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第四节 刚粒钻进工程钻探学课件工程钻探学课件本讲稿第一页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第三章第三章第三章第三章 回转钻进钻头与工艺回转钻进钻头与工艺回转钻进钻头与工艺回转钻进钻头与工艺第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 钢粒钻进与硬质合金钻进、金刚石钻进相比，最主要的特点是：钢粒钻进与硬质合金钻进、金刚石钻进相比，最主要的特点是：作为碎岩磨料的钢粒，不被固定在钻头上面，而是在周围岩石的限作为碎岩磨料的钢粒，不被固定在钻头上面，而是在周围岩石的限制下，靠钻头的底唇把钢粒压在其下，随着钻头的转动，带动钢粒制下，靠钻头的底唇把钢粒压在其下，随着钻头的转动，带动钢粒在岩石上面不断滚动，达到破碎岩石的目的。在岩石上面不断滚动，达到破碎岩石的目的。这种钻进方法主要用于中等硬度以上的坚硬岩层。但由于其钻进速度较慢，在地质钻探中有被取代的趋势。但在大口径坚硬岩层中钢粒钻进较为经济，故仍被采用。本讲稿第二页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 钢粒钻进如图所示。在岩心管的下端接有钢钢粒钻进如图所示。在岩心管的下端接有钢粒钻头，在孔底投一定量的粒钻头，在孔底投一定量的“自由自由”钢粒，钢粒，钢粒钻头压在这些钢粒上。钻进中，钻头向钢粒钻头压在这些钢粒上。钻进中，钻头向下施加一定的轴向压力、并作回转运动，同下施加一定的轴向压力、并作回转运动，同时冲洗液由钻头内壁与岩心的间隙流经孔底，时冲洗液由钻头内壁与岩心的间隙流经孔底，再由钻头外表与孔壁形成的间隙向上流出，再由钻头外表与孔壁形成的间隙向上流出，携带岩粉至地表。携带岩粉至地表。一、概述一、概述1、钢粒钻进的井底工作过程、钢粒钻进的井底工作过程1-孔壁；2-岩心；3-岩心管；4-钻头；5-水口；6-钢粒；7-冲洗夜流本讲稿第三页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件在钻进过程中，当钢粒消耗后可以继续补给，或一开始就投入较多的钢在钻进过程中，当钢粒消耗后可以继续补给，或一开始就投入较多的钢粒储存于钻孔底部，这样就可在不停钻、提钻的情况下，获得较长的钻粒储存于钻孔底部，这样就可在不停钻、提钻的情况下，获得较长的钻程，这对于钻进坚硬的、研磨性大的岩层来说是有利的。程，这对于钻进坚硬的、研磨性大的岩层来说是有利的。孔底钻头唇面下的钢粒，靠其弹塑性变形及磨擦力带动钢粒使其翻孔底钻头唇面下的钢粒，靠其弹塑性变形及磨擦力带动钢粒使其翻转滚动来破碎岩石，因此，转滚动来破碎岩石，因此，孔底的岩石主要是靠钢粒的重复碾压作用孔底的岩石主要是靠钢粒的重复碾压作用而破碎的而破碎的。同时，在钻头转动中，由于钢粒的大小和形状不同、孔底高低不。同时，在钻头转动中，由于钢粒的大小和形状不同、孔底高低不平等原因而平等原因而产生纵向脉动冲击产生纵向脉动冲击，也有助于破碎岩石。在这种情况下，也有助于破碎岩石。在这种情况下，它可以破碎比钢粒本身硬度还大的岩石，可钻它可以破碎比钢粒本身硬度还大的岩石，可钻7级以上的坚硬致密级以上的坚硬致密的或研磨性很大的岩层。的或研磨性很大的岩层。一、概述一、概述本讲稿第四页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件由于在钢粒钻进中钻粒并不固定在钻头上这一特点，给这种钻进方法带来了某些有利的由于在钢粒钻进中钻粒并不固定在钻头上这一特点，给这种钻进方法带来了某些有利的和不利的因素，也为其钻进工艺带来了一些特殊性和复杂性。和不利的因素，也为其钻进工艺带来了一些特殊性和复杂性。一、概述一、概述2、钢拉钻进的特点及应用、钢拉钻进的特点及应用（1）在钻进中，一部分钢粒在钻头唇面下破碎孔底岩石，还有一部分钢粒被挤在钻头内、外环状间隙中，研磨岩心及孔壁，这不仅增加了钢粒、钻头及动力的消耗，并且还磨细岩心和扩大孔壁，影响岩心采取率和容易发生孔斜。同时，钻头转动时，作用在钢粒上的离心力与转动半径成反比，也就是说，孔径越小，钻头越不容易压砂，钢粒被抛离钻头底唇从而影响钻进效率。因此，钢粒钻进不适宜用小口径钻进。在地质勘探钻进中，钢粒钻进用的最小口径为75mm，常用口径为91 mm及110mm。钢粒钻进的缺点和使用上的局限性：本讲稿第五页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 一、概述一、概述2、钢拉钻进的特点及应用、钢拉钻进的特点及应用(2)钢粒钻进不能用于钻进小倾角的、接近于水平的钻孔，只适用于钻进倾角7590的钻孔。(3)钢粒钻进不能钻进大裂隙、空洞或涌水量大的地层。在这些地层中，钢粒会漏失或被冲走。(4）对冲洗液量的调节和掌握，必须适应孔底钢粒分布及分选的要求，且需随着孔底情况的变化而改变。钢粒钻进的缺点和使用上的局限性：本讲稿第六页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 一、概述一、概述3、钢粒钻进的碎岩方式、钢粒钻进的碎岩方式1）压碎碎岩 当钢粒转到以较小的面积与孔底岩石接触，或钻头给予钢粒的轴向压力比较集中，而使钢粒与岩石的接触面上的压强达到岩石的压入硬度时，则在接触的地方，发生压碎式碎岩的情况。此时，钢粒压入岩石，岩石呈体积破碎方式破裂。本讲稿第七页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 一、概述一、概述3、钢粒钻进的碎岩方式、钢粒钻进的碎岩方式1）压碎碎岩图(a)表示圆柱状切制的钢粒，在钻进开始时，尚成圆柱状，以其边棱压碎岩石的情况；图(b)表示被磨成球形的钢粒在钻头压力集中作用下，接触面上的压强达到了压入硬度值，发生压入压碎岩石的情况。本讲稿第八页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 一、概述一、概述3、钢粒钻进的碎岩方式、钢粒钻进的碎岩方式2）压裂碎岩压裂碎岩是由钢粒的碾压作用而产生的疲劳碎岩方式。钢粒在钻头轴向压力下，由于钢粒的变形和与岩石的磨擦力，在滚动过程中将岩石撕成许多裂纹，称之为碾压作用。虽然钢粒与岩石接触处的压强尚未达到岩石的压入硬度，也未发生体积破碎，但这些表面裂纹已经使岩石破裂到一定深度，并且在钢粒的不断重复碾压作用下和冲洗液的侵蚀下，裂纹很快加密加深，使岩屑不断地从岩面上剥离下来而达到碎岩的目的。本讲稿第九页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 一、概述一、概述3、钢粒钻进的碎岩方式、钢粒钻进的碎岩方式3）井底脉动冲击作用钢粒钻头在钻杆柱传来的轴向压力作用下压在井底钢粒层上，作回转运动。一方面，在回转钻进时，钻杆柱本身产生纵向、横向和扭转振动，加之钢粒形状和大小不均、井底岩面不平等原因、钻具会产生强烈的弹性脉动并作用于钢粒上面；另一方面，在碎岩过程中，钢粒每次体积破碎也产生激振一次。这种脉动冲击对破碎岩石是有利的。本讲稿第十页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 二、钢粒二、钢粒常用的钢粒是用60号、70号钢或Y7、Y8钢的粗拉线材，或者是用废钢丝绳破股成钢丝，在专门的切钢粒机上切制而成的。常用的钢粒直径为2.54mm。并按2.5mm、3mm、3.5mm、4mm分成粒度级别。其形状是高度基本上等于直径的圆柱体，其高度与直径之差限制在0.25mm范围内，这样有利于钢粒滚动并形成圆球。本讲稿第十一页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 三、钢粒钻头三、钢粒钻头钢粒钻头的功用：是将钻杆柱传来的轴向压力及回转力传递给钢粒；同时，钻头的唇面把钢粒压向孔底，进行钻进。1、钢拉钻头的功用与结构 本讲稿第十二页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 三、钢粒钻头三、钢粒钻头结构：钢粒钻头一般用中碳钢(45号钢）无缝钢管制成。其结构呈圆筒状，钻头的外径上下一致，内壁设计成1：100的锥度，以便卡取岩心。钻头外径有：75mm,91mm,110mm,130mm,150mm等级别。钻头壁厚随钻头直径不同而在911 mm之间变化。新钻头的长度均为500mm。在钻进中，钻头沿高度逐渐被磨耗，直到剩余150mm时，就不能继续使用。钻头在底部开有水口，用于流通冲洗液和向钻头唇面下不断地补给钢粒。1、钢拉钻头的功用与结构 本讲稿第十三页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 三、钢粒钻头三、钢粒钻头良好的钢粒钻头应具有下列性能：1）应能很好地压住钢粒，并能带动钢粒沿孔底滚动；）应能很好地压住钢粒，并能带动钢粒沿孔底滚动；2）应能顺利地流通冲洗液，排除岩粉；）应能顺利地流通冲洗液，排除岩粉；3）应能适量并及时地向钻头底唇下面补充钢粒，保证钻进正）应能适量并及时地向钻头底唇下面补充钢粒，保证钻进正常；常；4）钻头应耐磨，并应在磨耗中保持良好的导砂性能和补砂性）钻头应耐磨，并应在磨耗中保持良好的导砂性能和补砂性能。能。1、钢拉钻头的功用与结构 本讲稿第十四页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件三、钢粒钻头三、钢粒钻头一般来说，所钻岩石越硬，钢粒强度应愈大，钻压应愈高，则所选用的钻头硬度也应相应地增大一些。但一般要求钻头的硬度稍小于钢粒的硬度。假如钻头硬度过大，则难于牵动钢位滚动，且容易压碎钢粒；相反，钻头过软，钢粒嵌入钻头底唇过深，也不易牵动钢粒滚动，且使钻头磨耗过快。此外，钻头还必须具有足够的强度，以便有效地传递轴向压力和回转扭矩。在单位钻压为30-50kg/cm2的条件下，钻头硬度HRC24-32。材质：45号钢或DZ40或DZ50号钢，经调质处理。2、钢拉钻头的材质及性能本讲稿第十五页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 三、钢粒钻头三、钢粒钻头在钢拉钻进中，为了稳定地把钢粒压于钻头底唇之下，以便连续的破碎岩石，钻头应当有适当的厚度。一般要求钻头壁厚应为钢拉直径的34倍。实际生产中，所用的厚壁钻头多限于1416mm。大口径施工钻头壁厚可能有3050mm3、钢杜钻头的壁厚本讲稿第十六页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件三、钢粒钻头三、钢粒钻头在钻头上开了水口，实际上就减小了钻头“压砂”端面，也即减小了钻头的有效工作面积，所以水口不宜过宽。通常开口宽度不应大于钻头端面周长的1/4。为了使水口不致过分影响钻头的强度与刚度，水口也不宜过高、一般采取150 mm以下。钢粒钻头的水口在钻进过程中会随着钻头磨耗而不断减小。最后，会使过水断面过小而不能继续钻进。因此，在再次使用钻头时，必须重新切割水口。4、钢拉钻头的水口本讲稿第十七页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程钢粒钻进规程包括：投砂方法及投砂量、钻压（轴向压力）、转速钢粒钻进规程包括：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。和冲洗液量（泵量）等方面。1、投砂方法及投砂量、投砂方法及投砂量向孔底供给钢粒的方法称投砂方法。钢粒钻进的投砂方法有三种：即一次向孔底供给钢粒的方法称投砂方法。钢粒钻进的投砂方法有三种：即一次投砂法、结合投砂法和连续投砂法。其中以一次投砂法使用最为广泛。投砂法、结合投砂法和连续投砂法。其中以一次投砂法使用最为广泛。本讲稿第十八页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程1）一次投砂法）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人孔底。孔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人孔底。孔壁完整时，则从孔口直接投人；孔壁破裂时，则当钻杆下到接近孔底时，壁完整时，则从孔口直接投人；孔壁破裂时，则当钻杆下到接近孔底时，从钻杆中投入。从钻杆中投入。1、投砂方法及投砂量、投砂方法及投砂量2）结合投砂法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。本讲稿第十九页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程3）连续投砂法）连续投砂法连续投砂法是在钻进过程中连续不断地向孔内供给钢粒，以补充钻进中的连续投砂法是在钻进过程中连续不断地向孔内供给钢粒，以补充钻进中的消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器由于无理想的连续投砂器，消耗。连续投砂法必需用专门的连续投砂器由于无理想的连续投砂器，所以生产中实际使用连续投砂法很少。所以生产中实际使用连续投砂法很少。1、投砂方法及投砂量、投砂方法及投砂量本讲稿第二十页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程在钢粒钻进中，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。假如。假如钻压不足，钢粒只能达到微量压裂岩石的程度，须经多次重复碾压，钻压不足，钢粒只能达到微量压裂岩石的程度，须经多次重复碾压，才能产生表层碎岩，故钻进效率不高。此外，轴向的钻压也是钻头产才能产生表层碎岩，故钻进效率不高。此外，轴向的钻压也是钻头产生牵动钢粒所需的连系力。假如钻压不足，则连系力不足，带不动钢生牵动钢粒所需的连系力。假如钻压不足，则连系力不足，带不动钢粒，就不能钻进。因此钢粒钻进中必须有足够大的钻压。粒，就不能钻进。因此钢粒钻进中必须有足够大的钻压。2、钻压、钻压本讲稿第二十一页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程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。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。在一定在一定条件下，转速大就意味着钢粒在单位时间内滚动的次数多，因而破碎条件下，转速大就意味着钢粒在单位时间内滚动的次数多，因而破碎岩石的效果可增强。但是，转速过大，会引起动载过大，使钢粒提前岩石的效果可增强。但是，转速过大，会引起动载过大，使钢粒提前破碎损耗。此外，转速增大离心力也增大，可能使钢粒抛离钻头的底破碎损耗。此外，转速增大离心力也增大，可能使钢粒抛离钻头的底唇，使唇底的工作钢粒减少，引起钻进速度降低。同时，增大转速会唇，使唇底的工作钢粒减少，引起钻进速度降低。同时，增大转速会使钻具摆动加剧，使钻具对钻孔中心的回转偏心距增大。这样，一方使钻具摆动加剧，使钻具对钻孔中心的回转偏心距增大。这样，一方面扩大了孔壁；另一方面也使所钻的岩心变细，从而使钻孔弯曲增大面扩大了孔壁；另一方面也使所钻的岩心变细，从而使钻孔弯曲增大和岩心采取率降低，影响钻孔的质量。和岩心采取率降低，影响钻孔的质量。3、转速、转速本讲稿第二十二页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程在钢粒钻进中在钢粒钻进中,冲洗液流在孔底循环冲洗液流在孔底循环,它不仅起着排除岩粉和冷却钻它不仅起着排除岩粉和冷却钻具的作用具的作用,更重要的还起着分选更重要的还起着分选更新钢粒和促使钻头唇面下合理布更新钢粒和促使钻头唇面下合理布砂的作用。砂的作用。冲洗液量不足时，较粗粒岩粉冲不上来，大量地积聚在孔底。冲洗液量不足时，较粗粒岩粉冲不上来，大量地积聚在孔底。冲洗液量过大时，会把钢粒冲离孔底，把有用的工作钢粒冲走，使冲洗液量过大时，会把钢粒冲离孔底，把有用的工作钢粒冲走，使孔底缺少甚至没有工作钢粒。孔底缺少甚至没有工作钢粒。4、冲洗液量、冲洗液量本讲稿第二十三页，共二十四页工程钻探学课件工程钻探学课件第四节第四节 刚粒钻进刚粒钻进 四、钢粒钻进规程四、钢粒钻进规程合理的冲洗液量应该合理的冲洗液量应该 是既能保证有效地将岩粉冲走、保持孔内清洁，是既能保证有效地将岩粉冲走、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：常采用下式计算钢粒钻进的冲洗液量：Q=kD 式中，式中，Q钢粒钻进的冲洗液量钢粒钻进的冲洗液量L/min，D钻头直径钻头直径cm，k送送水系数，清水：水系数，清水：k=5-3；泥浆：；泥浆：k=3-1.54、冲洗液量、冲洗液量本讲稿第二十四页，共二十四页