钻探工艺——勘探钻进原理
油田开发中的油井钻探技术与工艺
油田开发中的油井钻探技术与工艺油井钻探是油田开发中关键的环节之一，其技术与工艺的选择和应用对于油田的开发效益和生产安全至关重要。
本文将介绍油井钻探的基本概念、钻井设备与工艺、油井井眼形状与方向控制以及常见的采取措施等内容，以帮助读者对油井钻探技术与工艺有更全面的了解。
一、油井钻探基本概念油井钻探是指通过钻井设备将钻头钻入沉积岩层，以获取地下岩层样本或岩石地层中的石油资源。
钻探速度、钻进质量和井眼质量是衡量钻进效果的重要指标。
常见的钻探方法有旋转钻进、回转钻进和振动钻进等。
二、钻井设备与工艺钻井设备包括钻机、钻头、岩屑清洁器等。
其中，钻机是进行钻进的主要设备，分为旋挖钻机和循环钻机两种类型。
旋挖钻机主要适用于软岩层的钻进，而循环钻机适用于较硬的岩层。
钻头是钻进过程中用于破碎和切削地层的工具，常用的有PDC钻头和三翼钻头。
岩屑清洁器则用于清除钻进过程中产生的岩屑，确保钻进的顺利进行。
钻井工艺包括井眼设计、钻柱组装、钻井液配置、压井与套管等工序。
井眼设计是根据沉积地层的特点和钻进目标制定的钻进参数，包括井眼直径和井眼形状等。
钻柱组装是将钻具等设备组合起来，形成一根完整的钻柱，以便进行钻进作业。
钻井液配置是根据地层情况和钻进需求来选择和配置钻井液，以提供足够的冷却和润滑效果。
压井与套管是在钻井过程中进行的井口防喷和井壁固井的工序，以确保钻井安全和井壁稳定。
三、油井井眼形状与方向控制油井井眼形状和方向的控制是为了满足油田开发的需要，如提高采收率、减少井阵间的干扰等。
常见的井眼形状有直井、曲线井和水平井等。
直井是指井眼呈直线形状，适用于油层埋深较浅且地层平稳的情况。
曲线井则是在一定的井段内进行井眼倾斜或弯曲，以达到改变钻井方向的目的，常见的曲线井有S型井和J型井。
水平井是指井眼在一定的井段内水平延伸，以增加油井与油层接触面积，提高采收率。
井眼方向的控制主要通过测斜仪和定向钻进技术实现。
测斜仪是用于测量井眼的倾斜角度和方位角度的仪器，可以提供准确的井眼位置信息。
钻探工艺培训课件
引言钻探指的是用机具钻孔取样，判定地层地质情况、获取地质信息的作业。
钻探技术发源于中国四川，其首要作用是找水喝，其次是找盐吃。
钻探技术堪称是我国四大发明之后的第五大发明。
目的就是取盐。
钻探是地质勘探工作中的不可缺少的一项重要技术手段。
用机器从地表向地下钻形成圆柱形孔就叫钻孔，用各种方法使钻孔不断向下延伸的过程叫钻进。
钻孔的作用：用以鉴别和划分地层。
从钻孔中不同深度处取得岩心、矿样、土样进行分析研究；确定岩层、矿物的储量、所处位置、矿物的种类及品质等；用以测定岩石和土层的物理、力学性质和指标，提供设计需要；下入仪器获取地球地层内部信息。
钻探工程所用钻机主要分为回转式、冲击式及冲击回转式等几种。
钻探工程按钻孔用途可分为：①固体矿产钻探；②石油天然气钻探；③水文地质钻探。
④地热钻探。
⑤工程地质钻探；⑥科考钻探；以及大口径灌注桩成孔。
孔深几百米～几千米。
第一章：钻探技术与规程（钻探工艺）第一节、硬质合金钻进利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具作为破岩的工具，这种钻进方法称作硬质合金钻进。
（一）、硬质合金钻进特点1、由于切削具固定在钻头体上，它可以钻进任意倾角的钻孔，不受孔内、孔径孔深的限制。
所钻出孔壁及岩心其直径比较一致，表面光滑，这对于安全钻进和保证取心是有利的。
2、可以根据不同的岩性和要求，合理设计和选择钻头的结构，以便在不同的地层都取得良好的效果和满足工作的要求。
3、钻进中，操作简单、规程参数的允变范围大、容易掌握。
4、较容易保证钻孔质量、岩心采取率较高、孔斜较小。
（二）影响硬质合金钻进的主要因素1、岩层性质：如硬度、研磨性、裂隙性、不均匀性及岩层的硅化程度。
2、钻头的结构：如硬质合金的切削刃的硬度、强度韧性和抗磨性能，硬质合金切削具的形状、规格、切削具在钻头上的排列形式、数量镶焊方法及镶焊的质量等。
3、钻进时的操作技术及钻进规程：如钻压、转速、泵量等。
（三）硬质合金钻头的选择和使用1、取心硬质合金钻头的规格必须符合《地质钻探钻头图谱》中标准图纸的要求。
钻探工程基本概念
在钻探过程中，钻杆需要进行定期检查和维护，以确保其正常运转和延长使用寿命。
其他辅助设备
除了钻机、钻头和钻杆之外，钻探工 程还需要其他辅助设备，如泥浆泵、 水泵、绞车、发电机等。
选择合适的辅助设备可以提升钻探效 率和质量，同时也可以降低工程成本 和风险。
这些辅助设备在钻探过程中起到重要 的辅助作用，如输送泥浆、排水、提 升钻具等。
04
钻探工程的操作流程
钻孔设计
钻孔位置选择
根据地质勘查任务和工程要求，选择合适的钻孔 位置，确保能够获取到所需的地质信息。
钻孔深度与直径
根据地质勘查目的和岩土工程要求，确定钻孔的 深度和直径，以满足工程需求。
钻孔角度与方向
根据地质构造、地下水流向等因素，设计钻孔的 角度和方向，以获取更准确的地质信息。
根据钻孔的用途，钻探工程可分 为地质钻探、水文地质钻探、工 程地质钻探、矿产资源钻探等。
根据钻孔的深度，钻探工程可分 为浅孔钻探、中深孔钻探、深孔
钻探等。
根据钻孔的直径，钻探工程可分 为小口径钻探、中口径钻探、大
口径钻探等。
钻探工程的应用领域
地质勘查
水文地质调查
通过钻探工程获取地下岩土样品，进行地 质构造、矿产资源分布等研究，为资源开 发、环境保护等提供基础资料。
钻探工程基本概念
• 钻探工程概述 • 钻探工程的基本原理 • 钻探工程的主要设备 • 钻探工程的操作流程 • 钻探工程的安全与环保 • 钻探工程的未来发展与挑战
01
钻探工程概述
定义与特点
定义
钻探工程是指通过钻探设备在地 下钻孔，获取岩土样本、地下水 、油气等资源的工程技术。
特点
钻探工程具有高精度、高效率、 高风险等特点，需要综合考虑地 质条件、钻探目的、钻探深度、 钻孔口径等因素。
矿产资源勘探工作原理
矿产资源勘探工作原理尊敬的读者：矿产资源勘探工作原理矿产资源勘探工作是指为了探明潜在的矿产资源储量，以便进一步的开采，实现资源的可持续利用和保值增值的工作。
下面将从地质勘探方法、矿产资源勘探工作技术流程和工作原理等方面进行论述。
一、地质勘探方法地质勘探方法是指通过对地球的地质特征、矿产资源运移规律等进行系统研究，以获取地壳中的矿产资源信息的科学方法。
常用的地质勘探方法包括地表勘探、地面勘探和地下勘探等。
1. 地表勘探地表勘探是利用地表岩石、土壤和地下水等自然界存在的物质、现象和过程来判断地下矿产资源的存在与含量。
地表勘探方法有地质地貌勘探、遥感勘探和地球物理勘探等。
地质地貌勘探是通过对地貌、岩石等地质特征进行观察、记录和分析，从而推断地下矿产资源的分布和特征。
遥感勘探是通过对航空或卫星遥感图像的解释分析，识别地表特征，寻找矿产资源的方法。
地球物理勘探是利用地球物理现象测定地下岩石及其所含矿物的物理性质，从而推断地下矿产资源的存在。
2. 地面勘探地面勘探是利用地下岩石、土壤和地下水等介质进行勘探的方法。
主要包括地质测量、地球化学和钻探等技术。
地质测量是通过测量地震波、地磁场、重力场等物理量的变化来推断地下岩石构造和矿产资源的存在。
地球化学是通过对地下岩石、土壤、水等进行化学分析，从而判断地下矿物含量和矿产资源的分布。
钻探是通过在地面钻取岩心，获取地下岩石和矿石的详细信息，从而判断地下矿产资源的存在和储量。
3. 地下勘探地下勘探是通过在地下进行勘探工作，直接获取地下岩石、矿石等信息的方法。
常用的地下勘探方法有坑探、巷道探测和井探测等。
坑探是通过在地下开挖坑道，观察、记录和采集地下岩石和矿石的信息。
巷道探测是通过在地下开挖巷道，对地下岩石和矿石进行直接观察和采集。
井探测是通过在地下钻探井孔，获取地下岩石和矿石的详细信息。
二、矿产资源勘探工作技术流程矿产资源勘探工作涉及到多个技术环节，其技术流程包括需求调查、勘探设计、现场勘探、矿床评价和资源储量估算等。
钻井的原理
钻井的原理钻井是指利用钻井设备在地下进行钻孔作业，以获取地下资源或进行地质勘探。
钻井的原理主要包括钻井工艺、钻井设备和钻井技术三个方面。
首先，钻井工艺是指钻井作业的整体流程和方法。
钻井工艺包括确定钻井目标、设计钻井方案、准备钻井设备、进行钻井作业和完工等环节。
在确定钻井目标时，需要充分了解地质条件和勘探需求，确定钻井的深度、位置和方向等参数。
在设计钻井方案时，需要考虑地下地层情况、井筒结构和井壁稳定等因素，制定合理的钻井工艺路线和作业流程。
在准备钻井设备时，需要配备钻井机、钻头、钻杆、泥浆泵等设备，确保钻井作业的顺利进行。
在进行钻井作业时，需要根据地层情况和钻井进度，及时调整钻具和钻井参数，保证钻井作业的安全高效。
在完工环节，需要对钻井井眼进行固井、封井和测试等工作，确保钻井作业的圆满结束。
其次，钻井设备是指用于进行钻井作业的各种设备和工具。
钻井设备包括钻井机、钻头、钻杆、泥浆泵、井下工具等。
钻井机是钻井作业的主要设备，根据动力来源和钻井方式的不同，可以分为机械钻机、液压钻机、电动钻机等类型。
钻头是钻井作业的关键工具，根据地层情况和钻井目标的不同，可以选择钻头的类型和规格。
钻杆是连接钻头和钻机的工具，根据井深和钻井方式的不同，可以选择钻杆的长度和材质。
泥浆泵是用于输送和循环钻井液的设备，根据井眼直径和井深的不同，可以选择泥浆泵的流量和压力。
井下工具是用于测量和控制井眼参数的设备，包括测井工具、固井工具、封井工具等。
最后，钻井技术是指利用钻井设备进行钻井作业的技术方法和操作技巧。
钻井技术包括钻井液技术、井壁稳定技术、井眼测量技术、井筒完井技术等。
钻井液技术是指通过控制钻井液的性能和循环方式，保证钻井作业的顺利进行。
井壁稳定技术是指通过选用合适的井壁支护材料和方法，保证井眼的稳定和安全。
井眼测量技术是指通过测井工具和测井方法，获取井眼的地质参数和工程参数。
井筒完井技术是指通过固井工具和封井工具，对井眼进行固井、封井和测试，保证钻井作业的成功结束。
岩芯钻探的概念
岩芯钻探的概念岩芯钻探是一种常用的地质勘察和矿产勘探方法，主要用于取得地下岩石的样品。
岩芯钻探通过旋转钻头在地下进行钻探，并取得岩芯（岩石心），可以对岩石的性质、结构、成分、孔隙度、透水性等进行详细的研究和分析，对地下工程建设、矿产资源勘探以及自然灾害预防等方面具有重要的作用。
1. 岩芯钻探的原理岩芯钻探利用了钻头对岩石的破碎和磨损作用，以及钻井液的冲洗和冷却作用，取得岩芯样品。
钻井液是岩芯钻探中不可或缺的部分，它通过钻杆进入钻孔，并从钻孔底部流回地面，将钻孔清理干净，同时可以冷却钻头，防止钻头过热损坏。
2. 岩芯钻探的步骤（1）钻井前的准备阶段：在选择钻探点之前要进行地质勘察，确认取芯点的深度，确定钻探方向和用途。
（2）钻孔阶段：岩芯钻探通常采用钻杆旋转和下压对岩石进行钻探，钻孔的深度可以根据需要来确定。
在钻井过程中，通过不断加长钻杆与连续注入钻井液来保持钻孔的稳定和深度。
钻孔完毕后，通过取出钻头或者回转钻杆进行岩芯的采样。
（3）样品处理阶段：将钻获得的岩芯样品进行处理，包括标记、切割、测量、定向等处理。
岩芯还需要进行室内试验，包括岩芯的物理性质、化学成分、岩石组成等的分析。
3. 岩芯钻探的应用岩芯钻探在大规模的地质调查、矿产勘探、水文地质勘探、工程建设等领域都得到广泛的应用。
（1）地质调查：对于岩石的性质、组成、结构、构造和形态等，可以通过岩芯钻探实现详细的研究和分析，构建和完善地质数据和地质图。
（2）矿产勘探：在矿产勘探中，可以通过岩芯钻探来探明矿石的性质、分布等信息，为矿产的开采提供重要的参考。
此外，也可以进行一些物理性质测试，如磁强测试，从而帮助确定矿体的范围和赋存方式等。
（3）水文地质勘探：对于水文地质勘探，岩芯钻探可以用来研究岩石的透水性质和储水性能，为水资源勘探和利用提供重要参考。
（4）工程建设：在工程建设中，岩芯钻探可以用于工程施工路线的勘探和设计，以及地下工程的预测和评估。
综上所述，岩芯钻探是一种非常重要的地质调查和矿产勘探技术，为人们了解地下岩层的性质提供了重要的手段。
第一讲 钻探基础知识
第一讲钻探基础知识一、钻探的基本概念1、钻探：用钻机按一定设计角度和方向向地下钻孔，通过取出孔内的岩芯、岩屑或在孔内下入测试仪器，以探明地下矿产储量、了解地层结构、岩石性质及满足其它工程施工要求等，这种工程称为钻探。
2、岩芯钻探：钻进时，在孔底保留岩芯，并主要以提出的岩芯来研究、了解地下地质和矿产情况的钻探方法。
3、钻进：利用钻头在孔底工作，破碎岩石和继续加深钻孔的作业。
它包括破碎孔底岩石和使钻孔按要求延伸两个方面。
4、钻进方法：向地下钻孔时，破碎孔底岩石的方法和技术措施的总称。
5、钻探工艺：如何利用一定的设备和工具来破碎岩石（土层），在地层中造成一个有一定直径和深度的圆滑规则的钻孔，并采取一定的技术措施以保证钻进工作顺利进行的全部工作。
6、钻孔：为进行矿床勘探或其它工程目的，采用钻探机械设备或其它方法带动钻头而钻得的圆柱形孔。
它具有深度大、直径小、方向任意的特点。
7、钻孔空间三要素①孔深（L）：孔口至测点的钻孔轴线的长度；②顶角（θ）：测点处钻孔轴线（或其切线）与铅垂线的夹角；③方位角（α）：测点处钻孔轴线在水平面上的投影与磁北方向的夹角。
8、钻孔结构：指由开孔至终孔，孔身口径的变化。
它包含着钻孔口径、换径次数、下套管层数、管径、长度、换径深度及套管底部止水封固方法等。
9、循环：泥浆泵通过钻柱内孔（或钻柱与孔壁间隙）将冲洗液送到孔底，完成冲洗孔底、冷却钻头作用后，沿钻柱与孔壁之间的环状间隙（或钻柱内孔）返回地表并将岩粉携带出孔外的过程。
二、钻探的分类2、按碎岩工具（或称为磨料）分类硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进、牙轮钻头钻进等。
3、按施加外力的性质和方式分类：冲击钻进、回转钻进、冲击回转钻进等。
4、按冲洗液类型分类：清水钻进、泥浆钻进、乳状液钻进、饱和盐溶液钻进、泡沫钻进、空气钻进等。
5、按冲洗液循环方式分类：正循环钻进、反循环钻进等。
6、按是否取心分类：取心钻进、全面钻进等。
7、按岩心从孔内输送至地表方式分类提钻取心、不提钻取心（绳索取心钻进和反循环连续取心等）8、特殊的钻探方法绳索取心、定向、潜孔锤、跟管、中心取样、井底动力钻进等。
勘探钻进原理
勘探钻进原理勘探钻进原理Exploration drilling principals 主讲段隆臣博士 Lectured by Dr longchen Duan 绪论 Preface 一钻探工艺学课程的内容地位和任务二钻进技术的用途三钻进方法的分类四学习本课程应注意的问题二钻进技术的用途Application fields of drilling technology 找矿地质普查地质勘察水文地质钻探工程地质钻探油气钻探地热钻探海洋钻探极地钻探科学钻探开采矿产资源工程施工桥墩大坝防渗注浆铺设管道钻孔通风孔等三钻进方法的分类Classification of drilling method 按钻头所用切削材料分类金刚石钻进硬质合金钻进钢粒钻进按碎岩方式分类回转钻进冲击钻进冲击回转钻进回转冲击钻进按冲洗液循环方式钻进正循环钻进反循环钻进孔底局部反循环钻进按钻进目的分类地质钻进石油钻进水井钻进工程施工钻进四学习本课程应注意的问题Problems noted in learning the subject 1理论联系实际课本描述性语言多注意总结结合实践上升理论 2理论实践并重 3注重实验课 4注重工程实例第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling process of rocksand fracturing mechanism 第一节岩石的物理力学性质第二节岩石可钻性及其分级第三节钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节静载作用下的岩石应力状态第五节外载作用下岩石的破碎过程第一章岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism 第一节岩石的物理力学性质第二节岩石可钻性及其分级第三节钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式第四节静载作用下的岩石应力状态第五节外载作用下岩石的破碎过程第一节岩石的物理力学性质Physical mechanical properties of rocks 一岩石的组成与分类岩石是矿物颗粒的集合体按成因分岩浆岩沉积岩和变质岩岩浆岩内力地质作用的产物系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成沉积岩在地表条件下母岩风化剥蚀的产物经搬迁沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类变质岩沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石原岩成分和变质岩特有的如石墨滑石蛇纹石硅灰岩等第二节岩石的自然性质Natural properties of rocks 岩石的自然性质岩石在生成过程中构造变动和风化过程中自然形成的特性密度单位体积岩石的质量容重单位体积岩石的重量比重单位体积岩石骨架体积的重量岩石体积固相骨架体积岩石中孔隙体积一般来说密度越高强度越大孔隙度岩石中孔隙体积与岩石总体积之比一般来说孔隙度越大强度越低含水性W GW-GD GD 透水性KW qlA Pi- Po 岩石的孔隙越大裂隙越多水对它的影响就越小如石灰岩用水浸透后强度下降明显第三节岩石的力学性质Mechanical properties of rocks 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性主要有变形特性强度特性和表面特性变形特性弹性塑性和脆性强度特性抗压强度抗拉强度抗剪强度和抗弯强度表面特性硬度和研磨性 131变形特性deformation properties 弹性变形塑性变形岩石破坏的形式Broken form of rocks影响岩石弹性塑性和脆性的因素Facts affecting rocks elasticity and plasticity 1岩石物质成分 2岩石结构构造 3应力状态 4载荷性质 5受力条件 6温度和湿度岩石弹塑性的测定Measure of rocks elasticity and plasticity 132强度性质Strength properties 岩石强度岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏破坏前岩石所能承受的最大载荷单位面积上的最大载荷根据受力条件不同岩石强度又可分为抗拉强度抗弯强度抗剪强度抗压强度有单向应力状态下的强度多向应力状态下的强度影响岩石强度的因素Factors affecting rocks strength1岩石的物质成份 2岩石的结构构造 3岩石的容重和孔隙度 4受力条件 5应力状态 6载荷速度 7岩样的线性尺寸 8湿度和温度 133表面特性 Surface properties 岩石的硬度岩石表面对工具压入的反抗特性岩石硬度与抗压强度有一定联系又有很大区别岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力岩石抗压入硬度为单向抗压强度的12π倍测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的岩石的研磨性在用机械方法破碎岩石的过程中钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦钻头破碎岩石的同时其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝岩石磨损钻头的能力影响岩石硬度的因素Factors affecting rocks hardness 岩石的矿物成分和结构构造应力状态载荷速度液体介质工具形状和尺寸影响岩石研磨性的因素Factors affecting rocks abrasiveness 岩石的矿物成分和结构特征正压力滑动速度介质第四节岩石可钻性及其分级Drillability of rocks and its classification 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素它反映了钻进时岩石破碎的难易程度它是合理选择钻进方法钻头结构及钻进规程参数的依据同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础岩石可钻性是个多变量的函数它不仅受控于岩石的性质而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系 141 岩石可钻性分级的观点Viewpoints on classification of rock drillability 用岩石力学性质评价岩石的可钻性用实钻速度评价岩石的可钻性用微钻速度评价岩石的可钻性用碎岩比功评价岩石的可钻性 142 划分岩石可钻性的具体方法Methods for classification of rock drillability 力学性质指标法实际钻进速度法模拟钻进速度法破碎比功法第六节静载作用下的岩石应力状态Stress conditions of rock under static load 一平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态第七节外载作用下岩石的破碎过程Failure process of rock under exterior load 一岩石的变形破碎方式二平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程三尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理第二章回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节硬质合金钻头第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节金刚石钻头和扩孔器第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节全面钻头第二章回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling 第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节硬质合金钻头第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节金刚石钻头和扩孔器第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节全面钻头第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit一钻探用硬质合金 hardmetal for drilling 通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金碳化钨为骨架材料钴为粘结材料硬质合金钻进一般适用于软中硬岩层钻进硬质合金切削具主要有薄片状方柱状八角柱状和针状等形状薄片状1-5级软岩方柱状八角柱状4-7级中硬岩石其中八角柱状较硬岩层和裂隙发育针状自磨式钻头在硬地层或研磨性岩石中使用二硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit 回转钻进的机械钻速vm 60nmh1 影响切入深度h1的主要因素有轴向力大小岩石的性质及岩屑被清除的速度切削具的性质几何形状及排布方式钻头的转速与切削具的磨钝程度 1塑性岩石的孔底破碎过程 2脆性岩石的孔底破碎过程 3切入与切削同时作用下的碎岩过程三硬质合金切削具的磨损Wear of tungsten carbide cutter 第二节硬质合金钻头Carbide-insert bit 分为取芯钻头和不取芯钻头取芯式硬质合金钻头的结构要素钻头体切削具出刃切削具镶焊角度切削具在钻头体上的布置方式切削具在钻头体上的数目钻头的水口与水槽一取芯式硬质合金钻头 Carbide-insert bits for coring 分为磨锐式钻头与自磨式钻头第三节钻探用金刚石及孔底碎岩过程Diamond for drilling and downhole failure process 一钻探用金刚石 diamondfor drilling 1分类 Classification 天然 Natural diamond 与人造Synthetic diamond 人造金刚石包括单晶 Monocrystalline diamond 聚晶Polycrystalline diamond 和复合片Polycrystalline diamond compactExplain them briefly 2特性晶体结构为正四面体元素为C最硬抗压强度最大抗磨能力最强脆性大热稳定性差 3与钻探有关的物理力学性质 Mechanicalproperties for diamond pertaining to drilling 硬度 Hardness 强度 Strength 耐磨性 Wear resistance 热性能 Thermal properties 4钻探用金刚石的粒度与品级 Quality and size of diamond fordrilling 金刚石的计量单位为克拉carat度量常用一克拉多少粒表示对于粗颗粒而言或目表示第四节金刚石钻头与扩孔器 Diamond bitand reamer shell 1金刚石钻头的规格和标准 Specifications and standardof diamond bit 注意级配 2表镶金刚石钻头Surface-set diamond bit Othersof surface-set diamond bit 1 Layout of diamond on the crown of thesurface-set bit 2 Crown configuration of surface-set diamond bit3 Waterways of surface-set diamond bit4 Manufacture method ofsurface-set diamond bit 3孕镶金刚石钻头Impregnated diamond bit Diamondquality and diamond size Diamond concentration Classification of matrix properties of impregnated diamond bit and the relationship between matrix properties and rock properties Crown configuration of impregnated diamondbit Manufacturing method of impregnated diamond bit 二金刚石钻进的孔底碎岩过程 Failure process of downhole rocks drilled by diamond bit 1表镶金刚石钻头的孔底碎岩过程试验研究了表镶金刚石钻头的碎岩过程试验装置如下图试验岩石如下表第五节钢粒钻进及孔底碎岩过程Chilled-steel shot drilling 用未镶焊切削具的钻头压住可连续补给的钢粒并带动他们在孔底翻滚而破碎岩石的钻进方法称为钢粒钻进钢粒钻进曾广泛用于7-12级的岩石一般用于大口径钻进一钢粒及钢粒钻进用钻具 1钢粒的材质60号70号直径25354mm圆柱体高度与直径基本相等钢粒中含有较高的碳量主要是为了能有较高的淬火硬度锰和硅起固溶强化作用以提高钢粒的强度硅元素还能增加钢粒的回火稳定性少量的钒能有效地细化晶粒强化基体组织提高钢的强度和硬度第三章回转钻进工艺Drilling techniques in the rotary-table drilling 第一节钻进效果指标及钻进规程参数间的关系第二节硬质合金钻进工艺第三节金刚石钻进工艺第四节钢粒钻进工艺第五节牙轮钻进工艺第六节全面钻头钻进工艺第一节钻进效果指标及钻进规程参数间的关系Relationship between drillingindexes and parameters of drilling regime 一钻进效果指标drilling indexes 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 1平均机械钻速mean penetration rate 2回次钻速drilling speed per run 3技术钻速technical speed of drilling 4经济钻速commercial speed of drilling 5循环钻速cycle speed of drilling 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 conditions 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或最低每米钻进成本而选择的钻进参数搭配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 51 冲洗液密度对钻速的影响 52 冲洗液粘度对钻速的影响 53 冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响第二节硬质合金钻进工艺Drilling techniques of carbide-insert bits 磨锐式钻头的钻进工艺Drilling techniques of self-sharpening bit 钻压的选择转速的选择确定最优回次钻程时间的方法第三节金刚石钻进工艺Diamond drilling techniques 合理选择金刚石钻头To choose diamond bit properly 金刚石钻进规程参数Diamond drilling regime 金刚石钻进的临界规程Critical condition of drilling 合理选择金刚石钻头选用不当存在的问题选用的一般原则孕镶钻头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表镶钻头硬度较低完整岩层 PCD或PDC钻头中硬及中硬以下岩石从钻头唇面形状岩石坚硬致密研磨性小者应选择接触面积小的同心的或交错的尖齿形或梯齿形唇面钻裂隙的软硬互层研磨性的岩层应用内外径补强耐磨性好的半圆唇面当钻进倾角大易斜的岩层应选用阶梯形或锥形唇面以便钻头起导正作用金刚石钻进规程参数评定金刚石钻进规程的主要依据钻速钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标钻压转速转速影响金刚石钻进的另一个重要因素在一定条件下转速越快钻速越高转速与金刚石的磨损关系比较复杂若其它条件正常二者之间存在一个合理值即在某一转速下金刚石磨损量为最小转速过大或过小金刚石的磨损量都较小通常以圆周线速度来规定钻头的转速孕镶金刚石钻头的周速应达到15-3ms表镶钻头所用的金刚石粒度较大在钻进中允许有较大的切入量所以要求的转速可比孕镶钻头低些由于出刃量大在回转中容易折断或损伤不宜高转速线速度一般为1-2ms冲洗液量冲洗液通常是金刚石钻进的另一重要规程参数一般根据液流上返速度来确定金刚石钻进所需的泵量Q Q 6svLmin6是由单位换算所产生的系数式中v不小于03-05ms s-钻孔的环空面积cm2 由于表镶孕镶金刚石钻头钻进时钻孔环状间隙小冲洗液的流动阴力很大所以金刚石钻进基本是以不大的泵量和较高的泵压来工作的另外泵压是反映孔底工况的敏感参数之一防止金刚石钻头烧钻是生产中一项重要的工作试验表明当转速为800rmin钻头唇面压力为10Mpa时钻头每转一圈胎体温度升高173℃所以钻进中若冲洗液停止循环1-2min便可能造成烧钻的恶性事故金刚石钻进存在正常规程和临界规程在正常规程中钻头胎体温度正常功率消耗平稳同时钻头磨损轻微而在临界规程下钻头胎体温升急剧上升功率消耗剧增钻头磨损严重甚至出现烧钻 1胎体温度与钻压和转速的关系 2功率消耗机械钻速与钻进规程的关系 3胎体温度与冲洗液的关系 4钻头磨损与钻进规程的关系第三节钢粒钻进工艺Chilled-steel shot drilling techniques 钢粒钻进规程包括投砂方法及投砂量钻压轴向压力转速和冲洗液量泵量等方面一投砂方法及投砂量1一次投砂法一次投砂法就是在钻进开始前把一个回次所需的钢粒一次投入孔底孔壁完整时则从孔口直接投入孔壁破裂时则当钻杆下到接近孔底时从钻杆中投入从投砂方法来说一次投砂法比较简便所以使用较广一次投入的砂量对回次钻程时间的长短钻进效率钻孔质量及管材消耗方面都有影响 2结合投砂法又称分批投砂法这种方法是在回次开始前先投入一定数量的钢粒待钻进一定时间后再分别补投1-2次这捉方法在一定程度上改善了一次投砂法扩大孔径和磨细岩芯的缺点但中途停钻补砂费时麻烦其至可能引起岩芯堵塞或岩芯脱出结合投砂法比较适用于硬完整深孔中使用先投入砂量的50-60然后再分1-2次补投其余部分 3连续投砂法无理想连续投砂器很少采用二钻压在钢粒钻进中钻压是保证钢粒在孔底破碎岩石的必要条件钻压是岩石破碎和牵动钢粒所需连系力的主要依据钢粒钻进中必须有足够大的钻压 P pS 式中 P轴向钻压kgp钻头单位唇面面积所需的压力kgcm2S钻头唇面的实际面积cm2 大量的试验表明钢粒钻进的单位压力存在一个最优值实践表明单位压力的最优值取决于钻粒强度岩石级别以及钻头转速等因素三转速冲洗液量在钢粒钻进中冲洗液流在孔底循环它不仅起着排除岩粉和冷却钻具的作用更重要的还起着分选\更新钢粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用合理的冲洗液量应该是既能保证有效地将钻粉冲走保持孔内清洁能使多余的钢粒在外环间隙中呈悬浮状态又不至将有用钢粒冲走而破坏孔底的工作过程常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量Q kD 式中 Q钢粒钻进的冲洗液量Lmin D钻头直径cmk送水系数Lmin×cm清水 k 5-3泥浆 k 3-15 钻头水口的大小直接影响到该处的流速在钻进过程中水口是随钻头的磨耗而变小的为了不使水口处液流速度过大而影响正常的补砂冲洗液量应随水口变小而减小第四章冲击回转钻进与冲击振动钻进Percussion rotary-table drilling and percussion vibrat0ry drilling 第一节概述第二节液动及气动冲击器第三节冲击回转钻进用钻头第四节冲击回转钻进工艺第五节钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺第四章冲击回转钻进与冲击振动钻进Percussion rotary-table drilling and percussion vibratory drilling 第一节概述第二节液动及气动冲击器第三节冲击回转钻进用钻头第四节冲击回转钻进工艺第五节钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺图15－14不同转速对最优压力的影响单位压力kgcm 12级石英岩 D ＝91mm 机械转速 cmh 40 50 6070 80 90 100 32 28 24 20 16 12 8 4 0 20 30 36 n 123rmin n 284rmin n 381rmin 在钢粒钻进中虽然最段单位压力可达75-95kgcm2但实际上所选用的单位压力大都低于此值在生产中常用的压力见下表所列直径3mm抗压强度1200 kg粒硬度HRC50 钢粒性能 40-45 35-40 30-35 单位压力 kgcm2 10 8-9 7-8 岩石级别钻头的转速大小关系到钢粒在孔底滚动的速度和克取岩石的频率钢粒的相对抗压强度是随岩石硬度的增加而降低的在硬度大的岩石中钢粒的抗压强度相应变小如果转速过大则更易使钢粒过早破损而失效所以以采用较低的转速为宜在硬度较低的岩石中钢粒的相对抗压强度较大所以可采用较高的转达速图15－15 不同岩石在转速变化时对机械转速的影响 1－12级石英岩 2－9级斜长花岗岩3－8级花岗岩实际上在生产中选用的转速较室内试验所得的最优转速要低得多 150-180 180 140-180 180 180-250 转速 rmin 3000-300 400 200-400 0-200 孔深 m 10 7-9 岩石级别 110mm钢粒钻头的转速选择参考表 Relationship curve between bit weight and mean penetration rate Relationship curve between bit speed and mean penetration rate 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 5冲洗液性能对钻速的影响Effect of properties of drilling fluid on 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 51 冲洗液密度对钻速的影响Effect of density of drilling fluid on penetration rate 52 冲洗液粘度对钻速的影响Effect of viscosity of drilling fluid on penetration rate 53 冲洗液固相含量信其分散性对钻速的影响Effect of volume of solid phase and its dispersal in drilling fluid on penetration rate 表5－1 YG8硬质合金切削具的单位压力推荐值 120－170 中八角柱状120－140 方柱状研磨性大的岩石 150－180 大八角柱状 090－140 中八角柱状 080－120 方柱状Ⅴ－Ⅵ级中硬－部分硬岩石 040－070 片层Ⅰ－Ⅳ级软－部分中硬岩石单位压力推荐值pKN颗切削具形状岩层 V h0-nmn V h0mn 表5－2 硬质合金线速度的推荐表 PnQ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早其磨钝应取大钻压较低的转速中等泵量的参数组合不同钻压下转速与钻速的关系表镶金刚石钻头的钻压P P Gp kg or dN 式中 G钻头上的金刚石粒数 p单位金刚石上允许的压力Kg粒对细粒金刚石p约1-15 Kg粒对中粒 p约1-15 Kg粒对粗粒金刚石 p约2-3 Kg粒特优级金刚石 p约5 Kg粒孕镶金刚石钻头的钻压 P Spkg or dN 式中S---钻头实际的工作唇面面积 cm2 p单位底唇面积允许的压力Kg cm2 对中硬岩石推荐 p约40-50 Kg cm2 对坚硬岩石或金刚石质量高者p约60-70 Kg cm2 800-1500 600-1100 500-1000 450-850 400-700 250-450 孕镶钻头 800-1100 600-1000 500-880 400-750 300-600 200-400 常压 250 100-200 100-200 100-200 50-100 50-100 初始压力表镶钻头 91 75 76 66 59 56 46 46 36 36 直径类型不同金刚石钻头的比压具体确定钻压时应分别对待 1岩石性质 2钻头类型 3金刚石 4克取岩石的面积 5施加钻压的阶段性磨合和正常钻进 6有关孔内压力的传递问题钻孔深度冲洗液转速对钻压的影响选择合理的转速还应考虑以下 1岩层的性质在中硬完整的岩层中钻进可采用高转速如果岩层破碎裂隙发育软硬不均孔壁不稳不均宜采用低转速 2钻孔的结构和深度钻孔结构简单环空间隙小孔深不大宜采用高转速反之应降低转速 3机械设备钻杆柱及钻具的能力金刚石钻进的临界规程 550 120 70 50 1500 640 120 90 1180 670 650 620 80 80 70 950 590 100 70 100 750 560 190 190 160 60 600 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 轴向压力kg 转速 rmin 金刚石200-400微米钻头胎体温度与轴向压力和转速的关系钻进功率消耗 kw 与轴向压力和转速的关系 556 216144 048 1500 552 264 216 1180 691 656 537 279 231 195 950 567 204 186 180 750 534 232 192 186 171 600 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 轴向压力kg 转速 rmin 用该钻头钻进花岗岩时其最高钻速不得超过临界值37mmmin否则将出现胎体温度剧增的严重后果 513 522 567 钻进功率消耗kw 550 640 725 胎体温度℃ 30 20 15 冲洗液泵量Lmin 指标冲洗液泵量对胎体温度和功率消耗的影响钻头磨损与钻进规程的关系图15－11 一次投砂量对各钻进参数的影响单位kg 表15－5 图15－12 不同钻粒对最优对最优单位压力的影响钻粒直径3mm 1－铁砂σ 380kg 2－合金铁砂σ 580kg 3－纯钢砂σ 575kg4－钢粒σ 1900kg 图15－13 不同岩石对最优单位压力的影响 1－12级石英岩 2－9级斜长花岗岩3－8级花岗岩分环式钻头掏槽式钻头胎块式针状硬质合金钻头常用硬质合金钻头选型研磨性粉沙岩砂页岩－－－薄片式自磨钻头研磨性石英砂岩混合岩－－－钢柱针状钻头中研磨性片麻岩闪长岩－－－胎体针状钻头自磨式玄武岩砂岩辉长岩灰岩－－－负前角阶梯钻头砂硕岩硕岩－－－破扩式钻头灰岩大理岩细砂岩－－－晶字形型钻头中研磨性砂岩灰岩－－－单双粒钻头均质大理岩灰岩软砂岩页岩－－－方柱状钻头砂页岩碳质泥岩－－－薄片式钻头页岩砂页岩－－－阶梯肋骨钻头松散可塑性岩层－－－螺旋肋骨钻头磨锐式钻头ⅨⅧⅦⅥⅤⅣⅢⅡⅠ岩石岩石可钻性级别钻头类型类别表4－3 常用硬质合金钻头及其使用范围表表4－4 天然金刚石品级分类表 TS 硬和中硬地层 TB 标准级A 择优后用于制造孕镶钻头TX 等外级坚硬硬地层或绳索取心钻头 TY 优质级AA 中硬地层 TD 低级C 特硬地层或绳索取心钻头 TT 特级AAA 用途代号级别用途代号级别表4－5。
地质钻探工艺
地质钻探工艺
地质钻探工艺主要包括以下几种：
1. 冲击钻进：利用钻具自重对孔底进行冲击而破碎岩（土）体的钻进方法。
人力冲击一般适用于浅孔和地下水位以上的土层钻进。
机械冲击则是采用机械向下冲击，适于各类土层钻进。
2. 回转钻进：在轴心压力作用下，利用筒状钻头用回转研磨方式切削岩石的一种取芯钻进方法，适于各种岩石钻进，通常称为岩芯钻探。
根据钻头研磨材料，可将其分为硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进。
3. 反循环钻探技术：包括空气反循环技术和水力反循环技术。
空气反循环钻探技术是将压缩空气用作循环介质，利用双壁钻杆外管将压缩空气送至孔底，空气的剧烈膨胀会产生冲击力，驱动孔底潜孔锤作用于岩石上，同时空气作用后通过钻杆中心通道重新回到地表，并携带岩屑。
水力反循环钻探技术则是将泥浆或水用作循环介质，其循环方式与空气反循环相同，都是利用钻杆将介质传送到孔底，获取的柱状岩心则通过钻杆携带回地面。
4. 组合钻探工艺：结合了绳索取心技术、反循环取样、取心技术，吸取了各种钻探技术的优点，能依据地质钻探要求和地层情况提高钻探效率，减少额外劳动和成本。
此外，还有一些新工艺和新材料的应用，例如新型节水钻探技术、新型泥浆体系和泥浆材料等。
这些新技术的应用可以提高生产效率、增加钻头使用寿命、提高钻进速度等。
综上所述，地质钻探工艺是一个综合性的工艺系统，不同的工艺适用于不同的地质条件和需求。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的工艺以提高钻探效率和保证工程质量。
地质工程勘查中钻探技术的方法及应用分析
地质工程勘查中钻探技术的方法及应用分析摘要：在地质勘探中，钻探技术是影响勘查质量的关键技术。
在我国，这种技术已有相当长的历史。
本技术的主体设备为钻机，勘探时使用钻机对地面进行勘探，钻探时在地面上形成一根圆筒。
同时，通过与其他有关技术的协作，可以得到有关地层参数等信息。
将钻探技术用于岩土工程勘察，可以有效地提高地质勘探工作的效率，从而达到很好的经济效益和社会效益。
在这一背景下，文章对地质勘探中的钻探技术及其在地质勘探中的应用进行了分析和讨论。
关键词：地质工程；勘探；钻探技术；方法与应用前言：近年来，随着我国地质勘探与勘探技术的发展和应用，钻探技术也呈现出较大的技术发展趋势。
随着我国钻探技术的不断向自动化、智能化、精细化发展，对我国钻探地质矿产资源勘探技术开发和地质科学钻探技术勘查发展来说，具有一定的重要技术理论促进作用。
如何将钻探技术应用于地质勘探，已成为当前亟待解决的课题。
一、钻探工艺的重要意义地质钻探技术是一项具有悠久历史的技术，它在人类的生产和生活中占有举足轻重的地位。
人类通过地质钻探技术来探寻自然之谜，并获得天然资源。
我国幅员辽阔，矿产资源十分丰富，而地下埋藏的矿产要靠地质钻探技术来开采，而要利用这些技术来开采和开采，就必须依靠地质钻探技术。
除了勘探地下矿藏以外，勘探建设项目的地质情况，以及地下水的勘探和开发，都离不开地质钻探技术的支撑。
因此，地质钻探技术在人类的生产和生活中发挥着举足轻重的作用。
我国的地面矿产资源虽然丰富，但由于地质勘探技术和钻探技术的滞后，使我国的矿产资源利用率很低，有的甚至出现了供不应求的现象。
近年来，随着我国矿产资源的紧缺，政府对地质勘探项目的支持越来越多，而地质勘探技术的重要性也得到了越来越多的关注，根据实际的情况合理的采用地质钻探技术，从而更快、更准确的发现各种资源。
二、钻探技术在地质调查中的缺陷与分析1、钻探工艺设备落后，智能化程度不高虽然我国已有多年的地质工程勘察经验，但在实际作业中，我们的勘探与钻探设备大多采用老式的设备，虽然，有些施工单位对原有的设备进行了改进，但整体上显示出落后的智能程度和落后的装备，不利于其真正价值的实现。
钻探取芯原理
钻探取芯原理
钻探取芯原理是一种地质勘探方法，用于获取地下岩石的样本。
其基本原理是通过旋转和下压，通过特殊的钻头将地下岩石削取下来并带到地面。
以下是钻探取芯的原理：
1. 钻杆：钻机将钻杆沿井孔下放，钻杆由多节金属管组成，呈圆柱形。
钻杆的作用是向下沉进地下，将钻头送达要取芯的深度。
2. 钻头：钻头是固定在钻杆底部的具有尖锐钻头的装置。
当钻头旋转时，其尖锐部分切削岩石，将岩石层剥离。
3. 循环：在钻杆内部，有一股称为循环液的液体正在循环，通过立管进入钻杆。
这样，循环液可以通过钻头的孔洞进入岩石中，清除钻削过程中产生的岩屑和碎屑，然后被抽回地面。
4. 必要过程：在钻探过程中，钻杆旋转，而钻头则由钻机上的驱动机构进行推动和旋转。
钻杆在岩石中沉进深度，钻头不断切削岩石，并将其破碎成小块。
循环液将岩石屑冲刷掉，并将其带回地面。
5. 取芯：当钻头切削至一定深度后，岩石屑被冲刷到钻杆内。
钻探工程师会定期检查钻杆上的芯管，以确定是否成功取芯。
当钻杆上的芯管含有岩石样本时，这些样本可以被取出，并送往实验室进行分析。
钻探工艺——勘探钻进原理
Exploration drilling principals
主讲：段隆臣博士
Lectured by Dr. longchen Duan
绪 论 (Preface)
• 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位 和任务
• 二、钻进技术的用途
• 三、钻进方法的分类
• 四、学习本课程应注意的问题
一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位
2根据基尔切夫定律图1146转速与载荷的关系曲线?二平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程?三尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理图221液体压差下的碎岩机理图220尖楔状切削具碎岩机理第二章回转钻进用钻头drillingbitsusedintherotarytabledrilling?第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程第二节硬质合金钻头第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程第四节金刚石钻头和扩孔器第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程第七节全面钻头??????第二章回转钻进用钻头drillingbitsusedintherotarytabledrilling?第一节硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程?第二节硬质合金钻头?第三节钻探用金刚石及其孔底碎岩过程?第四节金刚石钻头和扩孔器?第五节钢粒钻头及其孔底碎岩过程?第六节牙轮钻头及其孔底碎岩过程?第七节全面钻头第一节failureprocessofdownhole硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程rockdrilledbycarbideinsertbit?一钻探用硬质合金hardmetalfordrilling通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金
1、岩石物质成分
2、岩石结构构造
3、应力状态
4、载荷性质
5、受力条件 6、温度和湿度
岩石弹塑性的测定
浅层石油定向井钻进工艺
浅层石油定向井钻进工艺浅层石油定向井钻进工艺是一种将钻杆按一定角度倾斜方向钻向目标层位的钻井方法。
该方法常用于开采途中的定向井或斜井，能够提高石油开采的效率和井筒的完整性。
浅层石油定向井钻进工艺的基本原理是通过改变钻头的倾斜角度和方向来控制井筒的钻进方向。
在钻进过程中，调整钻机的钻具参数和方位角，使钻头倾斜并向预定的方向钻进，以达到钻井的目的。
1. 钻前准备：根据钻井设计和地质资料，确定钻井的倾斜角度和方向，制定钻具参数和方位角。
准备好所需的钻具和配套工具。
2. 钻头下入井内：将带有定向装置的钻头下入井内，通过转动钻杆和下压力控制钻头的方向和深度，确保钻头按照预定的方向进行钻进。
3. 钻孔导向：利用测斜仪和导向工具监测井筒的倾斜角度和方向，实时调整钻杆和钻头的参数，使井筒保持预定的方向和倾斜角度。
4. 钻井作业：通过循环钻井液，将岩屑带出井口，保持井底稳定。
根据地质资料和测井数据，及时调整钻具和钻进参数，确保钻进的效果和顺利进行。
5. 钻速控制和取芯：根据地质条件和工程要求，确定钻进速度和取芯时间，通过调整钻杆和钻头的参数，控制钻进的速度和质量。
6. 钻完目标层位：根据钻井设计和目标层位的要求，通过调整钻杆和钻头的参数，使钻进方向和井筒倾斜角度达到设计要求，顺利钻完目标层位。
7. 钻头回捞和完井：在钻完目标层位后，将钻具回捞上来，进行井筒清洗和修整。
根据地质资料和测井数据，进行完井调整和评价。
1. 提高石油开采效率：通过倾斜井的方式，可以延长井底水平段的长度，增加有效储层的开采面积，提高产能和采收率。
2. 保护井筒完整性：在斜井钻进过程中，井筒的倾斜角度会减小钻井过程中井筒的挤压，减少井壁垮塌的风险，从而保护井筒的完整性。
3. 降低钻井成本：由于浅层石油定向井钻进工艺不需要特殊设备和大量人力资源，可以降低钻井成本。
4. 减少钻井时间：浅层石油定向井钻进工艺可以提高钻井的效率，减少钻井时间，并且减少了钻机的停机时间，进一步降低了钻井成本。
石油工业中的油井钻探与油气开采原理
石油工业中的油井钻探与油气开采原理石油是当今社会最为重要的能源之一，而油井钻探与油气开采则是石油工业中的关键环节。
在这篇文章中，我们将探讨油井钻探与油气开采的原理，以及相关的技术和过程。
一、油井钻探的原理油井钻探是指通过使用钻井设备将钻头钻入地下，以获取油气资源的过程。
其原理可以概括为以下几个步骤：1. 地质调查：在进行钻探前，需要进行地质勘探和勘探分析，以确定潜在的油气储集区域。
这一步骤包括研究地质构造、地层分布和地下水状况等，以确定最佳的钻探目标。
2. 钻井设计：根据地质调查结果，制定钻井设计方案。
钻井设计包括确定钻井孔的位置、井径和钻进深度等参数，以及选择使用的钻头和钻井液。
3. 钻井操作：开始进行钻井操作。
首先，钻机将钻杆和钻头降入地下，一边慢慢转动钻杆，一边向下进钻。
钻过一定距离后，会将钻井液注入井内冷却、润滑和清洗钻头。
重复这个过程直到钻到目标地层。
4. 取心取样：在钻进过程中，钻井人员会定期取心取样。
取心是指利用取心钻具将地层样品取出来，以进行地质研究和分析。
取样则是为了获得地层的物理和化学性质信息。
5. 油气井口建设：在钻井到达目标地层后，需要进行油井口的建设，包括安装井身套管、防喷器、油管等设备。
这些设备的作用是保护井壁、防止井喷以及控制油气的生产。
二、油气开采的原理油井钻探完成后，需要进行油气开采，即将地下的油气资源提取到地面。
油气开采的原理可以概括为以下几个步骤：1. 压力驱动：在初始阶段，油井中的天然压力足以推动油气自行流出。
这是由于地下油气的自然上升趋势和压力差的作用。
通过设置管道和阀门等设备，将油气从井口输送到地面。
2. 人工提升：随着原有的天然压力逐渐减弱，需要采用人工方法来提升油气的产量。
其中最常用的方法是注水法和注气法。
注水法是指向油藏中注入水，以驱动油气向井口移动。
注气法是指向油藏中注入气体，以增加井底压力，推动油气上升。
3. 提高产量：为了提高油气产量，还可以采用其他辅助措施。
3-定向钻进原理与应用
第二节 定向钻孔的弯曲条件
钻孔弯曲，实现定向钻进，必须满足三个条件：力学条件、空间条 件和位置条件。力学条件和空间条件是实现定向钻进的必要条件；位置 条件是实现定向钻进的充分条件。 1、力学条件
定向钻进原理与应用
中煤科工集团西安研究院钻探所
第一章 概述
一、定向钻进技术 二、受控定向钻进的应用 三、受控定向钻进关键技术
第一节 定向钻进技术
一、定向钻进与定向钻井（孔）的含义 1、定向钻进的含义
石油钻井中对定向钻进技术的定义：为沿着预先设计的井眼轴线 钻达目的层位的钻井方法。
地质勘探中对定向钻进技术的定义：是指利用钻孔自然弯曲规律 或采用人工造斜工具使钻孔按设计要求进行延伸钻到预定目标的一种 钻进方法。
第二节 受控定向钻进应用
4、避开地表障碍物。勘探和开发障碍物下方的油气田。 探采盐丘突起下部的油气层。含油构造有时与盐丘构造共 生，部分盐丘可能直接覆盖在油藏上面，直井钻遇盐层可能导至冲蚀、 钻井液漏失和腐蚀等问题(d)。
第二节 受控定向钻进应用
钻到预定目标的钻孔。 与常规钻孔的区别：定向钻孔设计有特殊的轨
迹，钻进中必须研究和利用地层自然弯曲规律、钻 孔控制理论或人工造斜工具控制钻孔轨迹，最终钻 达预定目标要求。
第一节 定向钻进技术
3、关于“靶区”与“靶点”的含义
为了控制定向井轴线到达预定目标时偏离不大，在定 向井设计时，对预定目标事先规定了一定的范围，该范围 是井孔轴线到达预定目标时的允许偏差区域，称为靶区。
造使岩层具有不均质性，在这种地层中钻进时，钻头在孔底受力不平衡，容 易引起钻孔弯曲。其中层理、片理和软硬互层对钻孔轨迹弯曲影响最大。 （1）层理的影响
石油勘探的方法和原理
石油勘探的方法和原理石油勘探的方法主要包括地质勘探、物理勘探和地球化学勘探。
1. 地质勘探：地质勘探是通过研究地壳构造、沉积地层、断层、地下构造等地质特征，找出存在石油储层的地区。
主要方法包括地质地貌勘探、露天地质勘探、钻井勘探等。
地质地貌勘探通过观察地表地貌特征，如河流、湖泊、地表矿产等，判断地下是否可能有石油储藏。
露天地质勘探通过矿坑、采矿洞、露天矿床等地质特征，推断地下是否可能存在石油。
钻井勘探通过钻取地下样品，如岩心、土样、水样等，研究地层组成、结构、性质等，判断地下是否含有石油。
2. 物理勘探：物理勘探是通过测量地下介质的物理性质变化，找出存在石油储层的地区。
主要方法包括地震勘探、电法勘探、磁法勘探、重力勘探等。
地震勘探通过人工引发地震波，观测地震波在地下介质中的传播速度和衰减情况，推断地下是否存在石油。
电法勘探通过测量地下电阻率的变化，判断地下是否可能含有石油。
磁法勘探通过测量地磁场的变化，判断地下是否可能存在石油。
重力勘探通过测量地球重力场的变化，推断地下是否可能含有石油。
3. 地球化学勘探：地球化学勘探是通过研究地下水、土壤、岩石等地下介质中的化学成分和特征，找出存在石油储层的地区。
主要方法包括地下水化学勘探、土壤化学勘探、岩石化学勘探等。
地下水化学勘探通过分析地下水中的溶解物质、元素含量和同位素组成的变化，推测地下是否可能存在石油。
土壤化学勘探通过分析土壤中的有机质、矿物质和元素含量的变化，推断地下是否可能含有石油。
岩石化学勘探通过分析岩石中的有机质含量、烃类组成和特征，判断地下是否可能存在石油。
总的来说，石油勘探的方法是通过观测地球的地质、物理和化学特征，研究地下介质的性质和变化，以找出存在石油储层的地区。
石油钻机原理
石油钻机原理
石油钻机是一种用于钻探石油或天然气井的设备，它的工作原理主要包括以下几个步骤：
1. 钻井液循环系统：石油钻机通过管道将钻井液从地面泵送到井口，然后通过钻杆输送到井底。
钻井液在井底通过钻嘴进入井眼，然后再经过井壁，最后从地层的孔隙中返回到地面，形成循环。
2. 钻头和钻杆系统：钻头是位于钻杆底部的工具，它主要负责在井底钻探地层。
钻杆则用于输送钻头的旋转运动和钻井液的输送。
钻杆一般由多节钻杆组成，通过螺纹连接起来。
3. 钻进过程：石油钻机通过旋转钻杆，使钻头钻入地层。
钻头下方有凿岩器，它通过冲击和旋转的力量来破碎地层。
钻杆由钻杆底部的驱动机构提供旋转力，钻杆的旋转将钻头带动起来。
4. 钻井液的功能：钻井液在石油钻机中起到很重要的作用。
首先，它能冲刷井眼和减少钻屑。
其次，钻井液能够平衡地层压力，避免井底喷发事故的发生。
此外，钻井液还能稳固井壁，防止井壁塌陷。
5. 钻井液循环系统中的设备：石油钻机的钻井液循环系统包括旋转顶驱、旋转鼓风机、钻井液搅拌器等设备。
旋转顶驱通过压力将钻杆推向井底，旋转鼓风机则用于增加钻井液的流动速度，钻井液搅拌器则用于搅拌钻井液，保持其性能。
总之，石油钻机通过钻井液循环系统、钻头和钻杆系统以及钻进过程来完成石油或天然气井的钻探工作。
钻井液在其中起到很重要的作用，帮助冲刷井眼、平衡地层压力、稳固井壁等，同时还需要其他设备的配合来完成钻探过程。
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影响岩石强度的因素
（Factors affecting rocks strength）
1、岩石的物质成份 2、岩石的结构构造 3、岩石的容重和孔隙度
4、受力条件
5、应力状态 6、载荷速度 7、岩样的线性尺寸 8、湿度和温度
1.3.3、表面特性(Surface properties)
• 岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。 岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。 岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗 压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。测定压 入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部 破碎是在多向受压状态下进行的。 • 岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中， 钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻 头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而 逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。
（deformation properties）
• 弹性变形 • 塑性变形
岩石破坏的形式
Broken form of rocks
脆性破坏 塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏）
(a)
(b)
(c)
影响岩石弹性、塑性和脆性的因素
（Facts affecting rocks elasticity and plasticity）
第三节 岩石的力学性质
Mechanical properties of rocks • 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来 的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特 性。 • 变形特性：弹性、塑性和脆性 • 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和 抗弯强度 • 表面特性：硬度和研磨性
1.3.1、变形特性
勘探钻进原理
Exploration drilling principals
主讲：段隆臣博士
Lectured by Dr. longchen Duan
绪 论 (Preface)
• 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位 和任务
• 二、钻进技术的用途
• 三、钻进方法的分类
• 四、学习本课程应注意的问题
一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位
影响岩石硬度的因素
（Factors affecting rocks hardness）
• • • • • 岩石的矿物成分和结构构造 应力状态 载荷速度 液体介质 工具形状和尺寸
影响岩石研磨性的因素
（Factors affecting rocks abrasiveness）
• • • •
岩石的矿物成分和结构特征 正压力 滑动速度 介质
1、岩石物质成分
2、岩石结构构造
3、应力状态
4、载荷性质
5、受力条件 6、温度和湿度
岩石弹塑性的测定
Measure of rock’s elasticity and plasticity
Kp=SOABC/ SODE
图 1.1－10 由应力－应变曲线确定弹性模数
图 1.1－11 岩石压入时的载荷－侵深曲线
图1－1 晶体结构类型
图1-2 胶结物的类型
图1－3 层理产生的原因
花岗岩
花岗石
白云岩
花岗石
岩石照片
第二节 岩石的自然性质
Natural properties of rocks
岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化 过程中自然形成的特性。 密度:单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量. 比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架 体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越高,强度越大。 孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说, 孔隙度越大,强度越低. 含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性:KW=ŋql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石 灰岩,用水浸透后,强度下降明显。
• 三、尖楔状切尖楔状切削具碎岩机理
图 2－21 液体压差下的碎岩机理
第二章、回转钻进用钻头
Drilling bits used in the rotary-table drilling • • • • • • • 第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 第二节、硬质合金钻头 第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程 第四节、金刚石钻头和扩孔器 第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程 第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程 第七节、全面钻头
P Pa A
图 1.1－14 岩石单轴抗压试验
1－岩样；2－球座；3－钢垫板
图 1.1－15 岩石单轴拉伸试验
1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cm
图1.1－16 圆盘劈裂试验
图1.1－17 剪切试验
1－岩样； 2－上下剪切模具；3－模套； 4－斜锲块；5－上下垫板； 6－钢滚子
Бt=2p/3.14DL
第六节 静载作用下的岩石应力状态
（Stress conditions of rock under static load）
• 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态
p( r )
P 2 a a r
2 2
p
P a2
图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布
图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布
第四节 岩石可钻性及其分级
（Drillability of rocks and its classification） • 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反 映了钻进时岩石破碎的难易程度。 • 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程 参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编 制钻探生产计划的基础。 • 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于 岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数 有密切的关系。
变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化 学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特 有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。
二、岩石的结构与构造
岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的 大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。 岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间 的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂 隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存 在环境有紧密的联系。 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成 环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不 等，形成不同的结构和构造。 岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者 往往研磨性较大。 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是 有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。 变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿 平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。
Contents and status of ―Exploration Drilling Principles‖
• 1、内容 岩石的物理力学性质与碎岩机理 钻头与钻进工艺 钻探质量（钻孔弯曲、取芯等） • 2、地位 2.1 从专业课的课时分配上说明 2.2 从与其它专业课的关系上进行说明 2.3 从专业历史沿革进行说明
图1.1－37 平底压头压入时沿 对称轴的应力分布
三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态
图2－15 轴向力作用时岩石 内的应力分布
图2－16 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布
（a）等应力线图；（b）应力状态特征 Ⅰ－压应力区；Ⅱ－拉应力区；Ⅲ－过渡区
在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。 弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内 等应力线分布是均匀的、对称的（如图2－15）。而轴向力和切向力 共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图2－16）。 在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方 则产生拉应力，在半无线体内（如图2－16(b)所示），形成正应力区 （Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ） 。由此可以推知，在兩向 载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点： 1. 轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面 以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来 决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方 向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时， 轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。 2. 轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀 的应力状态。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小； 拉伸区Ⅱ则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应 力的作用。 3. 当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在 作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。
Classification of drilling method
• 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质 合金钻进、钢粒钻进
• 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击 回转钻进、回转冲击钻进。 • 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环 钻进、孔底局部反循环钻进 • 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井 钻进、工程施工钻进
（a）正循环
（b）正循环
（c）孔底局 部 反循环
四、学习本课程应注意的问题
Problems noted in learning the subject
• 1.理论联系实际，课本描述性语言多, 注意总结,结合实践,上升理论； • 2.理论、实践并重；
• 3.注重实验课；
• 4.注重工程实例。
第一章 岩石钻进过程与破碎机理
第一节 岩石的物理力学性质
Physical & mechanical properties of rocks 一、岩石的组成与分类
岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变 质岩。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳 裂隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉 积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有 颗粒和胶结物两大类。