钻探设备与工艺

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四、机械传动式钻机的构成部件
(一)回转器与卡盘
回转器的功用是传递回转动力，提供钻速和转矩，能正反转。 卡盘(转盘式钻机无此件，主轴式钻机的卡盘常与回转器连 为一个部件)的任务也是传递回转运动和扭矩(它起加紧钻杆的 作用)，同时还传递轴向运动和钻进(上顶)力。
(二)给进机构
给进机构是回转钻进的主要执行机构之一，其任务是：称量 钻头质量；进行加压或减压钻进；提供一定的轴向压力和钻进 速度；倒杆、提动和悬挂钻具；强力起拔钻具等。
2、钻探施工的主要工序
钻进现场布置图见图2.1所示。 钻进按下列工序进行： 用升降机把钻具下入孔内； 连接好所有接头，开泵； 给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石； 提钻取心或更换钻具； 下钻继续钻进； 钻进一段时间后及时测斜； 提出全套钻具，停钻； 封孔。
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图2.1 钻探现场布置全貌图
给进机构有以下两种： ①液压给进——通过油缸给进； ②手动机械给进——边回转边通过机械手动给进。
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(三)升降机
又称卷扬机或绞车。在钻进过程中升降钻具和套管。进 行减压钻进，处理孔内事故时，配合给进机构进行强力起拔。
(四)变速箱和分动箱
变速箱用来变更回转器和升降机的转速和扭矩；分动箱 的作用是将动力传送分配给回转器和升降机，或联动两者同 时运转。
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四、往复式泵的工作原理
图2.9 单作用泵工作原理示 意图
图2.10 双作用泵工作原理示意图
1-活塞；2-排水活门；3-吸水活门；4-活塞杆； 5-排水管；6-吸水管；7-水源箱
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五、煤田钻探常用泥浆泵
煤田钻探常用的泥浆泵为几个泵(常说几缸)组成的泥浆 泵。
如NBB系列是由三个单作用活塞泵组成，而TBW系列是 由两个双作用活塞泵组成。
1-钻头；2-岩心；3-岩心管；4-异径接头；5-钻杆柱；6-固定空口管；7-钻机；8-回转器； 9-卡盘；10-提引水龙头；11-游动滑车；12-游动钢绳；13-天车；14-钻塔；15-钻机房；
16-升降机；17-高压胶管；18-泵；19-电动机；20-循环槽；21-沉淀池；22-泥浆池； 23-吸水管；24-拉力表；25-出水管
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四、钻探工程的应用范围和分类
(二)钻探方法的分类
5、根据钻孔布置方法分类——丛状钻探 (图2.2)、多井 筒钻探(图2.3)、多孔底钻探 (图2.4)。
图2.2 丛状布孔
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图2.3 多井筒布孔 图2.4 多孔底布孔
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四、钻探工程的应用范围和分类
(二)钻探方法的分类
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XY-4型立轴式岩心钻机
GPS—15型转盘式钻机
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型 全 液 压 钻 机
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G-3
全液压坑道钻机
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旋挖钻机
旋 挖 钻 机
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车 装 钻 机
履带式跟管钻机
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三、选用、评价钻机的主要参数
钻机的技术参数有以下三种：
1、基本参数：是反映钻机钻进能力最稳定的参数。一般 用钻进深度和使用钻杆的直径联合表示。
2、主要参数：它取决于基本参数。主要有——回转器的 转速、上顶力和钻进力、给进速度和行程、提升能力和 提升速度、钻进的重量与外廓尺寸、动力机的功率和转 速等参数。
3、一般参数：从属于基本参数和主要参数，如钢丝绳直 径、卷筒直径等，反映次要技术参数。
方便，安全可靠，制造成本低廉。
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一、钻塔
3、钻探的类型
按制造钻塔的材质分类 金属钻塔 木质钻塔
按钻塔的构造分类 三角钻塔 四角钻塔 两脚轻便钻塔 桅杆式钻塔
二、钻塔的附属设备
天车 游动滑车 提引钢丝绳 梯道 安全栏杆或土电梯 简易场房 防雨天棚盖 避雷针
第二章 钻探设备与工艺
2.1 钻探方法的选择 2.2 钻探设备 2.3 钻探工艺
2.1 钻探方法的选择
一、钻探工程的定义
钻探工程是用一定的工具，在地壳内按 着一定的工艺破碎岩土体并取岩土试样的整个 过程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。
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二、钻探工程的发展简史
1、中国古代盐井钻凿技术发展时期
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五、全液压钻机
全液压钻机是指钻机的回转、钻进和升降钻具等机构 均用液压驱动完成。全液压钻机一般是由主机、泵站、操 作台三部分组成，中间用高压油管连接。如图2.8所示：
图2.8 全液压钻机结构示意简图
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五、全液压钻机
全液压钻机的特点： 外形和结构与传统机械式钻机完全不同，由三部分组成，
结构简单； 可实现无极调速； 实现无塔升降，能机械自动拧卸钻具； 操作方便，使用工人少； 可实现较远距离操作，操作更加安全，甚至可实现遥控操
作； 但也存在不足：
ａ、消耗功率大，机械效率低； ｂ、液压原件精度要求高，对液压油的质量、过滤精度
要求也很严格，因此维护保养较困难。
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四、钻探工程的应用范围和分类
(一)应用范围
1、地质勘探：普查找矿钻探；矿产勘探钻探；水文地质钻探； 工程地质钻探。
2、开采矿产资源钻探：打水井；石油(天然气)钻探；盐井钻 探。
3、煤矿井下钻探：地质勘探钻探；瓦斯抽放钻探；排放水钻 探；锚杆锚索钻探；救援钻探。
4、工业钻探：加固建筑物的基桩孔；建大桥的大直径(桥墩施 工用空间)钻孔；以测量地面沉降精确变比资料的标孔；加 固水坝、防漏水的防渗漏墙；利用钻孔灌注水泥防治地质灾 害(地面锚索、杆孔)；铺设管道、电缆的技术孔；矿山的竖 井、通风井及多种辅助井；代替开挖隧道打大断面的地下坑 道；用于军事，如导弹的发射井。
①第一阶段——大口径浅井时期：从公元前255年至 公元1040年(自秦至宋初)。
李冰任蜀郡太守后，率领人民兴修都江堰工程的过程 中，发现了多处盐泉，通过认真考察，初步掌握了水文地 质条件，并创造性地运用大口径水井开凿方法，成为了开 凿我国第一口盐井的开拓者。
②第二阶段——小口径深井发明与推广时期：公元 1041－1048年(北宋庆历年间)。
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(二)钻探方法的分类 7、根据钻进使用的冲洗液分类 清水钻进； 乳化液钻进； 泥浆钻进(含加重泥浆)； 饱和盐溶液钻进(钻盐井，以防溶解岩心和孔壁)； 空气钻进； 泡沫钻进； 雾化钻进； 充气泥浆钻进(降低泥浆比重，以防漏失)。
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(二)钻探方法的分类 8、根据冲洗液循环方式分类
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(二)钻探方法的分类
1、根据钻进时取心的特点分类——岩心钻探和不取心 (无岩心、无心、全面)钻探。
2、根据钻孔用途分类——按钻探的应用范围分出相应 类型。
3、根据钻孔中心线的倾角和方位角分类——垂直孔(上、 下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。
4、根据钻孔位置的分类——地表钻探、水上(河、湖、 海)钻探、地下坑道钻探。
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三、钻探施工过程
1、钻孔的概念
钻孔是从地表(或坑道中)向岩石中开凿的圆形断 面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。直径 在25～500mm之间，称为钻孔。钻孔的深度从数厘米 到数千米，目前的钻孔深度已超过10000m。
钻孔包括孔口、孔底、孔壁。
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三、钻探施工过程
判断孔内情况——利用水泵的仪表在地面及时了解孔内 的一些情况。
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二、泵的分类
泵由于其能量转换的方式不同，可分为不同的类型:
往复式泵 —— 活塞泵、柱塞泵等 容积式泵
回转式泵 —— 螺杆泵、齿轮泵等
靠密闭腔容积变化 进行能量转换
动力式泵 —— 离心泵、轴流泵等 —— 靠旋转叶轮进行能量转换
2.2.1 钻 机
一、钻探工艺对钻机功能的基本要求
1、提供使钻杆柱及碎岩钻具(钻头)破岩所需的回转动力； 2、提供钻具克入岩石的压力，并能调节； 3、具有起下钻具的能力。
二、钻机的类型
用于岩心钻探的钻机分为：机械式钻机(包括立轴式钻机 和转盘钻机)、全液压钻机。
当然还有旋挖钻机、车装钻机、履带式钻机。
6、根据破岩形式分类 (1)物理方法破岩：①高温（1400℃～3500℃）、高压
（200~250MPａ）破岩；②用超声波和低声波破岩； ③用爆破、高压水射流等方法破岩。 (2)化学方法破岩：此法使用较少，如溶解、软化岩石 等。 (3)机械方法破岩：使用最为广泛，其分类如图2.5所示。
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(五)摩擦离合器
摩擦离合器是用来切断或接通动力机传来的动力；完成 钻机换档和孔内特殊工序操作(如套岩心、扭断岩心)；起过 载保护作用。
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(六)机座
可分为两种类型：开合式让开孔口机座(为整合式)、 后移式让开孔口机座。
图2.7 立轴式钻机部件构成简图
1-电动机；2-油泵；3-摩擦离合器；4-变速箱；5-分动箱；6-回转器；7-升降机
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2.2.2 泥 浆 泵
一、泥浆泵在钻探工作中的作用
泵是通过一定的方式将动力机的机械能转变为 液体压力能的设备。泥浆泵是泵在钻探中应用的设备。 有以下用途：
提供冲洗液以清除岩屑；
向孔底钻具供给能量——如给涡轮钻具、螺杆钻头、液 动冲击钻具及其它水力冲击钻具提供动力；
输送特种物质——如堵漏、封孔时，利用泵向孔内灌注 水泥浆或其它堵漏物质；
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冲击钻进
手动冲击钻进