破碎，降低了岩石的强度。岩石的结晶程度也影响岩石的强度，在岩浆岩结构中非结晶物质多，则岩石的强度明显下降。如细粒橄榄玄武岩的强度高达500MPa,而玄武质熔岩的强度却降低到30150MPa.破碎岩石的工艺技术方面的因素。岩石的形变方式:即：岩石受到拉力、压

42、力、剪切力、弯曲力的方式。在单向应力状态下，岩石的强度一般有下列规律：抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度。这主要是因为岩石受压时颗粒之间的距离缩小，颗粒间相互作用力增加，所以强度增加；而在岩石受拉力时，颗粒之间的距离增加，,颗粒间的相互作用力减小，所以强度下降。实验结果表明，岩石的抗剪强度约为其抗压强度的1/51/11，岩石的抗弯强度约为其抗压强度的1/51/12，岩石的抗拉强度仅为岩石抗压强度的1/101/15。利用岩石的这一规律，寻求相应的破碎岩石的方法，对提高钻进效率非常有利。岩石所处的应力状态:在双向应力和多向应状态下，岩石的抗压强度高于单向应力状态下岩石的强度。主要原因是：岩石围压增加

43、（如在三向压缩应力下），岩石体积受到压缩，颗粒之间的距离缩小，甚至使颗粒内部的体积也缩小，导致颗粒之间，颗粒内部质点之间的作用力加强，从而表现为强度增加。,外加载荷的作用速度:岩石的强度与其内部应力的增长速度或外加载荷的作用速度有关。在岩石内部，由于外力引起的应力状态会随着时间的增长以某一速度减弱。当外力作用时，如果外力引起的应力增长速度超过了物体内部因松弛而引起的应力减弱速度，则外力作用速度的增大将会引起岩石强度地提高。尤其是对塑性岩石这一作用更为明显。湿度和温度的影响:由于岩石可吸附水，而水会从岩石连结力弱的地方主要是交界面孔隙或细微的裂隙侵入到表层的深处，降低了岩石颗粒表面的自由表面能，

44、削弱了颗粒之间的作用力，使岩石的强度降低。侵入裂隙中的水在外力作用下还会对岩石产生楔压力，在岩石变形过程中保持和扩展其细微裂隙，因而降低了岩石的强度。,介质对岩石强度的影响，主要取决于岩石中的孔隙和原始裂隙的状况以及组成矿物的亲水性和水的物理化学性质。试验表明，温度对岩石的抗压强度也产生影响。如花岗岩，随着温度的上升，其抗压强度下降，在小于500时下降幅度较大，而大于500后，下降幅度较小。岩石的硬度岩石的硬度是指岩石抵抗其它物体压入的特性。岩石的硬度与抗压强度有一定的联系，但又有很大的区别。对于钻进破碎岩石来说，岩石的压入硬度比单向抗压强度更接近实际情况。因为工具对孔底岩石的破碎方式，在大多

45、数情况下是局部破碎,注意：岩石硬度指的是岩石的组合硬度或胶结硬度，而不是岩石中某一矿物的硬度。很多岩石的胶结硬度虽然相同，但是组成该岩石的矿物及其硬度却大不相同。一般认为，岩石的组合硬度对钻进时岩石破碎的速度起重大影响，而矿物颗粒的硬度，对钻进过程中工具的磨损有显著的影响。影响岩石硬度的因素有：岩石的矿物成分和结构、构造。当胶结物成分相同时，岩石中石英及其它矿物或碎屑的含量越多时，则岩石的硬度也就越大；当组成岩石的碎屑或矿物成分相同时，胶结物的硬度越大，则岩石的硬度也就越大；,对于碎屑岩，当胶结物成分相同时，胶结形式不同时，岩石的硬度也不相同，一般基底胶结的岩石最硬，接触胶结的岩石次之，充填胶

46、结的岩石最软。当岩石的颗粒越小时，岩石的结构越致密，其硬度也就越高；岩石的孔隙率增高、裂隙发育时，岩石的密实度降低，其硬度也随着降低。层理对岩石的硬度的影响恰恰与对强度的影响相反，在垂直于层理方向上的硬度最小，而平行于层理方向上的硬度最大。这是因为沿层理方向岩石颗粒的定向排列而使硬度升高。这说明了在垂直于岩石层理方向上钻进比较容易。岩石硬度的这种各向异性现象，可以很好地解释孔斜的原因和规律性，并利用这一现象来实施定向钻进。,岩石受到的应力状态。岩石中各向均匀压缩时，其硬度增高。外加载荷的作用速度。与对岩石施加静载荷相比，对岩石施加动载荷时，岩石的塑性降低，而硬度增高，屈服极限增高。动载荷一般用

47、于破碎强度大、硬度大的和低塑性的岩石岩石的研磨性：岩石磨损切削具的能力称为岩石的研磨性影响岩石研磨性的因素：一般随着岩石中的造岩矿物的显微硬度、坚硬矿物碎屑和颗粒的含量与粒度、岩石的压入硬度、孔隙率、非均质性等指标的增高，岩石的研磨性增高。,对于晶质岩石，研磨性与其矿物组分的硬度成正比，矿物颗粒硬度越大时岩石的研磨性就越强，该类岩石的研磨性由小到大的顺序是：硫酸盐类岩石(石膏、重晶石)，碳酸盐类岩石(石灰石、白云岩)，硅质岩石(玉髓、燧石)，铁镁长石岩，石英岩。对于碎屑岩来讲，它与晶质岩石的主要区别在于它的胶结物的强度与结构对研磨性有显著的影响，尤其是石英砂岩和粉砂岩。如果组成岩石碎屑的成分是

48、石英，则岩石的研磨性随岩石中石英的含量与粒度的增加而增高。一般碎屑岩石的胶结物愈弱、孔隙率愈大、颗粒愈粗、棱角愈尖锐则其表面愈粗糙，岩石的研磨性增强。,砂岩的研磨性与其压入硬度成反比，即随砂岩胶结强度的降低，颗粒越容易从岩石上剥落而形成新的磨擦表面并造成表面粗糙度增高，而增强了研磨性。粉砂岩的粒度比砂岩小得多，因而其研磨性也小于砂岩。切削具的磨损程度与动摩擦系数成正比。只有在单位面积上的正压力达到岩石的硬度时动摩擦系数才稳定或略有降低。滑动速度即工具与岩石的摩擦速度增大时，工具的磨损增加，但增加幅度不大，当摩擦速度增大到某一数值时，工具的磨损率急剧增大。说明工具的滑动速度有一极限，而不同的岩石

49、的极限值有所不同，工具的磨损率急剧增加主要是由于工具在摩擦力作用下，其温度急剧升高达到临界值而造成的。,介质可以改变工具和岩石之间的摩擦特性。一般情况下，岩石的表面干燥时，摩擦系数大；表面湿润时，摩擦系数小；当有表面活性剂或乳化液时，因其润滑作用强而使摩擦系数变小。5、岩石的可钻性及分级岩石的可钻性是指在一定的条件下钻进岩石的难易程度。岩石的可钻性及其分级在钻进生产中极为重要，它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进工艺参数的依据，同时也是制定钻进生产定额和编制生产计划的基础。还是考核机台生产效率的依据。,影响岩石可钻性的因素主要有：岩石的物理力学性质：岩石的矿物成分和结构构造、岩石的密度、孔隙度

50、、含水性及透水性、岩石的硬度、弹塑性及研磨性。一般的说，造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石的可钻性差；而岩石的硬度影响着岩石的初始破碎程度，即初始钻进速度，岩石的研磨性影响着碎岩工具的持久性(寿命、磨损)与钻速的递减速率。岩石的弹塑性影响着碎岩工具下的岩石变形及裂纹发展导致破碎的特征。因而岩石的硬度和强度高、研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石的可钻性差；而岩石的弹塑性增大，可钻性增大。破碎、裂隙发育的地层，孔壁不稳定地层，岩石的可钻性都差，即难以钻进或者说钻进效率低。,钻进岩石的技术条件：钻探设备的类型、钻孔的直径和深度、钻孔结构、钻进方法以及碎岩工具的结构