钻掘工程学

工程钻探与取样技术复习题1、按成因，岩石可以分为哪几大类？各类的成因是什么？岩浆岩是内力地质作用的产物，由地壳深处的岩浆沿地壳裂隙上升冷凝而成；沉积岩是由岩石，矿物在内外动力地质作用下破碎成碎屑物质后，再经水流、风和冰川等的搬运，堆积在大陆低洼地带或海洋，再经胶结、压密等成岩作用而成的岩石；变质岩是岩浆岩或沉积岩在高温高压或其他因素作用下，经变质作用形成的岩石。

2、金属和非金属矿床一般赋存于哪类岩石中，煤和石油通过赋存于哪类岩石中？金属和非金属矿床一般赋存于岩浆岩中；煤和石油通过赋存于沉积岩中3、什么是岩石的强度，岩石的强度和岩石的硬度有什么区别和联系？岩石的强度是岩石在外载作用下抵抗破坏的性能指标；两者之间的关系：（1）岩石的硬度与抗压强度一般存在正比例关系；（2）抗压强度是物体抵抗整体破坏时的阻力，硬度是固体表面对另一物体局部压入或入侵时的阻力（3）硬度指标更接近于钻掘过程的实际情况。

4、什么是岩石的硬度，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其表面的能力。

影像岩石硬度的因素可以分为自然因素盒工艺因素两类：（1）岩石中石英以其他坚硬矿物或碎屑含量越多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，岩石的硬度越大（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相反，垂直于层理方向的硬度值最小，平行与层理的硬度值最大（3）在各项均匀压缩的条件下，岩石硬度增加。

在常压下岩石硬度越低的岩石，随着围压的增大，其硬度值增加越快（4）一般而言，随着加载速度的增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。

但是当冲击速度小于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的影响更显著。

5、何谓岩石的研磨性？影响岩石研磨性的因数有哪些？岩石研磨性：岩石磨损工具的能力。

影响因素：（1）岩石颗粒的硬度越大，研磨性越强，石英具有强研磨性（2）岩石胶结物的粘结强度越低，岩石的研磨性越强（3）岩石颗粒形状越尖锐，颗粒尺寸越大，岩石的研磨性越强（4）孔隙性岩石表面粗糙，在于工具解除的局部易产生应力集中，从而增加岩石的研磨性（5）硬度相同时，单矿物岩石的研磨性较低，非均质或多矿物岩石研磨性较强（6）当工具与所钻岩石表面摩擦时，在轴向压力为达到岩石的压入硬度值之前，动摩擦因数是轴向力和华东素的的增函数，而达到或超过后，动摩擦系数便保持恒定或有所下降。

（7）介质会改变岩石研磨性，湿润和含水的岩石硬度和研磨性都会降低。

6、何谓岩石的可钻性？划分岩石的可钻性有何意义。

岩石可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。

它是决定钻进效率的基本因素。

岩石可钻性的划分对钻探实际生产来说非常重要，它是选择合理钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制定钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。

7、碎岩工具与岩石相互作用的主要方法有哪几种？硬质合金钻进、冲击回转钻进、牙轮钻进分属哪一类？根据刃具与岩石作用的方式和碎岩机理，把碎岩刃具分为:切削-剪切型、冲击型、冲击-剪切型三类。

硬质合金钻进是切削-剪切型，冲击回转钻进和牙轮钻进是冲进-剪切型8、岩石变形破碎的方式有哪几种，各自有何特点？按破碎特点和钻进效果，岩石破碎方式可以分为3种。

当切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度时，分类下来的岩石颗粒很小，这种变形破坏方式称为岩石的表面研磨，随着轴向载荷的增加，可产生较粗岩粒的分离，这种破坏形式称为疲劳破坏，当切削具与岩石的接触压力大于或等于岩石硬度时，这种破坏称为体积破坏。

9、按钻进方法分，钻机可分为哪几类？（1）冲击式钻机（2）回转式钻机（3）振动钻机（4）复合式钻机10、什么是冲击回转钻进？冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法11、立轴式钻机一般由哪几个传动链组成？包括三个传动链：回转机传动链、升降机传动链和液压泵传动链12、冲洗介质的用途是什么？钻孔冲洗介质的主要功用是：及时排除钻进中产生的岩粉并携带至地表，冷却钻头，润滑钻具，保护孔壁。

另外，冲洗介质还有平衡地层压力，辅助破碎岩石和提供所钻底层的有关信息的功能。

13、名词解释：造壁性，机械钻速，回次钻速，钻进规程，门限钻压。

造壁性：钻井液失水时，随着钻井液中的自由水进入岩层，钻井液中的固体颗粒便附着在空壁上形成滤饼，这便是钻井液的造壁性。

机械钻速：在纯钻进时间内的钻机效果回转钻速：表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔中提出的工序中（即一回次）单位时间的进尺。

钻进规程：在保证质量的前提下为提高钻进效率、降低成本所采用的技术措施，通常指由于操作者认为改变的参数组合。

门阀钻压：切削具开始压入地层时的钻压14、钻井液滤失可分哪几个阶段？各有什么特点？（1）初失水从钻头破碎孔底岩石形成新的自由面开始，钻井液接触到新的自由面，其其中的自由水边向岩石孔隙中渗透，直至钻井液中的固相颗粒及高聚合物在孔壁上开始出现滤饼，这段时间的失水称为初失水（2）动失水在初始水之后，钻井液在循环过程中继续失水，滤饼不断增厚直至滤饼增厚的速度与被冲刷下来的速度相平衡时，滤饼不再增厚而继续失水，这段时间的失水称为动失水（3）静失水停止循环时，钻井液仅在静液柱压力和地层压力之差作用下，发生的失水称为静失水（4）失水的全过程停止循环时，随着静失水的发生泥饼逐渐增厚，泥饼的增厚又使得单位时间的失水量逐渐减小；钻井液继续循环时，失水现象由静失水转为动失水。

这种交替进行周而复始的动失水和静失水过程，便是孔内失水的全过程。

15、何谓硬质合金钻进？其有何特点？硬质合金钻进是把不同几何形状和一定尺寸的硬质合金块，按照一定要求镶嵌在钻头体上，并按一定钻进规程破碎岩石而钻孔的方法。

在软岩及中硬岩石中钻进效率高，钻进质量好，钻探材料消耗少，成本低，钻进操作简便，钻探方法灵活，应用范围广泛。

一般情况下，影响硬质合金钻进效率的主要因素有：岩石的性质、硬质合金钻头的质量及钻进时的操作技术和钻进规程等。

16、试述硬合金钻进的孔底碎岩过程。

（一）塑性岩石的碎岩情况（1）切入岩石的过程：在切削具和岩石接触面的压强达到或超过岩石的压入硬度时，在轴向力作用下，由于切削具后斜面的作用，使切削具的刃尖并非垂直切入岩石（2）回转切削过程：切削具切入岩石并回转时，在水平力作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断向自由面滑移，称为切削作用。

在切削的裂隙尚未发展到全断面裂隙之前，下一部分切屑又发生滑移。

因此，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。

（二）脆性岩石的碎岩情况（1）切入岩石的过程：在切削具和岩石接触面的压强达到或超过岩石的压入硬度时，在轴向力作用下，切削具切入岩石。

此时岩石发生脆性剪切，破碎的岩屑向自有面崩出（2）回转切削过程：当切削具在水平力作用下前进时，首先将刃尖前的岩石剪切掉，称为大剪切，于是水平力突然降落下来。

当切削具继续前进时，在切削具刃尖前不断发生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑。

经过不断的小体积剪切后，切削具刃前与岩石接触的面积不断增大，直至又达到全接触时，又发生一次大剪切。

因此在脆性岩石中的回转切削过程是由数个小剪切和一个大剪切组成的不断循环的过程。

15、何谓金刚石钻进？其有何特点？金刚石钻进：利用金刚石钻头碎岩的钻进。

16、试述金刚石钻进的孔底碎岩过程1.金刚石切削碎岩的基本过程：①把钻头上的一粒金刚石看作在轴向压力Py和切向力Px作用下沿岩石表面移动的切削具；②岩石破碎时力Px 克服岩石抵抗破碎的反力Pg和摩擦力T上；Px = Pg +T= Pg + Py ff——金刚石与岩石的摩擦系数；Py ——每粒金刚石上的载荷；③表镶单粒金刚石在Py,Px联合作用下，类似球体压入岩石(弹脆性岩石)产生大小剪切体，切槽宽度＞金刚石颗粒直径；金刚石被磨钝时，在Py,Px作用下岩石中出现一些微小的裂纹，岩石的致密结构被改变；④孔底某一点经多次重复加载产生破碎，具有疲劳破碎的性质2.孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程:①孕镶金刚石钻头的孔底碎岩过程不同于表镶钻头;②金刚石颗粒小埋藏于胎体之中，孕镶钻头必须在钻进规程中保持自磨出刃的性能（“自锐”），才能维持钻速恒定而不衰减;③其碎岩机理类似于砂轮磨削工件。

以唇面上多而小的硬质点（金刚石）对加工件（孔底岩石）进行刻划、磨削，随着硬质点的逐渐磨损和消失及粘结胎体的不断磨耗，新的硬质点又裸露出来参加工作;④唇面金刚石出露较好时，也存在孔底的微剪切和微压碎作用⑤17、金刚石钻头的胎体有何作用？为什么必须与所钻地层相适应？对孕镶钻头而言，根据所钻岩石正确选择胎体硬度（耐磨性）是非常重要的。

为了保证孕镶金刚石能及时出刃，在钻进过程中孕镶钻头胎体的磨损应稍超前于金刚石。

合适的胎体耐磨性能使唇面金刚石正常出刃，并且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑。

随着工作金刚石的磨钝，胎体应在岩粉的磨蚀下促进新的金刚石出刃。

在坚硬岩石中钻进时，必须选择低耐磨性（硬度较小）的胎体。

18、何谓金刚石扩孔器？其作用如何？金刚石扩孔器位于钻头和岩心管之间，它的直径略大于钻头直径，其功能是：（1）修修整钻壁，保持钻孔直径符合设计要求，从而减少新钻头下孔时的扫孔工作量；（2）保持孔内钻具在高速条件下的工作稳定性。

19、试述钢粒钻进的碎岩机理圆柱形钢粒在钻头轴向和回转力（联系力）作用下在孔底岩面不断翻滚，以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎方式破岩。

（1）动压入体积破碎：①圆柱形钢粒在孔底每翻滚一次都会给岩石一个微动载作用；②完整钢粒的棱边与岩石接触类似于楔形工具动压入破岩，钢粒与岩石的接触面积很小，压应力集中，周围的岩石出现裂纹，继而产生跳跃式体积破碎；③由于孔底不平，可能轴载瞬时集中在少数钢粒上，更加强了这种动压入体积破碎。

（2）动疲劳破碎：①钢粒在不断翻滚中，逐渐被磨成椭球形或球形；②以一定的压力压于岩石表面时，类似于球形压模动压入岩石的情况，下部岩石存在着两个危险极值带，压力边缘存在拉伸应力，有助于产生一定深度的表面裂纹；③众多钢粒的重复碾压，裂纹加深加密，加之冲洗液的侵蚀作用，使交叉发育的裂纹以岩屑的形式被剥离下来离开母体。

这就是钢粒钻进的主要破岩方式——动疲劳破碎；④若轴载越大，则造成疲劳破碎所需要的重复次数越少，破岩效果越好；⑤在实际生产过程中，上述两种破岩方式往往是同时发生的，只是新鲜的圆柱形钢粒以第一种为主，被磨圆的钢粒以第二种为主；⑥由于孔底不平，经冲洗液分选后的钢粒形状不一、尺寸不均、压力不均，加之孔底环状间隙大，这些都造成钢粒钻具振动加剧，这种振动对钢粒动压入、动疲劳破岩是有利的⑦20、何谓牙轮钻进？牙轮的布置有哪些形式？各有何特点？牙轮钻进——利用牙轮钻头在井底回转，使牙轮在井底滚动，以冲击和压碎剪切方式破碎岩石的一种钻进方法。