岩土钻掘工程学复习资料

岩土钻掘工程学复习资料1.钻井工程全过程一回次：配钻具→下钻→扫孔→钻进→冲孔→卡芯→起钻由若干回次叠加2.冲洗液循环正循环：冲洗介质由钻杆柱中心进入孔底，由钻头水口处流出经钻杆与孔壁的环状间隙上返孔口反循环：冲洗介质经钻杆与孔壁的环状间隙进入孔底由钻头水口处进入由钻杆柱中心上返地表。孔底局部反循环：整个钻孔大部分仍是正循环，仅在孔底岩心管部分实现反循环，使冲洗液的流动方向与岩心的进入方向一致。岩石性质物理性质：粘结状态、孔隙度、密度、结构和构造。A粘结状态分坚固岩石、粘结性岩石、松散型岩石、流动性岩石B.孔隙比、孔隙度岩石的孔隙比kP：岩石中的孔隙体积VP与岩石中固相骨架的体积Vc比kP=VP/Vc岩石的孔隙度P：岩石中的孔隙体积VP与岩石总体积V的百分比3.岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。一般沉积岩具有高的孔隙度，随着埋深的增大，岩石的孔隙度降低。岩石的容重γs：是岩样重量G与其总体积V之比D.结构和构造岩石结构说明岩石的微观组织特征。与矿物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。岩浆岩主要具有块状结沉积岩的成因广泛，故其结构也比较复杂。碎屑岩具有碎屑结构，按碎屑的大小可分为砾状结构（碎屑直径＞2mm）、粗粒结构（碎屑直径1~2mm）、中砂结构（碎屑直径0.1~1mm）、粉砂结构（碎屑直径0.01~0.1mm）。。力学性质：强度、硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性强度：岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力。破坏前所能承受的最大载荷称为极限载荷，单位面积上的极限载荷称为极限强度硬度：岩石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。弹性（塑性）：当除去外力时岩石能（不能）恢复原状的特性研磨性：岩石磨损工具的能力。11.岩石的破碎方式切削一剪切型、冲击型、冲击一剪切型三类%1001%100%100PPPcPPkkVVVVVPVGs12.钻柱中和点：钻柱轴向力等于零处称为零断面或中和点13.钻井装备：泵、动力、钻塔总程、钻具总程、拧卸工具、采心工具、测斜工具、事故处理工具14.硬质合金（成分、性能、形状、适应地层、破岩方式）成分：钻探用的钨(WC)-钴(Co)合金,以碳化钨粉末为骨架性能：含钴量↑——相对密度↓,硬度↓,耐磨性↓,抗弯强度↑,冲击韧性↑；WC的颗粒↓——硬度↑,耐磨性↑；反之WC的颗粒↑——则抗弯强度↑、韧性↑。形状：薄片状、方柱状、八角柱状和针状适应地层：片状硬质合金：刃薄易于压入和切削岩石，但抗弯能力差，适用于Ⅰ～Ⅴ级软岩；柱状硬质合金：抗弯能力较强，压入阻力也较小，主要适用于Ⅳ～Ⅶ级中硬岩石；八角柱状合金的抗崩能力强，利于排粉和破岩，并易于焊牢，在裂隙发育和较硬地层中应用广泛；针状和薄片状硬质合金：主要用于镶焊自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。破岩方式：硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作用下，压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩；在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的螺旋层形式连续被破碎15.合金钻头结构钻头体：硬合金切削具的支撑体，传递轴载和扭矩，承受切削具破岩的反作用力、孔底的动载和摩擦。切削具出刃：内、外出刃——使钻头体与孔壁、岩心之间的间隙，避免摩擦孔壁和岩心，提供循环冲洗通道。底出刃——保证切削具能顺利地切入岩石，并为冲洗液冷却切削具和排除孔底岩粉提供通道。切削具的镶焊角度：具有一定刃角β的切削具以不同的前角（亦称镶焊角）镶焊在钻头体上，形成不同的切削角α，从而获得不同的钻进效果。硬质合金切削具在钻头体上的布置方式：切削具的排列方式有：单环排列、多环排列、密集排列等。切削具在钻头体上的数目：钻头上切削具数目越多，切削点就多，单位时间完成的切削量就大，钻速也越高，钻头寿命较长。对软岩取较少的数量，对较硬和非均质及研磨性岩石，为保证钻头寿命，一般应取密集式排列。钻头的水口和水槽（1）作用：是冲洗液流经钻头、冲洗孔底并返回钻柱外环空间的通道。保证切削具的冷却和孔底及时排粉。（2）水口形状：矩形、半圆形、梯形和三角形，三角弧形水口效果最好。（3）水口的数目：等于切削具的数目或组数。总面积应大于或等于钻头外环空间（包括回水槽）的面积。合金钻头三要素合金型号和形状、钻头体、焊接参数16.磨锐式硬质合金钻头钻头上的合金切削具磨钝后可用砂轮修磨锐利的钻头。切削具一般是单斜面锐角，钻进中，随切削具磨损，机械钻速逐渐下降。一般适用于研磨性小的软及中硬岩石。17.自磨式硬质合金钻头采用小断面切削刃，磨损后，接触面积不变，无变钝的弱点，机械钻速基本平稳。17.金刚石钻头成分与结构：金刚石为结晶体性质：金刚石为结晶体碳原子之间以共价键相连，结构非常稳定。金刚石的弱点：①脆性较大，遇冲击出现碎裂；②热稳定性较差，高温下氧化并“石墨化”。金刚石工具制造过程中，须隔氧，避长时间高温；在使用中，须避免承受冲击载荷并及时冷却切削刃。3.破岩机理：其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作。18.孕镶式钻头、胎体、浓度浓度表示金刚石在胎体中的含量，是影响孕镶钻头性能的重要参数。浓度沿用砂轮制造业的“400%浓度制”，当金刚石的体积占胎体工作层体积1/4时浓度为100%，全部是金刚石浓度400%。岩石越坚硬致密，金刚石质量好，粒度细，浓度宜较低；唇面比压较大时可选较高的浓度，这样对提高胎体耐磨性也有好处。常用浓度70%~120%，过高了将影响胎体的包镶能力和钻速。19.金刚石钻头制作方法：无压浸渍法（当温度达到1100度时粘结金属渗入到骨架金属中形成有硬质点的胎体把金刚石与钻头的刚体连接在一起制成金刚石钻）、热压法（胎体骨架金属粉末和粘接金属粉末按设计比例混合并在胎体工作层混入一定浓度金刚石，装入石墨模具加热加压按照设计的烧结工艺流程制成金刚石钻头）、电铸法（在电镀槽内将镍、钴一内的金属沉积到钻头，同时分层分次把金刚石微粒撒到电镀面，利用沉积的金属把金刚石孕镶在胎体中）20.钢粒钻进的破岩机理圆柱形钢粒在钻头轴向和回转力（联系力）作用下在孔底岩面不断翻滚，以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎方式破岩。21.牙轮钻头1.牙轮钻进——利用牙轮钻头在井底回转，使牙轮在井底滚动，以冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。2.牙轮钻进一般不取心，广泛用于油气和大口径施工钻进，适应性广，在Ⅵ～Ⅹ级的岩石中效果最好。3.牙轮钻的类型：铣齿、镶齿；有体式、无体式；单牙轮、双牙轮和三牙轮等。生产中以三牙轮钻头应用最多。22牙轮钻头的孔底碎岩过程a牙轮的自转与公转，牙轮钻头工作时，固定在牙轮上的牙齿随钻头一起绕钻头轴线顺时针旋转运动为公转，公转速度就是钻机转盘的回转速度。牙轮上各排牙齿公转速度不同，外排速度最大。牙齿绕牙轮轴逆时针旋转称为自转，自转转速与公转转速及牙齿对孔底的作用有关。自转是破岩时牙齿与地层岩石之间相互作用的结果b钻头的纵向振动及对地层的冲击、压碎作用，牙轮滚动过程中，中心位置不断上下交替，使钻头沿轴向作上下往返运动为钻头的纵向振动，还由于孔底不平叠加了振幅较大的低频振动。钻头的纵向振动通过牙齿转化为地层的冲击作用以破碎岩石，与静载压入一起形成了钻头对地层的冲击、压碎作用c牙齿对地层的剪切作用，剪切作用主要是通过牙齿在孔底滚动的同时还伴有牙齿对孔底的滑动来实现的，产生滑动的原因在于牙轮采用了超顶、复椎和移轴三种结构22-25牙轮钻头的超顶、复锥、移轴、自洗超顶：牙轮锥顶超过钻头轴心的结构称为超顶，超过的距离为超顶距。牙轮滑动速度随超顶距c的增大而增大。复锥：复锥牙轮包括主锥和副锥，主锥顶与钻头中心重合，而副锥锥顶的延伸线是超顶的。复锥牙轮线速度不作直线而是折线分布，所以产生滑动。移轴：牙轮轴线在钻头水平投影沿钻头旋转方向平移一段距离——牙轮的移轴。移轴后将产生牙轮的轴向滑动。低硬、高塑岩层，偏移大；高硬度、低塑性岩层，偏移值小；研磨性的硬地层，偏移为零。自洗：牙齿钻头在软地层钻进时，牙齿间易积存岩屑产生泥包，影响钻进效率。为此，出现了自洁式钻头26.其他钻头硬质合金全面钻头：翼片钻头---翼片式全面钻头、三翼片阶梯钻头、针状自磨式全面钻头。笼式全面钻头。螺旋钻头---平底螺旋钻头、耙式螺旋钻头金刚石全面钻头：单晶金刚石全面钻头、聚晶金刚石全面钻头27.钻速（四个）平均机械钻速：表示在纯钻进时间内的平均钻进效果。回次钻速：从孔内下放钻具—钻进—提钻一个回次内的平均钻井技术钻速：在生产中往往在一个月计算一次考虑补充作业时间的技术钻速。循环钻速：是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速。经济转速：一般按月季计算的平均转速28.钻进规程最优规程：在一定地质条件和钻进方法下，为保证钻孔质量，获取最高钻速或最低钻进成本而选择的钻进参数搭配叫最优规程。合理规程：在给定条件下，当规程参数选择受到某种制约时（例如设备功率不足，钻具强度不够、冲洗液泵量不足等），在保证钻孔质量的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。专用规程：为完成特种取心，纠斜，定向钻进等任务所采用的参数组合称为专用规程。29.硬质合金p、n、Q作用在实际钻进中P、n、Q都不是单独起作用，存在交互影响。软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。定性分析的原则是：钻进Ⅳ~Ⅴ级及以下岩层，以较高转速为主；钻进Ⅴ~Ⅵ级及以上岩层，应以较大的钻压为主。30.金刚石钻进的临界规程（1）金刚石钻进，每种岩石都存在临界规程，其P·n值基本是个常数；P和n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升，钻头严重磨耗，虽然此时钻速也很高，但可能导致烧钻。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）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程是否正常。31.钢粒钻进泵量的调节泵量过大，会把孔底完整钢粒冲上来，既破坏了钻头唇面附近钢粒动平衡，又将加剧岩心管的磨损，导致钻速下降甚至酿成岩心管折断或钢粒卡钻的恶性事故。泵量的选择取决于岩性、钢粒规格、钻头直径、水口尺寸、钻压和转速的大小、冲洗液性能及一次投砂量等因素。Q=q0D(L/min)清水q0=3~5L/min·cm，泥浆时q0=1.5~3L/min·cm。岩石级别较高、钻头水口较小、钻压较低、转速较高、孔底存砂量较少时取下限，反之亦然。生产中随进尺增加水口将逐渐被磨短，水口处的流速加快；这时孔底钢粒也被磨小，钻头处工作钢粒数量减少。因此，在整个回次钻程中应分段逐次改小泵量，称为“改水”。32.牙轮钻头的四个水力参数射流喷速、射流冲击力、钻头压降和钻头水功率（106页图）33.螺旋钻头的临界钻速转速低钻屑的离心力小，孔壁对钻屑的摩擦力不足以使钻屑与叶片之间产生相对运动，钻屑只能随叶片旋转而不上升。转速增大，孔壁对钻屑的摩擦力也增大，转速超过某一临界值后，孔壁对钻屑的摩擦力足以使钻屑与螺旋叶片之间产生相对运动，钻屑就会上升。这称为临界转速。34.冲击器的类型液动冲击器液动冲击器根据结构不同可分为:阀式液动冲击器又可分为:(1)正作用阀式液动冲击器;(2)反作用阀式液动冲击器;(3)双作用阀式液动冲击器.无阀式液动冲击器又可分为:(1)射流式液动冲击器;(2)射吸式液动冲击器。风动潜孔锤：有阀潜孔锤、无阀潜孔锤35.冲击破岩机理冲击—回转破岩机理：冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，岩石产生裂纹。冲击速度上升岩石脆性上升，裂隙发育上升，不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩石回转-冲击碎岩：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴