钻探工程概论2中国地质大学(武汉)

1复习题Ⅱ1.根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类型。答案：1）.弹脆性岩石弹脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为Pmax处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h［图1-3(a)和图1-4(a)］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5。2）.弹塑性岩石弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点载荷达Pmax时才突然发生脆性破碎［图1-3(b)和图1-4(b)］。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。图1-3压头压入条件下的岩石变形曲线图(a)-弹脆性岩石（石英岩）；(b)-弹塑性岩石（大理岩）；(c)-高塑性岩石（盐岩）；P-压头载荷；P0-从弹性变形过渡到塑性变形的载荷；Pmax-岩石产生脆性破碎的载荷；δ-岩石产生弹性变形的侵深；α-变形角图1-4岩石表面的压入与破碎穴(a)-弹脆性岩石;(b)-弹塑性岩石;(c)-高塑性高孔隙度的岩石;δ-岩石中的最大变形;h-岩石破碎穴深度23）.高塑性和高孔隙性岩石高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎［图1-3(c)和图1-4(c)］，h/δ=1。因此，计算这类岩石的硬度时只能用P0代替公式（1-9）中的Pmax。2.简述岩石破碎的三种方式答案：体积破碎、疲劳破碎、表面破碎。表面破碎：切削具上的比压不足以侵入岩石，仅存在由摩擦力引起的表面磨削。钻速很低，钻速与比压呈线性关系。体积破碎：切削具上的比压等于或大于岩石的压入硬度，切削具能够压入岩石，形成较大破碎穴和产生大粒度碎屑，钻速与比压呈更陡的线性关系。疲劳破碎：切削具上的比压没有达到但比较接近岩石的压入硬度，虽然因切削具无法压入岩石而产生体积破碎，但也非表面破碎。这时，切削具上接近达到岩石压入硬度的比压可使岩石的弱面处形成裂纹，经多次作用后使其扩展增多，甚至相互沟通，从而在较低的比压下形成小剪切。由于该过程需经多次外载的反复作用，故称为疲劳破碎区。3.何谓岩石的研磨性？影响岩石研磨性的因素有哪些？4.随着硬质合金中钴含量的增加，硬质合金相对密度有所_小_，硬度逐渐_低____，耐磨性能__；而抗弯强度逐渐____，同时冲击韧性也______。5.硬质合金钻进遇水膨胀、粘接性岩石时，应选用(5)，使钻具与孔壁产生()环状间隙。1、大八角钻头2、小切削具钻头3、负斜镶钻头4、肋骨钻头5、品字形钻头6、自磨式钻头；7、大的8、小7.硬质合金中碳化钨粒度变细时，硬度(2)。1、降低2、增高3、不受影响8.试述钢粒钻进的井底碎岩过程。答案：圆柱形钢粒在钻头给予的轴向力和回转力（应理解为钻头唇面与钢粒间的联系力）作用下，在孔底岩石表面不断翻滚，主要以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎（碾压）方式破3岩。如能进一步解释动压入体积破碎和动疲劳破碎过程并画出示意图者，可得满分。9.影响岩石硬度的因素有哪些？（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙发育的岩石硬度将会降低。（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。10.什么是反循环钻进？凡是冲洗介质循环方式与传统的正循环方式相反的钻进方法，皆可称反循环钻进。11.反循环钻进有什么优点？1）．冲洗液上返速度高，携粉能力强，避免了重复破碎，钻进效率高。2）．井孔内可保持较高水位，环空流速平稳，有利于井壁稳定。12.反循环钻进的分类及其工作原理反循环钻进，按形成反循环液流的动力和方式，可分为三种类型：泵吸反循环；气举反循环；射流反循环。1）．泵吸反循环的工作原理泵吸反循环是利用砂石泵（离心泵的一种类型）的抽吸作用，在钻杆内形成负压，在大气压力的作用下，循环液从地表泥浆池流入井口，经环状间隙流向井底，与井底破碎的岩粉混合一起，被吸入钻杆内腔，上升至地面，经排出管、砂石泵进入沉淀池，沉淀后的循环液，继续进入井内，形成反循环钻进。2).射流反循环的工作原理射流反循环又称喷射反循环。其工作原理是利用高速流体（气体或液体）经喷嘴射入循环管路，造成负压，利用这种负压产生抽吸作用，使管路液流形成反循环。3).气举反循环的工作原理是将压缩空气通过供气管路送至井下的气水混合室，并使压缩空气与钻杆内的循环液混合，形成比重较小的气水混合液。在管内外压差的作用下，气水混合液沿钻杆内腔上升，经排碴管排至沉淀池，沉淀后的循环液以自流方式连续不断的流入井内环状间隙，形成反循环。4XY-8是什么意思？写出XY系列岩心钻机的标识符号并注明其意义。我国岩心钻机系列标准为100、300、600、1000、1500、2000m等类别类别代号第一特征代号（传动结构）第二特征代号（装载、其它）钻机岩心钻机砂矿钻机水文钻机工程钻机坑道钻机浅孔钻机地热钻机X（岩心）SZ（砂钻）S（水文）G（工程）K（坑道）Q（浅钻）R（地热）Y（液压操纵机械传动）D（全液压动力头）P（转盘）C（车装）泥浆泵BW（往复）L（螺杆）M（隔膜）钻塔TX（斜塔）搅拌机JL（立式）W（卧式）拧管机NJ（机械）Y（液压）D（电动）例SPC—300全称：钻进深度为300m的车装转盘式水井钻机例BW—250全称：额定排量250L/min的往复式泥浆泵一、名词解释(3分×10=30分)（1）岩石的硬度；（2）岩石的塑性系数；（3）工具与岩石的三种作用方式；（4）硬质合金钻头的前角；（5）金刚石浓度；（6）钢粒钻进的适用范围；（7）均角全距法；（8）初级定向孔；（9）钻孔遇层角；（10）方位角；5二、简答题(6分×5=30分)（1）简述岩石的研磨性及影响研磨性的因素。（2）简述岩石的破碎方式及其出现的条件。（3）简述岩石的可钻性及划分可钻性的意义。（4）简述钻孔弯曲的根本原因及其充分必要条件。（5）简述冲击回转钻进能提高在硬岩中钻进效率的原因及对钻探质量的影响。三、论述题(40分)（1）试论述硬质合金钻进最优化规程的确定原则。(10分)（2）试论述液动冲击器的种类，结合其结构与工作原理分析说明相互见的异同点。(10分)（3）试论述无泵钻进的原理、特点及适应的地层。(10分)（4）试论述选用金刚石钻头的基本原则。(5分)（5）试论述在大直径（设钻孔直径大于1m）硬岩（可钻性高于8级）钻进中可能采用的钻进方法,为什么?(5分)参考答案：一、名词解释（1）岩石抵抗碎岩工具局部侵入并引起局部破碎的能力称为岩石的硬度。（2）岩石破坏前，破坏消耗总功与岩石弹性变形消耗的功之比称为岩石的塑性系数。（3）三种作用方式为切削—剪切方式、凿碎方式、凿碎—剪切方式。（4）硬质合金钻头的前角又称镶焊角，是切削刃与垂直方向的夹角。（5）金刚石浓度为克拉/立方厘米，它有质量浓度和当量体积浓度之分，后者为前者的1/4。（6）钢粒钻进的适用于中硬、硬岩中，必须是垂直孔，在大口径中应用广泛。（7）均角全距法是指在钻孔弯曲测斜中对得到数据模拟钻孔弯曲曲线的一种方法。（8）根据地层条件，综合以前的钻孔作业的资料，分析得出钻孔弯曲的一般规律，根据此规律和作业经验人为钻进一些符合上述弯曲规律的定向孔称为初级定向孔。（9）钻孔时，钻头与下覆岩层的层理面之间的夹角称为钻孔遇层角，一般取钻孔轴线与层理面法线方向夹角的余角。（10）钻孔轨迹中某点在水平面上投影点的切线方向与正北方向的夹角叫方位角，按顺时针计算，在0度和360度间变化。6二、简答题（1）钻头的切削刃切入岩石，在磨损岩石的同时岩石也对钻头产生磨损，岩石的这种能力称为岩石的研磨性；影响研磨性的因素包括：1）岩石的硬度。岩石硬度越大，研磨性越高。2）岩石的结构构造。岩石裂隙发育能使研磨性变大，垂直于岩石的层理方向研磨性小。3）岩石表面介质。钻头与岩石之间存在流体或泥浆会使岩石表面摩擦系数变低，从而研磨性降低。4）钻头的钻速大小。钻速大，研磨性强。5）受力条件。（2）岩石的破碎方式分为表面研磨、疲劳破碎、体积破碎。出现的条件分别是：表面研磨：切削具与岩石接触面单位压力远小于岩石的压入硬度，岩石的破碎是由摩擦作功引起的；疲劳破碎：切削具上载荷不断增加，岩石晶体间联系被破坏，结构缺陷发展，内部裂纹交错发展，尽管压强小于岩石的压入强度，仍可破碎岩石；体积破碎：接触压强达到或超过岩石的压入强度，切削具切入岩石，克服结构强度进行破碎岩石。（3）岩石的可钻性表示钻头破碎岩石的难易程度，它是决定钻进效率的基本因素。意义在于合理的选择钻进方法、钻头结构、钻进规程参数。岩石的可钻性是制定钻探生产计划及钻探生产成本的基础，为了深入研究钻探规律，建立不同钻进条件下的数学模型，实现对钻进的最优化控制。（4）钻孔弯曲的根本原因在于粗径钻具的轴线方向偏离钻孔方向。存在孔壁间隙和弯曲力是钻孔弯曲的必要条件，粗径钻具的倾斜面方向稳定是钻孔弯曲的必要条件。（5）冲击回转钻进硬岩时，冲击力在破碎岩石中占主导地位。由于冲击器产生一定频率的冲击载荷，通过钻头切削具不断地作用于岩石上，相当于动载不断作用于岩石，而岩石在动载作用下易发生应力集中，所以在冲击载荷的作用下碎岩效果比静载好的多；回转只是为了移动切削具的位置，改变冲击点，并将两次冲击形成的有裂纹发育的孔底槽岩脊切削掉，交替地进行小剪切和大剪切的循环过程。其对钻探质量的影响为：1）可以提高钻进效率；2)结构简单；3）有利于钻进坚硬的岩石；4)降低钻探成本，碎岩消耗功率大大降低。三、论述题（1）硬质合金钻进最优化规程的确定原则如下：在软岩层中钻进时，由于其产生岩粉多，需要及时排粉，清洗孔底，所以采用大泵量，由于其硬度低，易切入，采用小钻压，7钻速与转速成正比，故采用高转速，综合采用小钻压、高转速和大泵量；在中硬及硬岩石层中钻进时由于岩石表面硬度大，不易切入，岩石对钻头磨损大而产生粉量小，可采用高钻压，低转速和小泵量。（2）液动冲击器根据结构不同分为阀式和无阀式两类。阀式冲击器又分为正作用、反作用和双作用三种型式；无阀式冲击器又分为射流式和射吸式两种型式。正作用是利用液动正作用冲击锤使之作用在铁砧上弹簧起归位作用，这种冲击器结构简单，弹簧的使用寿命短；阀式反作用是利用液流的动能作用于重锤使向上运动，将能量聚集在弹簧上，利用弹簧作用冲锤使之作用于铁砧；阀式双作用是利用液流使重锤作用于铁砧，接着液流反向使冲锤归位，不断循环，它的使用寿命长；射流式冲击器利用液流附壁效应使重锤上移，接着液流偏向，使冲锤在液流作用下向下运动作用在铁砧上，这种冲击器结构复杂，但返水率高；射吸式液动冲击器是利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲锤反复运动。（3）无泵钻进是指不需要地表用水，通过上下提动内管使液流流动，当内管向下运动时，由于上腔液压降低，液流进入内管，当继续向下运动时，液流顶来球阀，使岩粉沉在岩芯管里；当内管向上运动时。下面液流又流入钻头上部，这样不断循环。由于无泵钻进结构简单，适合砂岩、粉岩地层，但受到孔深的限制，不能钻进深孔。（4）选择金刚石钻头的原则：1）软至中硬和完整的均质岩层，一般用天然表镶钻头、复合钻头等；2）硬至坚硬致密的岩层，一般用孕镶钻头，尖环槽同心圆或交错尖环钻头；3）在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，用尖齿型广谱钻头或耐磨性好的、补