钻探工艺课件第0章 绪论

钻探工艺本课程主要讲授以下内容：绪论（2学时）第一章岩石的性质与可钻性（6学时）第二章硬质合金钻进（12学时）

第三章金刚石钻进（16学时）

第四章钢粒钻进（8学时）第五章冲击回转钻进（16学时）第六章岩矿心采取（12学时）第七章钻孔弯曲（12学时）第八章孔内事故的预防与处理（14学时）绪论第一节概论第二节钻探工程应用范围第三节常用钻探方法第四节钻探技术的发展概况第一节概论《钻探工艺》是一门应用技术课程，是钻探技术专业的主要专业课程。本课程的任务是研究、阐述钻探工艺的基本理论、钻探施工的技术方法、钻探生产工艺流程。通过本课程的讲授，应使学生较全面地掌握各种钻探工艺的基本知识、基本技能和基本理论；了解岩石性质与钻探的关系，岩石可钻性及其定级方法；掌握不同地层的钻探施工方法和操作技能；掌握各种钻探工具、仪器的工作原理，并会合理的选择、使用和维护；能初步学会复杂地层钻进技术；冲孔与护壁堵漏技术及冲洗液的配制方法；掌握工程地质钻探技术。《钻探工艺》又是一门实践性极强的课程。因此，在教学过程中必须重视实践性教学中的各个环节，要充分利用试验、实习和参加生产实践的机会，做到理论与实践相结合，以培养学生的实际操作技能和独立工作的能力。第二节钻探工程应用范围凡是利用钻机及其它钻探设备向地下进行钻凿孔眼，并取出岩心、岩粒，向孔内投放测试仪器，以了解不同深度岩层的地质情况，为矿床勘探、工程施工等提供地质资料的工作，可统称为钻探工程。一般说，凡是要取出孔内岩心的钻探工作，统称为岩心钻探。而为开采地下石油、天然气、盐水或地下水等的钻进工作，统称为钻井工程。凡为了探查坝基、桥基、路基、港口码头、大型或高层建筑的基础钻探工作，通常称为工程钻探。凡进行各种基础灌注柱、地下连续墙、土层锚杆、地基加固等技术钻进工作，通称为工程施工钻或岩土工程钻。钻探工程在国民经济中占有很重要的地位，它的应用极为广泛。现将钻探工程的主要用途归纳如下：(1)地质普查钻探：为揭露地表，探明基岩性质、产状、分布、地质构造等，或为配合物探工作而进行爆破钻孔，以及普查找矿钻探等。在地质普查找矿中常用地表取样钻或浅孔轻便钻等。(2)矿产勘探钻探：详细查明矿区地质构造、矿体产状、品位、储量及矿区水文地质等，为矿产的开采提供必要的地质资料。通常在勘探矿区布置一定的勘探网或勘探线，一般用固定式钻机进行钻探。(3)水文地质钻探：为查明地下水的赋存状态、水质水量及其运动规律等水文地质情况，以及农业、工业、国防、生活用水等，都需要进行水文钻探；根据探采结合的精神，有时在水文勘查后进行水井的成井工作。水文水井钻探多以专门的水文水井钻机进行钻探或钻井。(4)工程地质钻探：为查明桥基、坝基、路基、水库、港口、大型建筑物和大型设备基础的钻探工作，钻孔大多为浅孔并有特殊的取样要求。工作中都用特制的工程钻机进行钻探。(5)油、气田钻探：石油、天然气的勘探及开采都需要进行钻探工作。通常石油、天然气勘探钻井和开采钻井结合在一起，通称石油钻井。此类钻井较深，大都用专门的设备进行钻探。(6)工程技术钻探：利用钻探工程进行工程施工和为达到工程技术目的进行的钻探工作，如坑道掘进指示孔、探气孔、通风孔、排水孔、冻结孔、灌浆孔、运输孔、安装线路和管路的钻孔，各种观测孔及专门的航标孔钻探等。(7)工程施工钻探：多应用于基础桩的灌注建造工作及地下连续墙、土层锚杆、地基加固等工程；以及为岩土工程服务的各项工程施工的钻凿工作。随着科学技术和国民经济的迅速发展，钻探工程又开辟了许多新的领域，例如目前正在大力开展的为开发地热资源及大陆架海底石油、天然气资源的地热钻探和海洋(石油)钻探、滨海钻探、海底地质钻探和大型建筑工程施工钻探等。为了解新地区和地球深部地质情况，还进行了南极极地钻探和超深井钻探，以及月球表层钻探等。以上情况，进一步表明钻探工程的应用范围有了新的扩展。第三节常用钻探方法根据破碎岩石的机理不同，钻探方法可分为机械的、物理的和化学的三种。机械方法破碎岩石，主要是以外集中载荷使岩石中产生很大的局部应力而破碎。因此，在机械破碎岩石时，根据外力作用的性质和施加方式的不同，机械钻探方法主要分为冲击钻探、回转钻探、冲击回转钻探三大类。冲击钻探回转钻探冲击回转钻探钻探工作的程序现以岩心钻探为例，说明钻探工作的程序。其设备安装布置如图0—1所示。钻进时，根据所钻岩石性质和钻头直径、类型的不同，使钻机立轴带动钻具以不同的转速回转，并借助于钻机上的给进装置给钻头以必要的轴向压力。于是钻头回转，并切入岩石而钻出环状孔底，形成岩心2。随着钻孔的加深，岩心进入岩心管3。钻头钻进岩石时，产生大量的热量和岩粉。为了冷却钻头，净化孔底岩粉，并将岩粉排到地表，需要不断冲洗钻孔。水泵通过吸水胶管23把冲洗液从水源箱22中吸出，通过高压胶管17、提引水接头10和钻杆柱5送入孔内，冲洗孔底并冷却钻头，把破碎的岩石颗粒(岩粉)从孔底沿着钻孔送到地表。冲洗液从孔内出来流入沉淀箱21和循环槽20，岩粉在此进行沉淀和净化；被净化的冲洗液再流入水源箱22，从水源箱再送入孔内。钻进过程中，当岩心管充满岩心或因某种原因不能继续钻进时，应着手提钻，将钻具提出钻孔。开始提钻前，应把岩(矿)心卡牢在岩心管底部，并扭断；岩心卡住后借助于升降机16、游动钢绳12、天车13、带有提引器的游动滑车11将钻具提到地表，并将钻杆柱卸成单个的立根，立根由两根以上的钻杆连接而成。立根长度取决于钻塔的高度；摆放在立根台上。岩心钻具提到地表以后，卸下钻头，并小心谨慎地从岩心管中取出岩(矿)心，配好钻具，再下入孔内继续钻进。每一次提钻时，均应检查钻头，当钻头确已磨损时，须用完好的钻头替换。从每次下降钻具，经过钻进，到采取岩(矿)心、提起钻具为一个钻程，称为一个钻进回次。每个钻孔视钻孔的深度，通过几个至数百个钻进回次，使钻孔达到设计孔深。第四节钻探技术的发展概况钻探技术是我国古代许多科学技术发明之一，古代人为了寻找饮用水而挖凿水井。故从钻探技术的演变过程来说，“凿井”可算作我国钻探历史的开端，凿井可追朔到春秋战国时代和周朝，甚至更早。以四川盐井而言。史书记载开始于秦，实际上凿浅井取卤水在秦以前(公元前约400年)已开始。在出土文物汉砖上就有自盐井汲取卤水煮盐的图案。据历史材料记载，唐朝凿井已有640余口。明朝宋应星著《天工开物》中对四川地区开凿盐井有如下记载：“凡蜀中石山在向下远者。多可造井取盐，盐井周围不过数寸，其上口一小盂覆之有余。深必十丈以外，乃得卤信，故造井功费甚难，其器冶铁锥，如锥嘴形，其尖使极刚利，向石山舂凿成孔。其身破竹，缠绳夹悬此锥。每舂深入数尺，则又以竹接其身，使引而长。初人丈许，或以足踏锥梢，如舂米形。太深则用手棒持顿下，所舂石成粉碎，随以长竹接引，悬铁盏之而上。大抵深者半载，浅者月余，乃得一井成就。”先民们用传统的方法于清道光6年（1835年）钻成了第一口超1000m（1001.42m）的燊海井，使钻井技术达到了新高峰，该井被联合国教科文组织定为19世纪中叶前的钻井世界纪录。英国著名科学史专家李约瑟博士在其《中国古代科学技术文明史》一书中认为，中国钻探科学技术对世界石油天然气勘探开发技术产生了巨大的启蒙、奠基和推动作用，在国际上领先数百年至一千多年。因此，在美、英、德、俄等国出版的石油钻井教材和钻探手册中，开篇总是介绍一些中国的古代钻探史料。有的学者还将中国这一伟大的创造誉为是继指南针、火药、造纸、印刷术之后中国古代的第五大发明。随着工业技术的进步，直接破碎岩石的磨料、钻具形式及与之相适应的钻探设备都在不断改进。除了碎岩材料的长足进步外，绳索取心工艺、反循环连续取样工艺、多孔底定向钻进技术、钻探和掘进生产过程的自动化与最优化、高分子聚合物材料护壁堵漏技术等等方面的技术创新，都在多年的岩土钻探实践中经受了考验，并产生了明显的经济效益。十分明显，岩土钻探工程已广泛应用于：(1)矿产资源勘探和部