钻探工程课程大作业

《钻探工程概论》课程报告作业题
题目：江西某地探明有一个铀矿，埋深约2000m，地下200m处有广泛发育的裂隙型和缝洞型碳酸岩，500m处有一个厚度约为5m 的煤层，800m处有一个厚度约为50m的盐膏层，1000m左右有一个巨厚的石英砂岩层，目的层为花岗岩型铀矿，要求全孔取心。

请根据以上提供的信息做以下设计，对于方案的设计、设备的选型以及工艺的选择等给出相应的依据（注：不能简单写个答案，要给出选择的理由）：
（1）孔身结构设计方案；（2）钻机、钻头和泥浆设备选型；（3）钻进工艺设计；（4）泥浆体系设计；（5）取心工艺设计
1.孔身结构设计方案：
资料中显示，地下200m处有广泛发育的裂隙型和缝洞型碳酸岩，那么第一阶段钻进200m，孔的直径是444.5mm，然后在这套管，直径339.7mm；1000m左右有一个巨厚的石英砂岩层，第二阶段孔的直径是311.2mm，钻进至1000m处，然后套管，直径为244.5mm；铀矿深2000m，第三阶段孔的直径是215.9mm，钻进至2000m处，套管139.7mm。

终孔口径选择φ97mm。

盐膏层分布广且多为结晶物，硬度和密度都很低，钻探过程极易造成塌方，钻井壁容易脱落影响后续钻探，在1000m处下套管的目的是封隔上部裂隙发育的漏失等复杂地层。

2.钻机、钻头和泥浆设备选型：
钻机的选择：
图表1
钻进深度2000m，根据钻进深度，考虑到钻机的钻进能力，（如图表1）钻机可选用XY-6立轴式岩心钻机（钻进深度可达到2000m）。

立轴式岩心钻机回转器有一根长的立轴，在钻进中可起到良好的导正和固定钻具方向的作用，适用于打各种倾角的钻孔，原立轴式岩心钻机还具有结构简单、操作容易、维修方便等优点，同时它也是目前国内外广泛使用的一种主要机型。

钻头的选择：
根据图表2，列出地层概况：煤层属于软的岩层（3级），碳酸盐属于中硬的岩层，石英砂属于坚硬的岩层（11级），花岗岩也属于较硬的岩层（10级）。

盐膏层：盐膏层主要是一些碎屑晶粒构成，多为盐湖沉积物，硬度低。

目的层为花岗岩型铀矿，要求全孔取心。

所以选用牙轮钻头和金刚石取芯钻头。

牙轮钻头具有适应地层广，在软地层中机械钻速高的特点，非常适合在前期较软的岩层加快破碎速度，提高效率。

金刚石钻头结构简单，具有高强度、高耐磨和抗冲击的能力，且在软-中硬地层中钻进，速度快，寿命长。

选择金刚石钻头的原则为：
（1）软至中硬和完整均质岩层，一般宜用天然表镶钻头、复合片钻头、聚晶钻头。

（2）硬至坚硬致密的岩层（7~12级），一般宜用孕镶钻头，或细粒表镶金刚石钻头。

（3）在破碎、软硬互层、裂隙发育或强研磨性岩层，宜用尖齿型广谱钻头或耐磨性好
的、补强的电镀孕镶钻头。

图表2
泥浆泵的选择：
选择BW-600泥浆泵（额定流量600L/min的往复式泥浆泵），它与同规格泵相比具有运转平稳、适应介质范围广、流量大、流量变化范围广、输出压力较高、易损件寿命较长、性能稳定等特点。

其流量调节范围大，参数选择合理，可满足不同口径，不同孔深，不同地质岩心钻探的需要。

3.钻进工艺设计：
钻头选择：
一般完整的、研磨性不高的中硬至硬岩层选用表镶钻头；硬至坚硬或裂隙性岩层选用孕镶钻头；软的和中硬岩层可用复合片钻头；开孔时使用金刚石钻头单管取心钻进，剩下的使用孕镶金刚石绳索取心冲击回转钻进方法。

冲击回转钻进方法有效地保证了钻进过程中可能会遇到的裂隙堵心问题。

保证钻进效率。

转速：
转速选择的一般原则
①在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中，一般可采用较高转速；
②在坚硬致密的岩层中，主要靠钻压破碎岩石，宜采用较低转速；
③在复杂地层中钻进，宜采用较低转速
选用孕镶金刚石钻头，其线速度可选用2m/s至3m/s。

使用金刚石钻头钻进时，应注意不要超过金刚石钻进的临界规程。

钻压：
实际生产中，一般根据不同形状的硬质合金压力选用经验，确定钻头上的总压力，即：P总=p m，在这个式子中：p——每颗切削具上应有的压力；m——钻头唇面上的切削具数目。

钻进中，根据钻速的变化，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；裂隙地层也应取小值。

根据岩石压入硬度、抗压强度，金刚石的抗压强度，钻速、钻头类型，钻头结构等考虑
钻速：
孕镶金刚钻头的推荐钻速为 1.5~3m/s，由于现在对象地层比较复杂，所以在钻进的过程中不宜采用较高的钻速，在此处采用1.5m/s。

4.泥浆体系设计：
泥浆的性能要求:
1、良好的冷却散热能力
2、良好的润滑性能
3、良好的剪切稀释性能
4、良好的护壁和抵御环境影响能力
5、性能稳定，不腐蚀钻具，对环境无毒害。

根据以上要求，结合实际情况，选用钙处理钻井液。

其是能够通过某些絮凝剂和降粘剂的物理—化学作用来减缓甚至抑制粘土、岩屑的水化与分散。

200m处广泛发育的裂隙型和缝洞型碳酸岩，存在裂缝，需要进行护孔堵漏措施。

可使用套管来实现这一作用，使用套管，可有效封隔钻孔浅部地层的松散胶结和垮塌漏失，为下部深孔施工创造有利条件。

到达800m左右的盐膏层时，由于盐膏层极易溶解剥落引起井塌，此时泥浆体系应着重考虑防止塌孔，可以适当提高比重，以平衡地层压力；聚合物增粘，控制流型和滤失量；机械封堵，如加沥青粉。

加适量KOH/Ca(OH)2，提供K+/Ca2+，对盐膏层有抑制作用,能抗各种盐类的污染，有利于防塌和防止盐岩溶解，使孔壁稳定。

泥浆配方：
粘土，6％；碳酸钠，0.6％；部分水解聚丙烯酰胺，0.08g/L；聚丙烯酸钠，0.03g/L；重晶石，16％。

比重：1.16；粘度：20s；动切力，11Pa；塑粘，6mPa·s
泥浆的净化：
钻井液钻进过程中，钻出的岩屑会进入到钻井液中，使钻井液性能发生变化，钻井液返回到地面上时，可以在地上去掉钻井液中的杂质。

选择沉淀法（让岩屑自然重力自然沉淀）。

因为让其以重力自然沉淀方便简单。

5.取心工艺设计：
选择采用绳索取心。

绳索取心钻探是一种不提钻取岩心或提钻次数很少的钻探方法，它可以提高钻进效率，地质效果好，钻头寿命长，减少提钻次数。

取岩心时不需要提出钻孔内的全部钻杆柱，而用专用带钢丝绳的打捞器，通过孔内钻杆中心孔将装有岩心的孔底内管提至地面，获得岩心。

在钻进过程中，应尽量减少岩心管的振动和冲洗液冲刷对岩矿心的影响，同时，为提高岩矿心采取质量，可以限制钻进过程中破坏因素作用的时间，保全岩心管内的破碎岩矿心，防止钻进过程中的破坏因素的作用或减弱其
强度。

需要注意的是：合理确定内管长度；岩心堵塞应立即提钻；准确掌握开始扫孔钻进的时间；提升钻具及打捞内管时，应及时向孔内回灌一定数量的冲洗液，避免因钻杆柱外的液面下降，造成钻杆柱内外之间压力差而使孔壁坍塌。