钻探工程概论试题及答案

钻探工程概论复习题

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。

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？

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。

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。

（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。钻探技术的基本构成是什么？

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）

岩心钻探使用硬质合金钻头的一种钻进方法。硬质合金钻进碎岩的机理是钻头在钻压的作用下,硬质合金切削、刮削岩石。

（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. 简述孕镶金刚石钻头的碎岩机理

聚晶金刚石复合片的简称。是石油钻井行业常用的一种钻井工具。它是以金刚石为原料加入粘结剂在高温条件下烧结而成，复合片为圆片状，金刚石厚度一般小于1mm,切削岩石时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚石薄层起支撑作用，两者的有机结合，使PDC既具有金刚石的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度和冲击能力。由于聚晶金刚石内晶体间的取向不规则，不存在单晶金刚石固有个解理面，所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚石，且不易破碎。PDC钻头都采用了高质量的爪型齿和环形齿，与其他类型复合片相比抗剪强度高、耐冲击、寿命长、热稳定性能好的特点。PDC钻头采用超大排屑流道设计，可以更加有效运移钻屑，清洗钻头，防止钻头泥包，提高机械钻速。

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

孕镶钻头胎体表面上多而小的硬质点(金刚石)对孔底岩石进行刻划磨蚀,并且随着金刚石的逐渐磨损和消失以及粘结胎体的不断磨耗,新的金刚石又裸露出来进行工作。碎岩过程可看作是微切削和微压裂压碎作用的综合,属于小体积破碎。对于脆性岩石,以微压裂压碎为主;对于塑性岩石,以微切削为主。

金刚石钻头的破岩作用是由金刚石颗粒完成的。在坚硬地层中，单粒金刚石在钻压作用下使岩石处于极高的应力状态下（约4200-5700MPa，有的资料认为可达6300MPa），使岩石发生岩性转变，由脆性变为塑性。单粒金刚石吃入地层，在扭矩作用下切削破岩，切削深度基本上等于金刚石颗粒的吃入深度。这一过程如同“犁地”故称为金刚石钻头的犁式切削作用。

在一些脆性较大的岩石里（如砂岩、石灰岩等），钻头上的金刚石颗粒在钻压扭矩的同时作用下，破碎岩石的体积远大于金刚石颗粒的吃入与旋转体积。当压力不大时,只能沿金刚石的运动方向形成小沟槽，加大压力则会使小沟槽深部与两侧的岩石破碎，超过金刚石颗粒的断面尺寸。

8. 用于钻井行业的人造超硬材料主要有哪些？

人造金刚石、人造立方氮化硼等

9. 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。

10.空气钻进技术有哪些优点？

空气钻进的实质是以压缩空气代替冲洗液，作为钻进中的循环介质来冷却钻头，吹洗钻孔把岩屑携带出地表的一种高效率、先进钻进方法。空气钻进特别适用于干旱缺水地区、常年永冻层、孔内严重漏水地层及用水钻进较困难地区。（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。什么是钻孔结构（也称井身结构）？——所谓井身结构，就是在水文水井钻孔前和钻井过程中，为了满足水文地质及成井工艺的要求，必须根据不同的地层和钻进成孔方法，确定钻进的深