岩土钻掘工程学-第一章-岩芯钻探钻具课件

钻探工艺

第一章岩芯钻探钻具第二章钻进方法第三章岩矿芯的采取第四章特种取芯方法第五章钻孔弯曲及其测量

钻探工艺第一章岩芯钻探钻具第一章岩芯钻探钻具第一节岩芯钻具的组成第二节钻杆柱第三节钻杆柱在孔内的工作状态第四节钻杆柱的合理使用第一章岩芯钻探钻具第一节岩芯钻具的组成第一节岩芯钻具的组成钻头

岩芯管取粉管钻杆柱水笼头全套钻具

岩芯提断器

第一节岩芯钻具的组成钻头岩芯管取粉管钻杆柱水笼头全套第一节岩芯钻具的组成钻头

岩芯管取粉管钻杆柱水笼头钻头bit：破碎岩石岩芯管corebarrel：

容纳岩芯、传递钻压和扭矩第一节岩芯钻具的组成钻头岩芯管取粉管钻杆柱水笼头钻头钻头接头钻具钻杆钻杆钻头接头钻具钻杆钻杆第一节岩芯钻具的组成取粉管corebarrel：捞取岩粉、收集大粒岩屑钻杆柱drillstring：传递钻压、扭矩及通道冲洗液,测斜器单根single立根stand，多为三根主动钻杆drivepipe/kelly：孔口钻杆，与动力机相接水笼头waterswivel：输送冲洗介质的高压胶管与回转钻具间的连接的专用装置第一节岩芯钻具的组成取粉管corebarrel：捞第一节岩芯钻具的组成

提引钻具liftingtools拧卸钻具make-uporbreaking-outtools夹持器clamp第一节岩芯钻具的组成提引钻具拧卸钻具提引钻具拧卸钻具提引钻具水笼头提引器移动滑车水笼头提引器移动滑车木马夹持器木马夹持器第一节岩芯钻具的组成

钻头和岩芯管的基本尺寸

第一节岩芯钻具的组成钻头和岩芯管的基本尺寸第二节钻杆柱drillstring/column一、钻杆柱的功用１．传递动力钻压

bitpressure转矩rotarytorsion

2．作为通道冲洗液岩矿芯卡料或仪器等第二节钻杆柱drillstring/column一第二节钻杆柱drillstring/column二、钻杆柱的连接方式平接头连接

rod锁接头连接tooljoint接箍连接coupling第二节钻杆柱drillstring/column二接箍接箍第二节钻杆柱drillstring/column三、钻杆柱的材质与要求≥45﹟钢，少量用铝合金有足够的接头强度加重钻杆（钻铤drillcollar）第二节钻杆柱drillstring/column三钻探设备

DrillingEquipments

钻探设备

DrillingEquipments绪论

钻探设备drillingequipments是指钻探施工中直接应用的机械设备和装置。

钻探设备包括动力机、钻机、泥浆泵和钻塔等。

动力机powermachine作为通用机械，不属于本课程范围。电动机electricmotor柴油机dieselengine

空压机aircompressor

钻探设备中，以钻机作为主机来配备其它设备。绪论钻探设备drillingeq一、钻探设备的组成

1．钻机drill/rig

是进行钻探工作的主要设备。它的功能一般包括两个方面:

带动钻具向地层深部钻进；

通过升降机起、下钻具。

2．泥浆泵及泥浆制备、净化设备

泥浆泵mudpump/slushpump向孔内输送冲洗液以清洗孔底、冷却钻头和润滑钻具。

泥浆搅拌机mudmixer

用于制备泥浆及其它类型的冲洗液。

泥浆净化设备mudpurifyingdevice:振动筛和泥浆旋流除砂器。

一、钻探设备的组成1．钻机drill/rig是进行钻探工一、钻探设备的组成

3．钻塔derrick/mast(轻便)

用于升降钻具的构筑物。

一、钻探设备的组成3．钻塔derrick/mast(轻便)二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

1．钻机按用途分类地质勘探钻机

矿山地质钻机水文地质与水井钻机

工程地质勘察钻机

工程施工钻机

石油天然气勘探与开发钻机

二、钻机的分类1．钻机按用途分类地质勘探钻机矿山地质钻机二、钻机的分类

2．钻机按钻进方法分类

冲击式钻机

钢绳冲击式

钻杆冲击式

回转式钻机

立轴式

转盘式

移动回转器式手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压全液压动力头式机械动力头式振动钻机

复合式钻机

振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机二、钻机的分类2．钻机按钻进方法分类冲击式钻机钢绳冲击二、钻机的分类

2．钻机按钻进方法分类

冲击式钻机

钢绳冲击式

钻杆冲击式

回转式钻机

立轴式

转盘式

移动回转器式手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压全液压动力头式机械动力头式振动钻机

复合式钻机

振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机二、钻机的分类2．钻机按钻进方法分类冲击式钻机钢绳冲击二、钻机的分类

2．钻机按钻进方法分类

冲击式钻机

钢绳冲击式

钻杆冲击式

回转式钻机

立轴式

转盘式

移动回转器式手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压全液压动力头式机械动力头式振动钻机

复合式钻机

振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机二、钻机的分类2．钻机按钻进方法分类冲击式钻机钢绳冲击二、钻机的分类

2．钻机按钻进方法分类

冲击式钻机

钢绳冲击式

钻杆冲击式

回转式钻机

立轴式

转盘式

移动回转器式手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压全液压动力头式机械动力头式振动钻机

复合式钻机

振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机二、钻机的分类2．钻机按钻进方法分类冲击式钻机钢绳冲击三、钻探设备的发展方向

1、小型、轻便化2、大型、多功能化3、特殊专用化三、钻探设备的发展方向1、小型、轻便化2、大型、多功能化第三节钻杆柱在孔内的工作状态一、钻杆柱在孔内的工作特点二、钻杆柱在孔内的波形弯曲三、钻杆柱在孔底的弯曲状态四、回转钻杆柱所产生的扭应力五、提升钻杆柱所产生的拉应力六、处理事故中的钻杆柱受力情况第三节钻杆柱在孔内的工作状态一、钻杆柱在孔内的工作特一、钻杆柱在孔内的工作特点

钻头上的钻压P0驱动钻杆柱的扭矩Ｍ钻机轴向调节力Ｐ孔内摩擦扭矩Ｍ1钻头工作扭矩M0钻杆柱重量W加压钻进forcedfeeddrilling减压钻进reducedbitloaddrilling一、钻杆柱在孔内的工作特点

钻头上的钻压P0驱动钻杆柱的扭矩二、钻杆柱在孔内的波形弯曲产生弯曲的原因：自身某些偏心自重失稳弯曲部分质量偏离回转中心产生离心力促使钻杆柱弯曲钻杆柱由于自重产生的纵向压力促使钻杆柱弯曲离心力纵向力共同作用，钻杆柱在孔内呈波形弯曲波峰wavecrest压向孔壁二、钻杆柱在孔内的波形弯曲产生弯曲的原因：自身某些偏心自重失萨尔基索夫半波长计算公式

以钻杆柱中心线和钻孔中心线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以表示。钻杆柱中心线钻孔中心线注意两点：（1）由于自重产生的纵向力的变化，

各部位的半波长是不一样的。（2）减压钻进中，钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点。零断面萨尔基索夫半波长计算公式以钻杆柱中心线和钻孔萨尔基索夫作一假定：

钻杆柱受外力(离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所储存的位能。

——钻杆柱变形位能；

——离心力所作的功；——纵向力所作的功。萨尔基索夫作一假定：钻杆柱受外力(离心力和纵向1．关于钻杆柱变形能U——断面的弯矩；取一x断面钻孔轴线方向——边界断面的转角=；——该处的曲率半径。

1．关于钻杆柱变形能U——断面的弯矩；取一x断面钻由材料力学知：

故有：所以，弯曲的半波长内钻杆柱中储存的变形能为：Ｅ为纵向弹性模量Ｊ为钻杆断面积的轴惯性矩由材料力学知：故有：所以，弯曲的半波长内钻杆柱中储存的变根据实际弯曲情况，若把钻杆的弯曲视为正弦波形，有：

——最大的挠度D为钻孔直径；d为钻杆直径。

所以：

kg·f·cm根据实际弯曲情况，若把钻杆的弯曲视为正弦波形，有：——最２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向离心力对钻杆柱所作的功Ａ可以根据离心力及其变化过程计算。

长的钻杆质量为：为单位长度钻杆的质量

当钻杆柱角速度为

时，

单元的离心力为：

２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向离心力对钻２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向

该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，所以该力所作的功为：即：

kg·f·cm２．关于离心力所作的功Ａ取一x断面钻孔轴线方向该离心３．关于纵向力所作的功Ａ1

作用于某一半波长上端中心的纵向力P为一常值。

纵向力可以是拉力；也可能是压力。

规定拉力为正；压力为负。对于用方程式

所表示的平缓曲线，其曲线的长度与其弦长之差，可以近似地表示为：

３．关于纵向力所作的功Ａ1作用于某一半波长上３．关于纵向力所作的功Ａ1

同样，设钻杆柱的弯曲方程式为：

则有：

于是：

所以：

kg·f·cm３．关于纵向力所作的功Ａ1同样，设钻杆柱的弯4．萨尔基索夫公式

解方程式得：z为所求断面距零断面的距离。

4．萨尔基索夫公式解方程式得：z为所求断面距零断面5．关于钻杆柱的弯曲应力钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：由材料力学知，弯曲曲线的方程式为：5．关于钻杆柱的弯曲应力钻杆柱在孔内发生弯曲，5．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：

当

因为且圆管的断面模量为：

时，5．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：当因为且圆管的断面模5．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：

即

钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径和最大挠度成正比关系，而与半波长度的平方成反比。

由萨尔基索夫公式知，半波长度又与

(转速)成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响较大。

5．关于钻杆柱的弯曲应力所以有：即钻杆柱的弯曲应力与钻杆三、钻杆柱在孔底的弯曲状态实际钻杆柱磨损会出现两种情况：

四周磨损均匀

某一侧面磨损特别厉害偏磨

钻杆柱在孔内存在两种旋转方式：公转revolution

自转rotation

磨损均匀偏磨三、钻杆柱在孔底的弯曲状态实际钻杆柱磨损会出现两种情况：四三、钻杆柱在孔底的弯曲状态

在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻头之上，使得下部钻杆柱受压缩。

在钻压小和直孔的条件下，钻杆柱也可能是直的。

但当压力达到某一临界值时，下部钻杆柱失去直线稳定状态而发生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点。

钻杆柱的中和点N1在切点T1的上方，这是第一次弯曲(如曲线Ⅰ所示)。

如果继续加大钻压，则弯曲状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移(如曲线Ⅱ所示)。

当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的第二次弯曲(如曲线Ⅲ所示)。三、钻杆柱在孔底的弯曲状态在钻进中，由于部分钻杆柱的四、回转钻杆柱所产生的扭应力钻杆柱受压

正应力directstress

钻杆柱传递扭矩

剪应力shearingstress

M大Ｍ小研究钻杆柱扭应力思路：计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩

确定钻杆柱上端所传送的总功率

一定的转速条件

已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。

四、回转钻杆柱所产生的扭应力钻杆柱受压正应力direct四、回转钻杆柱所产生的扭应力M大Ｍ小计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩

确定钻杆柱上端所传送的总功率

一定的转速条件

已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。

用第三强度理论计算钻杆柱合成应力

钻进功率Ｎ1空转钻杆柱的功率

Ｎ2克服摩擦阻力时增加的功率Ｎ3钻头破碎岩石所需的功率

钻机的输出转速四、回转钻杆柱所产生的扭应力M大Ｍ小计算钻杆柱上端确定钻杆柱五、提升钻杆柱所产生的拉应力

当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上端受有最大的拉应力。

钻杆柱最大的拉力

提升加速度的惯性力

提升钻杆柱时孔内增加的阻力

钻杆柱本身的重力

~五、提升钻杆柱所产生的拉应力当开始把全部钻杆柱从孔中提起时六、处理事故中的钻杆柱受力情况这是钻杆柱在非正常工作条件下可能遇到的受力情况。

这种受力状况往往对钻杆柱可能造成严重损伤。卡夹钻具

drillrodsticking回转运动受阻

扭转变形

埋钻

drillrodburying强力提拔钻杆拉断六、处理事