硬地层取芯中的岩石可钻进性及钻进方法

1、地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法引言：在地层取芯中不同岩石理化特性有很大差异。从宏观到微观通过研究岩石的理化特征，以及相应的钻进手段对对岩石钻进的影响对岩石钻进时钻进效率进行分析，做到高效钻进。本文主要讨论的是硬地层取芯中的诸多问题。首先我们探讨岩石的可钻性。对不同岩石的理化性质进行逐步分析。然后介绍目前常见的取芯钻进方式，在不同岩石和不同钻进方式之间建立对应关系，对不同岩是做到对症下药逐个击破。钻进效率最优。最后，会讨论一些钻进时的辅助手段，从另一个侧面提高钻进效率做到百尺竿头更进一步。岩层的钻进方法钻进方法的分类方法很多，有的根据钻进目的分类，有的根据碎岩方式分类，还有的根据冲洗介质的种

2、类以及循环方式分类。根据钻进目的可分为地质钻进、石油钻进、水进钻进、工程施工钻进等。根据机械碎岩方式可分为回转钻进、冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进等。在回转钻进中，根据所用的钻头不同又可分为金刚石钻进、硬质合金钻进、牙轮钻进以及钢粒钻进等岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。 变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、

3、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。回转钻进中钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式冲击钻进切削具碎岩机理在硬岩层中静压入一回转切削破碎岩石，钻进速度较慢，冲击破碎岩石从经济学的角度看

4、具有很大吸引力。根据以上的岩石破碎机制我们可以看出，虽然在硬地层取芯中冲击会钻钻进的效率远高于纯回转钻进，但目前常见的小颗粒岩层取芯中主要采用的是回转钻进。因为冲击回转钻进需要的设备较大较为复杂，因此在小颗粒小空间回转取芯中多采用纯回转取芯。当然如果在取芯设备上有一定突破，在硬地层取芯中冲击回转钻进还是有很多值得探索的价值的。因此我们在钻头选择上本次讨论以纯回转钻进中常用的金刚石钻头进行分析。岩石可钻性岩石的可钻进性是钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标。岩石可钻性是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。分级在一定的技术工艺条件下，岩石按被钻

5、头破碎的难易程度的分级。根据钻进方法的不同，岩石可钻性分别有岩心钻探的岩石可钻性、手动回转钻进的岩石可钻性、螺旋钻进的岩石可钻性、钢丝绳冲击钻进的岩石可钻性、冲击振动钻进的岩石可钻性和石油钻井的岩石可钻性等。中国冶金工程钻探采用岩心钻探的岩石可钻性。岩心钻探的岩石可钻性分为12级。为1958年中国地质部颁布的岩石十二级分级表，此表是以对于在规定的设备、工具和技术规程的条件下进行实际钻进所获得的大量资料的统计分析为定级基础的。随着对岩石物理力学性质的深入研究、测试技术方法和仪器的进步、钻探设备和工艺技术的发展，为适应金刚石钻探工艺应用的需要，并使岩石可钻性分级更趋科学、准确、合理，1984年中国

6、地质矿产部颁布了金刚石岩心钻探岩石可钻性分级表。该分级表采用了以岩石压入硬度为主，同时考虑摆球回弹次数、塑性系数、微钻速度和声波穿透速度等的综合分级法，将岩石仍分为12级，列为以压入硬度、摆球硬度和统计效率为指标的(表2)、以微钻速度为指标的(表3)和以声波穿透速度为指标的分级表。实际应用时互相参照，使岩石可钻性定级更符合实际情况。分类为使用方便，常把13级称为“软岩石”；46级称为“中硬岩石”；79级称为“硬岩石”；1012级称为“坚硬岩石”。岩石的可钻性，是指钻进时岩石抵抗压力和破碎的能力；也表示进尺效率的高低。因此，岩石的可钻性是岩石各种特性的综合，是衡量岩石钻进难易程度的主要指标。一般

7、用单位时间的进尺数来表示可钻性的高低。按照这个分级方法，常把岩石的可钻性，划分为十二个等级。由于各种岩石具有不同的物理力学性质,对钻进速度有不同的影响。在实际钻进过程中，在一定的技术条件下，测定出的各种岩石的钻进速度，通称为岩石的可钻性，也就是岩石被钻头破碎的难易程度。岩心钻探时岩石的可钻性分级如下：一级：松散土松软疏散的-代表性岩石为：次生黄土、次生红土、松软不含碎石及角砾的砂土、硅藻土、不含植物根的泥炭质腐殖层。（可钻性：7.50 m/h， 一次提钻长度：2.80 m/次 ）二级：较软松散岩较松软疏散的-代表性岩石为：黄土层、红土层、松软的泥炭层、含10%-20%砾石、碎石的黏土质和砂土质

8、、松软的高岭土类、含植物根的腐殖层。（可钻性：4.00 m/h， 一次提钻长度：2.40 m/次 ）三级：软岩软的-代表性岩石为：强风化页岩、板岩、千枚岩和片岩，轻微胶结的砂层，含20%砾石、碎石的砂土，含20%礓结石的黄土层，石膏质土层，泥灰岩，滑石片岩、贝壳石灰岩、褐煤、烟煤。（可钻性：2.45 m/h， 一次提钻长度：2.00 m/次 ）四级：稍软岩稍软的-代表性岩石为：页岩、砂质页岩、油页岩、炭质页岩、钙质页岩、砂页岩互层，较致密的泥灰岩、泥质砂岩。块状石灰岩、白云岩、强风化的橄榄岩、纯橄榄岩、蛇纹岩和磷灰岩、中等硬度煤层、岩盐、结晶石膏、高岭土层、火山泥灰岩、冻结的含水砂层。（可钻性

9、：1.60 m/h， 一次提钻长度：1.70 m/次 ）五级：稍硬岩稍硬的-代表性岩石为：卵石、碎石及砾石层、崩级层、泥质板岩，绢云母绿泥石板岩、千枚岩和片岩、细粒结晶灰岩、大理石、较松软的砂岩、蛇纹岩、纯橄榄岩、风化的角闪石斑岩和粗面岩、硬烟煤、无烟煤、冻结的粗粒砂、砾层、冻土层。（可钻性：1.15 m/h， 一次提钻长度：1.50 m/次 ）六级-七级：中硬岩中等硬度的-代表性岩石为：绿泥石、云母、绢云母板岩、千枚岩、片岩、轻微硅化的灰岩、方解石、绿帘石、钙质胶结的砾岩，长石砂岩、石英砂岩、石英粗面岩、角闪石斑岩。透辉石岩、辉长岩、冻结的砾石层。（可钻性：0.82 m/h， 一次提钻长度：

10、1.30 m/次 ）石英、角闪石、云母、赤铁矿化板岩、千枚岩、片岩，微硅化的板岩、千枚岩、片岩、长石石英砂岩、石英二长岩，微片岩化的钠长石斑岩，粗面岩，角闪石斑岩，砾石、碎石层，微风化的粗粒花岗岩、正长岩、斑岩、辉长岩及其他火成岩，硅质灰岩，燧石灰岩等。（可钻性：0.57 m/h， 一次提钻长度：1.10 m/次 ）八级-九级:硬岩硬岩-代表性岩石为:硅化绢云母板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、绿帘石岩，含石英的碳酸岩石，含石英重晶石岩石，含磁铁矿和赤铁矿的石英岩，钙质胶结的砾岩，玄武岩，辉绿岩，安山岩，辉石岩，石英安山斑岩，中粒结晶的钠长斑岩和角闪石斑岩，细粒硅质胶结的石英砂岩和长石砂岩，含大块燧

11、石灰岩，轻微风化的花岗岩、花岗片麻岩、伟晶岩、闪长岩、辉长岩等。（可钻性：0.38 m/h， 一次提钻长度：0.85 m/次 ）高硅化的板岩、千枚岩、灰岩、砂岩；粗粒的花岗岩、花岗闪长岩、花岗片麻岩、正长岩、辉长岩、粗面岩；微风化的：石英粗面岩、伟晶花岗岩、灰岩、硅化的凝灰岩、角页岩化凝灰岩、细粒石英岩、石英质磷灰岩、伟晶岩。（可钻性：0.25 m/h， 一次提钻长度：0.65 m/次 ）十级-十一级：坚硬岩坚硬岩-代表性岩石为：细粒的花岗岩，花岗闪长岩，花岗片麻岩，流纹岩，微晶花岗岩，石英粗面岩，石英钠长斑岩，坚硬的石英伟晶岩，燧石岩。（可钻性：0.15 m/h， 一次提钻长度：0.50 m

12、/次 ）刚玉岩，石英岩，碧玉岩，块状石英，最坚硬的铁质角页岩，碧玉质的硅化板岩，燧石岩。（可钻性：0.09 m/h， 一次提钻长度：0.32 m/次 ）十二级：最坚硬岩最坚硬岩-代表性岩石为：未风化极致密的石英岩、碧玉岩、角页岩、纯钠辉石刚玉岩，石英，燧石，碧玉。（可钻性：0.045 m/h， 一次提钻长度：0.16 m/次 ）(读者如果对岩层不是十分熟悉，可以直接在网上搜索相关图片方便辨认。因为图片太多在此就不一一配图)影响因素岩石可钻性不是岩石固有的性质，它不仅取决于岩石的特性，而且还取决于采用的钻进技术工艺条件：(1)岩石的特性。包括岩石的矿物组分、组织结构特征、物理性质和力学性质。其中

13、直接影响因素是岩石的力学性质，而岩石的物理性质、矿物组分和组织结构特征等主要是通过影响其力学性质而间接影响可钻性的。在影响岩石可钻性的力学性质中，起主要作用的是岩石的硬度、弹塑性和研磨性。岩石硬度影响钻进初始的碎岩难易程度；弹塑性影响碎岩工具作用F岩石的变形和裂纹发展导致破碎的特征；研磨性决定了碎岩工具的持久性和机械钻速(纯钻进时间内的单位时间进尺，m/h)的递减速率。一般规律是岩石可钻性随压入硬度和研磨性的增大而降低，随塑性系数的增大而提高。(2)钻进技术工艺条件。包括钻进切削研磨材料、钻头类型、钻探设备、钻探冲洗介质、钻进工艺的完善程度，以及钻孔的深度、直径、倾斜度等。金刚石钻头的选择软的

14、、中硬和完整均质的硬岩层一般宜用表镶钻头；硬的、坚硬的和破碎的、软硬不均的、裂隙性和高研磨性岩层宜选用孕镶钻头。胎体硬度应根据岩层的研磨性、破碎程度、硬度、颗粒度等因素选择，其中主要因素为岩层研磨性和破碎程度。岩层研磨性强、破碎程度厉害、较软、颗粒度粗的选用硬胎体。反之，研磨性弱、均质完整、硬度大、颗粒度细的岩层（如“打滑”岩层）选用的胎体应偏软。如研磨性与硬度发生矛盾时，则服从于研磨性，例如遇研磨性强和硬度大的岩层时，应选用特硬胎体。否则胎体很快被岩层磨损，使钻头失去工作能力。岩层复杂、研磨性越强、越硬，选用的金刚石品级应越好，金刚石的粒度应越细。岩层强研磨性、较破碎、颗粒粗，选用浓度较高的

15、胎体。岩层偏软、破碎、研磨性强，胎体偏硬，使用的是孕镶钻头，则钻头水口部位通水截面应大，宜采用多水口钻头。反之，采用少水口钻头。孕镶钻头表镶钻头金刚石钻头唇面形状的选择决定于岩石性质和钻头的用途等因素。矩形唇面 又称平底形，常用于孕镶钻头。它加工方便：有最小的工作面积，因而要求的钻压较小，从而在同样钻进参数条件下获得较高的钻速。但它下至孔底时有一磨合过程，即开始进尺较慢，待磨成微弧形后，才以正常速度进尺。其次其稳定性较差，易造成钻孔弯曲。此唇面常用于钻进中硬和中等研磨性岩层。圆弧形唇面 可缩短初磨时间，常用于中硬和中等研磨性岩层。半圆形唇面 即钻头底唇半径等于二分之一壁厚。唇部内外刃得到加强，

16、适用于硬和研磨性岩层。阶梯形唇面 有一、二、三阶梯多种，通常用于绳索取心钻头及单管厚壁钻头。这种钻头在钻进时有较好的稳定性；碎岩时自由面较多而效果好，适用于钻进中硬岩层。目前在坚硬弱研磨性岩层中使用，也获得较好的效果。锥形唇面 这种钻头在孔底有良好的稳定性和导向性，有利于防斜。绳索取芯钻头中常用。锥形唇面还可分内锥、外锥、双锥数种。底喷形唇面 对孔底冲洗干净;在破碎岩层中钻进,还能提高采心率:但加工复杂。同心圆锯齿形唇面 又称尖环槽形，金刚石主要分布在齿形部分。内外侧用的粒度较大，以保证钻头直径。齿形唇面能造成多自由面的孔底，使钻头对岩石作磨削与剪切相结合的破碎作用，获得较粗颗粒的岩粉，有助于

17、金刚石的出刃，提高机械钻速。由于钻头所需轴压较小，还有较好的防斜作用。齿形唇面钻头适用于钻进硬而致密弱研磨性岩层。根据以上原则，具体选择时还可参照下面几条：1、6-7级完整均质的岩石选用人造聚晶表镶金刚石钻头和粗粒表镶金刚石钻头，粒度为10-20粒/克拉，胎体硬度应在HRC45左右。2、7-8级中等研磨性，较完整的岩层选用粒度为20-40粒/克拉的中粒表镶钻头和60目以粗的孕镶钻头，胎体硬度为HRC40左右。3、9级以上中等研磨性，较完整的岩层选用80目以细的孕镶钻头或者品级好的粒度为40-60粒/克拉的细粒表镶钻头，胎体硬度应在HRC35-40左右。4、研磨性强的岩层（如石英砂岩）应选用胎体

18、硬度较大的、浓度较高的、粒度较细的孕镶钻头或者品级好、粒度细的表镶钻头（60-100粒/克拉）。钻进节理发育、构造复杂的裂隙破碎岩层，应选用胎体硬度大的孕镶钻头或细粒表镶钻头，而且必须采用双管钻头。选用金刚石钻头时应根据具体岩层考虑金刚石孕镶钻头的金刚石粒度、金刚石浓度、和胎体硬度。钻具折断事故的原因钻具工作时受力非常复杂，一旦某一断面上的合成应力超过了它的强度极限，就会折断。钻具折断的主要原因有:钻具本身不直,磨损严重或有裂纹等缺陷,使用时检查不严;钻进规程参数不合适如压力过大,钻速过快;孔内部清洁;钻孔中有严重超径的孔段或者钻进时有吊块,突然卡钻,夹钻,烧钻等。钻具振动的原因工艺技术方面的

19、原因所用设备的技术状态不好,如:钻机稳定性差,回转器轴承有间隙等;动力机功率不足,超载荷时工作不稳定;往复式水泵送水量和压力不均,冲洗液产生脉动.钻机地基的强度不够以及钻机在基础上安装固定不牢;钻孔结构设计不合理,钻杆,岩心管的直径与孔径配合不合理.粗径钻具没带稳定接头;使用弯曲的钻杆和岩心管;使用钝的或为正常磨损的钻头(金刚石碎裂,唇部偏磨,钻头椭圆形磨损等);钻进规程参数的选择与所钻岩石的性质不适应;盲目的加压和加大钻速;钻杆锁接头不同心;钻杆由于制造方面的原因或使用过程中不均匀磨损(特别是在弯曲的钻孔中使用),造成壁厚不均和椭圆度,引起钻杆不同心,回转不平衡;主动钻杆弯曲,超长,在立轴中

20、偏心;钻孔发生弯曲;使用过重的提引水接头和送水管;孔底有残留岩心或其它金属物品.地质方面的原因岩层破碎,裂隙发育.岩层软硬变化频繁.岩层层理,片理发育并于钻孔轴线形成锐角;溶洞,空学发育.岩层的颗粒度不均匀,具有非均质结构;岩石的硬度和强度不均.岩石的物理性质密度与孔隙度 岩石的质量与其体积之比称为岩石的密度。而岩石的孔隙度则是岩石中的孔隙的体积与岩石的体积之比。岩石的含水性与透水性 岩石的含水性一般用含水度表示，它是孔隙中水的体积与岩石的体积之比。岩石的含水性与岩石的孔隙度成正比关系。岩石的透水性，以单位时间内通过岩石的水量来表示。一般岩石的空隙度越大，透水性越高，岩石的强度和稳定性便越低。

21、松散性和流散性 松散性是指岩石结构的致密程度，松散性强的岩石即岩石的颗粒之间的连接力弱，容易破碎坍塌。岩石的自由面，有极力趋向水平的性能，称为流散性。岩石的松散性和流散性都给钻探施工带来困难。稳定性 在岩体内有自由面（如钻孔）时，岩石能保持不坍塌、不崩落的性能称作稳定性。岩石的力学性质岩石在外力作用下所表现便性与破坏的性质，称作岩石的力学性质。与回转钻进有关的主要是岩石的强度、硬度、弹性、脆性和塑性，以及岩石的研磨性。一 、岩石的强度 岩石的强度是指岩石对各种不同形式的外力（拉力、压力、剪切力、扭力等）的抗破碎能力的总称。影响岩石强度的因素分为自然因素和工艺技术因素。自然因素1、岩石的矿物成分

22、 2、岩石的颗粒尺寸 3、岩石的容重和孔隙度 4、岩石的层理 5、岩石结构构造的缺陷工艺技术因素1、岩石的形变方式 2、岩石的应力状态 3、外载作用的速度 4、介质的影响 5、岩样的线性尺寸二、岩石的硬度三、岩石的弹性、塑性、和脆性四、岩石的研磨性五、岩石的A、B值岩石的A值是指钻头钻进岩石时，岩石对钻头中金刚石的磨损性；岩石B值是指钻头钻进岩石时，岩石对钻头胎体的磨损性。钻头转速与金刚石粒度的确定钻头钻速的大小与金刚石粒度大小有很大关系，若要实现高速钻进，则孔底产生的岩粉较多，要求钻头的排粉效果要好，这样钻头就必须选用粗克力的金刚石，有利于达到高转速的目的。孕镶金刚石钻头在钻进过程中，要求金

23、刚石不断地产生新陈代谢，才能保证金刚石的正常钻进。这就需要在金刚石磨损的同时，胎体也要不断地磨损，而对台地的磨损是通过金刚石破碎下来的岩粉实现的。岩粉磨损钻头胎体的快慢取决于岩粉的粒度、硬度、岩粉量。岩粉的粒度和硬度与岩石本身有关，岩粉量的多少取决于钻进时效。钻进时效高，产生的岩粉量就多，这样出于排粉方面的考虑，要求金刚石的粒度也应越大。钻头胎块下面的岩粉量越大，需要的金刚石粒度越粗，而岩粉量取决于钻进时效、胎块长度、水口宽度、钻头线速度等因素，在胎块长度、水口宽度确定后，岩粉量与钻进时效成正比，与钻头线速度成反比。钻头的金刚石的包镶强度越低，钻头所需的金刚实粒度就越粗。钻进极坚硬地层时，时效

24、都很低，一般只有1到2米/小时，金刚石的粒度越小越好。在钻进极坚硬底层时，岩粉根本磨不到胎体，金刚石无法新陈代谢，随着金刚石的迅速钝化，钻头最后根本无法进尺。这说明为什么软胎体钻头不能解决极坚硬地层钻进问题。因为胎体在软，岩粉磨不到它也无济于事。岩石的B值反映的是岩石对钻头胎体的磨损性能，岩石B值越大，说明岩石磨损钻头胎体的能力越强。这样在设计钻进岩石B值较大的地层钻头时，需要设法增强钻头胎体的耐磨能力。即降低金刚石的换层速度，或在不增加钻头工作层高度的条件下，设法提高钻头的金刚石层数。增加钻头胎体磨损能力的途径之一是设计钻头的金刚石参数中选用颗粒度较细的金刚石，这样有利于增强钻头胎体的耐磨能力，达到延长钻头寿命的目的。钻头实现正常钻进并不使金刚石出现破碎现象的作用于胎块表面单颗金刚石所受的最大压力为金刚石抗压强度的三分之一。在设计钻头时，若所用的金刚石颗粒越粗，则钻头选用的金刚石浓度因较高；若钻头所承受的压力越大，则钻头选用的金刚石浓度应较高；若钻头的回转速度越高，则钻头选用的金刚石浓度应较高；若要求钻头的钻进速度越快，则钻头选用的金刚石浓度应较低。单管金刚石钻头使用条件钻进各种硬度和研磨性的完整岩层。在裂隙发育而采用双管亦出现岩心堵塞严重的地层。在上述情况下岩心不易被冲洗液冲蚀的岩层。在坑道钻探水平孔和垂直孔。用于取样钻机钻探。小直径工程浅表钻孔。单管钻头与双关钻头比较，其