钻探工程概论试题及答案

钻探工程概论复习题

1.根据岩的变形特性，图示说明岩的三种类型。

弹塑性岩弹脆性岩高塑性和高隙性岩

弹脆性岩（花岗岩、英岩、碧铁质岩）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（岩、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。

高塑性（粘土、盐岩）和高隙性岩（泡沫岩、隙灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头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。

2.什么是岩破碎的体积破碎？

岩的变形破碎形式表面破碎疲劳破碎体积破碎

表面破碎：切削具与岩的接触压力远远小于岩硬度，切削具不能压入岩。切削具移动时，将研磨底岩，岩破碎是由接触摩擦功引起的，研磨的岩颗粒很小，钻进速度低。这种变形破碎式称为岩的表面研磨，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硬度，可使岩晶间联系破坏，岩结构间缺陷发展，特别是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硬度，切削具可有效地切入岩，结果是：切削具在底移动时不断克服岩的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩，破碎效果好。

3.什么是岩的各向异性？对钻进有哪些影响？

沉积岩在平行于和垂直于层理面向上的岩物理力学性质具有明显差异，即各向异性。

岩在不同向上表现出不同的强度值称为岩的各项异性。

岩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向上的排列，分布不同而导致的，这种各向异性会随着岩的应力变化而变化，可称为应力各向异性；另一种是由于岩颗粒的定向排列引起的，这种岩的各向异性不会随着岩的应力变化而改变。

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，在钻进这样的岩层时会加大钻进的工作量，因此岩的各向异性会影响钻进效率。

影响钻偏斜：由于存在岩的各向异性，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，会影响钻的偏斜量。

4.影响岩硬度的因素有哪些？

岩的硬度反映岩抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。

（1）岩中英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩的颗粒越细，结构越致密，则岩的硬度越大。而隙度高，密度低，裂隙发育的岩硬度将会降低。（2）岩的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩硬度的影响正好与对岩强度的影响相反。垂直于层理向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之

间可相差1.05～1.8倍。岩硬度的各向异性可以很好地解释钻弯曲的原因和规律，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，岩的硬度增加。在常压下硬度越低的岩，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、高塑性及多隙岩硬度的影响更显著。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。

（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，作为破碎岩的工具，这种钻进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，尤其是土层的钻工作，主要靠硬质合金钻进。）

7.简述孕镶金刚钻头的碎岩机理

聚晶金刚复合片的简称。是油钻井行业常用的一种钻井工具。它是以金刚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，金刚厚度一般小于1mm,切削岩时作为工作层，碳化钨基体对聚晶金刚薄层起支撑作用，两者的有机结合，使PDC既具有金刚的硬度和耐磨性，又具有碳化钨的结构强度和冲击能力。由于聚晶金刚晶体间的取向不规则，不存在单晶金刚固有个解理面，所以PDC的抗磨性及强度高于天然金刚，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)对底岩进行刻划磨蚀,并且随着金刚的逐渐磨损和消失以及粘结胎体的不断磨耗,新的金刚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,以微压裂压碎为主;对于塑性岩,以微切削为主。

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

在一些脆性较大的岩里（如砂岩、灰岩等），钻头上的金刚颗粒在钻压扭矩的同时作用下，破碎岩的体积远大于金刚颗粒的吃入与旋转体积。当压力不大时,只能沿金刚的运动向形成小沟槽，加大压力则会使小沟槽深部与两侧的