国家精品课程：岩土钻掘工程学第5章——回转钻进工艺(精品).ppt

第五章第五章 回转钻进工艺回转钻进工艺 1 1、钻进效果指标及钻进规程参数、钻进效果指标及钻进规程参数 2 2 2 2、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺 3 3 3 3、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺 4 4 4 4、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺 5 5 5 5、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺 6 6 6 6、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 一、钻进效果指标一、钻进效果指标（一）（一）概述概述1、钻进钻进效果指效果指标标的定的定义义是衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻进成本、钻进质量之间有着密切的联系。2、钻进钻进效果指效果指标标内容内容 钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。o不可控不可控影响因素因素（客观存在），地层岩性及其埋深等o可控可控影响因素因素（可人工调节），钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 （二）钻进速度（二）钻进速度 1 1、平均机械钻速、平均机械钻速（m/h）2、回次回次钻钻速速 表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工序中（即一回次）单位时间的进尺。序中（即一回次）单位时间的进尺。t1辅助作业时间，钻进准备、起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长钻杆、卡取岩心、提钻准备、更换钻头及钻具等时间。随孔深的增加，回次钻速减小。熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高回次钻速的前提。（m/hm/h）1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 3.技术钻速技术钻速一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序、辅辅助作助作业业和其他和其他补充作业的总时间与同期的钻进进尺补充作业的总时间与同期的钻进进尺H之比。之比。技术钻速取决于机台工作的技术水平、各项工作的组织配合及技术措施等。(m/h)T1一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间补充作业时间，h。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 4、经济钻速、经济钻速 在国外叫做商业钻速，表示一台钻机在一个月（季）可计入成表示一台钻机在一个月（季）可计入成本时间本时间（基本工序时间t、辅助工序时间t1、补充作业时间T1和非生产工序所用的时间T2 ）与同期钻进进尺与同期钻进进尺H 之比。之比。(m/h)T2一个月（季）钻机安装、大修、处理孔内事故等非生非生产产性作性作业业的的时间时间，h。劳动组织、动力供给、物资供应、技术状况越好，特别是无事故，经济钻速就会越高。台月效率台月效率vB 3024。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 5、循、循环钻环钻速速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速 (m/h)式中：T3用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔等开孔准备和终孔作业的时间，h。循环钻速表示钻探工程技术和组织管理、协调的总状态。它取决于经济钻速、安装及运输、基地的条件等。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 二、钻进规程二、钻进规程 （一）概述（一）概述 o钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取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。的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。o在回转钻进中主要的钻进参数有：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。o生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 （二）钻进规程的类型（二）钻进规程的类型1、最、最优规优规程程o在在一定一定地地质质条件和条件和钻进钻进方法方法下下，为为保保证钻证钻孔孔质质量量，获获取最高取最高钻钻速或最低速或最低钻进钻进成本而成本而选择选择的的钻进钻进参数搭配叫最参数搭配叫最优规优规程。程。o每米钻进总成本每米钻进总成本(元元/m)oCb钻头价格；钻头价格；Cr钻机单位时间费用钻机单位时间费用；H钻头进尺钻头进尺。o变换得：(元/m)ovm机械钻速，m/h；t纯钻时间，h；o k=t1/t、K1=T1/t、K2=T2/t；1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o对对于于一一定定的的钻钻孔孔、设设备备和和孔孔深深，k、K1、K2基基本本上上为为一一经经验验值值。依依据据C=f（vm），求求出出对对应应于于最最低低成成本本Cmin的的最最优优钻钻速速vm优优，并并由此可确定最优的钻压、转速等规程参数。由此可确定最优的钻压、转速等规程参数。2 2、合理规程、合理规程 在给定条件下，当规程参数选择受到某种制约时（例如设备功率不足，钻具强度不够、冲洗液泵量不足等），在保证钻孔质量的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。3、专专用用规规程程 为完成特种取心，纠斜，定向钻进等任务所采用的参数组合称为专用规程。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 三、钻进过程中各参数间的基本关系三、钻进过程中各参数间的基本关系 1、钻压对钻钻压对钻速的影响速的影响o实实际际钻钻压压=给给进进力力(钻钻具具质质量量+正正或或负负的的机机械械施施加加力力)-(冲冲洗洗液液浮力浮力+孔内摩擦阻孔内摩擦阻)。常用的表示钻压的方法：（1）钻钻压压P整个钻头上的轴向载荷，受钻头类型、口径和切削具数量影响，可比性较差；（2 2）钻钻头头唇唇面面比比压压p p切削具与岩石接触单位面积上的轴向载荷，涵盖了钻头口径和类型的影响，可比性较好。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o钻钻压压在在很很大大的的变变化化范范围围内内与与钻钻速速近近似似成成线线性关系；性关系；oa a点之前，点之前，钻压钻压太低，太低，钻钻速很慢；速很慢；ob b点点之之后后，钻钻压压过过大大，甚甚至至切切削削具具完完全全吃吃入入岩岩层层，孔孔底底冷冷却却和和排排粉粉条条件件恶恶化，钻头磨损也加剧，钻进效果变差化，钻头磨损也加剧，钻进效果变差o钻钻速速:vm（P-W）,式式中中Wab线线在在钻钻压压轴轴上上的的截截距距，相相当当于于切切削削具具开开始始压压入入地地层层时时的的钻钻压压。在在石石油油钻钻井井中中称称为门限钻压，取决于岩层性质。为门限钻压，取决于岩层性质。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 2、转速对钻速的影响、转速对钻速的影响o钻钻软软、塑塑性性大大、研研磨磨性性小小的的岩岩层层时时（曲曲线线），钻钻速速vm与与转转速速n基本呈线性关系；基本呈线性关系；o钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线），钻速），钻速vm与与n开始呈开始呈直直线线关关系系，但但随随着着n继继续续增增大大而而逐逐渐渐变缓变缓，转转速愈高，速愈高，钻钻速增速增长长愈慢；愈慢；o钻钻中中硬硬、研研磨磨性性强强的的岩岩层层（曲曲线线），开开始始类类似似于于曲曲线线，但但vm随随n增增大大而而增增大大的的速速率率缓缓慢慢，当当超超过过某某个个极极限限转转速速n0后，钻速还有下降的趋势。后，钻速还有下降的趋势。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o在其他在其他钻进钻进参数保持不参数保持不变变的情况下，的情况下，钻钻速可表述速可表述为为 vmn 为转速指数，一般小于为转速指数，一般小于1 1，其数值大小与岩性有关。，其数值大小与岩性有关。3、切削具的磨、切削具的磨损对钻损对钻速的影响速的影响 在在钻钻进进中中随随着着切切削削具具的的磨磨钝钝，若若此此时时钻钻值值保保持持不不变变，则则机机械械钻速钻速v也必然逐渐下降。实质是钻头唇面比压也必然逐渐下降。实质是钻头唇面比压p下降引起的。下降引起的。4、水力因素、水力因素对钻对钻速的影响速的影响o一定钻速下，单位时间钻出的岩屑量一定，需要一定的水水功功率率才能完全清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。o软岩：高于这个水功率值水力参加破岩，机械钻速升高。但水浮力增加，对钻速的提高会造成不利影响(硬岩层中)。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 q对孕镶和自磨式钻头，若遇到弱研磨性岩石弱研磨性岩石，为保持钻头自保持钻头自锐锐能力，必须在孔底保存一定的岩粉在孔底保存一定的岩粉，过大的水功率将导致钻速下降，甚至抛光钻头。5、冲洗液性能对钻速的影响、冲洗液性能对钻速的影响5.1冲洗液密度冲洗液密度对钻对钻速的影响速的影响o冲洗液密度决定着孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差o孔底压差对刚破碎的岩屑有压持作用，阻碍孔底岩屑及时清除，压差增大将使钻速明显下降。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 5.2冲洗液粘度冲洗液粘度对钻对钻速的影响速的影响其他条件一定时，冲洗液粘度的增大,将使孔底压差增大，浮力增大，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冲洗液固相含量及其分散性对钻对钻速的影响速的影响o固相含量、固相颗粒的大小和分散度对钻速对钻进速度有明显影响。o固相含量相同时，分散性冲洗液比不分散冲洗液的钻速低。o固相含量越少，两者的差别越大。一般应用固相含量4%的不分散冲洗液。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。一、钻头压力的选择一、钻头压力的选择o钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图5-1中，中，a点继续增加钻压，其钻速将呈直线增长。点继续增加钻压，其钻速将呈直线增长。o不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。q 中硬中硬硬（硬（级）岩石最敏感。级）岩石最敏感。q 级岩石钻压过大，孔底排粉冷级岩石钻压过大，孔底排粉冷却条件恶化，阻碍钻速成比例上升；却条件恶化，阻碍钻速成比例上升；q 级岩石不宜硬合金钻进，在钻级岩石不宜硬合金钻进，在钻杆强度范围内钻压不能使钻速直线增长。杆强度范围内钻压不能使钻速直线增长。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o应充分发挥切削具初刃的切入优势。硬质合金钻进开始时就应以允许的最大初始钻压钻进。等切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得好的钻效。o从两个方面分析增加钻压的意义：岩石方面岩石方面钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加钻压对提高钻速更为有效；硬岩层中增加钻压对提高钻速更为有效；在切削具方面在切削具方面初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。切削具初刃的优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压同时，由于孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较大差距。值与地表的测量值有较大差距。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o实际生产中首先选择每颗切削具上的压力值p，然后根据钻速的变化情况适时调整。岩石越硬、研磨性越强，p值取上限；粘性软岩取小值；裂隙地层也应取小值。钻头上的总压力为 P总总=pmYG8硬质合金切削具的单位压力推荐值 岩岩 层层切削具形状切削具形状单位压力推荐值单位压力推荐值p(kN/颗颗)级软级软-部分中硬岩石部分中硬岩石片片 状状0.400.70级中硬级中硬-部分硬岩石部分硬岩石方柱状方柱状中八角柱状中八角柱状大八角柱状大八角柱状0.801.200.901.401.501.80研磨性大的岩石研磨性大的岩石方柱状方柱状中八角柱状中八角柱状1.201.401.201.701/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 二、钻头转速的选择二、钻头转速的选择(必须考虑岩性和时间因素的影响必须考虑岩性和时间因素的影响)o由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学，由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学，(m/s)q钻钻软软岩岩转转速速的的效效果果最最显显；而而另另两两类类岩岩石石由由于于破破岩岩时时间间效效应应影响显著，故钻速随转速而增大的趋势下降。影响显著，故钻速随转速而增大的趋势下降。o时时间间效效应应岩岩石石在在切切削削具具作作用用下下，从从发发生生弹弹性性变变形形-形形成成剪剪切切体体-跳跳跃跃式式吃吃入入一一定定深深度度，需需要要一一短短暂暂时时间间。切切削削具具要要在在岩岩面停留短暂时间面停留短暂时间t，使裂隙发育至自由面形成剪切体。使裂隙发育至自由面形成剪切体。o如如果果转转速速超超过过临临界界值值(nn0)切切削削具具作作用用于于岩岩面面时时间间t，裂隙尚未发育载荷便移走了，造成表面破碎。裂隙尚未发育载荷便移走了，造成表面破碎。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 硬质合金切削具的线速度推荐值硬质合金切削具的线速度推荐值岩岩 石石 性性 质质 线速度取值范围线速度取值范围(m/s)软的、弱研磨性岩石软的、弱研磨性岩石1.21.6中硬的、具有研磨性的岩石中硬的、具有研磨性的岩石0.91.2中硬中硬硬的研磨性岩石硬的研磨性岩石0.60.8裂隙性岩石裂隙性岩石0.30.61/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 三、冲洗液泵量及其性能的选择三、冲洗液泵量及其性能的选择 o冲冲洗洗液液的的排排粉粉、冷冷却却、润润滑滑和和护护壁壁诸诸功功能能中中，以以排排粉粉所所需需的的泵量最大，故以此为依据来选择泵量。泵量最大，故以此为依据来选择泵量。o液液流流的的阻阻力力与与流流速速平平方方成成正正比比，如如泵泵量量过过大大引引起起的的孔孔底底脉脉动动举举离离力力将将抵抵消消一一部部分分钻钻压压；造造成成在在岩岩心心管管内内、外外环环间间隙隙中中流流速过高，可能冲毁岩心或孔壁。速过高，可能冲毁岩心或孔壁。o合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。(L/min)1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o孔孔内内岩岩屑屑颗颗粒粒的的上上返返速速度度主主要要取取决决于于液液流流的的上上返返流流速速、冲冲洗洗液的性能、岩屑颗粒尺寸及其密度。液的性能、岩屑颗粒尺寸及其密度。o清水冲洗时，液流上升速度取清水冲洗时，液流上升速度取0.250.250.6m/s0.6m/s；o泥浆冲洗液时，液流上升速度取泥浆冲洗液时，液流上升速度取0.200.200.5m/s0.5m/s。o为为提提高高钻钻速速，在在可可能能的的条条件件下下应应尽尽量量选选用用清清水水作作冲冲洗洗液液；若若用用泥泥浆浆其其粘粘度度和和密密度度值值宜宜小小不不宜宜大大，并并尽尽量量用用低低固固相相不不分分散散泥泥浆浆。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 四四、P、n、Q参数间的合理配合参数间的合理配合在实际钻进中在实际钻进中P、n、Q都不是单独起作用，存在交互影响。都不是单独起作用，存在交互影响。q软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；高转速、低钻压、大泵量的参数配合；q研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；q中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。q定性分析的原则是：钻进定性分析的原则是：钻进级及以下岩层，以较高转速为级及以下岩层，以较高转速为主；钻进主；钻进级级及以上岩层，应以较大的钻压为主。及以上岩层，应以较大的钻压为主。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 五、最优回次钻程时间的确定五、最优回次钻程时间的确定 1.1.思路原理思路原理q磨锐式钻头的瞬时钻速随切削具磨钝而递减。当当瞬瞬时时钻钻速速下下降到什么程度起钻换钻头最好？降到什么程度起钻换钻头最好？q确定最佳回次钻程时间的标准是回次钻速达最大值。q钻头在t时间内的累计进尺H为：q代入到回次平均钻速计算公式中，可以得到：1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 q令 ，可求出最优回次钻程时间：，代入上式得最优回次钻速为：最优回次钻速为：q据瞬时钻速vm与进尺H的关系()，代入t0，可求出此时的瞬时钻速为：瞬时钻速为：q在在t0时时刻刻，瞬瞬时时钻钻速速与与回回次次钻钻速速正正好好相相等等。这便为在现场用绘图法确定最佳钻程时间t0提供了理论依据。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 2.作图法确定最优回次钻程时间作图法确定最优回次钻程时间q利利用用瞬瞬时时钻钻速速vm-t 和和 vR-t 两两曲曲线线的的交交点点来来确确定定t0。在在钻钻进进中中，随随时时 计计 算算 vm H/t，vR=H/(t+T)。当当两两者者相相等等时时，此此时间即为最优钻程时间时间即为最优钻程时间t0。q用用回回次次进进尺尺曲曲线线的的切切点点来来确确定定t0。起起下下钻钻时时间间为为T，令令OAT。当当斜斜率率直直线线AB与与H-t相相切切时时，tg为为最最大大值值，即即vR为为最最大大值值。切切点点对应的时间为对应的时间为t0。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 3.自动确定最佳钻程时间的方法自动确定最佳钻程时间的方法o在有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每在有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每7s由微由微机计算一次瞬时钻速和回次钻速，按不等式机计算一次瞬时钻速和回次钻速，按不等式vR/vmCm(Cm取值取值1.11.2)判断是否需要终止回次钻程。判断是否需要终止回次钻程。o若不等式能满足，则钻进过程处于图若不等式能满足，则钻进过程处于图5-6中中t0点左边或刚过，点左边或刚过，可继续钻进。如果不满足，说明已稳定地超过可继续钻进。如果不满足，说明已稳定地超过t0点。点。o为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察5min。这时微这时微机系统给一个钻压增量机系统给一个钻压增量P，观察瞬时钻速观察瞬时钻速vm是否继续增大而是否继续增大而重新满足不等式重新满足不等式，同时每秒测算一次，同时每秒测算一次Cm值，如果不满足不等值，如果不满足不等式的次数达式的次数达60%，则发出，则发出“起起钻钻”的命令。的命令。o应用该方法曾使回次钻速提高了应用该方法曾使回次钻速提高了10%20%。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 六、自磨式硬合金钻头的规程特点六、自磨式硬合金钻头的规程特点 o自自磨磨式式与与磨磨锐锐式式钻钻头头的的主主要要区区别别：接接触触面面积积恒恒定定，回回次次进进尺尺较长较长，以磨削和微剪切碎岩，以磨削和微剪切碎岩为为主，要求切削具主，要求切削具能自磨出刃。能自磨出刃。（1）钻钻压压：与与岩岩石石的的接接触触面面积积大大，总总钻钻压压应应大大于于磨磨锐锐式式2025%；（2）转转速速：由由破破岩岩机机理理，必必须须采采用用比比磨磨锐锐式式更更高高的的转转速速，以以提提高高单单位位时间时间的破岩次数；的破岩次数；（3）泵泵量量：可可以以采采用用比比磨磨锐锐式式略略小小的的泵泵量量，但但为为了了充充分分冷冷却却（转转速速较较高高）和和避避免免重重复复破破碎碎，应应尽尽量量采采用用大大泵泵量量。随随着着胎胎块的磨耗，过水断面减小需及时调小泵量，以防蹩泵。块的磨耗，过水断面减小需及时调小泵量，以防蹩泵。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 一、合理一、合理选择选择金金刚刚石石钻头钻头o金金刚刚石石钻进钻进中所中所选选用的用的钻头钻头必必须须和所和所钻钻的岩性相适的岩性相适应应。o尤其是孕镶金刚石钻头的结构参数较为复杂，选择时应根尤其是孕镶金刚石钻头的结构参数较为复杂，选择时应根据所钻岩层性质综合考虑到金刚石据所钻岩层性质综合考虑到金刚石 品级、胎体性能（保品级、胎体性能（保证钻头自锐）、唇面形状、内外径补强和水路设计等因素。证钻头自锐）、唇面形状、内外径补强和水路设计等因素。二、金刚石钻进规程参数二、金刚石钻进规程参数 评评定定金金刚刚石石钻钻进进规规程程的的主主要要依依据据是是：钻钻速速、钻钻头头总总进进尺尺和和单位进尺的金刚石耗量三个指标。单位进尺的金刚石耗量三个指标。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 1.钻压钻压o金金刚刚石石钻钻进进分分：表表面面研研磨磨破破碎碎、疲劳破碎、体积破碎疲劳破碎、体积破碎o随随钻钻压压的的增增加加，单单位位进进尺尺的的金金刚刚石石耗耗量量也也增增长长很很快快。过过大大的的钻钻压压使使金金刚刚石石耗耗量量急急剧剧增增大大，导导致致钻钻速下降。速下降。o钻钻压压值值应应选选择择在在最最优优区区内内。具具体体选选择择钻钻压压时时，可可根根据据岩岩石石硬硬度度、金金刚刚石石的的抗抗压压强强度度和和钻钻头头的的类类型型等因素确定。等因素确定。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 1.1表镶金刚石钻头的钻压表镶金刚石钻头的钻压P根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压：根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压：P=m p（N）m工工作作金金刚刚石石的的粒粒数数=总总粒粒数数的的2/33/4；p单单粒粒金金刚刚石石压压力，力，N/粒粒.o细细粒粒金金刚刚石石：p11.5dN/粒粒；中中粒粒金金刚刚石石：p1.52dN/粒粒；粗粗粒金刚石：粒金刚石：p23dN/粒；特优质级金刚石：粒；特优质级金刚石：p5dN/粒粒.1.2孕镶金刚石钻头的钻压孕镶金刚石钻头的钻压Wo孕孕镶镶钻钻头头金金刚刚石石粒粒多多、刃刃小小，钻钻压压对对金金刚刚石石强强度度的的影影响响降降为为次次要因素，主要要因素，主要应应根据岩石的性根据岩石的性质质确定确定钻压钻压W=Fq（N）oF钻头实际钻头实际面面积积,mm2；q单位面积压力。单位面积压力。o中硬岩石中硬岩石45N/mm2；坚硬或高质量金刚石坚硬或高质量金刚石67N/mm2。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3、选择选择和施加和施加钻压时还应钻压时还应注意以下几点：注意以下几点：（1）岩石性）岩石性质质。软岩层或破碎、非均质岩层宜选下限钻压；（2）金）金刚刚石。石。金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限钻压，反之，则取下限钻压；（3）钻头类钻头类型。型。钻头直径大、壁厚、岩石接触面积大时，宜选用上限钻压。（4）注意新）注意新钻头钻头与孔底的磨合。与孔底的磨合。在磨合阶段应使用低钻压、低转速，使钻头唇面形状与孔底及岩心根部逐渐相吻合。（5）孔底实际钻压。孔底实际钻压。钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成钻具振动，使孔底实际的瞬时动载可能是地表仪表指示钻压的03倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 2.转速转速q转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速与金刚石磨损转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最小。即在某一转速下金刚石磨损量最小。2.1表镶金刚石钻头的线速度表镶金刚石钻头的线速度q表镶金刚石粒度较大出刃也较大，允许有较大的切入量，转表镶金刚石粒度较大出刃也较大，允许有较大的切入量，转速应低于孕镶钻头。推荐的线速度为速应低于孕镶钻头。推荐的线速度为12m/s。2.2孕镶金刚石钻头的线速度孕镶金刚石钻头的线速度q孕镶金刚石粒度很小（一般粒径孕镶金刚石粒度很小（一般粒径0.2mm）出刃微小，主要靠）出刃微小，主要靠高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为1.53m/s。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速单位：单位：r/min钻头直径钻头直径(mm)364659(56)6675(76)91表镶钻头表镶钻头65013005001000400800350650300550250500孕镶钻头孕镶钻头10002000750150060012005001000400850350700选择合理转速时：选择合理转速时：(1)岩性。如岩层破碎、软硬不均、孔壁不稳，宜选下限转速。岩性。如岩层破碎、软硬不均、孔壁不稳，宜选下限转速。(2)钻孔。如钻孔结构简单、环空小、孔深不大，应选高转速。钻孔。如钻孔结构简单、环空小、孔深不大，应选高转速。(3)设备和钻具。实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限设备和钻具。实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转速。制了选用高转速。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3.冲洗液泵量冲洗液泵量q在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。qQ=6vF(L/min)。v环空上返流速，要求环空上返流速，要求v0.30.5m/s。q金刚石钻头环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不金刚石钻头环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔仅增大工作泵压，容易冲蚀孔壁和岩心，还会过量抵消钻压，壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。引起钻具的振荡。q泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。例如，钻进中突然钻泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。例如，钻进中突然钻速降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或速降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或“烧钻烧钻”的预的预兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 选择冲洗液量时应考虑以下因素：选择冲洗液量时应考虑以下因素：q岩性：岩性：坚硬致密岩岩粉量少，选择下限泵量；强研磨性岩，摩擦功较大需大泵量冷却，但防止冲蚀胎体使金刚石脱落。q钻头：钻头：孕镶出刃微小，多水口循环，高转速，宜用较大泵量防烧钻。表镶出刃较大，排粉和冷却较好，可选较小泵量。q防烧钻防烧钻(尤其孕镶尤其孕镶)：试验表明，满足冷却胎体只需每厘米钻头直径0.20.3L/min就可。但转速为800r/min，钻头唇面压力为10MPa时，钻头每转一圈胎体温升1.73C。所以钻进中冲洗液停止循环12min，便可能造成烧钻的恶性事故。q金刚石钻进常用泵量值:钻头3691(mm)泵量2070(L/min)1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 三、金刚石钻进的临界规程三、金刚石钻进的临界规程在临界规程在临界规程下钻头胎体急剧温升，功耗剧增，甚至烧钻。1、胎体温度与、胎体温度与钻压钻压P和和转转速速n的关系的关系q当Pn达临界值胎体温度由100200C急升至600700C对具体岩石而言Pn的临界值基本上是常量。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 2、功耗、机械、功耗、机械钻钻速与速与钻进规钻进规程的关系程的关系q钻进功耗、机械钻速也与临界规程有钻进功耗、机械钻速也与临界规程有直接关系。直接关系。q规律与胎体温升的趋势一致，与胎体规律与胎体温升的趋势一致，与胎体温升同步进入临界状态，在同一临温升同步进入临界状态，在同一临界值，功耗、机械钻速激增。界值，功耗、机械钻速激增。q用孕镶金刚石钻头钻进某花岗岩时，用孕镶金刚石钻头钻进某花岗岩时，最高钻速不得超过临界值最高钻速不得超过临界值37mm/min，否则将出现胎体温度剧增的严重否则将出现胎体温度剧增的严重后果。后果。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3、胎体温度与冲洗液的关系、胎体温度与冲洗液的关系q试验表明，当钻进过程进入临界状态后，冲洗液的冷却效果有限度，单纯依靠增大泵量不解决问题。q表5-8数据表明泵量增大一倍时，胎体温度和功率消耗虽有某种程度的降低，但并不能使钻进过程从临界转为正常规程。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 4、钻头钻头磨磨损损与与钻进规钻进规程的程的关系关系q当由正常规程转入临界规程时，当由正常规程转入临界规程时，钻头磨耗都是突然急剧增大。钻头磨耗都是突然急剧增大。q曲线曲线的磨耗量比曲线的磨耗量比曲线高高3倍，倍，可能是生产条件下孔内动载使可能是生产条件下孔内动载使金刚石强度和胎体硬度降低。金刚石强度和胎体硬度降低。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 综综上所述，可以得出两点上所述，可以得出两点结论结论：（1）金）金刚刚石石钻进钻进，每种岩石都存在，每种岩石都存在临临界界规规程，其程，其Pn值值基本是基本是个常数；个常数；P和和n之之间间存在着明存在着明显显的交互影响，必的交互影响，必须须同同时时考考虑虑它它们们的取的取值值；进进入入临临界界规规程的主要表程的主要表现现是胎体温度急升，是胎体温度急升，钻头钻头严严重磨耗，重磨耗，虽虽然此然此时钻时钻速也很高，但可能速也很高，但可能导导致致烧钻烧钻。因此，。因此，必必须须保保证钻进证钻进生生产产工工艺处艺处在小于在小于临临界界规规程的状程的状态态下。下。（2）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，便于测量。而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程是否正常。因此可通过测量钻进功率来判断钻进过程是否正常。1/10/2023中国地质大学勘查与基础工程系岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 一、影响钢粒钻进效果的因素一、影响钢粒钻进效果的因素1.钢粒规格对钻进效果及质量的影响钢粒规格对钻进效果及质量的影响