钻探工程概论复习题2

、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。

刚性岩石、弹塑性岩石、塑岩石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？岩石结构是说明岩石的微观组织特征的，它与矿物颗粒的大小、形状和表面特征有关，反映岩石的非均质性和孔隙性。

岩石构造是表示岩石宏观的组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布情况。

它决定了岩石的各向异性和裂隙性。

（不同方向，不同物理特性）沉积岩在平行于和垂直于层理面方向上的岩石物理力学性质具有明显差异，即各向异性。

层理导致岩石的各向异性，变质岩的主要构造特征是片理，片理也会引起岩石的各向异性各向异性影响岩石的强度、硬度等等。

如垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间；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。

4.影响岩石硬度的因素有哪些？岩石的物理性质取决于它的物理成分。

在形形色色的物理性质中我们研究那些直接或间接影响岩石破碎过程的物理性质，如粘结状态、孔隙度、密度、结构和构造等。

岩石的力学性质是物理性质的延伸，它在外载作用下才表现出来，通常表现为岩石抵抗变形和破坏的能力，如强度、硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性等。

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。

（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）胶结成分：泥质胶结物：如泥土或粘土。

胶结成的岩石强度小，易碎，断面呈土状。

钙质胶结物成分为CaCo3。

胶结成的岩石强度比泥质胶结的大些，滴稀盐酸于其上能起泡。

铁质胶结物：成分为FeO、Fe2O3或Fe(OH)3，胶结成的岩石强度比前两种大。

硅质胶结物成分为SiO2，所胶结的岩石强度最大。

（4）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。

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？设备角度：钻场布置、修筑地盘和地基、安装基台本、安装钻探设备、布置冲洗液循环系统、验收、开孔等。

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。

工艺角度：平整场地，挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机。

按设计的方向开孔，在孔口固定孔口管。

根据所钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、钻柱给钻头加轴向压力和回转速度。

钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管。

清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再流回泥浆池，如此循环。

把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心。

重新配好钻具，再下放至孔内继续钻进。

6.简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图）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。

显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。

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。

钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（或最小等于）岩石的抗压入硬度，即：式中Py ——单个切削具上的轴向压力；S0 ——切削具与岩石的接触面积；Hr ——岩石的抗压入硬度。

Py ≥S0Hr 是切削具切入岩土的必要条件。

否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎岩过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，碎岩效果很差。

因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。

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。

根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不相同，可分为塑性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。

7.金刚石钻头有哪些主要类型？孕镶金刚石钻头、表镶金刚石钻头孕镶钻头：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）；表镶钻头：硬度较低、完整岩层；8.地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？Roll 钻孔，well 钻井。

地质岩心钻探的地层复杂多变沉积岩、火成岩、变质岩样样不少，地形构造复杂、交通不便、条件艰苦；而油气钻探的地层相对单一（主要为沉积岩）。

地质岩心钻探的目的是钻取地下岩石的岩心，以供科学研究，因此它的钻井设备中钻头是中空的，钻杆中需加岩心管，需要相应设备绳索取心，而油气井钻探目的是抽取石油和天然气，结构相对复杂。

在钻井工艺上有很大区别，选用的钻井设备差别很大。

9.空气钻进技术有哪些优点？A钻进效率高：空气钻进效率比一般钻进法约提高9 —11 倍。

其原因是：孔底岩石减掉了钻孔内的液柱静压力，有助于岩石最大限度地释放残余应力，使孔底岩石处于一种负压效应状态，借助切削具的碎岩作用，岩屑呈“爆炸”形式崩离岩体，从而提高了钻进效率。

另外压缩空气以高速吹洗孔底、孔内干净，几乎完全没有重复破碎，故在硬岩和深孔时，钻进效率更为显著。

B钻头寿命长：空气钻进钻头寿命长，除上面提到的因素外，还有一重要因素，即当压缩空气经过钻头时，由于压力骤然降低，在此大量吸收热量，有利于冷却钻头，防止烧钻，并为切削具创造有利的工作环境。

与一般钻进方法相比，钻头寿命可提高十倍以上。

C能取得正确的地质资料：空气钻进以空气为循环介质，它不污染岩石和孔壁这不仅对洗井、抽水等工作有益，而且可以获取正确的水文地质资料。

D空气钻进不用水：这在干旱缺水地区其优越性更为显著，同时可以避免因漏水而带来的堵漏问题和冲洗液、岩粉等对含水层堵塞的影响。

10.什么是钻孔结构（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。

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1．确定各岩层的钻进方法；2．确定钻孔终孔直径；3．确定套管层次、下放深度和套管直径；4. 拟定孔身直径和开孔直径。

11.套管在钻探工程中起什么作用？（保护孔壁）12.钻探设备包括哪些主要内容？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。

13.什么是正循环钻进？什么是反循环钻进？反循环的形式有多少种？反循环钻进：冲洗液自供水池，经过井口和钻杆与孔壁环状间隙，以自流方式流到孔底，然后携带岩粉通过钻杆内孔返回井口，并经过水接头和排渣管排到供水池，经沉淀澄清后重新流入孔内。

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。

14.钻进参数主要有哪些？各自起到什么作用？钻压、回转速度、泥浆泵排量钻压P的大小决定着碎岩的方式和特点，它直接影响钻进速度V。

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。

泵量Q：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15.影响地层可钻性的因素有哪些？二、综述题每题25分。

1. 钻探工程在国民经济建设中能够发挥哪些作用？钻探人无处不在，涉及的行业非常多，只要是在地球上建的东西几乎都有他们的参与◆地质矿产勘探钻进；◆水文水井钻进；◆工程地质勘察、基础工程施工钻进；◆油气井钻进；◆爆破孔钻进(采矿、物探)；◆科学钻探（海洋、湖泊、大陆、环境、冰川、外星）；◆地热、干热岩钻采；◆水力采矿；◆核废料掩埋、二氧化碳掩埋等；◆地质灾害治理（边坡锚固、抗滑桩、止水帷幕等）；◆非开挖铺管；◆文物考古钻探；◆竖井钻凿（矿山、地下核试验等）；抢险救灾（地下灭火、通风孔等）……钻探工程是用一定的工具，在地壳内按着一定的工艺破碎岩石的整个过程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。

它本身是一门应用性非常强的综合性技术。

随着科学技术的进步和发展，钻探工程技术也得以迅速的提高和发展，应用钻探工程的范围也越来越广泛。

（一）应用领域（1）普查找矿钻探。

在普查找矿工作中，为了探察表土层下基岩的性质、产状，了解地层，探明地质构造，验证物探资料而进行的钻探。