第9章 钻探工艺课程设计.doc

钻探工艺课程设计第一部分 钻探技术设计一、 确定矿区的钻孔结构本节主要阐明选择钻孔结构的具体依据。根据不同的施工条件、地质设计，绘制典型钻孔结构图。1.概念钻孔结构是指开孔至终孔孔身口径的变化。换径次数愈多，钻孔结构越复杂，反之越简单。钻孔结构的选择，要充分考虑矿区的岩石性质、水文地质条件、终孔口径、钻孔深度、钻进方法、钻孔用途等因素。2.确定钻孔结构总的原则以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照理想岩层剖面自下而上拟定各段的口径和开孔直径。在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构。3.钻孔结构选择依据1）终孔直径终孔直径是设计钻孔结构的先决条件，以此为依据根据地层的复杂程度等因素，从下向上推算。影响终孔直径选择的因素是多样的，比如钻头型式、钻进方法、地质要求、钻孔用途、孔内测井仪器和装置的规格、钻机动力容量等。2）换径次数：是否换径应由以下几个方面决定：用套管固壁问题：取决于对钻孔地质情况的了解程度和钻孔复杂情况。当钻进松散的砂砾岩、流砂层、受地下水影响，用泥浆护孔无效时；穿过较厚的节理、裂隙发育的破碎带、坍塌、掉块极为严重，采用泥浆、水泥浆或其它方法护孔无效时；钻孔遇到含水构造或与大裂隙贯通，严重漏水，用其它方法止水无效时。上述三种情况下应考虑下入套管换径钻进，应根据可能遇到的情况确定好所下套管的层数。钻机能力问题：钻机动力是一定的，不同口径到达一定的深度后就要及时改换以便继续钻进。钻具级配问题：尽可能选择钻杆直径与钻头直径相接近，利于孔壁稳定。钻进效率问题：口径越大，效率相应会低些，因此在满足取样要求的情况下尽可能用较小的口径。4.钻孔结构选择示例淮南矿区勘探某矿床并治理瓦斯时，设计孔深700m，采用硬质合金钻进，地质剖面包括以下层位：（1）表土层0至15m；（2）18至160m为可钻性3至4级的岩石该段全漏水不循环；（3）160至700m为可钻性4至6级的稳定岩石；（4）地质取样要求以59mm终孔。试确定该钻孔结构。钻孔结构剖面图如图9-1所示。图9-1钻孔结构剖面图分析从已知条件，自160m至终孔适于一径到底，不下套管；分析地质剖面，该钻孔下孔口管和一层套管即可；为封闭漏失层，套管下放深度为170至180m，管鞋伸进稳定层10至20m，套管直径为73mm，因此该孔段须用76mm钻进；孔口管长18至20m。直径89mm，因此开孔取91或110mm。据此可作出如上图的钻孔结构图。在矿区钻探技术设计书中，值得注意的是应该将矿区的钻孔结构划分为简单钻孔结构和复杂钻孔结构二种类型加以作图说明，同时作图时应将各要素如直径、换径深度等标明。二、冲洗液与护壁堵漏1.冲洗液的功用、种类1）功用：岩心钻探中，要保证优质快速安全钻进，正确地选择、使用冲洗液起着十分重要的作用。它主要起的作用是：清洗孔底，悬浮和携带岩粉。借循环着的冲洗液将钻头破碎的岩粉、岩屑及时携带至地表，以保持孔底清洁；而当冲洗液中断时，利用其本身的触变性，将岩粉悬浮起来，防止岩粉迅速沉淀造成埋钻事故。冷却钻头，提高钻头的使用寿命。钻进过程中，孔底产生很高的温度（二百至三百度），因此，借冲洗液的循环将热量带走，从而达到冷却钻头延长钻头使用寿命的目的。润滑钻头和钻具，减弱钻具振动。使用加润滑剂的乳化冲洗液可减小钻头与孔底岩石、钻具与孔壁间的摩擦阻力和有效地减弱钻具高速回转时振动及减轻钻机动力机等的负荷，使钻头工作平稳。形成泥皮，保护孔壁。利用冲洗液本身性能，在孔壁上形成薄而坚韧、致密的泥皮，从而防止孔壁坍塌、掉块；调节冲洗液的比重，可防止涌水、漏失、井喷等事故等。输送岩心。反循环连续取心钻进时，利用冲洗液作介质，通过钻杆柱连续向地面输送岩心，这种方法取得的岩心，代表性好，层位准确。传递动力。如涡轮钻、螺杆钻、冲击回转钻等，采用它作动力的传递。2）种类：泥浆（水基泥浆、低固相泥浆、混油泥浆、油基泥浆、充气泥浆、泡沫泥浆）、乳状液、清水、空气等几种类型。2.钻孔冲洗方式主要有全孔循环和孔底局部反循环二种方式。全孔循环又分正循环与反循环两种。正循环是用水泵压送冲洗液由钻杆柱中心进入孔底并经钻头水口返出，经钻杆与孔壁环状间隙上返至孔口，通过地面循环槽流入泥浆池，不需要孔口密封器等附加装置，适用于各种钻进方法。孔底局部反循环实际上是一种正反循环结合的循环方式，它是用于提高岩心采取率的一种方法，常用的是喷射式反循环（冲洗液由钻杆柱中心下去，从喷反接头处流出，在管内形成负压抽吸力，从而形成孔底局部反循环）。3.冲洗液的选择主要根据钻进地层情况来选用，基本原则是：致密、稳定地层，选用清水；松散、掉块、裂隙或遇水膨胀地层，首选不分散低固相泥浆，也可选淡水泥浆或钙处理泥浆；易溶解的矿层（如岩盐等），为保护矿心，防止冲蚀孔壁，应选用盐水泥浆（含盐大于1%，PH7-9.5）金刚石钻进，应选用聚丙烯酰胺不分散低固相泥浆、乳化泥浆作冲洗液。4.泥浆的性能指标主要用粘度、比重、含砂量、失水量、泥皮、PH值、胶体率和稳定性这几种指标来衡量泥浆的好坏。5.当地粘土是否适合造浆的野外鉴定一般情况下，用造浆率（一吨粘土能造出多少立方米表观粘度15厘泊（cP）的泥浆）来确定粘土的好坏。粘土造浆能力分为四级，如表9-5 所示。表9-5 粘土造浆能力常用粘土名称等 级造浆率（m3/t）膨润土甲20次膨润土乙9.5白土、高岭土、陶土等丙3.5-8黄土、红土、胶泥、矸子土丁1-3.5现场鉴定时，先取少量粘土配制少量泥浆，按比例先加一些纯碱，然后加入降失水剂（如羧钠甲基纤维素），接着用滤滴定法（任意滴一滴泥浆在滤纸上，开始数数，如数到5s以上约4s才渗出水，即可断定这种粘土可用；如果立即出水印的泥浆则说明该造浆粘土须处理后才能使用）测定泥浆的失水量，即可辨别粘土是否可用。确定能用后再通过配比试验确定合理的配方（主要是处理剂的加量与性能合乎地层钻进要求）。6.几种常用泥浆1）细分散泥浆由淡水、粘土和一般处理剂（主要为分散及降失水）配制而成的普通泥浆。一般是利用当地粘土和水配制原浆，用加量为粘土量0.52%的纯碱进行处理，加纯碱目的是除粘土中的部分钙离子从而把钙土变成钠土。加入纯碱后泥浆粘度大，失水量小、胶体体率高、稳定性强；但值得注意的是，纯碱加入过量时，则失水量增大；同时有些粘土还需要加入少量烧碱才能将钙土变成钠土。2）低固相泥浆与不分散低固相泥浆泥浆中固相含量小于10%的泥浆，称之为低固相泥浆，其特点是比重低，可减少钻具回转摩阻、泵压损失、漏失和提高钻速。钻进中会不断产生岩屑，因此常用水解聚丙烯酰胺（水解度30%左右的PHP）等选择性絮凝剂配合机械净化法除去岩屑，不让它们分散于泥浆中，从而保持较低的固相含量(小于4%，比重1.06以下、失水量低于10ml、泥皮厚小于0.5mm、PH值78.5间)，称不分散低固相泥浆。3）无固相冲洗液冲洗液中m有粘土固相，即配制泥浆时不加入粘土。其优点是不用粘土，比重低而有利于提高钻速，在注水泥时因无泥皮也有利于水泥与孔壁的联结，而当提高钙量后，也有利于抑制粘土质岩层的水化膨胀。岩心钻探常用聚丙烯酰胺冲洗液和水解聚丙烯酰胺，即水玻璃配制成的无固相冲洗液。常用配方是：往水中加水解聚丙烯酰胺（水解度2035%，分子量20050万）200PPm，水玻璃8.5%，皂化油0.35%，所得冲洗液的性能为：粘度16s、比重1.02、PH值10-12。最基本的配方是：清水中（1m3）加入水解度35%的PHP500-2500ppm即可。采用无固相冲洗液时井口要配有性能良好的除泥除砂装置配合。7.不同地层选用的泥浆类型及性能1）复杂地层分类及护孔措施复杂地层分类常分为：漏失地层与不稳定地层二大类，其中漏失地层又分为孔隙类地层、裂隙类地层、洞穴类地层；不稳定地层包括力学不稳定地层（松散地层、破碎带、承压水、油、气地层）和物理化学不稳定地层（水敏性地层、易溶地层）。复杂地层的护壁措施孔隙类地层：中小型裂隙采用高粘、高切泥浆钻进；大容量型还可考虑惰性材料充填、化学浆液堵漏和套管隔离；大厚度型用泡沫泥浆钻进、化学快速注浆堵漏和孔底局部反循环钻进。裂隙类地层：以水泥注浆堵漏和套管隔离为主。洞穴类地层：中小型用惰性材料充填和套管隔离；大容量型可采用惰性材料充填后注浆或人工造壁后堵漏；大厚度型采用孔底局部反循环钻进和套管隔离。松散地层（如流砂层、破碎带等）：其表现为岩石结构松散，孔壁极不稳定，孔壁受钻杆柱震动冲打，液柱压力小于地层压力时掉块、坍塌，冲洗液渗漏，起下钻受阻。对这类地层主要采用优质泥浆钻进，以防漏、防塌为主，必要时泥浆做增粘、加重处理，同时要保证孔内液柱压力，另外也可在钻穿后用套管隔离的办法。在承压水、气地层，地下承压层压力大于液柱压力，从钻孔内涌出，引起孔壁坍塌，可采用加重泥浆并保持孔内液柱，钻穿后用套管隔离的办法。水敏地层：地层因吸水而引起膨胀或松散，进而造成缩径或超径，严重时导致孔内各类事故发生，这类地层用优质泥浆护壁，以降失水为主。2）各类地层使用的泥浆性能参考指标针对各类地层使用的泥浆性能参考指标可参见表9-6中的相关数据值。表9-6 各类地层使用的泥浆性能参考指标地层情况比重（kg/m3）粘度失水量护皮厚度(mm)静切力(mg/cm2)含砂量胶体率PH值(s)ml/30min1min10 min(%)(%)普通地层1.0-1.218-22224 0-1015-254958-11吸水性膨胀1.0-1.218-22132 0-1215-254958-12地层坍塌掉岩1.125-33132 15-2630-504958-12地层渗漏地层1.025-34123 30-5550-80 4958-11地压涌水地层1.3-1.525-35133 5-2010-204958-128.泥浆的配制、性能调整的方法，处理剂的使用。1）泥浆的配制可采用分散或集中两种配制方式。由于钻机分散施工，一般在钻场使用0.8m3卧式搅拌机单独搅拌泥浆。为保证泥浆质量，配制前应根据地层岩性进行试验，确定出最优的配方；配浆如果用膨润土时要预水化；采用低硬度的水配浆；加絮凝剂（PHP）时，注意在孔口或泥浆槽中慢慢滴入，不能过量。2）泥浆性能的调整及处理剂调整泥浆性能主要包括：降低泥浆失水量、增加或降低泥浆粘度和切力、增加或降低泥浆比重和调节PH值等。钻进中，泥浆的性能会因地层条件的变化而不断变化，要事先估计好钻穿地层、岩性、水质等对泥浆性能的影响，预先进行泥浆性能调整或根据孔内泥浆性能变化情况及时加以调整。当孔壁坍塌或有轻微漏失时，可通过增加泥浆中粘土含量、新配制的泥浆中加适量纯碱或加有机高分子增稠剂（如CMC）的办法来提高泥浆的粘度和切力；而钻进粘土层或泥质页岩层等时，则需要降低泥浆粘度和切力，可通过加稀释剂来解决；钻进遇水膨胀地层、渗漏和坍塌地层时，则需要降低泥浆失水量和控制泥皮厚度，最常用的方法是增加粘土含量与使用有机高分子降失水剂（CMC）；钻进高压含水层或油气层及某些坍塌地层时，需要提高泥浆比重以平衡地层压力，其方法是在泥浆中加入加重剂（如重晶石粉等），值得注意的是使用加重泥浆时需做好泥浆地表净化工作，防止加重剂和岩粉沉淀卡钻；而这些方法中的加量无法在此给大家，因为每个矿区使用的泥浆性能是不一样的。因此，实际工作中应结合所采用的泥浆类型与性能在原浆基础上试验后再确定合适的加量。3）泥浆的维护钻进中岩粉不断进入泥浆从而使泥浆性能发生变化，必须及时清除，否则会加速水泵的磨损甚至会导致孔内事故。最简单的净化装置是泥浆循环槽、沉淀箱和水源箱，泥浆槽一般长10m（宽0.5m，高0.3m，坡度1/1001/75）且每隔1.0至2.0m安设挡板，形成局部涡流有利于岩粉沉淀，有条件时应该配旋流除砂器（除较细岩粉）。机台应配备泥浆性能测量仪器（野外泥浆性能测试箱，含有比重计、ZNS型泥浆失水仪、泥浆含砂量杯和pH试纸等）；每班设专人负责管理泥浆，负责泥浆的配制、处理、净化除砂和泥浆性能的测定，随时掌握泥浆性能的变化情况及孔内情况适当调整性能参数；泥浆的使用也要认真填入班报表中而且要准确齐全。4）聚丙烯酰胺（PAM）的水解方法PAM产品浓度7-8%，分子量最低5万最高800万，它是一种机台最常用的泥浆处理剂，水解后对泥浆有选择性絮凝作用，加在泥浆将岩屑和劣质粘土絮凝沉淀，以水解度30%时絮凝效果最好。因此机台上常使用30%水解度的PHP作处理剂。水解是将酰胺基（-CONH2）转变成羧钠基（-COONa），转变成羧钠基的百分数，称为水解度。依烧碱加量的不同，得到不同水解度的聚丙烯酰胺，水解可用加温搅拌法或常温法。加温搅拌法：将聚丙烯酰胺、烧碱和水按一定比例混合，加温至80或100，搅拌3至4h左右即可获得不同水解度的水解聚丙烯酰胺（HPAM或PHP）。这种方法水解后产品中的游离碱量少，水解度比较准确。烧碱和水的加量可通过计算或用相对比例关系式来确定（浓度7%的聚丙烯酰胺：烧碱：水=1：1.4%：7）。加烧碱量（kg）=4071聚丙烯酰胺量（kg）聚丙烯酰胺含量（%）要求的水解度。加水量则可按高聚物浓度为1%的溶液为准，如浓度为7%的聚丙烯酰胺1kg则需加水6kg即成浓度1%的溶液。值得注意的是，水解后的聚丙烯酰胺溶液浓度为1%。常温法：浓度7%PAM：烧碱：水10:1:60，搅拌均匀后放置2至3d即可获得浓度1%水解度30%左右的PHP。常温法水解后的产品游离碱较多容易使泥浆增稠，同时水解度也不是很确切而影响絮凝效果。9.仪器配备计划及粘土、处理剂的用量计划。根据矿区开动的钻机台数确定野外泥浆性能测试仪器的数量，根据所选定的造浆粘土类型和工作量以及造浆率、泥浆配方来计算出粘土和各类处理剂的需要量并列好表格，作好物资采购计划。10.复杂地层护孔方法根据矿区钻进地层的分类特点，制定出各层位的护壁堵漏措施，在需要套管时应根据矿区可能开动的钻机台数和钻孔套管下入的深度以及规格等，做出比较准确的备料计划供生产中使用。这里主要介绍一下采用水泥护孔时的有关要求：1）水泥浆的可泵性和可泵期可泵性：水泥与水拌合并加入适量的水泥附加剂（如早强剂、减水剂等）的情况下，具有良好的流动性，便于泵送达预灌部位。实践证明，只有流动度达16cm以上，水泵才能顺利实现泵送。可泵期，就是指水泥浆能用水泵抽送的时间期限。一般情况下，水泥浆的可泵期应50-60min内保持流动度在16cm以上。因此，实际工作中，在采用水泥护壁堵漏时，在目前的操作熟悉程度不是很高的情况下宜用较大的可泵期。各施工单位可根据自己的施工经验而定。2）水泥的种类常用的有普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、硫铝酸盐型水泥等。一般情况下，野外常用的是425标号以上的普通硅酸盐水泥进行护壁堵漏。3）水泥石的早期强度护壁堵漏使用水泥属于临时工程，普遍要求有较短的候凝时间，便于恢复正常钻进，因此要求水泥石早期强度增长速度要快。试验结果资料表明：水泥石抗压强度达85kgf/cm2时就可从孔内取出较完整的岩心。以此为准，要求水泥浆灌入孔内后5至8h或更短时间内达到这个标准。4）水泥浆的比重干水泥的比重在3.053.2之间，水灰比0.450.5的水泥浆比重在2.0左右。在现场使用时，应根据护壁堵漏的实际需要，选用或调整水泥浆的比重，其原则是：当封堵较大的裂隙时，为避免较大漏失，应用较小的比重；而封堵涌水或坍塌层时，则要求较大的比重。5）水泥常用外掺剂生产中常根据各种需要而在用水泥进行护孔或堵漏作业时有选择地添加减水剂、促凝早强剂、速凝剂。（1）减水剂：岩心钻探常用的减水剂NNO减水剂和木质素磺酸钙。能使水泥浆或混凝土显著地降低拌和用水量。NNO化学名称为亚甲基二萘磺酸钠，普通水泥中合适掺量为0.4-1%，在保持相同流动度条件下，可减少单位用水量2030%，同时水泥强度早期增长快，三天强度可提高65%，密实性、抗渗性都相应提高，但对凝结时间t有影响，还可节约水泥20%以上。生产中，常将NNO与CaCl2复合应用于普通水泥，不仅流动性好，还可缩短凝结时间。（2）木质素磺酸钙：为阴离子型表面活性剂。可减少单位用水量1015%，节约水泥用量15%左右，合适加量0.250.35%，此类减水剂有缓凝作用，加量0.3%时，水泥的凝结时间可延缓1至3小时。（3）促凝早强剂：能促进水泥凝结，加速水泥浆的硬化过程并提高水泥早期强度的外掺剂。常用的有氯化钙、氯化钠和三乙醇胺。氯化钠（NaCl）：俗称食盐，其使用效果比氯化钙要差，但也常用。其加量一般为13%，例如用425标号硅酸盐水泥处理坍塌严重的地层时，配方为：水泥：NaCl：水=100：3：40，可收到很好的效果。三乙醇胺：它是一种无色或淡黄色油状液体，呈碱性，溶于水。是一种表面活性剂，容易吸附在水泥颗粒表面，溶于水时能降低溶液的表面张力。加量一般为万分之3至5。氯化钙（CaCl2）：这是国内外普遍采用的一种促凝早强剂，对水泥既有早强作用，又能改善水泥浆的流动性。加量一般为水泥重量的1-3%，当加量达3%时可使水泥凝固时间缩短一半以上，2至3天的强度提高40-100%。野外使用时宜用温水溶解。对于普通水泥，为达到促凝早强并改善流动性，可采用氯化钙与减水剂复合使用，如某单位用525标号水泥进行堵漏，效果非常地好。（4）速凝剂：是一种加速水泥浆的凝结的化学处理剂，常用的是水玻璃。在水泥浆中加入23%的水玻璃，凝结时间可缩短3045%，而当加量少于1.5%时则有延长初凝时间的作用。6）配制水泥浆的有关计算（1）水泥浆量计算：V = 0.769KD2h式中：V-水泥浆体积，dm3； K-附加系数（包括钻孔超径、渗透和漏失等），一般取1.31.5 D-钻孔直径，mm； h-灌浆孔段长度，m。（2）干水泥用量和用水量计算干水泥用量： Q = gV Q1 = mQ 式中：配制V升水泥浆所需干水泥量，kg； V水泥浆的体积，dm3； g -配制1dm3水泥浆干水泥的重量，kg；g =12/（2 +m1） 1-水泥的比重，一般为3.1-3.3； 2-水的比重；m-水灰比； Q1-配制V( dm3)水泥浆所需水量，dm3或Kg。（3）替水量的计算灌浆完毕后，应通过较准确的替水量泵入清洗灌注管路中的水泥浆。过大会稀释孔内水泥浆使其强度受到影响，过少则会导致水泥浆留在管路内凝固而造成堵塞。一般采用经验公式进行计算：Q = K（L-l）q + Q地式中：Q-替水量，dm3； L-钻杆柱长度，m； q-每m钻杆内容积，dm3/m；如50钻杆为1.2 dm3/m，42钻杆为0.8 dm3/m。 l-孔内静水位离孔口的高度，m； K-压水系数，浅孔取0.9，深孔取0.95。 Q地-地面管线及水泵内容积，大口径取50-65dm3，小口径取40-50 dm3。（4）水泥浆灌注方法泥浆泵钻杆注入法、直接灌入法和输送器注入法等。最常用的是泥浆泵钻杆注入法，因此在此只介绍一下这种方法。泥浆泵钻杆注入法是通过钻杆，用泥浆泵将水泥浆压入孔内所需灌注的孔段，以达到护壁堵漏的目的。这种方法在水泥浆流动性好的情况下不受孔深限制，适用于灌注量大的施工作业。堵漏时：将钻具下到预定位置以下0.5m，先泵入清水确认管路畅通无阻后即可泵入配制好的水泥浆。护壁时：先用小一级钻具扫孔到底，一停泵立即将配制好的泥浆泵入。注意事项：无论是护壁或是堵漏，刚开泵时均应先打开回水管将泥浆泵及吸水管内的清水排除；全部浆量应一次灌完；护壁作业可适当开车慢转以防止卡钻，也有利于沉渣与水泥浆混合；灌注时应有人专门看管泥浆泵莲蓬头以防止堵塞，水泥浆全部吸完后立即进行替浆作业并清洗管路和泥浆泵。另外，为保持孔内压力平衡，防止造成真空抽吸作用，提钻时速度要慢，还应回灌冲洗液。三、硬质合金钻进方法目前岩心钻探工作中，一般根据各矿区地层岩石力学特性、结构与构造，结合钻探设备与护壁堵漏措施等因素，常采用合金与金刚石分层钻进的方法。一般开孔采用合金钻进至完整岩面3至5m，然后扩孔下孔口管隔离上部松散层、覆盖层等不稳定地层，然后改用金刚石钻进至终孔。硬质合金钻进将具有一定强度和形状的硬质合金，按钻进要求固定于钻头上，在一定的技术条件下，作为切削具破碎岩石的一种钻进方法。（一）钻探对硬质合金的要求合金钻进是靠固定在钻头体上的硬质合金来破碎岩石的，而各种岩石都具有一定的强度和研磨性，钻进时钻头上受力也很复杂，因此，所使用的硬质合金应具有如下性能：1）硬度大且耐磨性强。便于钻头能有效地切入或压入岩石，并能抵抗岩石对硬质合金的磨蚀作用。2）抗弯强度大且韧性好。便于能承受破碎岩石过程中各种变化的负荷而不至于崩刃和碎裂。3）热硬性好而导热性高。钻进中孔底会产生很高的温度，因此要求较高的热硬性，而且在冲洗液中易于释放热量。4）成型性好，容易镶焊在钻头体上。地质勘探用的硬质合金主要是钨钴合金，这类合金其性能满足上述要求。（二）硬质合金钻头钻探用的硬质合金钻头的结构合理与否直接影响到钻进效率、钻头寿命、钻孔质量以及材料成本，因此要认真对待合金钻头的结构要素的研究与选择。它一般分为二大类：取心钻头和全面钻头。地质勘探中一般都只采用取心钻头。1）钻头体：它是镶嵌切削具的基体，用D35或D45号无缝钢管制成，针状合金钻头的内外出刃应与相应的金刚石钻头一致，钻头体长度不得短于95mm，其中丝扣部分长度40mm，钻头钢体壁厚7至9mm，过厚克取岩石面积大，消耗功率多，过薄影响强度而容易变形。壁厚在保证足够强度与刚度的条件下力求减小，以使克取面积减少以提高钻进效率。2）合金镶焊数目和排列形式：应根据岩石性质、钻头直径、合金质量、钻具强度和设备功率等因素来确定。钻头直径大、孔较深、岩石硬度大和研磨性较高时，合金数量要适当增加。地质勘探中常用的数量如表9-7所示。表9-7 地质勘探中常用的数量岩石性质钻头规格（mm）3646597691110130150合金数量（个）研磨性较强的岩层3-43-44-666-88-1010-1412-14弱研磨性岩层3-43-444-666-8810在排列形式上一般采用均匀单环排列。3）切削具的出刃：主要是底、内、外三种出刃。其中底出刃起切入并破碎岩石的任务，大出刃利于破碎岩石和冲洗液流通，但过大容易造成崩刃与折断；内外出刃主要是形成环状间隙，以保证冲洗液流通，较大的内外出刃会导致钻头回转阻力增大，容易崩刃折断，但有利于排粉和减少岩心堵塞的机会，太小了则容易造成岩心堵塞和影响排粉效果甚至会造成糊钻等不良现象。因此，出刃的大小应根据岩石性质来考虑，实际工作中可参考表9-8进行选择。表9-8 出刃的大小与岩石性质关系岩石性质内刃（mm）外刃（mm）底刃（mm）松软、弱至中等研磨性岩石1.5-2.52.5-32-3中硬、强研磨性岩石1-21-21.5-2.54）镶焊角：合金颗粒与钻头唇面的夹角，一般采用正前角镶焊，这种镶焊切削具有自磨作用也有利于排粉，但所需轴向压力要较其他方法大些。5）水口及水槽：起到冲洗液流通冷却钻头和携带岩粉的作用，其形状与大小应根据岩层性质、钻头结构形式、冲洗液种类的不同而考虑。一般地，水口面积的总和要大于钻头与岩心之间或钻头与孔壁之间的环状面积，以减少循环阻力。（一）合金钻进技术参数合金钻进的技术参数主要包括钻压、转速和冲洗液量。它们对钻进效率、钻孔质量、磨料消耗、施工安全等直接有关系。在操作过程中，应根据岩石的物理机械性质、钻头结构、钻探设备和钻具的可能性以及钻孔质量要求等条件来合理掌握，并通过实践当中进行修正、总结出适合矿区的最优钻进技术参数。1）钻压：合理的钻压应该既保证钻头耐久性又获得最大的平均机械钻速。在其它条件不变的情况下，在一定范围内，钻速随着钻压的增加而成比例地增加。实践证明：钻速的提高主要是依靠钻头压力的增加来实现。但压力过大会导致崩刃、钻具折断、钻孔弯曲、软岩层中容易烧钻等事故。钻压可通过下式进行计算：钻头总压力 = 每颗切削具上应加的压力（如柱状合金80-130kgf/颗） X 钻头上切削具的颗数,实际工作中应该根据所钻的岩层性质而选择的合金切削具型式和钻头的排列与数目进行初步计算，同时在施工中不断总结出最优的钻压。2）转速：钻具转速有二种表示方法，一是钻头每分钟的回转数（转/分），另一个是用钻头的圆周速度V（m/s）来表示。V = （D+ D1）n/（260）生产实践表明：在一定条件下，提高钻头转速可增大钻速，但超过最优值后反而随转速的增高而使钻速降低。一般情况下，在软至中硬岩中钻进时，可采用较高的转速；在坚硬和强研磨性岩石或非均质和裂隙发育的岩石中钻进，则应降低转速；深孔或大口径钻进也应降低转速。3）冲洗液量：冲洗液量的大小应根据岩石性质和钻孔直径等因素而定。一般地，在软岩层中钻进因进尺快所产生的岩粉多而选择较大的冲洗液量；在岩石颗粒粗比重大的岩层钻进也应相应加大冲洗液量；在大直径孔、深孔钻进时，钻杆和孔壁渗漏多也应加大冲洗液量；而在松散、破碎地层钻进，为防止冲蚀岩心和冲垮孔壁，应选择较小的冲洗液量。冲洗液量Q的大小一般用经验公式进行计算：Q = KD式中：K-经验系数（8-155/cm.min）；D-钻头直径（cm）实际钻进工作当中，各参数之间有着密切的联系，要达到合理的配合，其配合关系如表9-9所示：表9-9各参数之间有着密切的联系岩石钻压转速冲洗液量研磨性大的硬岩石大小小裂隙岩层小小相应地小软岩小大相应地大设计中可根据下面的技术参数表的数据范围内根据矿区地层岩性特点加以选择，同时应在实际工作中摸索出适合矿区地层的最优技术参数。不同岩层钻进技术参数范围见表9-10。 表9-10不同岩层钻进技术参数范围岩石级别钻进技术参数钻头压力转速(rpmmin)泵量(Lmin)取心钻头（kg粒）刮刀钻头（kgcm）14级50601001202003508056部分7级8012012015015025080注：针状硬质合金块每块能承受的压力为150200kg；100型钻机的泵量，以水泵最大有效排水量送给；刮刀钻头单位压力（kgcm）中的cm，系指钻头直径。第二部分 质量保证技术措施（一）钻孔偏斜1）钻孔偏斜：钻孔的施工过程中的实际空间位置偏离设计空间位置，即偏离设计轴线，称之为钻孔偏斜或孔斜。2）钻孔空间形态三要素：钻孔深度、钻孔的顶角（或倾角）及钻孔方位角决定了钻孔在地下空间的位置，这三个因素称钻孔空间形态三要素。3）孔斜的条件：钻孔发生偏斜的根本原因是粗径钻具在孔内歪倒，其轴线偏离钻孔轴线。而能使其歪倒的条件主要是：孔壁间隙大，为它提供空间条件；同时还要有倾倒力矩为它提供歪倒动力，再就是一个固定的歪倒方向。（二）钻孔发生孔斜的原因1.地质因素一是岩石的各向异性在钻头处产生歪倒力矩使粗径钻具倾斜而导致孔斜；二是钻进软硬夹层时，钻头处产生钻压差或钻头沿岩石节理面滑移；三是钻进中遇到溶洞或大裂隙。2.钻进工艺及操作换径不带导向或粗径钻具本身就弯曲；冲洗液量大冲刷孔壁使孔壁间隙过大，造成粗径钻具或岩心管与钻孔轴线产生偏斜角；采用的钻压过大与转速过快，钻杆柱受轴心压力及回转的影响而呈挠曲状态影响了钻具的稳定性，促使粗径钻具歪倒。3.设备安装主要表现在基台不稳固或发生偏斜；开孔时没有校正钻机的顶角和方位角，致使开孔即发生偏斜；另外钻机立轴过度磨损旷动太大也是一个因素。（三）孔斜的预防措施针对上面三个方面的原因，可以制定如下的预防措施。1）地质因素方面，可通过掌握地层的岩性与偏斜规律和特点，施工初级定向孔来解决。2）工艺方面可采用合理的钻进工艺及操作方法来减小钻速差和偏斜力达到预防目的。比如换径时用轻压慢转的小规程钻进可减小钻速差；用刚性好的直钻杆；钻进时使用带扶正器的钻具；按优化确定了的规程参数钻进。3）在设备安装与开孔方面，把基台设置在牢固的硬盘上并保持钻机周正；不使用立轴旷动的钻机；开孔前检查立轴倾角与方位角是否符合地质要求；开孔时随钻孔加深而及时加长岩心管；换径时带导向并逐级加长岩心管；孔口管要下正因牢等加以预防。第三部分 课程设计课题 某综采面本煤层瓦斯抽放钻孔与安全系统设计。 一、技术条件和主要参数 1.地质条件 本煤采区开采13煤层，煤层厚度为4.85.2m平均厚度为5m；赋存稳定，倾角为1215顶板为砂质泥岩，岩层不能致密，距11煤810m，顶部为12煤层，该煤层在本区域内厚度00.4m为不可采煤层。本区域本区有小断层，对开采影响不大。2.主要瓦斯参数 本工作面位于标高-650m水平，为矿井开采第三水平，煤层瓦斯含量为8m3/t，煤的密度为1.45t/m3，宽慰有突出危险，经预测工作面绝对瓦斯涌出量QCH4为19m3/min。3.通风方式及风量 采区采用抽出式内，回风由采区主要扇风机排出地面，经计算工作面供风量为1500m3/min。4.采煤方法及巷道布置采用走向长壁全部跨落顶板管理法，工作面后退式倾斜分层开采，上分层采用综合机械化采煤，采高为2.8m采用两班采煤，一班抽放瓦斯，工作面日推进度为3m，下分层采高为2.2m。巷道布置如图9-2所示。 5.已知抽放瓦斯参数经实测煤层透气性系数0.01123（m2/MPa2.d)，如用未卸压长钻孔预测抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽量为0.01m3/min；如用卸压浅孔抽放瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为1.0m3/min，同时值提高到27.6（m2/MPa2.d)；如用卸压长钻孔预测抽煤层瓦斯，百米钻孔瓦斯抽放量为0.050.1m3/min学生可根据以上测定的抽放参数选择抽放方法。 （1）卸压浅孔抽放时，抽放影响半径为0.8m，钻孔所需要的抽放孔口负压为12KPa，边采煤边抽放瓦斯。 （2）未卸压长钻孔抽放：钻孔抽放半径为2.5m，钻孔孔口需负压为20KPa，掘进期间边掘进边抽放瓦斯。 （3）卸压长钻孔抽放，钻孔抽放影响半径为2.5m，钻孔孔口需要负压为20KPa，边采煤边抽放。图9-2 综采工作面巷道布置二、设计内容及步骤： 采面概况：1.根据给定条件和主要参数编写。 2.绘制出工作面布置图。 工作面瓦斯储量和可抽放瓦斯总量计算： 1.按煤层全厚计算（即13煤层全厚）W1=K1K2(AiXi)式中：W1-11煤层瓦斯储量,万m3； k1-围岩瓦斯储量系数可取1.11.3； k2-不可采邻近煤层瓦斯储量系数,可取1.21.4； Ai-第i可采煤层煤炭地质储量,万t； Xi-第i可采煤层平均瓦斯含量,m3/t。 2.按采高计算：W2=K1K2(AiXi)式中:W2-按采高计算煤层瓦斯储量，万m3； Ai-采面长度（m)采面走向长（m)煤的密度（t/m3）； Ai-采面长度（m)采面走向长（m)采高（m)煤的密度（t/m3）。 3.工作面瓦斯抽放率 式中:d-工作面瓦斯抽放率（） q纯-工作面瓦斯可抽放量 QCH4-工作面绝对瓦斯涌出量 g纯可根据学生所选择的抽放方法计算确定 4工作面瓦斯可抽放量W3式中:W3-工作面瓦斯可抽放量m3/min W2-按采高计算煤层瓦斯储量m3/min d-工作面瓦斯抽放率（） 抽放瓦斯的必要性和可行性： 1.抽放瓦斯的必要性 根据供风量为1500m3/min，工作面瓦斯浓度按0.6计算风排瓦斯量Qp=QC=15000.6/100=9m3/min。而工作面绝对瓦斯涌出量为19m3/min，如不可抽放瓦斯，则工作面的瓦斯浓度将超限，尚需抽放瓦斯量QCH4-Qp=19-9=10m3/min工作面瓦斯浓度才能维持0.62.抽放的可行性 根据我局综采面采用卸压浇孔抽放瓦斯技术，实现了安全。高产、高效，取得了良好的经济效益的情况，应当认为浅孔抽放瓦斯方案是完全可行的，如1217（1）综采面应用浅孔抽放技术,钻孔直径为89mm，钻孔间为0.1m，钻孔深度为10m，平均瓦斯抽放量为0.8m/min，最高日产量达到8.4万t，又如2117（3）综采面钻孔直径为89mm，钻孔间距为1.5m，钻孔深度为6m，平均瓦斯抽放量为2.13.2m3/min，最高日产量达到4.9万吨。抽放方法的选择 ：1.本工作面采用本煤层瓦斯抽放有三种方式可供选择 （1）本煤层未卸压长钻孔预抽煤层瓦斯，边抽边放； （2）本煤层卸压浅孔预抽瓦斯，边采煤，边抽放。（两班采煤，一班抽放）； （3）本煤层未卸压长钻孔抽放，边采边抽。 2.经济技术比（1）煤层透气性系比较：未卸压顺层长孔抽放时,煤层透气性系数入值为原始值，即0.0276。卸压娄孔抽放入值可提高（1001000）倍，达到27.6(m2/MPa2d)（2）百米钻孔抽放量比较：未卸压顺层长孔抽放时为0.01m/minkm，卸压娄孔抽放时可达到13m3/minkm，卸压长钻孔