第五章 回转钻进工艺

第三节 金刚石钻进工艺
Diamond drilling technology (一) 合理选择金刚石钻头（To choose diamond bit 一 合理选择金刚石钻头（ properly） ） (二) 金刚石钻进规程参数（Diamond drilling regime） 二 金刚石钻进规程参数（ ） (三) 金刚石钻进的临界规程（Critical condition of 三 金刚石钻进的临界规程（ drilling） ）
vm ∞ ( P − W )
P 与 p
W：门限钻压 W
Relationship curve between bit weight and mean penetration rate
vm ∞n
vm ∞n λ
λ
Relationship curve between bit speed and mean penetration rate
（2）转速的选择 ） 人们习惯用转速n来表述钻头的回转速度，实际上用钻头切削具的线速度v更科 学，它消除了直径的影ຫໍສະໝຸດ Baidu。两者的关系为：
1 v = πDn 60
式中：D：钻头平均直径，m； n：钻头转速，r/min。 岩石的性质和破岩的时间效应 时间效应影响。 选择钻头转速的主要依据是岩石的性质 岩石的性质 时间效应
时间效应： 弹性变形—— 时间效应：岩石在切削具作用下，从发生弹性变形 弹性变形 形成剪切体——跳跃式吃入岩石 跳跃式吃入岩石至一定深度，需要一个 形成剪切体 跳跃式吃入岩石 短暂的时间△t，即要求承受载荷的切削具在即将发生破 碎的岩石表面停留一定短暂的时间△t，使裂隙得以沿剪 切面发育至自由面，才能形成剪切体。如果转速超过临 界值，则切削具作用于岩石的时间小于△t，岩层中的裂 隙尚未完全发育，载荷便移走了，从而造成破岩深度减 小，甚至使岩石破碎状态转化为表面破碎。 岩石的研磨性影响也从另一个角度说明了时间效应 的重要性，当转速过高时，不仅破岩深度减小，而且切 削具在单位时间内与岩石的摩擦功明显加大 单位时间内与岩石的摩擦功明显加大，切削具快 单位时间内与岩石的摩擦功明显加大 速被磨钝，造成接触面上比压降低，从而使得在岩石中 裂纹发育所需的时间延长，对破碎岩石更为有利。
H1 = v0 − k0 H1 t H2 = v0 − k0 H 2 2t
2 H1 − H 2 k0 = 2t ( H 2 − H1 )
(二) 自磨式硬质合金钻头的规程特点 二 自磨式钻头与磨锐式钻头的主要区别在于：切削具与孔底接触面积恒定,要求 切削具能正常自磨出刃,其破岩过程以微剪切和磨削 微剪切和磨削为主,钻速比较平稳.自磨式钻头 微剪切和磨削 的钻进规程特点： 1、钻压，比磨锐式钻头大２０～２５％； 大２０～２５％ 转速高，提高单位时间的破岩次数； ２、转速，比磨锐式钻头转速高 转速高 ３、泵量，过水断面大，为了净化孔底，应采用大于磨锐式钻头的泵量。同时 随着胎块的磨耗，过水断面减小需及时调整泵量 减小需及时调整泵量，以防蹩泵。 减小需及时调整泵量
V=（h0-µn）mn
V=h0mn
表5－2 硬质合金线速度的推荐表 －
岩 石 性 质 软的，弱研磨性岩石 中硬的，具有研磨性的岩石 中硬－硬的研磨性岩石 裂隙性岩石
线 速 度 取 值 范 围（m/s) －1.6 －1.2 －0.8 －0.6
(3) 泵量的选择
为了提高钻速，在可能的条件下应该尽量选用清水作冲洗液；若用泥浆，其粘 为了提高钻速 度和密度值宜小不宜大，并尽量采用低固相不分散泥浆。
• 一、钻进效果指标（drilling indexes） 钻进效果指标（ ） 衡量钻进工艺效果的主要指标：钻速、 衡量钻进工艺效果的主要指标：钻速、每米钻孔成 本、岩矿芯采取率和钻孔方向等。 岩矿芯采取率和钻孔方向等。 1、平均机械钻速（mean penetration rate） 、平均机械钻速（ ） 2、回次钻速（drilling speed per run） 、回次钻速（ ） 3、技术钻速（technical speed of drilling ） 、技术钻速（ 4、经济钻速（commercial speed of drilling） 、经济钻速（ ） 5、循环钻速（cycle speed of drilling ） 、循环钻速（
2、合理规程（rational drilling regime） 、合理规程（ ）
在给定的技术装备条件下，当钻进规程参数的选择受到期 某种制约时，在保证钻孔质量指标的同时争取最大钻速的钻 进参数组合叫做合理规程。
3、专用规程（special drilling regime） 、专用规程（ ）
为完成特种取芯、矫正孔斜、进行定向钻进等任务所采用 的参数搭配。 确定钻进规程的一般步骤 一般步骤：根据地层条件、钻头类型、 一般步骤 设备条件和工人的技术水平等因素，查阅相关手册或标准， 对每个工艺参数初选一个取值范围；其次，在以往经验的基 础上，初步确定规程参数的若干个取值；最后，在生产实践 中边钻进、边测算钻速和钻进成本，加以分析对比或借助计 算机进行处理，找出钻效高、成本低的参数组合。
5、冲洗液性能对钻速的影响（Effect of properties of drilling fluid on 、冲洗液性能对钻速的影响（ penetration rate） ） 冲洗液的密度、粘度、失水量和固相含量及其分散性都对钻速有 不同程度的影响。 5、1 冲洗液密度对钻速的影响（Effect of density of drilling fluid on 、 冲洗液密度对钻速的影响（ penetration rate ）
vm = v0 e
− β • ∆p
V0：零压差时的钻速；△p： 孔内液柱压力与地层孔隙 压力之间的压差，β与岩石 性质有关的系数。
5、2 冲洗液粘度对钻速的影响（Effect of viscosity of drilling fluid on 、 冲洗液粘度对钻速的影响（ penetration rate） ） 冲洗液粘度是通过影响孔底压差和孔底净化作用而间接影响钻速的。其他 条件一定时，冲洗液粘度的增大，将使孔底压差增大，并使孔底钻头获得的水 功率降低，从而使钻速降低。 5、3 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响（Effect of volume of solid 、 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响（ phase and its dispersal in drilling fluid on penetration rate） ） 冲洗液固相含量及其固相颗粒的大小和分散度对钻速和钻头寿命都有明 显影响。一般应采用固相含量低于4%的低固相不分散冲洗液。
每米钻进成本
Cb + Cr (t + t1 + T1 + T2 ) C= H
m。 对上式进行变换，可写成
（元/m）
式中：Cb：钻头价格，元；Cr：钻机单位时间作业费用，元/h；H：钻头进尺数，
Cb Cr (1 + k + K1 + K 2 ) C= + vm • t vm
（元/m）
而
h t= vd
第 一 种 方 法
Vm=H/t Vi=dH/dt
第二种方法 H
H vR = = tgθ t + t1
B
A
θ t1 t0 t
第三种方法:分析与计算 第三种方法 分析与计算 费得洛夫提出,在一定条件下切削具的磨钝面积与其初始面积和钻进时间有关。
s (t ) = s 0 + θ t
式中：S0—切削具的初始面积，mm2；t—磨损时间，min；θ—取决于岩石性质的磨 损系数，mm2/min。 硬质合金钻进的机械钻速随着切削具接触面积的增大而下降，其瞬时机械钻速vm与 切削具磨钝面积的平方成反比
vm
A = 2 (S 0 + θ t )
式中：A—系数，当岩性、钻进规程及钻头一定时它为常量。
当t=0时，
v0 = A / S
2 0
A A v0 vm = = = 2 (S0 + θt ) S 2 (1 + θ t ) 2 (1 + k0t ) 2 0 S0
式中，k0—钻速下降的特征系数。
0
岩 层 Ⅰ－Ⅳ级 软－部分 中硬岩石 Ⅴ－Ⅵ级 中硬－部 分硬岩石 研磨性大的岩石 切削具形状 片层 方柱状 中八角柱状 大八角柱状 方柱状 中八角柱状 单位压力推荐值p （KN/颗） 0.40－0.70 0.80－1.20 0.90－1.40 1.50－1.80 1.20－1.40 1.20－1.70
• 三、钻进过程中各参数间的基本关系
1、钻压对钻速的影响 、 2、转速对钻速的影响 、 3、切削具的磨损对钻速的影响 、 4、水力因素对钻速的影响 、 5、冲洗液性能对钻速的影响 、 5、1 冲洗液密度对钻速的影响 、 5、2 冲洗液粘度对钻速的影响 、 5、3 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响 、
3、切削具的磨损对钻速的影响 、 在钻进过程中随着切削具的磨钝，切削具与岩石的 接触面积逐渐增大，若此时钻压值保持不变，则钻速 必然下降。这与钻头唇面比压下降有关。 4、水力因素对钻速的影响 、 表征钻头及射流水力特征的参数统称为水力因素。 一定的钻速条件下，意味着单位时间内钻出的岩屑总 量一定，而该数量的岩屑需要一定的水功率才能完全 清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻 速降低。 对于孕镶金刚石和自磨式钻头钻遇弱研磨性地层时， 为了保持钻头一定的自锐能力，孔底须保持一定的岩 粉量。 水力因素影响钻速的另一种形式是对软岩的水力 破岩作用。
(4) P、n、Q参数间的合理配合 、 、 参数间的合理配合
软岩石研磨性小，易切入，应重视及时排粉，延长钻头寿命，故应取高 转速、低钻压、大泵量的参数配合； 对研磨性较强的中硬及部分硬岩石，为保持较高的钻速并防止切削具过 早磨钝，应取大钻压、较低的转速、中等泵量的参数组合。
(5)确定最优回次钻程时间的方法 (5)确定最优回次钻程时间的方法
H vm = t
H vT = t + t1 + T1
H vr = t + t1
H ve = t + t1 + T1 + T2
H vc = t + t1 + T1 + T2 + T3
• 二、钻进规程
所谓钻进规程是指为提高钻进效率、降低成 本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操 作者人为改变的参数组合。在回转钻进中主要的 钻进参数：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、 单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。 1、最优规程（optimal drilling regime） 、最优规程（ ） 当地质-技术条件和钻进方法确定时，在保证 钻孔质量指标的前提下，为获取最高钻进速度 最高钻进速度或 最高钻进速度 最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配 。 最低每米钻进成本 搭配
细分散和粗分散
相 对 钻 速 %
不分散低固相聚合物泥浆
第二节 硬质合金钻进工艺
（Drilling techniques of carbide-insert bits） ）
一、磨锐式钻头的钻进工艺 （1）钻压的选择 ）
钻压增大,钻速 钻压增大 钻速 增加最为明显
表5－1 YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值 － 硬质合金切削具的单位压力推荐值
第五章 回转钻进工艺
Drilling techniques in the rotary-table drilling
• 第一节、钻进效果指标及钻进规程参数间 第一节、 的关系 • 第二节、硬质合金钻进工艺 第二节、 • 第三节、金刚石钻进工艺 第三节、 • 第四节、钢粒钻进工艺 第四节、
第一节 钻进效果指标及钻进规程参数间的关系 Relationship between drilling indexes and parameters of drilling regime
(t)
h1
H1 H2
v0t H= 1+ k0t
在t时间的平均钻速则为:
1 (t) 2 (t) 3 (t) 4 等时间隔的进尺变化 h4 h3 h2
H vav = = v0 −k 0H t
K0值可用实际测定的方法确定,如左图. 取等时间隔t,,测定每一间隔t的进尺, 然后可求出k0.
vav1 = v0 − k0 H1 vav 2 = v0 − k0 H 2