现代钻探技术

1、2021-6-29现代钻探技术1 一、钻探施工过程一、钻探施工过程 1、钻孔的概念、钻孔的概念 钻孔是从地表地表( (或坑道中或坑道中) )向岩石中开凿的圆形断圆形断 面的空间面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。直径 在25500mm之间，称为钻孔。钻孔的深度从数厘米 到数千米，目前的钻孔深度已超过10000m。 钻孔包括孔口孔口、孔底孔底、孔壁孔壁。 2021-6-29现代钻探技术2 一、钻探施工过程一、钻探施工过程 2、钻探施工的主要工序、钻探施工的主要工序 钻进按下列工序进行： u用升降机把钻具下入孔内； u连接好所有接头，开泵； u给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石； u提钻取心

2、或更换钻具； u下钻继续钻进； u钻进一段时间后及时测斜； u提出全套钻具，停钻； u封孔。 2021-6-29现代钻探技术3 二、钻探工程的应用范围和分类二、钻探工程的应用范围和分类 ( (一一) )钻探方法的分类钻探方法的分类 1、根据钻进时取心的特点分类岩心钻探岩心钻探和不取心不取心 ( (无岩心、无心、全面无岩心、无心、全面) )钻探钻探。 2、根据钻孔用途分类按钻探的应用范围分出相应 类型。 3、根据钻孔中心线的倾角和方位角分类垂直孔垂直孔(上、 下垂)、下斜孔下斜孔、上仰孔上仰孔、水平孔水平孔。 4、根据钻孔位置的分类地表钻探地表钻探、水上水上( (河、湖、河、湖、 海海) )钻探

3、钻探、地下坑道钻探地下坑道钻探。 2021-6-29现代钻探技术4 二、钻探工程的应用范围和分类二、钻探工程的应用范围和分类 ( (一一) )钻探方法的分类钻探方法的分类 5、根据钻孔布置方法分类丛状钻探丛状钻探 (图1.2)、多井多井 筒钻探筒钻探(图1.3)、多孔底钻探多孔底钻探 (图1.4)。 图1.2 丛状布孔图1.3 多井筒布孔图1.4 多孔底布孔 2021-6-29现代钻探技术5 二、钻探工程的应用范围和分类二、钻探工程的应用范围和分类 ( (一一) )钻探方法的分类钻探方法的分类 6、根据破岩形式分类 (1)物理方法破岩物理方法破岩：高温（14003500）、高压 （200250

4、MP）破岩；用超声波和低声波破岩； 用爆破、高压水射流等方法破岩。 (2)化学方法破岩化学方法破岩：此法使用较少，如溶解、软化岩石 等。 (3)机械方法破岩机械方法破岩：使用最为广泛，其分类如图1.5所示。 2021-6-29现代钻探技术6 二、钻探工程的应用范围和分类二、钻探工程的应用范围和分类 ( (一一) )钻探方法的分类钻探方法的分类 7、根据钻进使用的冲洗液分类 u清水清水钻进； u乳化液乳化液钻进； u泥浆泥浆钻进(含加重泥浆)； u饱和盐溶液饱和盐溶液钻进(钻盐井，以防溶解岩心和孔壁)； u空气空气钻进； u泡沫泡沫钻进； u雾化雾化钻进； u充气泥浆充气泥浆钻进(降低泥浆比重，

5、以防漏失)。 2021-6-29现代钻探技术7 二、钻探工程的应用范围二、钻探工程的应用范围 和分类和分类 ( (一一) )钻探方法的分类钻探方法的分类 8、根据冲洗液循环方式分类 钻孔冲洗液的循环方式 示意图如图1.5所示。 冲洗液正 循环钻进 冲洗液反 循环钻进 全孔反循 环钻进 孔底局部反 循环钻进 图1.5 钻孔冲洗液的循环方式 a-全孔正循环；b-全孔反循环；c-孔底局部反 循环.1-来自泵；2-往冲洗液沉淀系统 2021-6-29现代钻探技术8 第二章岩心钻探设备第二章岩心钻探设备 n第一节 钻机 n第二节 泥浆泵 n第三节 动力机 n第四节 钻塔及其附属设备 2021-6-29现

6、代钻探技术9 第一节钻机第一节钻机 一、钻探工艺对钻机功能的基本要求一、钻探工艺对钻机功能的基本要求 1、提供使钻杆柱及碎岩钻具(钻头)破岩所需的回转动力； 2、提供钻具克入岩石的压力，并能调节； 3、具有起下钻具的能力。 二、钻机的类型二、钻机的类型 用于岩心钻探的钻机分为：机械式钻机机械式钻机(包括立轴式钻立轴式钻 机机和转盘钻机转盘钻机)、全液压钻机全液压钻机。 当然还有旋挖钻机旋挖钻机、车装钻机车装钻机、履带式钻机履带式钻机。 2021-6-29现代钻探技术10 uXY-4型立轴式岩心钻机型立轴式岩心钻机uGPS15型转盘式钻机型转盘式钻机 2021-6-29现代钻探技术11 u G-

7、3型全液压钻机 型全液压钻机 u全液压坑道钻机全液压坑道钻机 2021-6-29现代钻探技术12 u旋挖钻机 旋挖钻机 旋挖钻机旋挖钻机 2021-6-29现代钻探技术13 u车装钻机 车装钻机 u履带式跟管钻机履带式跟管钻机 2021-6-29现代钻探技术14 一、钻塔一、钻塔 3、钻探的类型、钻探的类型 u按制造钻塔的材质分类 u金属钻塔 u木质钻塔 u按钻塔的构造分类 u三角钻塔 u四角钻塔 u两脚轻便钻塔 u桅杆式钻塔 二、钻塔的附属设备二、钻塔的附属设备 u天车 u游动滑车 u提引钢丝绳 u梯道 u安全栏杆或土电梯 u简易场房 u防雨天棚盖 u避雷针 2021-6-29现代钻探技术1

8、5 带普通手摇辘的三脚架 2021-6-29现代钻探技术16 两脚轻便钻塔 1-下主腿；2-中主腿；3-上主腿；4-副腿；5-天车帽；6-天轮； 7-天轮轴；8-绷绳；9-塔衣绷绳；10-活动工作台 四角钻塔 1-上部工作面活动棚顶；2-上部工作面； 3-活动棚顶；4-玻璃窗；5-塔外安全挂梯 2021-6-29现代钻探技术17 桅杆的结构及竖立形式 a-整体竖立式；b-折叠式；c-伸缩式 角钢四脚斜塔结构示意图 2021-6-29现代钻探技术18 一、钻进工具一、钻进工具 钻进工具常指水接 头、主动钻杆、钻杆、 钻铤、液动(风动)冲击 器、岩心管、扩孔器、 异径接头、取粉管、套 管、钻头等。

9、右图为钻 具在孔底的连接情况。 u孔内钻具连接情况示意图 孔内钻具连接情况示意图 2021-6-29现代钻探技术19 金刚石钻进用的岩心钻具 钻粒钻进用的岩心钻具 1-钻头； 2-提断外壳； 3-提断弹簧； 4-岩心管； 5-异径接头； 6-钻杆 1-钻粒钻头； 2-岩心管； 3-异径接头； 4-岩粉管； 5-钻杆 2021-6-29现代钻探技术20 第二节第二节 开孔工作开孔工作 一、钻孔的结构及其选择一、钻孔的结构及其选择 钻孔结构是由孔口、孔口、 孔深、孔壁孔深、孔壁等要素组成。 在实际钻进中遇特殊 情况，可适当调整钻孔的 结构，但应满足地质或工 程要求。右图5-2为常见的 钻孔结构图，

10、有的仅下孔 口管，有的可能还下几层 套管。 图5-2 钻孔结构图 2021-6-29现代钻探技术21 二、硬质合金钻头二、硬质合金钻头 图6-9 阶梯高肋骨钻头示意图 图6-10 燕尾补强钻头示意图 2021-6-29现代钻探技术22 二、硬质合金钻头二、硬质合金钻头 图6-11 排状硬质合金自磨式钻头示意图 2021-6-29现代钻探技术23 二、硬质合金钻头二、硬质合金钻头 ( (二二) )全面钻头全面钻头 1、三翼刮刀全面钻头、三翼刮刀全面钻头 (图6-12) 2、矛式全面钻头、矛式全面钻头(图6-13) 图6-12 翼片全面钻头 2021-6-29现代钻探技术24 二、硬质合金钻头二、

11、硬质合金钻头 图6-13 矛式全面钻头 2021-6-29现代钻探技术25 u硬质合金钎头 硬质合金钎头 2021-6-29现代钻探技术26 u硬质合金镶齿三牙轮钻头硬质合金镶齿三牙轮钻头 u球齿状硬质合金全面钻头球齿状硬质合金全面钻头 （潜孔锤钻进用）（潜孔锤钻进用） 2021-6-29现代钻探技术27 第一节第一节 概概 述述 一、金刚石一、金刚石 金刚石 天然金刚石 复合片(PDC) 按晶形、杂质含量、粒度分为首饰级和 工业级金刚石。按品种和用途共分9个等 级，地质钻探用为第9级 单晶 微粉 聚晶(PCD) 人造金刚石 柱状 三角状 天天 然然 金金 刚刚 石石 2021-6-29现代钻

12、探技术28 u人造金刚石复合片（人造金刚石复合片（PDC） （Polycrystalline Diamond Compact ） u人造金刚石聚晶（人造金刚石聚晶（PCD） （PolyCrystalline Diamond） 2021-6-29现代钻探技术29 二、孕镶钻头碎岩机理二、孕镶钻头碎岩机理 孕镶钻头所用的金刚石的粒度小，且埋藏于胎体中，其 实际碎岩机理和砂轮磨削类似，如图8-3所示。以刃具面多而 小的硬质点金刚石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压 裂压碎。 三三 、复合片、复合片( (PDC) )钻头碎岩机理钻头碎岩机理 PDC钻头以切削方式破碎岩石，如图8-4所示。 图8-3 孕镶

13、钻头的金刚石颗粒工作图 1-胎体；2-金刚石；3-岩石图8-4 PDC切削齿破岩工作图 2021-6-29现代钻探技术30 u天然表镶金刚石取心钻头天然表镶金刚石取心钻头u孕镶金刚石取心钻头孕镶金刚石取心钻头 2021-6-29现代钻探技术31 u钢体式钢体式PDC取心钻头取心钻头uPDC肋骨式取心钻头模型肋骨式取心钻头模型 2021-6-29现代钻探技术32 uPDC内外锥全面钻头内外锥全面钻头 （常用于石油钻进）（常用于石油钻进） 2021-6-29现代钻探技术33 uPDC三翼刮刀无心钻头三翼刮刀无心钻头uPDC四翼刮刀无心钻头四翼刮刀无心钻头 2021-6-29现代钻探技术34 uPD

14、C内凹三翼无心钻头内凹三翼无心钻头 uPDC圆弧支柱无心钻头圆弧支柱无心钻头 2021-6-29现代钻探技术35 图9-5 潜孔锤钻头示意图 图9-4 冲击回转硬质合金钻头结构图 a-大八角肋骨硬质合金钻头；b-长方片状肋 骨式硬质合金钻头 （a）（b） 四、冲击回转钻进钻头四、冲击回转钻进钻头 2021-6-29现代钻探技术36 u按孔深部位依次摆放的岩心按孔深部位依次摆放的岩心 2021-6-29现代钻探技术37 二、单动双管取心钻具二、单动双管取心钻具 ( (三三) )金刚石钻具金刚石钻具 下图10-4所示的是金刚石钻进一般地层常用的单动双管 钻具。它主要由异径接头，单动装置回流阀，内、

15、外管和卡 心装置等组成。 图10-4 金刚石单动双管取心钻具 1-异径接头；2-合金；3-内管接头；4-“O”型密封圈；5-滚动轴承； 6-注油孔；7-外管；8-弹簧；9-球阀座；10-内管；11-内管短节；12- 扩孔器；13-卡簧；14-卡簧座；15-钻头 2021-6-29现代钻探技术38 图10-5 SC56型绳索取心钻具 1-上接头；2-茅头；3-弹簧销；4-收卡筒；5-弹卡弹簧；6-弹卡室；7-弹卡板；8、10-弹簧销； 9-支块；11-弹卡支座；12-内接头；13-键；14-弹簧；15-垫片；16-锁母；17-插销；18-弹簧室； 19-油杯；20-螺母；21、23-轴承；22-

16、轴承座；24-调节螺母，25-内管接头；26-心轴；27-外管； 28-内管；29-扩孔器；30短节；31-卡簧；32-卡簧座；33-钻头 三、绳索取心钻具三、绳索取心钻具 2021-6-29现代钻探技术39 三、绳索取心钻具三、绳索取心钻具 图10-6 SC56型绳索取心打捞器 1-捞钩；2-弹簧销；3-捞钩室；4-弹簧；5-销轴； 6-套筒；7-重锤；8-钢绳接头；9-绳头节 双管部分由外管总成外管总成和内管总成内管总成组成。外管总成包括： 弹卡挡头、弹卡室、稳定接头(扩孔器)外管、扩孔器和钻 头；内管总成包括：捞矛、弹卡、单动机构、调节机构、 内管及卡取岩心机构。 2021-6-29现代

17、钻探技术40 四、反循环钻进取心四、反循环钻进取心 ( (一一) )全孔反循环全孔反循环 在大口径桩基孔施工 时，若用正循环钻进，环 空上返速度过慢，不易排 粉，故采用全孔反循环。 其工作原理如图10-7 所示。泥浆从外环直接流 入，然后用泵从中心抽出。 1-流入； 2-抽出 图10-7 全孔反循环 2021-6-29现代钻探技术41 四、反循环钻进取心四、反循环钻进取心 ( (三三) )喷射式孔底反循环喷射式孔底反循环 利用射流泵的工作原理来形成孔底反 循环。其工作原理如图10-9所示。 可用于7级以上硬脆碎岩矿层；也可 用于46级松软、胶结性差及易磨损的岩 矿层；还可用于漏水、涌水地层中的

18、直孔 和斜孔钻进。 与无泵反循环钻进相比，优点是：使 用操作简便，劳动强度小；孔内清洁，钻 效高，埋钻少，岩矿心采取率有所提高。 不足之处：对破碎性岩矿心，喷射作用过 强时容易造成层次混乱和分选现象；孔深 时，沿程损失大，局部反循环效果降低且 难控制，容易造成岩屑堵塞或发生事故。 1-喷嘴； 2-混合室； 3-喉管； 4-扩散室； 5-弯管 图10-9 喷射式孔底 反循环钻具 2021-6-29现代钻探技术42 二、取土器二、取土器 1、限制球阀式、限制球阀式 这种取土器在取土过程中， 取土器内的液体、气体将球顶起 排出。当停止取土时，由于球上 部弹簧的作用将球压回原阀位置， 以起封密作用，如图13-4所示。 这种球阀装置较自由球阀式（上 部无弹簧）密封可靠，但要选择 适当的弹簧强度，以及调节到适 当的压力。球的直径与排水孔的 直径相适应，以使水、气、泥排 出。 1-接头； 2-调节垫片； 3-调节螺丝； 4-弹簧； 5-球阀； 6-异径接头； 7-余土管； 8-衬管； 9-取土管； 10-管靴 图13-4 限制球阀取土器 2021-6-29现代钻探技术43 二、取土器二、取土器 2、回转压入式、回转压入式 这种取土器有两层管，外管回 转（带