钻探工程概论(中国地质大学)

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。

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？

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。

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）

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.PDC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。

8.金刚石钻头有哪些主要类型

金刚石钻头按其制造方法不同，可分为烧结法和电镀法两种。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

表镶钻头：金刚石分布在胎体表面上，当其刃角磨钝后可回收复用。钻头按金刚石粒度分粗、中、细三种：5～20粒/克拉的为粗粒钻头；20～40粒/克拉的为中粒钻头；40～100粒/克拉的为细粒钻头。一般情况下，细粒钻头适用于钻进致密、坚硬地层。金刚石都是用天然品。硬度较低、完整岩层；

孕镶钻头：金刚石不只是分布在胎体表面上，而且，还分布于胎体内部的一定层厚中。金刚石是10～80目的天然粉级品或60～129目JR4级的人造品。含金刚石的胎体层称为工作层。钻进时，随着胎体的磨损，金刚石切刃才不断露出，旧切刃失去工作能力或脱掉，新切刃相继出露参加工作。因此，孕镶钻头可保持稳定的钻速，应用范围较广。它坚硬、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）；

还有一种“多层钻头”：它是孕镶钻头的变种形式，与孕镶的区别是胎体内部的金刚石分成几层并有一定排列方式。钻头按金刚石成因分类，可分为天然金刚石钻头(表镶)和人造金刚石钻头(都是孕镶)。此外，还有一种聚晶金刚石钻头，金刚石的镶焊属于表镶，但在工作时却起孕镶钻头作用。它用于钻进较软和研磨性强岩层，可得到很高的钻速。

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。

11.什么是钻孔结构（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。据地层理想柱状图做出来的。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。根据地层条件，一层一层放入套管，所形成图示的结构：

设计依据1．钻孔的用途和目的；2．该地层的地质结构、岩石物理力学性质；3．钻孔的设计深度和钻孔的方位方向、顶角方向；4．必需的终孔直径；5．钻进方法、钻探设备参数。

12.套管在钻探工程中起什么作用？

保护孔壁，支撑孔壁防止倒塌，为钻探提供通道。

在钻探施工过程中，套管用途很广。钻进复杂地层时，用套管护壁堵漏，可保证正常钻进。岩心钻探抽水试验孔可用套管进行止水，保证抽水资料的准确性。长期水文观测和开采孔，可用套管作为出水的通道。

下多层套管的目的主要是考虑一下几个方面：一、每口井至少有两层套管;必须下表层套管，目的是保护浅部地层特别是地层水不受污染；二、通常每口井钻进时所穿越的地层存在多个压力系统，钻井行业标准规定同一裸眼井段上下地层压力系数差不得超过0.4；三、如果同一裸眼井段上下压力系数相差太大，无法进行钻井施工，会出现上漏下喷，必须将上部薄弱地层下套管封住；四、对于特别复杂的地层，如容易缩径和蠕变的石膏盐地层为减少卡钻等事故复杂，多下层套管可减少钻井施工的难度和缩短钻井周期，经评估有可能还降低钻井成本。钻探地质套管是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管。套管又是钻探和钻井工作中下人钻孔内,用以保护孔壁封闭孔身的钢管。它的主要功用是防止孔壁坍塌,隔离地层,封闭涌水或漏水层、油气层。在开采井中,套管又是流