钻探工程常见问题及分析

1.根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类型弹脆性岩石（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？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。

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？（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？（基本钻探工艺过程）平整场地，挖好循环系统，安装钻塔、钻机、泵和动力机。

按设计的方向开孔，在孔口固定孔口管。

根据所钻岩石的物理力学性质、钻头直径、钻头类型和孔深选择合理的规程参数，一边冲洗钻孔，一边通过给进机构、钻柱给钻头加轴向压力和回转速度。

钻头在孔底钻出一个环形空间，并形成岩心，随着钻孔加深岩心将充满岩心管。

清洁孔底、冷却钻头切削具后，携带岩屑的冲洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉岩屑后，清洁的液体再流回泥浆池，如此循环。

把钻具提至地表，从岩心管内取出岩心。

重新配好钻具，再下放至孔内继续钻进。

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方法。

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、刮削岩石。

7 金刚石钻头有哪些主要类型？全面钻进钻头，通常说的PDC钻头、孕镶钻头、取芯钻头、两级偏心钻头、巴拉斯钻头、还有旋转导向钻头（一般要带旋转导向工具）8 地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？地质岩新钻探指地质勘查钻探，主要目的是钻取地下岩石的岩心，以供科学研究。

油气井钻探的目的是抽取石油和天然气。

在钻井工艺上有很大区别，油气井钻探相对复杂9 空气钻进技术有哪些优点？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。

10 钻孔结构（也称井身结构）？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。

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11、套管在钻探工程中起什么作用？中间套管用于井深较大,对井眼中间井段的易塌、易漏、高压、含盐等地层,起到隔离地层和保护井身的作用。

下入了中间套管可以保证对下部，四通防喷器,可以预防井喷。

套管还能用于套管钻进，钻头和井下工具的起下在套管内进行，利用钢丝绳试下不提钻更换钻头、钻具，能够节省起下钻时间，提高施工效率，大幅度节约钻井成本。

12、钻探设备包括哪些主要内容？钻探设备通常由钻机、钻塔－桅杆、泥浆泵等三部分构成。

对于一些大型钻探设备来讲，划分得可能会更细一点，如石油钻机就号称8大件：井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。

13、什么是正循环钻进？什么是反循环钻进？反循环的形式有多少种？正循环钻进是泥浆自供应池由泥浆泵泵出，输入软管送往水龙头上部进口，再注入旋转空心钻杆头部，通过空心钻机一直流到钻头底部排出，旋转中的钻头将泥浆润滑，并将泥浆扩散到整个孔底，携同钻碴浮向钻孔顶部，从孔顶溢排地面上泥浆槽。

反循环钻进与正循环钻进的差异在钻进时泥浆不经水龙头直接注入钻孔四周，泥浆下达孔底，经钻头拌和使孔内部浆液均匀达到扩壁，润滑钻头，浮起钻碴，此时压缩空气不断送入水龙头，通过固定管道直到钻头顶部，按空气吸泥原理，将钻渣从空心钻杆排入水龙头软管溢出。

反循环钻进按照产生冲洗液上升流动的方式不同，可分为地表喷射反循环，泵吸反循环和气举反循环三种方式。

14、钻进参数主要有哪些？各自起到什么作用？钻进参数有三个：钻压、转速、泵量钻压是孔底碎岩的必要条件。

钻压的大小决定着碎岩的方式和特点，它直接影响钻进速度。

机械钻速与钻压的关系是：机械钻速随着钻压的增加而不断地增大。

一般情况下，转速越高，钻进速度越快。

泵量指送入孔内的冲洗液量，主要是用于清除孔底产生的岩粉和冷却钻头。

随着冲洗液量的增加，对孔底清除岩粉和冷却钻头的能力也增强。

孔底的清洁状态对钻进影响很大。

把孔底破碎下来的岩屑及时冲离孔底，就为连续破碎岩石新鲜面创造了条件，从而避免重复破碎岩屑和无益地消耗功能。

同时，孔底清洁也减少了钻具的磨损和防止某些孔内事故的发生。

在某些比较松软的岩层，冲洗液流可起到喷射碎岩作用。

15、影响地层可钻性的因素有哪些？地层的可钻性不仅取决于地层的结构，土质、岩石自身的物理力学性质，包括岩石的结构构造、强度、硬度、弹塑性、研磨性，及其含水量、化学成分、酸碱性等；还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。

为什么说上天难，入地更难？岩石坚硬，钻头消耗大；全孔取心、取样，要求高；地层易斜，难以保直；井身结构复杂，大直径硬岩扩孔钻进难度高、套管下入难度大；井深，下部地层状况未知；施工周期长，风险因素大，施工费用高……面对这些难题，科钻一井无论是从国内还是国外，都很难找到可以借鉴的成熟先例。

以往，人类对地球内部的勘查因坚硬岩石的阻隔而困难重重。

人们对地球内部的认识，大多是通过地球物理等方法间接获得的，地表地球物理遥测只能获得近地表的构造影像及深部的推测，这种推测存在“多解性”。

而大陆科学钻探是获得地球大陆内部信息的唯一直接途径。

数千米的深部钻探提供了通过保留在垂向层序中的地质记录研究“系统瞬态动力学”的手段，使“多解性”真相大白。

由深部钻探技术和地球物理遥测技术构成的科学钻探工程被誉为“伸入地球内部的望远镜”。

通过大陆科学钻探对岩石圈进行直接观测，可以揭示大陆地壳的物质组成与结构构造，校正地球物理对地球深部的遥测结果，探索地球深部流体系统、地热结构，监测地震活动，揭示地震发生规律，研究全球气候变化及环境变迁，探索地下微生物的分布及潜育条件，预防环境及地下水污染，处理核废料。

长期观察地球变化等，可以解决一系列重大基础科学问题。

钻探技术的难点是：1.钻遇的岩石坚硬、研磨性强，导致钻进速度低、钻头寿命短；2.要求全孔连续采取岩心，导致提钻次数多，加大了辅助工序时间；3.钻遇的片麻岩各向异性显著，加之岩层陡斜、造斜性强，极易产生井斜；4.某些层段井壁坍塌、破碎严重，扩径显著，导致发生孔内事故；5.在坚硬的岩石施工5000m终孔直径157mm的连续取心钻孔，在我国没有先例，没有现成可用的钻探技术，没有深部资料可供参照，施工风险大。

科钻一井的施工采用了“组合式钻探技术”，即石油钻井技术和地质岩心钻探技术的组合，采用石油钻井设备，同时采用地质岩心钻探常用的高转速金刚石取心钻进工艺方法，以这一套特殊的钻探技术体系解决大直径、深孔、硬岩连续取心钻进的技术难题。

施工万米科学深钻是向地球科学进军的一项更加宏伟的工程，也是一项高难度的、高新技术工程，其主要难点是：1.在万米深井中，在高温、高压条件下，不仅岩石坚硬、难钻，且岩石具有一定塑性，易产生孔底缩径事故，甚至在下钻时，找不到井眼，国外超深井钻进时出现过类似事件。

2.由于科学钻井往往需要全孔连续取样，势必占用大量升降作业时间，导致施工周期明显增大。

3.对钻杆柱的性能有更高的要求，在起下钻具时，钻杆柱上部承受万米钻杆重量，需要有很高的抗拉强度，而钻杆柱的底部在钻进时承受井底压力及回转扭矩，对其抗弯强度有很高的要求，一旦发生钻杆折断事故，处理起来相当困难，势必占用大量时间。

4.在高温、高压条件下，采用一般化学处理剂处理的泥浆将会失掉其稳定性，在复杂地层中钻进时，井壁失稳，产生事故。

钻探工程中体现了哪些现代工业技术进步？钻井技术理论主要内容岩石与钻头井眼轨道设计与控制钻井液优选参数钻井油气井压力预测与控制固井与完井特殊复杂井钻井技术涉及到的相关基础学科和理论基础：岩石力学与岩石破碎学杆管柱力学流体力学胶体化学水泥化学优化理论计算机技术钻头。