【大学课件】岩土钻掘工程学教材课程

钻中硬、研磨性强的岩层（曲线Ⅲ），开始 类似于曲线Ⅱ，但vm随n增大而增大的速率缓 慢，当超过某个极限转速n0后，钻速还有下降 的趋势。
2020/6/9
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
国家精品课程
岩土钻掘工程学
在其他钻进参数保持不变的情况下，钻速可表述为 vm∝nλ λ为转速指数，一般小于1，其数值大小与岩性有关。
中硬—硬（Ⅵ~Ⅶ级）岩石最敏感。
Ⅳ~Ⅴ级岩石钻压过大，孔底排粉冷却条件 恶化，阻碍钻速成比例上升；
Ⅷ~Ⅸ级岩石不宜硬合金钻进，在钻杆强度 范围内钻压不能使钻速直线增长。
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第二节 硬质合金钻进工艺
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岩土钻掘工程学
应充分发挥切削具初刃的切入优势。硬质合金钻进开始时就应以允许的最 大初始钻压钻进。等切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得好的钻效。
vT
H t t1 T1
(m/h)
T1——一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、 孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间，h。
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岩土钻掘工程学
第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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5、循环钻速 循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速
从两个方面分析增加钻压的意义：
✓ 岩石方面——钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加
钻压对提高钻速更为有效；
✓ 在切削具方面——初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的
优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。
✓ 但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于
次钻速减小。
➢熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高回次钻速的
前提。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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3. 技术钻速
一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序、辅助作业和其他补充作业的 总时间与同期的钻进进尺H之比。技术钻速取决于机台工作的技术水平、各 项工作的组织配合及技术措施等。
2、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。
3、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。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
对钻速的提高会造成不利影响(硬岩层中)。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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对孕镶和自磨式钻头，若遇到弱研磨性岩石，为保持钻头自锐能力，必须 在孔底保存一定的岩粉，过大的水功率将导致钻速下降，甚至抛光钻头。
5、冲洗液性能对钻速的影响 5.1冲洗液密度对钻速的影响 冲洗液密度决定着孔内液柱压力与地层孔
隙压力之间的压差
孔底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻 碍孔底岩屑及时清除，压差增大将使钻速 明显下降。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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5. 2 冲洗液粘度对钻速的影响 其他条件一定时，冲洗液粘度的增大,将使孔底压差增大，浮
力增大，并使孔底钻头获得的水功率降低，从而使钻速降低。 5.3 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响 固相含量、固相颗粒的大小和分散 度对钻速对钻进速度有明显影响。 固相含量相同时，分散性冲洗液比 不分散冲洗液的钻速低。 固相含量越少，两者的差别越大。 一般应用固相含量<4%的不分散冲洗液。
进成本、钻进质量之间有着密切的联系。 2、钻进效果指标内容 钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。
不可控影响因素（客观存在），地层岩性及其埋深等 可控影响因素（可人工调节），钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和 泵量等。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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（二）钻进速度 1、平均机械钻速 2、回次钻速
vm
（Hm/h） t
表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工
序中（即一回次）单位时间的进尺。
vR
HR t t1
（m/h）
➢t1 ——辅助作业时间，钻进准备、起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长
钻杆、卡取岩心、提钻准备、更换钻头及钻具等时间。随孔深的增加，回
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；
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三、钻进过程中各参数间的基本关系
1、钻压对钻速的影响 实际钻压=给进力(钻具质量+正或负的机械施加力)-(冲洗液浮力+孔内摩
擦阻)。常用的表示钻压的方法： （1）钻压P——整个钻头上的轴向载荷，受钻头类型、口径和切削具数量
影响，可比性较差；
（2）钻头唇面比压p——切削具与岩石接触单位面积上的轴向载荷，涵盖
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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（二）钻进规程的类型
1、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。
每米钻进总成本
CC bC r(tt1T 1 (元T2 /m)) H
Cb—钻头价格；Cr—钻机单位时间费用；H—钻头进尺。
时间效应——岩石在切削具作用下，从发生弹性变形-形成剪切体-跳跃式 吃入一定深度，需要一短暂时间。切削具要在岩面停留短暂时间Δt，使裂 隙发育至自由面形成剪切体。
如果转速超过临界值(n＞n0) 切削具作用于岩面时间＜Δt，裂隙尚未发育 载荷便移走了，造成表面破碎。
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第五章 回转钻进工艺
1、钻进效果指标及钻进规程参数 2、硬质合金钻进工艺 3、金刚石钻进工艺 4、钢粒钻进工艺 5、牙轮钻进工艺 6、全面钻头钻进工艺
第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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一、钻进效果指标
（一）概述 1、钻进效果指标的定义 是衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻
度和密度值宜小不宜大，并尽量用低固相不分散泥浆。
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第二节 硬质合金钻进工艺
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四、P、n、Q参数间的合理配合
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；
3、切削具的磨损对钻速的影响
在钻进中随着切削具的磨钝，若此时钻值保持不变，则机械钻速v也必然 逐渐下降。实质是钻头唇面比压p下降引起的。
4、水力因素对钻速的影响 一定钻速下，单位时间钻出的岩屑量一定，需要一定的水功率才能完全
清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。 软岩：高于这个水功率值水力参加破岩，机械钻速升高。但水浮力增加，
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第二节 硬质合金钻进工艺
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二、钻头转速的选择(必须考虑岩性和时间因素的影响)
由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学， v 1 Dn(m/s)
60
钻软岩↑转速的效果最显；而另两类岩石由于破岩时间效应影响显著，故 钻速随转速而增大的趋势下降。
也应取小值。钻头上的总压力为
P总=p×m YG8硬质合金切削具的
单位压力推荐值
岩层 Ⅰ~Ⅳ级软-部分中硬岩石
Ⅴ~Ⅶ级中硬-部分硬岩石
研磨性大的岩石
切削具形状 片状 方柱状
中八角柱状 大八角柱状
方柱状 中八角柱状
单位压力推荐值p (kN/颗) 0.40~0.70 0.80~1.20 0.90~1.40 1.50~1.80 1.20~1.40 1.20~1.70
了钻头口径和类型的影响，可比性较好。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
钻压在很大的变化范围内与钻速近似成线性 关系；
a点之前，钻压太低，钻速很慢； b点之后，钻压过大，甚至切削具完全吃入岩
层，孔底冷却和排粉条件恶化，钻头磨损也 加剧，钻进效果变差 钻速:vm∝（P-W）,式中 W—ab线在钻压轴上 的截距，相当于切削具开始压入地层时的钻 压。在石油钻井中称为门限钻压，取决于岩 层性质。
vC
H
tt1T1T2T3
(m/h)
式中：T3——用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔等开孔准 备和终孔作业的时间，h。
循环钻速表示钻探工程技术和组织管理、协调的总状态。它取 决于经济钻速、安装及运输、基地的条件等。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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二、钻进规程
（一）概述 钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，
通常指可由操作者人为改变的参数组合。
在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、 单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。
生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程
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第二节 硬质合金钻进工艺
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三、冲洗液泵量及其性能的选择
冲洗液的排粉、冷却、润滑和护壁诸功能中，以排粉所需的泵量最大， 故以此为依据来选择泵量。
液流的阻力与流速平方成正比，如泵量过大引起的孔底脉动举离力将抵 消一部分钻压；造成在岩心管内、外环间隙中流速过高，可能冲毁岩心 或孔壁。
合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。
Qm4(D2d2)v1
(L/min)
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第二节 硬质合金钻进工艺
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孔内岩屑颗粒的上返速度主要取决于液流的上返流速、冲洗液的性能、 岩屑颗粒尺寸及其密度。
清水冲洗时，液流上升速度取0.25～0.6m/s； 泥浆冲洗液时，液流上升速度取0.20～0.5m/s。 为提高钻速，在可能的条件下应尽量选用清水作冲洗液；若用泥浆其粘
变换得： CC b C r(1kK 1 (K 元2 /m))
vmt
vm
vm—机械钻速，m/h；t—纯钻时间，h； k = t1/t 、 K1=T1 / t 、 K2=T2 /t ；
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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对于一定的钻孔、设备和孔深，k、K1、K2基本上为一经验值。依据C=f （vm），求出对应于最低成本Cmin的最优钻速vm优，并由此可确定最优的钻 压、转速等规程参数。
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第一节 钻进效果指标与钻进规程参数
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2、转速对钻速的影响
钻软、塑性大、研磨性小的岩层时（曲线Ⅰ），钻速vm与转速n基本呈线性 关系；
钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线Ⅱ），钻速vm与n开始呈 直线关系，但随着n继续增大而逐渐变缓，转 速愈高，钻速增长愈慢；
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第二节 硬质合金钻进工艺
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重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。 一、钻头压力的选择 钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图5-1中，a点继续
增加钻压，其钻速将呈直线增长。 不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。
孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较大
差距。
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实际生产中首先选择每颗切削具上的压力值p，然后根据钻速的变化情况适
时调整。岩石越硬、研磨性越强，p值取上限；粘性软岩取小值；裂隙地层
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硬质合金切削具的线速度推荐值
岩石性质 软的、弱研磨性岩石 中硬的、具有研磨性的岩石 中硬—硬的研磨性岩石
裂隙性岩石
线速度取值范围 (m/s) 1.2~1.6 0.9~1.2 0.6~0.8 0.3~0.6
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