《钻探设备与工艺》实验指导书

<<钻探设备与工艺>>实验指导书实验一绳索取心钻具及液动冲击器观察实验实验日期姓名班级学号实验成绩
一实验目的、要求
1．掌握单动双管取心器结构及取心方法；
2．熟练掌握绳索取心钻具结构及取心方法。

3．掌握阀式正作用及双作用液动冲击器构造及调试。

二实验器材
SMK—89型单动双管取心器一套；SQ—75型绳索取心钻具二套；MTZ—89型正作用液动冲击器一套；YS—76型双作用液动冲击器二套；管钳、链钳、拆卸工具等各二套。

三实验内容及步骤
（一）单动双管取心器的结构与取心方法实验
1．用管钳等工具拧开取心器上接头，将单动装置及内管抽出，观察取心器结构。

取心器结构为：
稳定接头——外管——（导正环）——扩孔器——钻头双管接头
调节机构——单动结构（报信和缓冲机构）——内管接头——回水球阀
——内管——卡心机构
2．卸掉上接头，取出单动轴，拧掉背帽、固定螺母、橡胶垫、两盘轴承、铜套座。

对照挂图，了解取心器结构及其工作基理。

（1）调节机构：由调节螺母完成，调节内管长度，使卡簧座与钻头内台阶保持到4～5ｍｍ间隙（底喷钻头为1.5～2ｍｍ）。

（2）单动机构：两盘轴承为8206型，注意上、下轴承的安装。

（3）岩芯堵塞或已满报信机构（橡胶圈、泵压）。

（4）缓冲机构：冲洗液水路，缓冲橡胶垫。

（5）扶正机构：导正环使内管与钻头、外管同心。

（6）卡心机构：卡簧座、卡簧、挡圈。

（7）冲洗液循环路径。

3．取心器特点
（1）单动性好，提高了岩芯质量及采取率；
（2）可钻进各种软硬岩层；
（3）钻孔较安全。

4．按照拆卸进的相反顺序进行取心器组装。

（二）绳索取心钻具结构观测实验
1．打捞器的拆卸与安装，了解其工作原理
（1）打捞器：打捞矛头机构（包括捞矛器、捞矛、弹簧片、弹性销）；
冲打机构；
脱卡机构；
（2）了解安全销、脱卡机构、冲打机构的工作机理。

2．井下钻具总成
从上而下依次将各连接部件拆开，了解观察组成部分的结构与工作原理。

（1）外管总成：弹卡挡头（拨叉）——弹卡室——外管——扩孔器——钻头，其中弹卡室与外管之间有座环，外管与扩孔器之间有导正环。

（2）内管总成： 打捞接头（捞筒）：内台阶和弹性销垫。

弹卡机构：回收管、弹性销、弹卡架。

调节机构：调节螺杆，调节螺母2个，上面的螺母调节弹卡与弹卡挡头的间隙为2ｍｍ左右，下面的螺母调节钻头内台阶和卡簧座之间的间隙，一般为4～5ｍｍ，使用底喷钻头时为1.5～2ｍｍ。

单动机构、报信机构、缓冲机构、内管、卡心机构、扶正机构见单动双管取心器。

速控机构：靠单动轴上的4个水眼来实现。

防抽吸机构：弹卡架的4 个水眼和单动轴上的4 个水眼来实现。

3．使用前的检查与调整
各部分连接是否紧密；弹卡、单动机构动作是否灵活，确认后打上润滑油，弹卡张开距离>弹卡室内径1.5ｍｍ，单动机构轴向间隙<0.5ｍｍ；进回水路要畅通；调整两个间隙达到要求；检查卡簧内径与岩心直径的配合。

（三）MTZ —89型阀式正作用液动冲击器结构观测实验
1．参考挂图将从上而下依次将冲击器拆开，观察各组成部件的结构与作用。

冲击器结构：外面部份：上接头——中间接头——外管——六方套——下接头
中间部份：阀——阀簧——限制座——活塞冲锤——锤簧——六方砧子。

其中，阀簧与限制座、锤簧与六方砧子之间有调整垫圈。

2．冲锤的行程及其调节和测量
自阀锤S S S +=
式中：S 锤——活塞冲锤的行程ｍｍ；
S 阀——阀的行程 8～14ｍｍ；
S 自——活塞冲锤的自由行程，3～4ｍｍ。

锤簧预压量2～4ｍｍ。

3．冲击器的特点
阀门关闭时间短，形成水锤压力高，可产生较大的冲击力；启动容易，内压降在3kgf/c ｍ2可以启动，5 kgf/c ｍ2
可工作；结构简单，性能可靠；缺点是回程弹簧的反作用力抵消冲击力太大，且当冲击砧子时达到最大。

（四）阀式双作用液体动冲击器结构观测实验 1．掌握冲击器的工作原理，并观察其结构。

2．根据挂图，从上而下将冲击器拆开，了解冲击器的组成。

（1）外壳部分：上接头、中接头、外管、缸套、花键套、下接头。

（2）运动件部分：阀、活塞冲锤、砧子、节流环。

（3）观察活塞冲锤、阀的上下端面的大小形状，了解上下端面形成压力差的机理，考虑节流环的作用。

（4）对照结构图和各部件，掌握冲击器的工作原理。

启动阶段：冲洗液体进入冲击器中，由于节流环的作用，使其上部液体压力升高，因冲锤的底面积大于活塞面积，形成压力差，冲锤向上运动，直至活塞与阀接触，切断水路，形成水锤高压，迫使阀和冲锤同步向下冲击。

自由行程阶段：当阀下行到阀腔台阶时停止，活塞冲锤依靠其惯性继续下行冲击，活塞与阀脱开，阀压力下降，因阀下端面也大于上端面，在压力差的作用下，上行至上死点。

回程阶段：活塞冲锤冲击砧子，在上下端面压力差的作用下，开始上行，重复动作。

（5）性能指标
冲锤重量：8Kg 冲锤行程：6ｍｍ阀程：4ｍｍ冲击频率：25～50Hz 冲击功49～392J 泵量：6～40L/min
四实验注意事项
1．由于各部件均较重，在拆卸、安装进要小心，防止意外事故发生；
2．安装各部件都要擦洗干净，丝扣处加上润滑油。

五实验报告
1．实验目的。

2．实验器材。

3．实验内容及步骤。

4．思考题：
（1）怎样调节绳索取心钻具内管中的卡簧与钻头内台阶之间的间隙达到规定尺寸？
（2）简述绳索取心钻具的工作原理。

怎样判定钻具到位？
（3）比较正作用与双作用液动冲击器的工作特点。

怎样调节正作用冲击器的行程。

（4）比较单双层岩心管的取心方法。

5．实验心得体会。

实验二金刚石钻进规程参数设计实验实验日期姓名班级学号实验成绩
一实验目的
1．熟练掌握微钻实验台的操作；
2．掌握金刚石钻进参数的确定，优化实验钻进规程；
3．观察钻头磨损情况，确定最优钻进参数组合。

二实验器材
ZS—50型立式岩石钻样机，KD微型钻机，微型孕镶金刚石钻头，直尺，秒表等。

三实验内容
1．ZS—50型立式岩石钻样机的操作
图1 ZS—50型立式岩石钻样机结构示意图
1-调速电机；2-液压系统；3-加压千斤顶；4-导向杆；5-岩样；6-岩样夹持器；7-钻头；8进水口；9-调
速箱
1）打开设备的电源，检查电气系统与液压系统，正常后，进行试样的操作实验。

2）安装所选钻头，连接水源，将所测岩样放入夹持器中并夹紧。

3）打开油泵及调速电机电源，让油泵及电机始终处于工作状态。

操纵油路溢流阀和手动换向阀，让加压千斤顶带动岩样夹持器向上移动到钻头底部，停止。

4）打开水龙头，调节冲洗液流量不小于8L/min。

调节钻头转速至设计值。

5）调节液压系统中的溢流阀，使系统油压达到设计值。

6）关闭回油开关，打开进油路开关，使岩样向上移动，开始钻进。

7）待钻进进尺稳定后，开始计时，钻进深度达25、50、100ｍｍ时，记录钻进时间。

8）钻进结束，关闭压力控制开关，打开回油阀，使岩样夹持器下降，同时，将调速器指针指零。

调节溢流阀，使液压系统压力为零。

9）重复以上步骤，每组岩样三次。

将记录数据填入记录表中。

10）岩样测试完闭，关闭电源与水源。

2．实验的设计
1）岩样的制备与选取
岩样制备：将从现场采取的岩样，加工成外径不大于90ｍｍ、长度在120～190ｍ
ｍ岩样。

选取：每组选取的岩样应是软、中硬、坚硬岩样各取三块。

2）钻进规程参数的设计
设计原则：
充分考虑所选金刚石钻头的碎岩机理与性质； 充分考虑岩样的力学性质（硬度、强度、结构等）。

合理布置钻进参数（钻压、转速）的级数，实验数据能反应参数变化对钻进速度的
影响。

3．实验
将选取的岩样按照1中的实验步骤分别进行操作，将数据填入钻进数据记录表并处
理。

绘出金刚石钻进规程参数影响钻速P －V 图、n －V 图。

V （cm/s ） V （cm/s
P （MPa ）（r/min ）
四 实验报告
1．实验目的 2．实验器材
3．实验内容及数据处理 4．思考题
1）简述孕镶金刚石钻头的碎岩机理
2）依据实验数据，分析钻进规程参数如何影响钻进速度 3）确定金刚石钻进规程参数的原则是什么？ 5．实验小结
实验三 TK—4立轴钻机观察实验
实验日期姓名班级学号实验成绩
一实验目的、要求
1．熟悉TK—4钻机整体结构及各系统的工作原理；
2．熟悉TK—4钻机的变速箱、卷扬机、液压卡盘等结构拆装；
3．掌握钻机的基本操作。

二实验器材
TK-4钻机；龙门架；手动葫芦；手摇千斤顶；拆卸工具一套。

三实验内容
图2 TK—4钻机整体结构示意图
（一）钻机拆装与观察
1．如图1所示TK-4钻机的结构，对照实物，观察钻机各组成部分，了解各部分的功用。

2．升降机的拆卸
升降机主要由卷筒和抱闸组成。

用板手将固定钻机升降机的螺栓松开，将提升及制动抱闸松开并卸掉。

用龙门架、手摇千斤顶等工具将钻机的升降机向上拉紧，向后抽出。

用手动葫芦将其拉起，推动龙门架，把升降机放于空地。

观察升降机的结构、与分动箱的连接形式。

观察升降机的行星轮结构及工作原理。

3．传动箱的拆卸与观察
传动箱的作用是将变速箱的输出
将传动箱上盖打开，观察齿轮啮合情况，并了解传动箱的分动作用及甩油齿轮的作用。

4．回转器的观察
将回转器的上盖、前盖打开，观察动力头的液压卡盘，了解其工作原理
观察回转器锥齿轮与立轴动力传递情况。

5．摩擦离合器及变速箱的观察
观察动力传递情况，电动机通过弹性联轴节将回转器及运动传至摩擦离合器。

图3 TK—4钻机卷筒结构图图4 TK—4钻机传动箱结构示意图
摩擦离合器为干式三片摩擦离合器，由主动摩擦片、从动摩擦片及相关的支承件组成。

观察并调节摩擦离合器操纵手把。

使离合器能够脱开、结合灵活、稳定。

变速箱采用的是东风EQ140变速箱。

打开变速箱上盖，观察变速箱的变挡机构，了解变速机构中变速叉轴之间的限位与钢球自锁原理。

根据机械传动图，计算钻机的传动比。

6．液压系统观察
图5 TK—4钻机回转器结构图图6 TK—4钻机液压系统示意图
对照液压系统原理图，了解钻机加、减压回路、液压卡盘回路、钻机移车回路的工作原理。

7．按照拆卸的相反顺序依次将钻机的各部件组装起来。

（二）钻机的操作
1．离合器、变速箱的操作
离合器操纵机构为连杆、拨叉增力机构。

换挡时，离合器应处于脱开位置，选择合适的档位，正确挂上档后，才能接合离合器。

2．传动箱的操作
传动箱上的两个手把的功能分别是：左边的是升降机操纵手把，分为脱开、接合两个位置；操纵该手把并配合变速箱可以获得5个正转，1 个反转。

右边的一个手把是变速手把，操纵该手把可以使回转器获得10个正向转速，2个反转速度。

变换速度时，应脱开离合器。

要使定位销处于销孔中。

3．升降机的操作
钻具的提升、下放通过操纵提升、制动两个手把完成。

都是向上闸带松开，向下拉闸带抱紧。

提升钻具时，提升手把拉向下方，使闸带抱紧，同时应将制动提升推向前方使闸带松开。

制动钻具时，将制动手把拉向下方，使闸带抱紧，同时提升手把推同下方。

下放钻具时，应将两手把均向前推，使抱闸处于松开状态。

下放过程中，拉动制手把，调节钻具的下降速度。

4．液压系统操作
移车、拧卸管、称重操作。

加压、减压钻进操作：减压钻进，给进阀处在“漂浮”位置，调速阀微微开启，此时红针下降，它在动盘上指出的刻度，即显示孔底的压力。

当达到所需孔底压力时，将调速阀的位置固定。

加压钻进，称重之后，调速阀开启，给进阀打到下降位置，红针上升，调节调压阀，使黑针指示的压力+动盘上反映的钻具重量=所需孔底压力即可。

调节高压溢流阀，可以任意改变系统的工作压力，调节调速阀，可以改变给进油缸的给进速度。

双针压力表的使用。

四操作注意事项
1．钻机的拆卸与安装应在教师的指导下进行。

拆卸时，不能硬敲硬打。

并注意安全。

2．松开卡盘时，最大压力不能超过120kgf/cm2，松开后立即将压力调低。

3．先将离合器松开，再调节变速箱、传动箱的变速手把。

调节后将离合连接。

五实验报告
1．实验目的。

2．实验器材。

3．实验内容及步骤。

4．思考题：
（1）怎样实现钻具的称重与加、减钻进？
（2）简述TK-4钻机传动箱、升降机的工作原理；
（3）简述实验中拆、装钻机的过程。

（4）简述钻机的操作。

5．实验心得体会。

实验四工程钻机与泥浆泵观察实验实验日期姓名班级学号实验成绩
一实验目的、要求
1．了解TXU—75工程钻机的结构及操作方法；
2．了解SPC—300型水文水井钻机的结构；
3．掌握BW、NBB泥浆泵、3PNL砂石泵的结构构造及工作原理；
4．熟练掌握BW850、NBB250/60泥浆泵的拆卸与安装
二实验器材
TXU-75型钻机一台；SPC—300型水文水井钻机一台；BW、NBB—200/40泥浆泵各一台；3PN砂石泵一台；龙门架；手动葫芦；手摇千斤顶；拆卸工具一套。

三实验内容与步骤
1．TXU-75型钻机的结构观察与操作
对照实物进行了解钻机的结构；钻机打不同方向钻机时的操作；了解钻机所使用的钻具组合。

熟悉钻机的操作（钻机操作同上一实验中钻机的操作）。

2．SPC—300型水文水井钻机的观察
了解SPC—300型水文水井钻机的动力传递方式；钻机桅杆的起放及升降系统；钻机的加压系统。

3．BW、NBB—200/40泥浆泵的拆卸与安装实验
（1）对照实物，观察BW、NBB—200/40泥浆泵的构造及工用原理。

泥浆泵的结构：泵头、曲柄箱、离合器、出水阀安全阀、空气室及压力表。

泵头是泥浆泵将低压泥浆转变为高压泥浆的机构，为球墨铸铁，内装缸套。

由缸套、活塞、吸水阀、出水阀将泵头分为低压腔、高压腔、活塞腔。

曲柄箱采用封闭式，由传动齿轮、连杆、十字头等组成，实现回转运动变为连杆的往复运动。

离合器机构，对照挂图，观察其脱开、啮合的工作原理。

安全阀用来控制冲洗液循环系统的压力。

空气室是用来调节系统的压力，降低冲洗液体的压力脉动和流量不均。

（2）拆卸与安装
用工具拆开曲柄箱盖，观察曲柄箱的内部结构；
用工具拆开泵头的端面压盖、低压阀盖、高压盖，观察缸套、活塞、低压阀腔、高压阀腔的结构；观察泵在工作时，吸、排水的过程，掌握泵的工作原理。

拆卸一个活塞组件，观察连杆、活塞的安装与密封。

最后将各部分组装起来。

4．3PNL砂石泵的结构观察实验
观察3PNL砂石泵的结构：电机、泵体、叶轮、护板等组成。

了解泵的工作原理。

泵的技术规格：
流量（L/S）扬程（ｍ）转速（r/min）功率（kW）泵重量（kg）
15 26
1470 12
350
30 21 14.7 42 15.5 16.7
四实验注意事项
设备的拆卸与安装应在教师的指导下进行。

拆卸时，不能硬敲硬打。

并注意安全
五实验报告
1．实验目的。

2．实验器材。

3．实验内容及步骤。

4．思考题：
（1）简述BW泥浆泵、3PNL砂石泵的工作原理。

（2）简述SPC—300型水文水井钻机的加压系统工作机理
（3）试述BW泥浆泵的变量办法。

（4）如何实现TXU—75型钻机的向上钻进，有何特点？
5．实验心得体会。

实验五钻探设备与工艺取芯钻进综合实验实验日期姓名班级学号实验成绩
一实验目的、要求
1．掌握XU—75工程钻机操作方法；
2．掌握岩土工程钻探方法；
3．掌握标准贯入试验
二实验器材
TXU—75型钻机；标准贯入器；取心钻具一套；钻具拧卸工具一套；测量工具一套。

三实验内容与步骤
1 钻进前的准备工作
泥浆的配制：钻进前一天，在泥浆池中，配制0.5ｍ3基浆（加入膨润土25kg，无水碳酸钠1.5kg，水0.5ｍ3，充分搅拌）。

钻机的安装与调试：钻机安放周正、稳固；桅杆立放要平稳，立轴、天车、孔口要在一条直线上。

接通电源，观察电机是否正转，否则将接线其中两条对换。

2 熟悉钻机的操作
3 钻进实验
（1）开孔钻进：使用不取心钻头或短岩心管加钻头钻进2ｍ。

（2）取心钻进：
将带岩心管钻具连接好，用升降机拉起放入孔中，用垫叉将其挂在孔口；
接上主动钻杆，下放到距孔底10cm处停下；
启动泥浆泵，等泥浆返到地面时，下放钻具至孔底，调节液压系统压力，将主动钻具夹紧，用套筒板手调节下部紧固螺栓挤紧主动钻具；
根据钻进参数，调节钻压的立轴转速，向下加压钻进；立轴行程结束，用升降机将钻具拉紧，松开液压卡盘和底部螺栓，使立轴向上移动至上点。

再夹紧主动钻杆，继续钻进；
回次结束，停泵，将水龙头上投砂孔卸开，放入准备好的河砂或铁丝头，并用工具敲打钻具。

开泵，用冲洗液冲送。

等河砂到底后，轻提钻具，再回放时，若无阻碍，说明已卡住岩心，上钻。

若有阻碍，则应向下钻进，重复钻进操作。

岩心卡住后，将液压卡盘松开，将主动钻具松开，打开立轴回转器，让开孔口，用升降机将孔内钻具提起。

注意不要振动钻具，防止岩心脱落；
岩心管提起后，平放钻具，卸掉钻头，将岩心从岩心管中倒出，做好记录；
重复以上操作。

（3）土样的采取
取土器的观察，了解取土器的结构与工作原理：
先用不取心钻头钻进至需要取心的孔深，换用装好的取土器，将钻具下放至孔底，将主动钻杆卡紧，调节液压系统压力，将取土器压入地层中45mm，，将钻具提出钻孔，卸下取土器，取出土样并记录装入岩土盒中。

重复上述实验获取不同层位的岩土样。

（4）标准贯入试验：
如图所示，标准贯入仪器主要由穿心锤、锤垫、触探杆、贯入器头、出水孔、贯入器身、贯入器靴组成。

先将钻孔钻至预定深度以上10~15cm处，清除残土。

贯入前要检查探杆接头，不能松脱。

将标贯器连接到钻具底部，并连接钻具下放到孔底，贯入时要保持探杆竖直。

穿心锤锤重63.5kg，落距76cm，用升降机提拉重锤上行，提升到探杆上部时，
图7 标准贯入器结构示意图
1-穿心锤；2-锤垫；3-触探杆；4-贯入器头；5-出水孔；6-贯入器身；7-贯入器靴
由于杆径缩小，穿心锤离开提引器做自由落体运动，向下冲打钻具。

在钻具上记录初始位置，开始15cm不计锤击次数，接着记录每贯入10cm，累计贯入30cm的锤击数。

提出贯入器，取贯入器中土样描述进行其他实验。

遇到硬土层时，锤击50也未贯入30cm 时，停止贯入并记录贯入厚度。

一般每隔1~1.5m或根据需要重复上述操作步骤进行试验。

四实验报告
1．实验目的。

2．实验器材。

3．实验内容及步骤。

4．思考题：
（1）简述钻取岩心的钻进过程。

（2）对不同性质的土层，如何选取取土器？简述取土钻进过程。

（3）如何计算进尺、孔深、岩心的层位？
（4）简述标准贯入试验过程，确定土层的性质？
5．实验心得体会。