现代钻探技术概要

2020/2/12现代钻探技术1一、钻探施工过程1、钻孔的概念钻孔是从地表(或坑道中)向岩石中开凿的圆形断面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。直径在25～500mm之间，称为钻孔。钻孔的深度从数厘米到数千米，目前的钻孔深度已超过10000m。钻孔包括孔口、孔底、孔壁。2020/2/12现代钻探技术2一、钻探施工过程2、钻探施工的主要工序钻进按下列工序进行：用升降机把钻具下入孔内；连接好所有接头，开泵；给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石；提钻取心或更换钻具；下钻继续钻进；钻进一段时间后及时测斜；提出全套钻具，停钻；封孔。2020/2/12现代钻探技术3二、钻探工程的应用范围和分类(一)钻探方法的分类1、根据钻进时取心的特点分类——岩心钻探和不取心(无岩心、无心、全面)钻探。2、根据钻孔用途分类——按钻探的应用范围分出相应类型。3、根据钻孔中心线的倾角和方位角分类——垂直孔(上、下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。4、根据钻孔位置的分类——地表钻探、水上(河、湖、海)钻探、地下坑道钻探。2020/2/12现代钻探技术4二、钻探工程的应用范围和分类(一)钻探方法的分类5、根据钻孔布置方法分类——丛状钻探(图1.2)、多井筒钻探(图1.3)、多孔底钻探(图1.4)。图1.2丛状布孔图1.3多井筒布孔图1.4多孔底布孔2020/2/12现代钻探技术5二、钻探工程的应用范围和分类(一)钻探方法的分类6、根据破岩形式分类(1)物理方法破岩：①高温（1400℃～3500℃）、高压（200~250MPａ）破岩；②用超声波和低声波破岩；③用爆破、高压水射流等方法破岩。(2)化学方法破岩：此法使用较少，如溶解、软化岩石等。(3)机械方法破岩：使用最为广泛，其分类如图1.5所示。2020/2/12现代钻探技术6二、钻探工程的应用范围和分类(一)钻探方法的分类7、根据钻进使用的冲洗液分类清水钻进；乳化液钻进；泥浆钻进(含加重泥浆)；饱和盐溶液钻进(钻盐井，以防溶解岩心和孔壁)；空气钻进；泡沫钻进；雾化钻进；充气泥浆钻进(降低泥浆比重，以防漏失)。2020/2/12现代钻探技术7二、钻探工程的应用范围和分类(一)钻探方法的分类8、根据冲洗液循环方式分类钻孔冲洗液的循环方式示意图如图1.5所示。冲洗液正循环钻进冲洗液反循环钻进全孔反循环钻进孔底局部反循环钻进图1.5钻孔冲洗液的循环方式a-全孔正循环；b-全孔反循环；c-孔底局部反循环.1-来自泵；2-往冲洗液沉淀系统2020/2/12现代钻探技术8第二章岩心钻探设备第一节钻机第二节泥浆泵第三节动力机第四节钻塔及其附属设备2020/2/12现代钻探技术9第一节钻机一、钻探工艺对钻机功能的基本要求1、提供使钻杆柱及碎岩钻具(钻头)破岩所需的回转动力；2、提供钻具克入岩石的压力，并能调节；3、具有起下钻具的能力。二、钻机的类型用于岩心钻探的钻机分为：机械式钻机(包括立轴式钻机和转盘钻机)、全液压钻机。当然还有旋挖钻机、车装钻机、履带式钻机。2020/2/12现代钻探技术10XY-4型立轴式岩心钻机GPS—15型转盘式钻机2020/2/12现代钻探技术11G-3型全液压钻机全液压坑道钻机2020/2/12现代钻探技术12旋挖钻机旋挖钻机2020/2/12现代钻探技术13车装钻机履带式跟管钻机2020/2/12现代钻探技术14一、钻塔3、钻探的类型按制造钻塔的材质分类金属钻塔木质钻塔按钻塔的构造分类三角钻塔四角钻塔两脚轻便钻塔桅杆式钻塔二、钻塔的附属设备天车游动滑车提引钢丝绳梯道安全栏杆或土电梯简易场房防雨天棚盖避雷针2020/2/12现代钻探技术15带普通手摇辘的三脚架2020/2/12现代钻探技术16两脚轻便钻塔1-下主腿；2-中主腿；3-上主腿；4-副腿；5-天车帽；6-天轮；7-天轮轴；8-绷绳；9-塔衣绷绳；10-活动工作台四角钻塔1-上部工作面活动棚顶；2-上部工作面；3-活动棚顶；4-玻璃窗；5-塔外安全挂梯2020/2/12现代钻探技术17桅杆的结构及竖立形式a-整体竖立式；b-折叠式；c-伸缩式角钢四脚斜塔结构示意图2020/2/12现代钻探技术18一、钻进工具钻进工具常指水接头、主动钻杆、钻杆、钻铤、液动(风动)冲击器、岩心管、扩孔器、异径接头、取粉管、套管、钻头等。右图为钻具在孔底的连接情况。孔内钻具连接情况示意图2020/2/12现代钻探技术19金刚石钻进用的岩心钻具钻粒钻进用的岩心钻具1-钻头；2-提断外壳；3-提断弹簧；4-岩心管；5-异径接头；6-钻杆1-钻粒钻头；2-岩心管；3-异径接头；4-岩粉管；5-钻杆2020/2/12现代钻探技术20第二节开孔工作一、钻孔的结构及其选择钻孔结构是由孔口、孔深、孔壁等要素组成。在实际钻进中遇特殊情况，可适当调整钻孔的结构，但应满足地质或工程要求。右图5-2为常见的钻孔结构图，有的仅下孔口管，有的可能还下几层套管。图5-2钻孔结构图2020/2/12现代钻探技术21二、硬质合金钻头图6-9阶梯高肋骨钻头示意图图6-10燕尾补强钻头示意图2020/2/12现代钻探技术22二、硬质合金钻头图6-11排状硬质合金自磨式钻头示意图2020/2/12现代钻探技术23二、硬质合金钻头(二)全面钻头1、三翼刮刀全面钻头(图6-12)2、矛式全面钻头(图6-13)图6-12翼片全面钻头2020/2/12现代钻探技术24二、硬质合金钻头图6-13矛式全面钻头2020/2/12现代钻探技术25硬质合金钎头2020/2/12现代钻探技术26硬质合金镶齿三牙轮钻头球齿状硬质合金全面钻头（潜孔锤钻进用）2020/2/12现代钻探技术27第一节概述一、金刚石金刚石天然金刚石复合片(PDC)按晶形、杂质含量、粒度分为首饰级和工业级金刚石。按品种和用途共分9个等级，地质钻探用为第9级单晶微粉聚晶(PCD)人造金刚石柱状三角状天然金刚石2020/2/12现代钻探技术28人造金刚石复合片（PDC）（PolycrystallineDiamondCompact）人造金刚石聚晶（PCD）（PolyCrystallineDiamond）2020/2/12现代钻探技术29二、孕镶钻头碎岩机理孕镶钻头所用的金刚石的粒度小，且埋藏于胎体中，其实际碎岩机理和砂轮磨削类似，如图8-3所示。以刃具面多而小的硬质点——金刚石对岩石进行刻划磨蚀、微切削、微压裂压碎。三、复合片(PDC)钻头碎岩机理PDC钻头以切削方式破碎岩石，如图8-4所示。图8-3孕镶钻头的金刚石颗粒工作图1-胎体；2-金刚石；3-岩石图8-4PDC切削齿破岩工作图2020/2/12现代钻探技术30天然表镶金刚石取心钻头孕镶金刚石取心钻头2020/2/12现代钻探技术31钢体式PDC取心钻头PDC肋骨式取心钻头模型2020/2/12现代钻探技术32PDC内外锥全面钻头（常用于石油钻进）2020/2/12现代钻探技术33PDC三翼刮刀无心钻头PDC四翼刮刀无心钻头2020/2/12现代钻探技术34PDC内凹三翼无心钻头PDC圆弧支柱无心钻头2020/2/12现代钻探技术35图9-5潜孔锤钻头示意图图9-4冲击回转硬质合金钻头结构图a-大八角肋骨硬质合金钻头；b-长方片状肋骨式硬质合金钻头（a）（b）四、冲击回转钻进钻头2020/2/12现代钻探技术36按孔深部位依次摆放的岩心2020/2/12现代钻探技术37二、单动双管取心钻具(三)金刚石钻具下图10-4所示的是金刚石钻进一般地层常用的单动双管钻具。它主要由异径接头，单动装置回流阀，内、外管和卡心装置等组成。图10-4金刚石单动双管取心钻具1-异径接头；2-合金；3-内管接头；4-“O”型密封圈；5-滚动轴承；6-注油孔；7-外管；8-弹簧；9-球阀座；10-内管；11-内管短节；12-扩孔器；13-卡簧；14-卡簧座；15-钻头2020/2/12现代钻探技术38图10-5SC—56型绳索取心钻具1-上接头；2-茅头；3-弹簧销；4-收卡筒；5-弹卡弹簧；6-弹卡室；7-弹卡板；8、10-弹簧销；9-支块；11-弹卡支座；12-内接头；13-键；14-弹簧；15-垫片；16-锁母；17-插销；18-弹簧室；19-油杯；20-螺母；21、23-轴承；22-轴承座；24-调节螺母，25-内管接头；26-心轴；27-外管；28-内管；29-扩孔器；30短节；31-卡簧；32-卡簧座；33-钻头三、绳索取心钻具2020/2/12现代钻探技术39三、绳索取心钻具图10-6SC—56型绳索取心打捞器1-捞钩；2-弹簧销；3-捞钩室；4-弹簧；5-销轴；6-套筒；7-重锤；8-钢绳接头；9-绳头节双管部分由外管总成和内管总成组成。外管总成包括：弹卡挡头、弹卡室、稳定接头(扩孔器)外管、扩孔器和钻头；内管总成包括：捞矛、弹卡、单动机构、调节机构、内管及卡取岩心机构。2020/2/12现代钻探技术40四、反循环钻进取心(一)全孔反循环在大口径桩基孔施工时，若用正循环钻进，环空上返速度过慢，不易排粉，故采用全孔反循环。其工作原理如图10-7所示。泥浆从外环直接流入，然后用泵从中心抽出。1-流入；2-抽出图10-7全孔反循环2020/2/12现代钻探技术41四、反循环钻进取心(三)喷射式孔底反循环利用射流泵的工作原理来形成孔底反循环。其工作原理如图10-9所示。可用于7级以上硬脆碎岩矿层；也可用于4~6级松软、胶结性差及易磨损的岩矿层；还可用于漏水、涌水地层中的直孔和斜孔钻进。与无泵反循环钻进相比，优点是：使用操作简便，劳动强度小；孔内清洁，钻效高，埋钻少，岩矿心采取率有所提高。不足之处：对破碎性岩矿心，喷射作用过强时容易造成层次混乱和分选现象；孔深时，沿程损失大，局部反循环效果降低且难控制，容易造成岩屑堵塞或发生事故。1-喷嘴；2-混合室；3-喉管；4-扩散室；5-弯管图10-9喷射式孔底反循环钻具2020/2/12现代钻探技术42二、取土器1、限制球阀式这种取土器在取土过程中，取土器内的液体、气体将球顶起排出。当停止取土时，由于球上部弹簧的作用将球压回原阀位置，以起封密作用，如图13-4所示。这种球阀装置较自由球阀式（上部无弹簧）密封可靠，但要选择适当的弹簧强度，以及调节到适当的压力。球的直径与排水孔的直径相适应，以使水、气、泥排出。1-接头；2-调节垫片；3-调节螺丝；4-弹簧；5-球阀；6-异径接头；7-余土管；8-衬管；9-取土管；10-管靴图13-4限制球阀取土器2020/2/12现代钻探技术43二、取土器2、回转压入式这种取土器有两层管，外管回转（带有硬质合金钻头），内管压入，内管与一般球阀式取土器类似。可用人力回转和机械回转进行钻进，适于深层取土。人力回转钻进时，一般不用冲洗液，取土时，在回转压入过程中所克取的废土由外管外表面的螺旋片带出孔口，如图13-5所示。机械回转钻进一般用冲洗液，取土时内管压入取土，外管回转克取的废土由冲洗液排出孔口。1-接头；2-导向头；3-异径接头；4-余土管；5-外管；6-取土管；7-螺旋片；8-管靴图13-5回转压入式取土器2020/2/12现代钻探技术44冲抓锥钻进施工冲抓锥2020/2/12现代钻探技术45机械旋挖钻进施工机械螺旋钻进施工2020/2/12现代钻探技术46三、导向钻进施工原理导向钻进（GuidedBoring）——小型定向钻进。定向钻进（DirectionalDrilling）——大、中型定向钻进。如图14-11所示，使用一种射流辅助切削钻头(通常有一个斜面)，来控制钻孔方向。若同时给进和回转钻杆柱，斜面失去方向性，实现保直钻进；若只给进不回转钻杆柱，作用于钻头斜面上的反力使钻头改变方向，实现造斜钻进。钻孔的轨迹监视，是在导向钻头内固定一个探头或发射器，钻孔向前推进时，发射器发射出来的信号就被地表接收器接收和追踪。图14-11导向钻进施工示意图