第三章 回转钻进工艺

第三章回转钻进工艺第一节钻进效果指标和钻进规程一、钻进效果指标衡量钻进工艺效果的主要指标有：钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔方向等，它们受到诸多因素的影响和制约。这些因素包括：不可控因素是指客观存在的因素，如所钻的地层、岩性及其埋深等。可控因素是指通过一定的设备和技术手段可以进行人工调节的因素，如钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。在这些因素中，钻速是一般情况下考核钻进工艺和生产管理水平的最重要依据。根据不同的技术统计工作需要可求出下列钻速：1、平均机械钻速

表示在纯钻进时间内的平均钻进效果。2、回次钻速

从往孔内下放钻具→钻进→从孔内提起钻具称之为生产循环中的一个回次。虽然纯钻进是我们的主要任务，但随着钻孔加深和岩石可钻性级别提高，在一个回次中起下钻具的作业将占去很多时间。因此必须优选钻进参数，实现钻具升降作业机械化，以提高回次钻速。(m/h)式中：H--钻孔进尺，m；t--纯钻进时间，h。

(m/h)式中：t1--为加接钻杆、更换钻头和提取岩心必须的起下钻具时间和其他辅助作业（冲孔、扫孔等）时间，h。

3、技术钻速

(m/h)式中：T1--消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间，h。4、经济钻速

(m/h)式中：T2--用于钻机安装、大修、处理孔内事故等非生产性作业的时间，h。5.循环钻速

循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速。(m/h)式中：T3－－用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔等开孔准备和终孔作业的时间，h。二、钻进规程定义：所谓钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压（钻头上的轴向载荷）、钻具转速、冲洗介质（水、钻井液或压缩空气）的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量（泵量）等工艺参数。在生产中可以采用不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程。1、最优规程当地质-技术条件和钻进方法确定时，在保证钻孔质量指标的前提下，为获取最高钻进速度或最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配。实现最优钻进规程的条件是：钻机设备的功率、转速、钻杆的强度、冲洗介质的品质等因素不限制钻进参数的选择。

每米钻进总成本：（元/m）2、合理规程在给定的技术装备条件下，当钻进规程参数的选择受到某种制约时，在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。3、专用规程为完成特种取芯、矫正孔斜、进行定向钻进等任务所采用的参数搭配。

确定钻进规程的一般步骤：根据地层条件、钻头类型、设备条件和工人的技术水平等因素，查阅相关手册或标准，对每个工艺参数初选一个取值范围；其次，在以往经验的基础上，初步确定规程参数的若干个取值；最后，在生产实践中边钻进、边测算钻速和钻进成本，加以分析对比或借助计算机进行处理，找出钻效高、成本低的参数组合。三、钻进过程中各参数间的基本关系1、钻压对钻速的影响钻进中钻头上的轴向压力应为给进力（钻具质量+正或负的机械施加力）减去冲洗液浮力及孔内摩擦阻力后剩余的载荷。2、转速对钻速的影响

曲线Ⅰ：塑性大、研磨性小软岩；曲线Ⅱ：中硬、研磨性较小的岩层；曲线Ⅲ：中硬、研磨性强的岩层3、切削具的磨损对钻速的影响在钻进过程中随着切削具的磨钝，切削具与岩石的接触面积逐渐增大，若此时钻压值保持不变，则钻速必然下降。这与钻头唇面比压下降有关。4、水力因素对钻速的影响表征钻头及射流（在钻头喷嘴或水口处形成）水力特征的参数统称为水力因素。一定的钻速条件下，意味着单位时间内钻出的岩屑总量一定，而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层时，为了保持钻头一定的自锐能力，孔底须保持一定的岩粉量。水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力破岩作用。5、冲洗液性能对钻速的影响（1）冲洗液密度对钻速的影响主要表现为由密度决定的孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差对钻速的影响。实验室研究和钻进实践都表明，孔底压差对刚破碎下来的岩屑有压持作用，阻碍孔底岩屑的及时清除，压差增大将使钻速明显下降。

（2）冲洗液粘度对钻速的影响冲洗液的粘度是通过影响孔底压差和孔底净化作用而间接影响钻速的。其他条件一定时，冲洗液粘度的增大,将使孔底压差增大，并使孔底钻头获得的水功率降低，从而使钻速降低。（3）冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响第二节硬质合金钻进工艺一、磨锐式硬质合金钻头的钻进工艺1、钻压（P）的选择是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。

图

钻压增大一倍时，钻速增长率与岩石级别的关系在钻进中，应充分发挥切削具初刃的切入破岩优势。实践证明，硬质合金钻进开始时就应以允许的最大初始钻压钻进。如果初始钻压不足，在切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得好钻效。表YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值岩层切削具形状单位压力推荐值p（KN/颗）Ⅰ－Ⅳ级软－部分中硬岩石片状0.40－0.70Ⅴ－Ⅵ级中硬－部分硬岩石方柱状0.80－1.20中八角柱状0.90－1.40大八角柱状1.50－1.80研磨性大的岩石方柱状1.20－1.40中八角柱状1.20－1.70如果岩石愈硬，可钻性级别愈高，p值可取上限；岩石的研磨性越高，p值也应该越大，以免切削具未能有效地切入岩石即被磨钝；对粘性大，易糊钻的软岩，应取比推荐值更小的p值，以免进尺过快，排粉、冷却困难酿成事故；对裂隙性岩石，也应取较小的p值，以免发生崩刃。2、钻头转速（n或v）的选择钻头切削具的线速度v与转速n的关系：（m/s）选择钻头转速的主要依据是岩石性质和破岩的时间效应影响。所谓时间效应是指，岩石在切削具作用下，从发生弹性变形-形成剪切体-跳跃式吃入岩石至一定深度，需要一个短暂的时间Δt。即要求承受载荷的切削具在即将发生破碎的岩石表面停留一个短暂的时间Δt，使裂隙得以沿剪切面发育至自由面，才能形成剪切体。对于较软的、研磨性较小的岩石，可以用增大转速的办法来提高钻速；而在硬的、研磨性较强的岩石中，转速过高不仅不能提高钻效，而且由于切削具快速被磨钝而对钻进过程有害无益。表

硬质合金线速度的推荐表岩石性质线速度取值范围(m/s)软的、弱研磨性岩石1.2～1.6中硬的、具有研磨性的岩石0.9～1.2中硬-硬的研磨性岩石0.6～0.8裂隙性岩石0.3～0.6还应考虑到钻头形式、冲洗液类型（有无润滑剂）、钻机能力、钻杆柱的强度和切削具的情况，通过综合分析来确定所需的转速值。3、冲洗液泵量（Q）及其性能的选择合理的泵量值应在满足及时排粉的前提下兼顾其他工艺因素。（L/min）式中：v1－冲洗液在外环空间的上返速度，dm/min；D、d－分别为钻孔直径和钻杆外径，dm；m－由于孔壁、孔径不规则引起的上返速度不均匀系数，m取1.03～1.1。上返速度v1的推荐值：清水时取0.25～0.6m/s；泥浆时取0.20～0.5m/s。必须兼顾的其他技术因素是：孔径大、钻速高、岩石研磨性强、钻头水口水槽宽者可取上限，反之亦然。为了提高钻速，在可能的条件下应尽量选用清水作冲洗液；若用泥浆时，其粘度和密度值宜小不宜大，并尽量采用低固相不分散泥浆。4、P、n、Q参数间的合理配合

(1)软岩石研磨性小，易切入，应重视及时排粉，延长钻头寿命，故应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；

(2)对研磨性较强的中硬及部分硬岩石，为保持较高的钻速并防止切削具早期磨钝，应取大钻压、较低的转速、中等泵量的参数配合；

介于两者之间的中等研磨性的中软岩石，则应取两者参数配合的中间状态。

总之，定性分析的原则是：钻进Ⅳ～Ⅴ级及其以下的岩层，应以较高转速为主；钻进Ⅴ～Ⅵ级及其以上的岩层，应以较大的钻压为主。5、确定最优回次钻程时间的方法用磨锐式钻头钻进时，在规程未改变的条件下，其钻速是随切削具的磨钝而递减的。当钻速很低时，只有起钻换钻头才能在新回次中获得较高的钻速。但在起、下钻的辅助作业中将消耗许多时间。如果早一点起钻，对提高平均钻速有利，但辅助作业时间所占比例加大；如果晚一点起钻，可减少起、下钻次数，但钻头是在钻速很低的状态下继续钻进。因此，必须确定一个最佳回次钻程时间。最佳回次钻程时间的标准应是该回次的回次钻速达最大值。

二、自磨式硬合金钻头的规程特点自磨式钻头与磨锐式钻头的主要区别在于，切削具与孔底接触面积恒定，要求切削具能正常自磨出刃，其破岩过程以微剪切和磨削为主，钻速比较平稳等。自磨式钻头的钻进规程特点是：

1.钻压

自磨式钻头唇面有软钢等材料制成的支撑体或胎体，与岩石的接触面积大，总的钻压应大于磨锐式钻头。以胎块式针状合金钻头为例，一般钻压比磨锐式大20%～25%可取得较理想的效果。

2.转速

由破岩机理可知，自磨式钻头必须采用比磨锐式更高的转速，以提高单位时间的破岩次数。

3.泵量

自磨式钻头的胎块或支撑体之间的过水断面大，为了净化孔底，应采用大于磨锐式的泵量。同时，随着胎块的磨耗，过水断面减小需及时调小泵量，以防蹩泵。第三节金刚石钻进工艺一、合理选择金刚石钻头选用不当存在的问题：选用的一般原则：孕镶钻头：坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金刚石浓度高、胎体硬度大）；表镶钻头：硬度较低、完整岩层；PCD或PDC钻头：中硬及中硬以下岩石；从钻头唇面形状：岩石坚硬、致密、研磨性小者，应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面；钻裂隙的、软硬互层、研磨性大的岩层，应用内外径补强、耐磨性好的半圆唇面；当钻进倾角大、易斜的岩层，应选用阶梯形或锥形唇面，以便钻头起导正作用。二、金刚石钻进规程参数

评定依据：钻速、钻头总进尺、单位进尺的金刚石耗量。1.钻压

钻压对钻速和金刚石耗量的影响

Ⅰ区：表面研磨破碎，钻速极低；Ⅱ区：疲劳破碎；Ⅲ区：体积破碎区，钻速随钻压增长很快，但单位进尺的金刚石耗量也增长很快。建议：最优区。表镶金刚石钻头的钻压P

P=G·p（kgorkN）式中G—钻头上的金刚石粒数；

p—单粒金刚石上允许的压力，kg/粒。对细粒金刚石：p≈1～1.5kg/粒；对中粒:p≈1～1.5kg/粒;对粗粒金刚石:p≈

2-3kg/粒；特优级金刚石:p≈

5kg/粒;孕镶金刚石钻头的钻压

P=S·p（kgorkN）式中:S—钻头实际的工作唇面面积,cm2;p—单位底唇面积允许的压力，kg/cm2

。对中硬岩石，推荐：p≈40～50kg/cm2

；对坚硬岩石或金刚石质量高者p≈60～70kg/cm2

。表各类表镶和孕镶金刚石钻头采用的钻压值单位：dN钻头直径(mm)36(36)46(46)59(56)(66)75(76)91表镶钻头初始压力50～10050～100100～200100～200100～200250正常压力200～400300～600400～750500～850600～1000800～1100孕镶钻头250～450400～700450～850500～1000600～1100800～1500注：括号内数字为管材旧系列标准。选择和施加钻压时还应注意以下几点：

岩石性质：钻进软的弱研磨性或破碎、非均质岩层时，宜选下限钻压，反之亦然。(2)金刚石：金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限钻压，反之亦然。(3)钻头类型：钻头口径大、壁厚与岩石接触面积大、胎体较软时，宜选用上限钻压。(4)应注意施加钻压的阶段性：每个新钻头的钻进回次应分为磨合阶段和正常钻进阶段。在磨合阶段应使用低钻压、低转速，让钻头唇面形状与孔底及岩心根部逐渐相吻合。(5)孔底实际钻压：一般地表测得的钻压值都是钻具自重加上或减去油压的指示值，而由于钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成钻具振动，使孔底实际的瞬时动载钻压可能是地表仪表指示钻压的0～3倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。2、转速由金刚石钻进的机理可知，转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，在一定的条件下，转速越快，钻速也越高。转速与金刚石磨损的关系比较复杂，存在着临界值，即在某一临界转速下金刚石磨损量最小。通常以圆周线速度来规定钻头的转速。孕镶金刚石钻头所用的金刚石粒度很小（一般粒径0.2mm左右），出刃量微小，主要靠高转速来获取钻进效率，线速度应达到1.5～3m/s。表镶钻头所用的金刚石粒度较大，在钻进中允许有较大的切入量。所以，要求的转速可比孕镶钻头低些。由于出刃量大，在回转中容易折断或损伤，不宜高转速。线速度一般为1～2m/s。表

表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速单位：r/min钻头直径(mm)36(36)46(46)59(56)(66)75(76)91表镶钻头650～1300500～1000400～800350～650300～550250～500孕镶钻头1000～2000750～1500600～1200500～1000400～850350～700

选择合理的转速时，还应考虑以下几点：

(1)岩石性质：如果岩层较破碎、软硬不均、孔壁不稳时，宜选用下限转速。

(2)钻孔：如果钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大时，应尽量选用高转速，反之亦然。

(3)设备和钻具：在实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转速。3、冲洗液量冲洗液在金刚石钻进中除了完成排粉、冷却、护壁功能外，还将起到润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q：

Q=6vF(L/min)

(6是由单位换算所产生的系数)式中：v－－环隙空间的上返流速，金刚石钻进要求v≥0.3～0.5m/s；F－－钻孔的环空面积，cm2。由于金刚石钻进时钻孔环状间隙很小，冲洗液的流动阻力很大，所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的。泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。另外，泵压是反映孔底工况的敏感参数之一，必须密切加以注意。例如，钻进中突然钻速降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或"烧钻"的预兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。表5-5金刚石钻进中常用的泵量值钻头直径(mm)36(36)46(46)59(56)(66)75(76)91泵量(L/min)20～3025～4030～4535～5540～6050～70选择合理的泵量时，还应考虑以下几点：（1）岩层性质：钻进坚硬致密的岩层时，单位时间产生的岩粉量少，可选择下限泵量，反之亦然。钻进强研磨性岩层时，为了吸收摩擦产生的热量，需要较大泵量冷却，但携带岩粉磨粒的高速液流会严重冲蚀胎体，诱发金刚石颗粒过早脱落。因此，应该权衡利弊选择合理的泵量。

(2)钻头类型：孕镶金刚石钻头出刃微小，钻头唇面与岩面间只存在漫流区，主要靠多个水口循环，加之常以高转速钻进，因此宜用较大的泵量，以防止发生烧钻。而表镶钻头的出刃较大，排粉和冷却条件也较好，故可选用较小的泵量。

(3)防止烧钻：防止金刚石钻头（尤其是孕镶钻头）烧钻是生产中一项重要的工作。试验表明，用于冷却钻头所需的泵量并不大，只需泵量达每厘米钻头直径0.2～0.3L/min就可满足胎体迅速散热的需要。但当转速为800r/min，钻头唇面压力为10MPa时，钻头每转一圈，胎体温度升高1.73°C。所以钻进中若冲洗液停止循环1～2min，便可能造成烧钻的恶性事故。4、金刚石钻进的临界规程金刚石钻进存在正常规程和临界规程。在正常规程下，钻头胎体温升正常，功率消耗平稳，同时钻头磨损轻微；而在临界规程下，钻头胎体温升将急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻。（1）胎体温度与钻压P和转速n的关系用人造金刚石（粒度200～400μm）孕镶钻头钻进花岗岩时，测得的胎体温度和P、n之间的关系如表5-6所列。当钻压P和转速n达某一值时，胎体温度由100～200℃急剧升至600～700℃的高温。这时的钻进规程已由正常规程转入了临界规程。对于具体的岩石而言P·n的临界值基本上是个常量。表5-6中的红线划出了正常规程与临界规程的分界线。胎体温度和功率消耗与P·n值的关系如图5-8所示，图中斜线部分为P·n临界值的范围。

表5-6钻头胎体温度（℃）与轴向压力P和转速n的关系转速nr/min轴向压力P（kg）1002003004005006007008009001000600601601901905607501007010059095070808062065067011809012064015005070120550图5-8胎体温度和功耗与P·n值的关系

1-胎体温度；2-功率消耗（2）功率消耗、机械钻速与钻进规程的关系试验发现，钻进时功率消耗的规律与胎体温度升高的趋势完全一致，即当胎体温度急剧升高时，功率消耗也突然增加，即功率消耗与胎体温升同步进入临界状态。表5－7钻进功率消耗(kw)与轴向压力和转速的关系转速nr/min轴向压力P（kg）10020030040050060070080090010006001.711.861.922.325.347501.801.862.045.679501.952.312.795.376.566.9111802.162.645.5215000.481.442.165.56（3）胎体温度与冲洗液的关系试验表明，当钻进过程进入临界状态后，冲洗液的冷却效果也是有限度的。由表5-8可知，当泵量由15L/min增至30L/min时，胎体温度和功率消耗虽有某种程度的降低，但泵量增大一倍并不能使钻进过程从临界状态转化为正常规程。也就是说，若P·n已达临界值，想单纯依靠增大泵量来解决防止烧钻的问题，是不可能的。指标冲洗液泵量（L/min）152030胎体温度℃725640550钻进功率消耗kw5.675.225.13表5－8冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响（4）钻头磨损与钻进规程的关系图5-9示出了钻头胎体相对磨损量（量纲为单位破碎功的体积磨耗）与钻进规程（钻头轴压与回转线速度的乘积）间的关系。图中a线为正常规程，b线为临界规程。无论在实验室还是在生产条件下，当由正常规程转入临界规程时，钻头磨耗都是突然急剧增大。图5-9钻头磨耗与钻压及线速度乘积的关系

Ⅰ-实验室条件下；Ⅱ-生产条件下

综上所述可以得出两点结论：

(1)对于金刚石钻进而言，每种岩石都存在着临界规程，其P·n值基本是个常数，可以通过实验测得。也就是说，钻压P和转速n两个参数之间存在着明显的交互影响，必须同时考虑它们的取值。进入临界规程的主要表现是胎体温度急剧升高，钻头严重磨耗，虽然此时钻速也很高，但可能导致烧钻事故。因此，必须保证钻进生产工艺处在小于临界规程的状态下。

(2)钻进过程中的胎体温度和钻头非正常磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功率消耗便于在地表检测，又与上述二指标同步进入临界规程，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程正常与否。一旦出现功耗突变，便可发出进入临界规程的报警。这是由凭经验打钻走向科学钻进的一个重大进步。第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进规程包括：投砂方法及投砂量、钻压、转速和冲洗液量。一、投砂方法及投砂量1、一次投砂法：在钻进开始前，把一个回次所需的钢粒一次投入孔内。投砂量取决于岩石性质和回次进尺的长短。投砂量不足将造成钻速低、钻孔缩径，甚至发生挤卡钻具的事故；但投砂过多，不利于排粉和孔底的钢粒分选，也影响钻速和取心质量。一次投砂法比较简便，所以使用较广。2、结合投砂法：又称分批投砂法。是在回次开始前先投入所需钢粒的50%～60%，待到确认孔底钢粒已消耗得差不多时，再从钻杆中分1～2次补投其余的钢粒。结合投砂法可适当延长回次纯钻进时间，主要用于钢粒消耗量大的Ⅺ、Ⅻ级坚硬或强研磨性岩石。但中途停钻补砂，费时、麻烦，其至可能引起岩芯堵塞或岩芯脱出。3、连续投砂法：目前无理想的连续投砂器，很少采用。钢粒钻头上钻压的大小决定着孔底的破岩方式。一般按下式计算总的钻压值P：二、钻压（N）式中：k－考虑水口使钻头唇面面积减少的系数，k=0.7～0.8；p－钻头唇面的单位压力，Pa；D、d--钻头外径和内径，m。实践表明，随p增大，机械钻速几乎呈直线上升，但当p达一定值（Pmax）后，这一线性关系不复存在。这时，钢粒可能被压碎或"嵌入"钻头唇面，故造成钻速明显下降。影响Pmax大小的因素有：钢粒钻头的唇面硬度、钢粒的强度、岩石的可钻性和钻头的转速。岩石愈硬，钢粒的相对强度和耐磨能力愈低，则所需的Pmax压力也较低；在钢粒钻进中，随转速加快钢粒在孔底翻滚的脉动频率升高，对提高钻速有利，所以，当转速较快时Pmax值下降。生产中常用的压力见下表所列：岩石级别7-88-9>10单位压力（kg/cm2）30-3535-4040-45钢粒性能直径3mm，抗压强度1200kg/粒，硬度HRC50三、转速的选择由于钢粒在孔底的翻滚受到孔壁和岩心的限制，故其运动的速度滞后于钻头的线速度。加之钢粒钻进主要用于脆性岩石，岩石破碎的时间效应不明显。同时钢粒可在孔底自动分选与补给。所以，钢粒钻进可以采用较高的转速。过去人们曾担心“高转速产生的离心力会把钢粒甩出钻头唇面”，实践证明，只要在钻头外环状空间里钢粒柱的高度不小于水口高度，水口形状又能保证及时导砂，则适当提高转速不会出现这种情况。