钻探工程概论考试复习题(答案)

钻探工程概论考试复习题
一、简答题每题10分
1.根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类型。

弹塑性岩石
弹脆性岩石
高塑性和高孔隙性岩石
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(a) ］。

这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5.
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（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.
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（c）]，h/δ=1。

2.什么是岩石破碎的体积破碎？
岩石的变形破碎形式表面破碎疲劳破碎体积破碎
表面破碎
切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不能压入岩石。

切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小,钻进速度低。

这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破碎区.
疲劳破碎
切削具上的轴向载荷增加，但接触压力仍小于岩石硬度，可使岩石晶间联系破坏,岩石结构间缺陷发展，特别是孔底受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错，仍可产生较粗岩粒的分离,这种变形破碎方式称为疲劳破碎，这个区称为疲劳破碎区。

体积破碎
切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度,切削具可有效地切入岩石,结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。

体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。

3.什么是岩石的各向异性?对钻进有哪些影响？
岩石在不同方向上表现出不同的强度值称为岩石的各项异性。

岩石的各向异性分为两种:一种是由于微裂缝的存在以及在不同方向上的排列，分布不同而导致的，这种各向异性会随着岩石的应力变化而变化，可称为应力各向异性;另一种是由于岩石颗粒的定向排列引起的,这种岩石的各向异性不会随着岩石的应力变化而改变。

对钻进的影响：
影响进效率的：由于在不同的层理结构上表现出不同的强度性质，在钻进这样的岩石层时会加大钻进的工作量，因此岩石的各向异性会影响钻进效率。

影响钻孔偏斜：由于存在岩石的各向异性，使得钻杆在钻进过程中出现受力不平衡的情况，使得钻杆发生一定角度的偏斜甚至弯曲，会影响钻孔的偏斜量。

4.影响岩石硬度的因素有哪些？
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。

硬度与抗压强度有联系,但又有很大区别。

抗压强度是固体抵抗整体破坏时的阻力,而硬度则是固体表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力.因此，硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。

因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩石表面移动时,是在局部侵入(可能非常微小）的同时使岩石发生剪切破碎。

由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而压入后剪切破岩却较容易。

所以我们说，硬度对钻掘工程而言是一个主要力学性能参数。

（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。

5.钻探技术的基本构成是什么？
设备：钻孔施工所使用的地面设备总称.包括钻探机、动力机、泥浆泵、钻塔等。

工艺:取心钻探技术，无岩心钻探技术，多介质反循环钻探技术，其它反循环钻探技术，水文水井钻探技术地质学基础、矿物岩石学、地层学、构造地质学、钻探工程、工程地质、工程与环境物探、钻探机械、
6.简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图）
与刀具（切削类似)相联系：利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具,作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进.
但在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以下的地层,即可钻性1 ~7 级和部分8 级地层。

若在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。

当前,软的和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。

7.7影响硬质合金性能的主要因素有那些？
8.8金刚石钻头有哪些主要类型
金刚石钻头按其制造方法不同，可分为烧结法和电镀法两种。

金刚石钻头按包镶形式的不同，可分为表镶钻头与孕镶钻头两种
1.表镶钻头
金刚石分布在胎体表面上，当其刃角磨钝后可回收复用。

钻头按金刚石粒度分粗、中、细三种:5～20粒/克拉的为粗粒钻头；20～40粒/克拉的为中粒钻头；40~100粒/克拉的为细粒钻头。

一般情况下，细粒钻头适用于钻进致密、坚硬地层.金刚石都是用天然品.硬度较低、完整岩层；
2.孕镶钻头
金刚石不只是分布在胎体表面上,而且，还分布于胎体内部的一定层厚中。

金刚石是10~80目的天然粉级品或60～129目JR4级的人造品。

含金刚石的胎体层称为工作层.钻进时，随着胎体的磨损，金刚石切刃才不断露出，旧切刃失去工作能力或脱掉，新切刃相继出露参加工作。

因此，孕镶钻头可保持
稳定的钻速,应用范围较广。

它坚硬、致密、弱研磨性（优质金刚石、较低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、破碎地层（金刚石浓度高、胎体硬度大）；
3.还有一种“多层钻头"。

它是孕镶钻头的变种形式，与孕镶的区别是胎体内部的金刚石分成几层并有一定排列方式。

钻头按金刚石成因分类，可分为天然金刚石钻头（表镶）和人造金刚石钻头(都是孕镶）。

此外，还有一种聚晶金刚石钻头,金刚石的镶焊属于表镶，但在工作时却起孕镶钻头作用。

它用于钻进较软和研磨性强岩层，可得到很高的钻速。

9.简述孕镶金刚石钻头的碎岩机理
10.地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里?
主要区别有以下几点:
1。

钻孔的直径:
Hole:孔,用于地质钻探，孔比较小，用于勘察，勘探
Well：井,用于油气井钻探，孔比较大，往往还要用于生产
2。

钻孔的深度：
钻探:比较浅，
油气井：比较深，技术有，成本高
3。

地层情况：
钻探：地层比较复杂,低层遇到的种类比较多
油气井:一般低层地层单一。

11.什么是钻孔结构（也称井身结构）？
钻孔结构设计是与钻进有关的，所有工程计算的基础。

钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各孔段的深度和口径的变化情况。

据地层理想柱状图做出来的.一般来说，换径次数越多、钻孔结构越复杂；换径次数越少，钻孔结构越简单。

在可能情况下，应使钻孔结构尽量简单.根据地层条件，一层一层放入套管，所形成图示的结构：
设计依据
1．钻孔的用途和目的；
2．该地层的地质结构、岩石物理力学性质；
3．钻孔的设计深度和钻孔的方位方向、顶角方向;
4．必需的终孔直径；
5．钻进方法、钻探设备参数。

11套管在钻探工程中起什么作用？
保护孔壁，支撑孔壁防止倒塌，为钻探提供通道
在钻探施工过程中，套管用途很广.钻进复杂地层时，用套管护壁堵漏，可保证正常钻进。

岩心钻探抽水试验孔可用套管进行止水，保证抽水资料的准确性。

长期水文观测和开采孔，可用套管作为出水的通道.
下多层套管的目的主要是考虑一下几个方面：一、每口井至少有两层套管；必须下表层套管,目的是保护浅部地层特别是地层水不受污染；二、通常每口井钻进时所穿越的地层存在多个压力系统,钻井行业标准规定同一裸眼井段上下地层压力系数差不得超过0.4；三、如果同一裸眼井段上下压力系数相差
太大，无法进行钻井施工,会出现上漏下喷，必须将上部薄弱地层下套管封住；四、对于特别复杂的地层，如容易缩径和蠕变的石膏盐地层为减少卡钻等事故复杂，多下层套管可减少钻井施工的难度和缩短钻井周期，经评估有可能还降低钻井成本.
钻探地质套管是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管.套管又是钻探和钻井工作中下人钻孔内，用以保护孔壁封闭孔身的钢管。

它的主要功用是防止孔壁坍塌,隔离地层，封闭涌水或漏水层、油气层.在开采井中,套管又是流体、气体生产的通道,例如水井、油气井、地热井、溶解类矿产的开采钻井等，都必须下入生产套管。

地质钻探孔内的套管外径小，一般下入的套管也较浅，在钻探任务完成后要将套管起拔出来，可以继续使用。

石油天然气下入的表层套管、技术套管和油层套管，在下入井内之后,都需要注水泥将套管与井壁固结起来，封闭死管外的环状间隙，套管就无法取出.即使无工业油气流的探井,下入了套管也一样丢弃在井内。

供水井下入的套管称为井管,强度要求不高，井浅时可不用无缝钢管，用铸铁管。

12.套管在钻探工程中起什么作用？
答:保护孔壁，支撑孔壁防止倒塌,为钻探提供通进钻进复杂地层时,用套管护壁堵漏，可保证正常钻进。

岩心钻探抽水试验孔可用套管进行止水，保证抽水资料的准确性。

长期水文观测和开采孔，可用套管作为出水的通道。

13.12钻探设备包括哪些主要内容？
钻探设备是指用于钻探施工这种特定工况的机械装置和设备，主要由钻机、泥浆泵及泥浆搅拌机、泥浆净化设备、钻塔等组成
钻机：是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向底层深部钻进，并通过钻机上的升降机来完成起下钻具和套管、提取岩心、更换钻头等辅助工作。

钻塔的主要功能:起下钻具（套管）、减压钻进时悬挂钻具、处理孔内事故并为空中作业提供平台. 泵的主要功能是：向孔内输送冲洗液以及清洗底孔、冷却钻头和润滑钻具。

通常，主要类型的钻探设备均由钻机、钻塔－桅杆、泥浆泵等三部分构成。

当然,对于一些大型钻探设备来讲，划分得可能会更细一点，如石油钻机就号称8大件:井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。

钻塔设备主要包括以下三个方面的内容：
1. 钻机:钻机（drill）是在地质勘探中,带动钻具向地下钻进，获取实物地质资料的机械设备.又称钻探机。

主要作用是带动钻具破碎孔底岩石，下入或提出在孔内的钻具。

可用于钻取岩心、矿心、岩屑、气态样、液态样等,以探明地下地质和矿产资源等情况。

主要分类：潜孔钻机凿岩钻机全液压一体机探矿钻机
2.钻塔：钻塔是一种具有一定高度和跨度的金属桁架，是钻井设备的重要组成部分，分为天车、塔身主体、二层台、起塔架、副腿、底盘六个主要部分（可以根据实际需要增减结构部分），钻塔在钻井过程中，用于安放和悬挂提升系统,承受钻具重量，存放钻杆或钻铤等，必须具有足够的承载能力、强度、刚度、整体稳定性和必要的操作使用空间。

系列钻塔从结构上分为单管两脚塔、三角塔、四角塔、A型塔、K型塔、桅杆型塔、门字型塔、动态型塔等；从起塔方式上分为液压式、机械式、组装式、伸缩式、折叠式等;从钻塔工作角度上分为直立式和倾斜式；从选材上分为角钢塔、管子塔、型钢塔;从安装型式分为散装型、整体车装型等；从用途上分为石油钻井、水文凿井、岩土工程、地质找矿、煤田勘探、工程勘察等；从提升有效高度上分为8米～55米；从提升能力上分为5吨到1000吨等。

3.泥浆泵:钻探过程中﹐向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液的机械。

泥浆泵是钻探设备的重要组成部分。

在常用的正循环钻探中﹐它是将地表冲洗介质──清水﹑泥浆或聚合物冲洗液在一定的压力下﹐经过高压软管﹑水龙头及钻杆柱中心孔直送钻头的底端﹐以达到冷却钻头﹑将切削下来的岩屑清除并输送到地表的目的.常用的泥浆泵是活塞式或柱塞式的﹐由动力机带动泵的曲轴回转﹐曲轴通过十字头再带动活塞或柱塞在泵缸中做往复运动.在吸入和排出阀的交替作用下﹐实现压送与循环冲洗液的目的。

14.什么是正循环钻进？什么是反循环钻进？反循环的形式有多少
种?
正循环钻进是泥浆自供应池由泥浆泵泵出,输入软管送往水龙头上部进口,再注入旋转空心钻杆头部，通过空心钻机一直流到钻头底部排出，旋转中的钻头将泥浆润滑,并将泥浆扩散到整个孔底,携同钻碴浮向钻孔顶部,从孔顶溢排地面上泥浆槽。

反循环钻进与正循环钻进的差异在钻进时泥浆不经水龙头直接注入钻孔四周,泥浆下达孔底，经钻头拌和使孔内部浆液均匀达到扩壁,润滑钻头，浮起钻碴,此时压缩空气不断送入水龙头，通过固定管道直到钻头顶部，按空气吸泥原理，将钻渣从空心钻杆排入水龙头软管溢出。

反循环钻进按照产生冲洗液上升流动的方式不同，可分为地表喷射反循环，泵吸反循环和气举反循环三种方式。

不同反循环钻进方式，随着钻孔深度的变化，钻进效率也有所不同，所示为三种反循环钻进方式在不同孔深时的效率曲线，从曲线变化情况可以看出，地表喷射反循环钻进效率，在浅孔段效率较高，气举反循环钻进效率在50 m 以后较高.在选择反循环钻进方式时，应根据孔深、水位等情况进行合理的选择，为了提高钻进效率，有时也采用两种方式相结合的复合式反循环钻进.
15.14钻进参数主要有哪些？各自起到什么作用?
钻进参数主要有以下三个方面：
钻压：钻压也称轴向压力。

钻进时，合金的受钻压切入岩石而钻进；同时，因钻压造成合金与岩石的摩擦而使合金磨损.所以，在选择钻压时，必须在保证质量的前提下从钻进效率和钻头寿命两个方面进行分析、研究。

一般情况下,在松软及软岩石中钻进时，因所需钻压不大，对钻速和合金的磨损不是主要问题；而在中硬和硬岩层中钻进时，钻压确定是否合理，对钻速和合金磨损影响很大。

钻压是孔底碎岩的必要条件。

钻压的大小决定着碎岩的方式和特点，它直接影响钻进速度。

机械钻速与钻压的关系是：机械钻速随着钻压的增加而不断地增大。

这是两者关系的总趋势。

具体可分为3 个阶段：表面破碎阶段、疲劳破碎阶段、体积破碎阶段。

在钻进过程中，切削具逐渐被磨钝后，切削具与岩石的接触面积逐渐增大，使切削具接触面上的压强减小，以致低于岩石的压入硬度,因而碎岩方式由体积破碎过渡到疲劳破碎，甚至表面破碎，钻速急剧下降.所以，在磨锐式硬合金钻头的钻进过程中,为保持较高的钻速，应随着切削具的磨钝而逐渐增大钻压,直至钻探设备或其他条件限制不可能继续增大钻压时为止。

在磨锐式硬合金钻头钻进中，钻压是一个重要的钻进参数。

钻压必须保证切削具切入岩石，以体积碎岩方式进行钻进。

然后，依不同岩石性质（其中主要是岩石的压入硬度研磨性和抗剪强度），并考虑到钻进过程中工作刃的磨钝状况，充分发挥锋利刃的作用，力求达到最高的平均机械钻速（纯钻进效率）和最大的钻头进尺来确定钻压值.
另一方面，必须充分考虑到实现所要求钻压的可能性。

最大钻压除了受切削具本身和钻头本身的强度限制外，还受到钻杆柱和孔底钻具组成的强度以及地面机械设备能力的限制。

在实际生产中,首先确定每颗硬合金切削具上应该施加的压力，然后,再根据一个钻头上镶焊切削具的数目，计算出总钻压P 。

即：P ＝p·m
式中：P —钻头上的总压力；p —每颗切削具上应加的压力(单颗钻压)；m —钻头上切削具的颗数。

钻速:从理论上看，钻速随转速的增加而成正比地增加。

但实际上钻速并不随转数的增加而呈正比增加，转速的增加有其极限值(最优值).超过此值后,钻速反而会下降，其主要原因一是在高转数的情况下，合金在岩石表面上的作用时间太短，从而影响合金的切人深度，导致钻速下降；另一个原因是在高转数的情况下,孔底温度增高，合金的磨损或磨钝加快而使钻速下降。

泥浆泵排量：钻进时，冲洗液的质量与数量对钻进速度有很大影响。

根据国内外的资料证明,钻速随冲洗液的密度或粘度的增大而下降。

从理论上看,增大冲洗液量，对提高钻速有一定好处。

应当指出，当冲洗液量不足时,孔底颗粒大的岩粉不能被冲起，从而造成孔底重复破碎量的增大，使破碎效率下降；同时，过多的岩粉堆积，也造成合金散热不好，使温度增高，耐磨性降低；有时还易引起堵水、憋泵的现象。

但过大的泵量会冲毁岩心或孔壁，并使钻压下降，使钻速降低。

当采用大泵量时，则必须给予一定的重视。

送入孔内的冲洗液量、主要是用于清除孔底产生的岩粉和冷却钻头。

随着冲洗液量的增加，对孔底清除岩粉和冷却钻头的能力也增强。

孔底的清洁状态对钻进影响很大。

把孔底破碎下来的岩屑及时冲离孔底，就为连续破碎岩石新鲜面创造了条件,从而避免重复破碎岩屑和无益地消耗功能。

同时，孔底清洁也减少了钻具的磨损和防止某些孔内事故的发生.在某些比较松软的岩层，冲洗液流可起到喷射碎岩作用(如石油钻井中的喷射钻井），因此，在硬合金钻进中,尽可能采用较大的泵量是有益的。

但是过大的泵量，使其循环流动阻力也相应地增大，即工作泵压增大。

由于流动阻力是流量的平方成正比，所以流动阻力的增长率大大超过泵量的增长率。

流动阻力的增大，一大面直接增加了冲洗泵的负荷；另一方面，过大的泵量还会带来在软地层冲毁岩心和孔壁的问题，并且在岩心顶端造成很大的压力，使岩心劈裂而发生岩心堵塞，降低岩心采取率。

因此泵量应有一个合理的值。

一般说来,岩石可钻性级别越低，转速越大，机械钻速越高,则所用的泵量应越大;孔径越大,所用的泵量也越大.
冲洗液量应保证把岩屑颗粒带出地表。

岩屑颗粒向上携带主要决定于上升流速(其次也与冲洗液的性能参数有关），而上升速度又与岩屑颗粒尺寸和其密度有关。

清水冲洗时，上方流速不应小于0.25 m ／s ，而采用泥浆作冲洗液时，上升液流速度不应小于0。

2 m／s 。

依此，流量可按下式来计算。

Q ＝F·v
Q -泵量，m 3／s ;
F —管外环状空间的面积，m 2 ；
v—上升液流速度,m ／s 。

16.15影响地层可钻性的因素有哪些？
一、岩石可钻性的概念
1、岩石可钻性的概念
岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。

在钻探生产中通常用机械钻速作为衡量岩石可钻性的指标，单位是m／h。

2、岩石的可钻性及可钻性分级的意义可钻性及可钻性分级是决定钻进效率的基本因素，也是确定岩石破碎的难易程度的综合指标。

对钻探生产非常重要，它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据,也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。

岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力。

它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质,还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标.由于可钻性与许多因素有关，要找出它与诸影响因素之间的定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石的可钻性.不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试验手段，甚至可钻性指标的量纲也不尽相同.例如,地勘部门在回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，分成12个级别，级别越大的岩石越难钻进；在冲击钻进中常采用单位体积破碎功来进行可钻性分级。

而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微型钻头的钻时作为衡量指标，分成10个级别。

17.反映钻井液基本性能的参数有哪些？——泥浆的主要性能有哪
些?
（1）失水量及造壁性
失水量和造壁性是泥浆最重要的性能指标之一。

钻进时，若泥浆柱与地层间有压力差存在时,泥浆中的自由水逐渐脱离泥浆结构向孔壁岩层的孔隙中渗入，这个过程叫做泥浆的失水。

表示泥浆失水多少的性能称为失水量.在泥浆失水的同时,泥浆中的一些较大的粘土附着在孔壁岩石上,形成一层泥皮，泥浆的这种能力称为泥浆的造壁性。

（2）触变性和静切力
泥浆静止时，粘土颗粒两端水化膜薄处粘结形成网状结构，稠化成胶状物质.当再进行搅拌或振荡时，又恢复其原有的流动性，这种性质称为泥浆的触变性。

要使静止状态的泥浆开始运动，破坏单位面积网状结构所需的力，称为静切力。

其单位为Pa。

一般规定，静止1min［美国石油学会的标准为10s（秒）］后测得的静切力,称为初切力.静止10min后测得的切力，称为终切力。

泥浆触变性能的好坏，以终切力和初切力的差来表示。

差值越大表示触变性能越好。

(3）粘度
粘度是泥浆流动难易程度的指标。

它反映泥浆流动时，其内部摩擦阻力的大小.摩擦阻力包括液体之间、粘土颗粒之间以及粘土颗粒与液体之间的磨擦阻力，并且也有泥浆结构的影响。

一般静切力大的泥浆，其粘度也高。

（4）比重
泥浆的比重是指泥浆与同体积水的重量之比。

泥浆比重的大小取决于泥浆中固相（粘土、加重剂及岩粉等）的含量和固相的比重。

固相含量高和固相比重大，则泥浆的比重也大。