國(guó)家精品課程巖土鉆掘工程學(xué)第5章——回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝

1、第五章 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝 1、鉆進(jìn)效果指標(biāo)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 2、硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 3、金剛石鉆進(jìn)工藝 4、鋼粒鉆進(jìn)工藝 5、牙輪鉆進(jìn)工藝 6、全面鉆頭鉆進(jìn)工藝國(guó)家精品課程 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 一、鉆進(jìn)效果指標(biāo) （一）概述 1、鉆進(jìn)效果指標(biāo)的定義 是衡量鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。鉆進(jìn)速度、鉆進(jìn)成本、鉆進(jìn)質(zhì)量之間有著密切的聯(lián)系。 2、鉆進(jìn)效果指標(biāo)內(nèi)容 鉆速、每米鉆孔成本、巖礦心采取率和鉆孔彎曲等。不可控影響因素（客觀存在），地層巖性及其埋深等可控影響因素（可人工調(diào)節(jié)），鉆頭類型、沖洗液性能、鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量等。 7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程

2、參數(shù) （二）鉆進(jìn)速度 1、平均機(jī)械鉆速 （m/h）2、回次鉆速 表示從鉆具開始下入鉆孔，進(jìn)行鉆進(jìn)，直到把鉆具從鉆孔提出的工序中（即一回次）單位時(shí)間的進(jìn)尺。t1 輔助作業(yè)時(shí)間，鉆進(jìn)準(zhǔn)備、起下鉆、沖孔、掃孔、立軸倒桿、接長(zhǎng)鉆桿、卡取巖心、提鉆準(zhǔn)備、更換鉆頭及鉆具等時(shí)間。隨孔深的增加，回次鉆速減小。熟練操作、優(yōu)化鉆進(jìn)、實(shí)現(xiàn)鉆具升降機(jī)械化、自動(dòng)化是提高回次鉆速的前提。 （m/h）7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 3. 技術(shù)鉆速 一臺(tái)鉆機(jī)在一個(gè)月期間內(nèi)用于完成基本工序、輔助作業(yè)和其他補(bǔ)充作業(yè)的總時(shí)間與同期的鉆進(jìn)進(jìn)尺H之比。技術(shù)鉆速取決于機(jī)臺(tái)工作的技術(shù)水平、各項(xiàng)工作的組織配合

3、及技術(shù)措施等。 (m/h) T1一個(gè)月期間內(nèi)消耗在固孔、測(cè)量孔斜、地球物理測(cè)井、孔內(nèi)注漿、人工造斜等工作中的補(bǔ)充作業(yè)時(shí)間，h。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 4、經(jīng)濟(jì)鉆速 在國(guó)外叫做商業(yè)鉆速，表示一臺(tái)鉆機(jī)在一個(gè)月（季）可計(jì)入成本時(shí)間（基本工序時(shí)間 t 、輔助工序時(shí)間 t1、補(bǔ)充作業(yè)時(shí)間T1和非生產(chǎn)工序所用的時(shí)間T2 ）與同期鉆進(jìn)進(jìn)尺H 之比。 (m/h) T2一個(gè)月（季）鉆機(jī)安裝、大修、處理孔內(nèi)事故等非生產(chǎn)性作業(yè)的時(shí)間，h。勞動(dòng)組織、動(dòng)力供給、物資供應(yīng)、技術(shù)狀況越好，特別是無(wú)事故，經(jīng)濟(jì)鉆速就會(huì)越高。臺(tái)月效率 vB 3024。7/13/2022整理ppt 第一

4、節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 5、循環(huán)鉆速循環(huán)鉆速指的是從開孔到終孔整個(gè)生產(chǎn)大循環(huán)的平均鉆速 (m/h) 式中：T3用于安裝和拆卸鉆塔、起拔套管、封孔等開孔準(zhǔn)備和終孔作業(yè)的時(shí)間，h。 循環(huán)鉆速表示鉆探工程技術(shù)和組織管理、協(xié)調(diào)的總狀態(tài)。它取決于經(jīng)濟(jì)鉆速、安裝及運(yùn)輸、基地的條件等。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 二、鉆進(jìn)規(guī)程 （一）概述 鉆進(jìn)規(guī)程是指為提高鉆進(jìn)效率、降低成本、保證質(zhì)量所采取的技術(shù)措施，通常指可由操作者人為改變的參數(shù)組合。在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中主要的鉆進(jìn)參數(shù)有：鉆壓、鉆具轉(zhuǎn)速、沖洗介質(zhì)的品質(zhì)、單位時(shí)間內(nèi)沖洗介質(zhì)的消耗量等工藝參數(shù)。生產(chǎn)中有不同的鉆進(jìn)規(guī)程：最

5、優(yōu)規(guī)程、合理規(guī)程、專用規(guī)程7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) （二）鉆進(jìn)規(guī)程的類型 1、最優(yōu)規(guī)程在一定地質(zhì)條件和鉆進(jìn)方法下，為保證鉆孔質(zhì)量，獲取最高鉆速或最低鉆進(jìn)成本而選擇的鉆進(jìn)參數(shù)搭配叫最優(yōu)規(guī)程。每米鉆進(jìn)總成本 (元/m) Cb鉆頭價(jià)格；Cr鉆機(jī)單位時(shí)間費(fèi)用；H鉆頭進(jìn)尺。變換得： (元/m) vm機(jī)械鉆速，m/h；t純鉆時(shí)間，h； k = t1/t 、 K1=T1 / t 、 K2=T2 /t ；7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 對(duì)于一定的鉆孔、設(shè)備和孔深，k、K1、K2基本上為一經(jīng)驗(yàn)值。依據(jù)C=f（vm），求出對(duì)應(yīng)于最低成本Cmi

6、n的最優(yōu)鉆速vm優(yōu)，并由此可確定最優(yōu)的鉆壓、轉(zhuǎn)速等規(guī)程參數(shù)。2、合理規(guī)程 在給定條件下，當(dāng)規(guī)程參數(shù)選擇受到某種制約時(shí)（例如設(shè)備功率不足，鉆具強(qiáng)度不夠、沖洗液泵量不足等），在保證鉆孔質(zhì)量的同時(shí)爭(zhēng)取最大鉆速的鉆進(jìn)參數(shù)組合叫做合理規(guī)程。3、專用規(guī)程 為完成特種取心，糾斜，定向鉆進(jìn)等任務(wù)所采用的參數(shù)組合稱為專用規(guī)程。7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 三、鉆進(jìn)過程中各參數(shù)間的基本關(guān)系 1、鉆壓對(duì)鉆速的影響實(shí)際鉆壓=給進(jìn)力(鉆具質(zhì)量+正或負(fù)的機(jī)械施加力)-(沖洗液浮力+孔內(nèi)摩擦阻)。常用的表示鉆壓的方法： （1）鉆壓P整個(gè)鉆頭上的軸向載荷，受鉆頭類型、口徑和切削具數(shù)量影響，可

7、比性較差； （2）鉆頭唇面比壓p切削具與巖石接觸單位面積上的軸向載荷，涵蓋了鉆頭口徑和類型的影響，可比性較好。 7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 鉆壓在很大的變化范圍內(nèi)與鉆速近似成線性關(guān)系；a點(diǎn)之前，鉆壓太低，鉆速很慢；b點(diǎn)之后，鉆壓過大，甚至切削具完全吃入巖層，孔底冷卻和排粉條件惡化，鉆頭磨損也加劇，鉆進(jìn)效果變差鉆速:vm（P-W）,式中 Wab線在鉆壓軸上的截距，相當(dāng)于切削具開始?jí)喝氲貙訒r(shí)的鉆壓。在石油鉆井中稱為門限鉆壓，取決于巖層性質(zhì)。7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 2、轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響 鉆軟、塑性大、研磨性小的巖層時(shí)（曲線

8、），鉆速vm與轉(zhuǎn)速n基本呈線性關(guān)系；鉆中硬、研磨性較小的巖層時(shí)（曲線），鉆速vm與n開始呈 直線關(guān)系，但隨著n繼續(xù)增大而逐漸變緩，轉(zhuǎn)速愈高，鉆速增長(zhǎng)愈慢；鉆中硬、研磨性強(qiáng)的巖層（曲線），開始類似于曲線，但vm隨n增大而增大的速率緩慢，當(dāng)超過某個(gè)極限轉(zhuǎn)速n0后，鉆速還有下降的趨勢(shì)。7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 在其他鉆進(jìn)參數(shù)保持不變的情況下，鉆速可表述為 vmn 為轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，其數(shù)值大小與巖性有關(guān)。3、切削具的磨損對(duì)鉆速的影響 在鉆進(jìn)中隨著切削具的磨鈍，若此時(shí)鉆值保持不變，則機(jī)械鉆速v也必然逐漸下降。實(shí)質(zhì)是鉆頭唇面比壓p下降引起的。 4、水力因素對(duì)鉆速

9、的影響一定鉆速下，單位時(shí)間鉆出的巖屑量一定，需要一定的水功率才能完全清除，低于這個(gè)水功率值，孔底凈化就不完善，則鉆速降低。軟巖：高于這個(gè)水功率值水力參加破巖，機(jī)械鉆速升高。但水浮力增加，對(duì)鉆速的提高會(huì)造成不利影響(硬巖層中)。7/13/2022整理ppt 第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 對(duì)孕鑲和自磨式鉆頭，若遇到弱研磨性巖石，為保持鉆頭自銳能力，必須在孔底保存一定的巖粉，過大的水功率將導(dǎo)致鉆速下降，甚至拋光鉆頭。 5、沖洗液性能對(duì)鉆速的影響 5.1沖洗液密度對(duì)鉆速的影響沖洗液密度決定著孔內(nèi)液柱壓力與地層孔隙壓力之間的壓差孔底壓差對(duì)剛破碎的巖屑有壓持作用，阻礙孔底巖屑及時(shí)清除，壓差增大將使鉆

10、速明顯下降。7/13/2022整理ppt第一節(jié) 鉆進(jìn)效果指標(biāo)與鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 5. 2 沖洗液粘度對(duì)鉆速的影響 其他條件一定時(shí)，沖洗液粘度的增大,將使孔底壓差增大，浮力增大，并使孔底鉆頭獲得的水功率降低，從而使鉆速降低。5.3 沖洗液固相含量及其分散性對(duì)鉆速的影響固相含量、固相顆粒的大小和分散度對(duì)鉆速對(duì)鉆進(jìn)速度有明顯影響。固相含量相同時(shí)，分散性沖洗液比不分散沖洗液的鉆速低。固相含量越少，兩者的差別越大。一般應(yīng)用固相含量4%的不分散沖洗液。7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 重點(diǎn)是磨銳式硬質(zhì)合金鉆頭鉆進(jìn)，自磨式強(qiáng)調(diào)異同點(diǎn)。 一、鉆頭壓力的選擇 鉆壓是決定硬質(zhì)合金鉆頭機(jī)械鉆速的最

11、重要參數(shù)。在圖5-1中，a點(diǎn)繼續(xù)增加鉆壓，其鉆速將呈直線增長(zhǎng)。不同巖石鉆壓增大一倍時(shí)鉆速增長(zhǎng)率是不同的。 中硬硬（級(jí)）巖石最敏感。 級(jí)巖石鉆壓過大，孔底排粉冷卻條件惡化，阻礙鉆速成比例上升； 級(jí)巖石不宜硬合金鉆進(jìn)，在鉆桿強(qiáng)度范圍內(nèi)鉆壓不能使鉆速直線增長(zhǎng)。7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 應(yīng)充分發(fā)揮切削具初刃的切入優(yōu)勢(shì)。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)開始時(shí)就應(yīng)以允許的最大初始鉆壓鉆進(jìn)。等切削具磨鈍后，再增大鉆壓也不可能獲得好的鉆效。從兩個(gè)方面分析增加鉆壓的意義：巖石方面鉆壓是產(chǎn)生體積破碎的決定性因素，尤其在中硬巖層中增加鉆壓對(duì)提高鉆速更為有效；在切削具方面初始鉆壓應(yīng)取合理的最大值，以充分發(fā)揮

12、切削具初刃的優(yōu)勢(shì)。隨著切削具被磨鈍，應(yīng)逐漸補(bǔ)充鉆壓。但在鉆進(jìn)過程中頻繁調(diào)整鉆壓可能導(dǎo)致巖心堵塞及鉆孔彎曲。同時(shí)，由于孔內(nèi)鉆柱的振動(dòng)等原因，鉆頭上的實(shí)際瞬時(shí)鉆壓值與地表的測(cè)量值有較大差距。 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 實(shí)際生產(chǎn)中首先選擇每顆切削具上的壓力值p，然后根據(jù)鉆速的變化情況適時(shí)調(diào)整。巖石越硬、研磨性越強(qiáng)，p值取上限；粘性軟巖取小值；裂隙地層也應(yīng)取小值。鉆頭上的總壓力為 P總=pmYG8硬質(zhì)合金切削具的單位壓力推薦值 巖 層切削具形狀單位壓力推薦值p (kN/顆) 級(jí)軟-部分中硬巖石片 狀0.400.70級(jí)中硬-部分硬巖石方柱狀中八角柱狀大八角柱狀0.801.2

13、00.901.40 1.501.80研磨性大的巖石方柱狀中八角柱狀1.201.401.201.707/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 二、鉆頭轉(zhuǎn)速的選擇(必須考慮巖性和時(shí)間因素的影響) 由于鉆頭直徑不一，切削具的運(yùn)動(dòng)以線速度更為科學(xué)， (m/s) 鉆軟巖轉(zhuǎn)速的效果最顯；而另兩類巖石由于破巖時(shí)間效應(yīng)影響顯著，故鉆速隨轉(zhuǎn)速而增大的趨勢(shì)下降。時(shí)間效應(yīng)巖石在切削具作用下，從發(fā)生彈性變形-形成剪切體-跳躍式吃入一定深度，需要一短暫時(shí)間。切削具要在巖面停留短暫時(shí)間t，使裂隙發(fā)育至自由面形成剪切體。如果轉(zhuǎn)速超過臨界值(nn0) 切削具作用于巖面時(shí)間t，裂隙尚未發(fā)育載荷便移走了，造成表面破碎

14、。 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 硬質(zhì)合金切削具的線速度推薦值巖 石 性 質(zhì) 線速度取值范圍 (m/s) 軟的、弱研磨性巖石1.21.6中硬的、具有研磨性的巖石0.91.2中硬硬的研磨性巖石0.60.8裂隙性巖石0.30.67/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 三、沖洗液泵量及其性能的選擇 沖洗液的排粉、冷卻、潤(rùn)滑和護(hù)壁諸功能中，以排粉所需的泵量最大，故以此為依據(jù)來選擇泵量。液流的阻力與流速平方成正比，如泵量過大引起的孔底脈動(dòng)舉離力將抵消一部分鉆壓；造成在巖心管內(nèi)、外環(huán)間隙中流速過高，可能沖毀巖心或孔壁。合理的泵量值應(yīng)在滿足排粉前提下兼顧其他工藝因素。

15、 (L/min) 7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 孔內(nèi)巖屑顆粒的上返速度主要取決于液流的上返流速、沖洗液的性能、巖屑顆粒尺寸及其密度。清水沖洗時(shí)，液流上升速度取0.250.6m/s；泥漿沖洗液時(shí)，液流上升速度取0.200.5m/s。為提高鉆速，在可能的條件下應(yīng)盡量選用清水作沖洗液；若用泥漿其粘度和密度值宜小不宜大，并盡量用低固相不分散泥漿。7/13/2022整理ppt 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 四、P、n、Q參數(shù)間的合理配合 在實(shí)際鉆進(jìn)中P、n、Q都不是單獨(dú)起作用，存在交互影響。軟巖研磨性小易切入，應(yīng)重視及時(shí)排粉延長(zhǎng)鉆頭壽命，應(yīng)取高轉(zhuǎn)速、低鉆壓、大泵量的參數(shù)配合；研磨性

16、較強(qiáng)的中硬及部分硬巖，為防止切削具早期磨鈍保持較高鉆速，應(yīng)取大鉆壓、較低轉(zhuǎn)速、中等泵量；中等研磨性中軟巖，應(yīng)取兩者參數(shù)配合的中間狀態(tài)。定性分析的原則是：鉆進(jìn)級(jí)及以下巖層，以較高轉(zhuǎn)速為主；鉆進(jìn)級(jí) 及以上巖層，應(yīng)以較大的鉆壓為主。7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 五、最優(yōu)回次鉆程時(shí)間的確定 1.思路原理磨銳式鉆頭的瞬時(shí)鉆速隨切削具磨鈍而遞減。當(dāng)瞬時(shí)鉆速下降到什么程度起鉆換鉆頭最好？確定最佳回次鉆程時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)是回次鉆速達(dá)最大值。鉆頭在t時(shí)間內(nèi)的累計(jì)進(jìn)尺H為：代入到回次平均鉆速計(jì)算公式中，可以得到： 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 令 ，可求出最優(yōu)回次鉆程時(shí)間

17、： ，代入上式得最優(yōu)回次鉆速為：據(jù)瞬時(shí)鉆速vm與進(jìn)尺H的關(guān)系( )，代入t0，可求出此時(shí)的瞬時(shí)鉆速為：在t0時(shí)刻，瞬時(shí)鉆速與回次鉆速正好相等。這便為在現(xiàn)場(chǎng)用繪圖法確定最佳鉆程時(shí)間t0提供了理論依據(jù)。 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 2. 作圖法確定最優(yōu)回次鉆程時(shí)間利用瞬時(shí)鉆速vm-t 和 vR-t 兩曲線的交點(diǎn)來確定t0 。在鉆進(jìn)中，隨時(shí)計(jì)算vmH/t ，vR=H/(t+T)。當(dāng)兩者相等時(shí)，此時(shí)間即為最優(yōu)鉆程時(shí)間t0 。用回次進(jìn)尺曲線的切點(diǎn)來確定t0 。起下鉆時(shí)間為T，令OAT。當(dāng)斜率直線AB與H-t相切時(shí)，tg為最大值，即vR為最大值。切點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t0 。 7/13

18、/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 3.自動(dòng)確定最佳鉆程時(shí)間的方法 在有鉆參儀的情況下，鉆進(jìn)過程中定期檢測(cè)進(jìn)尺量，每7s由微機(jī)計(jì)算一次瞬時(shí)鉆速和回次鉆速，按不等式 vR /vmCm (Cm取值1.11.2) 判斷是否需要終止回次鉆程。若不等式能滿足，則鉆進(jìn)過程處于圖5-6中t0點(diǎn)左邊或剛過，可繼續(xù)鉆進(jìn)。如果不滿足，說明已穩(wěn)定地超過t0 點(diǎn)。為了防止偶然因素造成的假象，還需繼續(xù)觀察5min。這時(shí)微機(jī)系統(tǒng)給一個(gè)鉆壓增量P，觀察瞬時(shí)鉆速vm 是否繼續(xù)增大而重新滿足不等式 ，同時(shí)每秒測(cè)算一次Cm 值，如果不滿足不等式的次數(shù)達(dá)60%，則發(fā)出“起 鉆”的命令。應(yīng)用該方法曾使回次鉆速提高了10%2

19、0%。 7/13/2022整理ppt第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進(jìn)工藝 六、自磨式硬合金鉆頭的規(guī)程特點(diǎn) 自磨式與磨銳式鉆頭的主要區(qū)別：接觸面積恒定，回次進(jìn)尺較長(zhǎng)，以磨削和微剪切碎巖為主，要求切削具能自磨出刃。（1）鉆壓：與巖石的接觸面積大，總鉆壓應(yīng)大于磨銳式2025%；（2）轉(zhuǎn)速：由破巖機(jī)理，必須采用比磨銳式更高的轉(zhuǎn)速，以提高單位時(shí)間的破巖次數(shù)；（3）泵量：可以采用比磨銳式略小的泵量，但為了充分冷卻（轉(zhuǎn)速較高）和避免重復(fù)破碎，應(yīng)盡量采用大泵量。隨著胎塊的磨耗，過水?dāng)嗝鏈p小需及時(shí)調(diào)小泵量，以防蹩泵。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 一、合理選擇金剛石鉆頭金剛石鉆進(jìn)中所選用的鉆頭必須和所

20、鉆的巖性相適應(yīng)。尤其是孕鑲金剛石鉆頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)較為復(fù)雜，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)所鉆巖層性質(zhì)綜合考慮到金剛石 品級(jí)、胎體性能（保證鉆頭自銳）、唇面形狀、內(nèi)外徑補(bǔ)強(qiáng)和水路設(shè)計(jì)等因素。 二、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) 評(píng)定金剛石鉆進(jìn)規(guī)程的主要依據(jù)是：鉆速、鉆頭總進(jìn)尺和單位進(jìn)尺的金剛石耗量三個(gè)指標(biāo)。7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 1. 鉆壓 金剛石鉆進(jìn)分：表面研磨破碎、疲勞破碎、體積破碎隨鉆壓的增加，單位進(jìn)尺的金剛石耗量也增長(zhǎng)很快。過大的鉆壓使金剛石耗量急劇增大，導(dǎo)致鉆速下降。鉆壓值應(yīng)選擇在最優(yōu)區(qū)內(nèi)。具體選擇鉆壓時(shí)，可根據(jù)巖石硬度、金剛石的抗壓強(qiáng)度和鉆頭的類型等因素確定。 7/13/2022整理pp

21、t 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 1.1 表鑲金剛石鉆頭的鉆壓P 根據(jù)巖石硬度、金剛石的抗壓強(qiáng)度確定鉆壓： P = m p （N）m工作金剛石的粒數(shù)=總粒數(shù)的2/33/4；p單粒金剛石壓力，N/粒.細(xì)粒金剛石：p11.5dN/粒；中粒金剛石：p1.52dN/粒；粗粒金剛石：p23dN/粒；特優(yōu)質(zhì)級(jí)金剛石：p5dN/粒. 1.2 孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓W 孕鑲鉆頭金剛石粒多、刃小，鉆壓對(duì)金剛石強(qiáng)度的影響降為次要因素，主要應(yīng)根據(jù)巖石的性質(zhì)確定鉆壓 W=Fq （N） F鉆頭實(shí)際面積,mm2；q單位面積壓力。中硬巖石45N/mm2；堅(jiān)硬或高質(zhì)量金剛石67 N/mm2。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛

22、石鉆進(jìn)工藝 3、選擇和施加鉆壓時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）巖石性質(zhì)。軟巖層或破碎、非均質(zhì)巖層宜選下限鉆壓； （2）金剛石。金剛石質(zhì)量好、數(shù)量多、粒度大時(shí)，宜選用上限鉆壓，反之，則取下限鉆壓； （3）鉆頭類型。鉆頭直徑大、壁厚、巖石接觸面積大時(shí)，宜選用上限鉆壓。 （4）注意新鉆頭與孔底的磨合。在磨合階段應(yīng)使用低鉆壓、低轉(zhuǎn)速，使鉆頭唇面形狀與孔底及巖心根部逐漸相吻合。 （5） 孔底實(shí)際鉆壓。鉆孔彎曲、泵壓的脈動(dòng)和巖性不均質(zhì)造成鉆具振動(dòng)，使孔底實(shí)際的瞬時(shí)動(dòng)載可能是地表儀表指示鉆壓的03倍。因此，對(duì)于深孔、斜孔和非均質(zhì)巖層應(yīng)取較小的鉆壓。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 2. 轉(zhuǎn)速

23、 轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆頭鉆速的重要因素，轉(zhuǎn)速與金剛石磨損的關(guān)系比較復(fù)雜，若其他條件不變，鉆頭轉(zhuǎn)速存在著臨界值，即在某一轉(zhuǎn)速下金剛石磨損量最小。 2.1 表鑲金剛石鉆頭的線速度表鑲金剛石粒度較大出刃也較大，允許有較大的切入量，轉(zhuǎn)速應(yīng)低于孕鑲鉆頭。推薦的線速度為12m/s。 2.2 孕鑲金剛石鉆頭的線速度孕鑲金剛石粒度很?。ㄒ话懔?.2mm）出刃微小，主要靠高轉(zhuǎn)速來獲取鉆進(jìn)效率。推薦的線速度為1.53m/s。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 表鑲和孕鑲金剛石鉆頭適用的轉(zhuǎn)速 單位：r/min 鉆頭直徑(mm) 364659 (56)6675 (76)91表鑲鉆頭65013005

24、001000400800350650300550250500孕鑲鉆頭10002000750150060012005001000400850350 700選擇合理轉(zhuǎn)速時(shí)：(1) 巖性。如巖層破碎、軟硬不均、孔壁不穩(wěn)，宜選下限轉(zhuǎn)速。(2) 鉆孔。如鉆孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)空小、孔深不大，應(yīng)選高轉(zhuǎn)速。(3) 設(shè)備和鉆具。實(shí)際工作中常因鉆機(jī)的能力和鉆桿柱的質(zhì)量限制了選用高轉(zhuǎn)速。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 3. 沖洗液泵量 在金剛石鉆進(jìn)中沖洗液除了完成排粉、冷卻、護(hù)壁外，還起潤(rùn)滑鉆具、幫助孕鑲鉆頭自銳的作用。Q=6vF (L/min)。v環(huán)空上返流速，要求v0.30.5m/s。金剛石

25、鉆頭環(huán)隙很小，沖洗液的流動(dòng)阻力很大，泵量過大不僅增大工作泵壓，容易沖蝕孔 壁和巖心，還會(huì)過量抵消鉆壓，引起鉆具的振蕩。泵壓是反映孔底工況的敏感參數(shù)之一。例如，鉆進(jìn)中突然鉆速降低而泵壓猛增時(shí)，可能是發(fā)生巖心堵塞或 “燒鉆”的預(yù)兆；泵壓逐漸下降則可能是鉆桿裂紋并正在逐漸擴(kuò)大。 7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 選擇沖洗液量時(shí)應(yīng)考慮以下因素： 巖性：堅(jiān)硬致密巖巖粉量少，選擇下限泵量；強(qiáng)研磨性巖，摩擦功較大需大泵量冷卻，但防止沖蝕胎體使金剛石脫落。鉆頭：孕鑲出刃微小，多水口循環(huán)，高轉(zhuǎn)速，宜用較大泵量防燒鉆。表鑲出刃較大，排粉和冷卻較好，可選較小泵量。防燒鉆 (尤其孕鑲) ：試驗(yàn)表明，

26、滿足冷卻胎體只需每厘米鉆頭直徑0.20.3L/min就可。但轉(zhuǎn)速為800r/min，鉆頭唇面壓力為10MPa時(shí)，鉆頭每轉(zhuǎn)一圈胎體溫升1.73C。所以鉆進(jìn)中沖洗液停止循環(huán)12min，便可能造成燒鉆的惡性事故 。金剛石鉆進(jìn)常用泵量值:鉆頭3691(mm) 泵量2070 (L/min)7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 三、金剛石鉆進(jìn)的臨界規(guī)程 在臨界規(guī)程下鉆頭胎體急劇溫升，功耗劇增，甚至燒鉆。1、胎體溫度與鉆壓P和轉(zhuǎn)速n的關(guān)系當(dāng)Pn達(dá)臨界值胎體溫度由100200C急升至600700C對(duì)具體巖石而言Pn 的臨界值基本上是常量。7/13/2022整理ppt第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 2、

27、功耗、機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系鉆進(jìn)功耗、機(jī)械鉆速也與臨界規(guī)程有直接關(guān)系。規(guī)律與胎體溫升的趨勢(shì)一致，與胎體溫升同步進(jìn)入臨界狀態(tài)，在同一臨界值，功耗、機(jī)械鉆速激增。用孕鑲金剛石鉆頭鉆進(jìn)某花崗巖時(shí)，最高鉆速不得超過臨界值37mm/min，否則將出現(xiàn)胎體溫度劇增的嚴(yán)重后果。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 3、胎體溫度與沖洗液的關(guān)系試驗(yàn)表明，當(dāng)鉆進(jìn)過程進(jìn)入臨界狀態(tài)后，沖洗液的冷卻效果有限度，單純依靠增大泵量不解決問題。表5-8數(shù)據(jù)表明泵量增大一倍時(shí)，胎體溫度和功率消耗雖有某種程度的降低，但并不能使鉆進(jìn)過程從臨界轉(zhuǎn)為正常規(guī)程。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝

28、4、鉆頭磨損與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系當(dāng)由正常規(guī)程轉(zhuǎn)入臨界規(guī)程時(shí)，鉆頭磨耗都是突然急劇增大。曲線的磨耗量比曲線高3倍，可能是生產(chǎn)條件下孔內(nèi)動(dòng)載使金剛石強(qiáng)度和胎體硬度降低。 7/13/2022整理ppt 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 綜上所述，可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：（1）金剛石鉆進(jìn)，每種巖石都存在臨界規(guī)程，其Pn值基本是個(gè)常數(shù)；P和n之間存在著明顯的交互影響，必須同時(shí)考慮它們的取值；進(jìn)入臨界規(guī)程的主要表現(xiàn)是胎體溫度急升，鉆頭嚴(yán)重磨耗，雖然此時(shí)鉆速也很高，但可能導(dǎo)致燒鉆。因此，必須保證鉆進(jìn)生產(chǎn)工藝處在小于臨界規(guī)程的狀態(tài)下。（2）鉆進(jìn)中胎體溫度和鉆頭磨耗是重要的孔內(nèi)工況指標(biāo)，但不便于測(cè)量。而功耗是同步進(jìn)入臨界規(guī)程，便于

29、在地表檢測(cè)，因此可通過測(cè)量鉆進(jìn)功率來判斷鉆進(jìn)過程是否正常。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 一、影響鋼粒鉆進(jìn)效果的因素1. 鋼粒規(guī)格對(duì)鉆進(jìn)效果及質(zhì)量的影響鋼粒粒度大要求鋼粒鉆頭的壁厚加大，導(dǎo)致巖心過細(xì)，孔徑擴(kuò)大，對(duì)取心和防斜不利。常用直徑3mm的切制鋼粒，鉆頭壁厚為粒徑的34倍。2. 鉆頭硬度和水口形狀的影響為了有效地帶動(dòng)鋼粒在孔底翻滾破巖，要求鉆頭與鋼粒之間有水平聯(lián)系力。這種聯(lián)系力靠鉆頭唇面的變形和摩擦。聯(lián)系力應(yīng)大于鋼粒翻滾時(shí)的阻力。鉆頭底唇硬度應(yīng)略低于鋼粒硬度，才能帶動(dòng)鋼粒翻滾。7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 選擇鋼粒鉆頭水口形狀的原則具有良好的“導(dǎo)

30、砂” 性能，能保持較穩(wěn)定的孔底過水?dāng)嗝?；鉆頭磨損后唇面壓砂面積變化幅度較小，水口加工方便。雙斜邊和雙弧形水口有利于順利導(dǎo)砂，在水口高度磨短后，鉆頭唇面面積變化相對(duì)較小，可保持軸向壓力基本不變。7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 二、鋼粒鉆進(jìn)的規(guī)程選擇 鋼粒鉆進(jìn)要求孔內(nèi)有一定量的鋼粒，規(guī)程中除P、n、Q外，還包括投砂方法與投砂量?jī)蓚€(gè)規(guī)程參數(shù)。投砂方法及投砂量1.1 一次投砂法 回次開始前，把回次進(jìn)尺所需要的鋼粒一次投入孔內(nèi)。投砂量取決于巖性和回次長(zhǎng)短。投砂量不足將造成鉆速低、鉆孔縮徑，擠卡鉆具的事故。投砂過多不利于排粉和孔底的鋼粒分選，也影響鉆速和取心質(zhì)量。7/13/2022整理

31、ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 估算鉆進(jìn)級(jí)巖石的一次投砂量 G=KD (kg) 1.2 結(jié)合投砂法 回次開始前先投入所需鋼粒的50%60%，待到確認(rèn)孔底鋼粒已消耗得差不多時(shí)，再?gòu)你@桿中分12次補(bǔ)投其余的鋼粒?？摄@性達(dá)、級(jí)或強(qiáng)研磨性巖石宜采用結(jié)合投砂法可適當(dāng)延長(zhǎng)回次純鉆進(jìn)時(shí)間。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 2. 鉆壓的選擇 鉆壓是孔底碎巖的必要條件，并影響碎巖方式；鉆壓是鉆頭牽動(dòng)鋼粒聯(lián)系力的主要依據(jù)。 總的鉆壓值實(shí)踐證明，隨著單位壓力增大機(jī)械鉆速上升，但當(dāng)達(dá)pmax值后，鋼?？赡鼙粔核榛颉扒度搿?鉆頭唇面，鉆速明顯下降。影響pmax 的因素：鋼粒鉆頭唇面硬度 、鋼粒強(qiáng)度、巖

32、石可鉆性和鉆頭轉(zhuǎn)速。巖石愈硬，鋼粒相對(duì)強(qiáng)度和耐磨能力， 則所需的pmax 也；隨轉(zhuǎn)速加快鋼粒在孔底翻滾頻率，對(duì)提高鉆速有利，所以，當(dāng)轉(zhuǎn)速較快時(shí)pmax值。 7/13/2022整理ppt第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 3. 轉(zhuǎn)速的選擇 鋼粒在孔底翻滾受到孔壁和巖心限制，其速度滯后于鉆頭的線速度。鋼粒鉆進(jìn)主要用于脆性巖石，破巖的時(shí)間效應(yīng)不明顯，鋼?？稍诳椎鬃詣?dòng)分選與補(bǔ)給。所以可采用較高轉(zhuǎn)速。實(shí)踐證明，只要鉆頭外環(huán)狀空間鋼粒柱的高度不小于水口高度，水口又能保證及時(shí)導(dǎo)砂，則適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速不會(huì)出現(xiàn)“高轉(zhuǎn)速的離心力會(huì)把鋼粒甩出鉆頭唇面”。選擇轉(zhuǎn)速應(yīng)綜合考慮鉆頭口徑、鋼粒的強(qiáng)度、孔深和鉆桿強(qiáng)度等因素。其中鋼粒的相對(duì)抗壓

33、碎強(qiáng)度與巖石硬度及孔底的脈動(dòng)頻率有關(guān)，所以在堅(jiān)硬巖石中宜采用較低的轉(zhuǎn)速。 7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 110mm鋼粒鉆頭的轉(zhuǎn)速選擇參考表 巖石級(jí)別孔深(m)02002004004000300300轉(zhuǎn)速(r/min)1802501801401801801501804. 泵量的選擇 鋼粒鉆進(jìn)泵量除了排粉、冷卻的功能外，還在孔底鋼粒的補(bǔ)給、分選中起主要作用。泵量存在著最優(yōu)值。若不足無(wú)法正常地排屑和碎鋼粒，使完整鋼粒的翻滾阻力增大，甚至較少接觸孔底，故鉆速很低。7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 泵量過大，會(huì)把孔底完整鋼粒沖上來，既破壞了鉆頭唇面附近鋼粒動(dòng)平衡，

34、又將加劇巖心管的磨損，導(dǎo)致鉆速下降甚至釀成巖心管折斷或鋼?？ㄣ@的惡性事故。泵量的選擇取決于巖性、鋼粒規(guī)格、鉆頭直徑、水口尺寸、鉆壓和轉(zhuǎn)速的大小、沖洗液性能及一次投砂量等因素。 Q=q0D (L/min)清水q0 =35L/mincm，泥漿時(shí)q0 =1.53L/mincm。巖石級(jí)別較高、 鉆頭水口較小、鉆壓較低、轉(zhuǎn)速較高、孔底存砂量較少時(shí)取下限，反之亦然 。 生產(chǎn)中隨進(jìn)尺增加水口將逐漸被磨短，水口處的流速加快；這時(shí)孔底鋼粒也被磨小，鉆頭處工作鋼粒數(shù)量減少。因此，在整個(gè)回次鉆程中應(yīng)分段逐次改小泵量，稱為“改水”。 7/13/2022整理ppt第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 三、鉆進(jìn)規(guī)程合理性的判斷 1、根據(jù)

35、鉆頭磨損的情況判斷（1）正常磨損的鉆頭，其底唇呈圓弧形麻痕均勻，說明投砂量和沖洗液恰當(dāng)。（2）鉆頭底唇面光滑明亮、沒有麻痕，說明鉆頭下面沒有鋼粒。（3）鉆頭底端磨成喇叭口形，且內(nèi)周沒有麻痕。說明沖洗液量過大，鉆頭底內(nèi)沒有鋼粒，直接與巖心摩擦。（4）鉆頭底磨成外錐形，錐面光滑。說明沖洗液量過小，鉆頭外周與巖粉和孔壁磨損所至。7/13/2022整理ppt 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （5）鉆頭外麻痕過高超過水口，說明孔底鋼粒偏多水量過大。麻痕高度基本上與水口齊平或略低于水口，則砂量正常，送水合適。 2、根據(jù)巖心變化情況判斷 （1）巖心直徑上下基本一致，說明鋼粒量和沖洗液掌握適當(dāng)； （2）巖心直徑過粗，說

36、明沖洗液過大或孔底鋼粒偏少； （3）巖心直徑過細(xì)，說明沖洗液量過小，或孔底鋼粒過多； （4）巖心粗細(xì)上下不均一，沖洗液時(shí)大時(shí)小或投砂不均所致；（5）巖心上細(xì)下粗，回次初投鋼粒量多水小，回次末水偏大。 7/13/2022整理ppt第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 一、牙輪鉆進(jìn)的鉆速方程 牙輪鉆進(jìn)鉆速vm與鉆壓、轉(zhuǎn)速、牙輪磨損、壓差和水力因素間的關(guān)系式 (m/h) 式中：P鉆壓kN；W門限鉆壓kN；n轉(zhuǎn)速r/min；K地層可鉆性；轉(zhuǎn)速指數(shù)(1)；C2與齒形和巖性有關(guān)的牙齒磨損系數(shù)；CH 孔底水力凈化系數(shù)CH1；CP 差壓影響系數(shù)CP1；h牙齒相對(duì)磨損量,新鉆頭h=0，全磨損h=1。W、K、C2在巖性、鉆頭類型

37、、沖洗液和水力參數(shù)一定時(shí)是常量，可通過現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)試驗(yàn)和鉆頭資料確定。 7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 二、鉆頭磨損方程 鉆壓對(duì)牙齒磨損速度的影響 牙齒磨損速度式中: D1和D2鉆壓影響系數(shù)與牙輪鉆頭尺寸有關(guān)。鉆壓=D2/D1時(shí)，牙齒的磨損速度無(wú)限大，即D2/D1是該鉆頭的極限鉆壓。2. 轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒磨損速度的影響 鉆壓一定時(shí)轉(zhuǎn)速牙齒的磨損速度也。式中：Q1和Q2由鉆頭類型決定的系數(shù)。 7/13/2022整理ppt 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝3. 牙齒磨損狀態(tài)對(duì)牙齒磨損速度的影響 楔形齒的面積將隨著齒高的磨損不斷增大，磨損速度也隨著齒高的磨損而下降。牙齒磨損速度方程 式中：C1牙齒磨損

38、減慢系數(shù)；Af地層研磨性系數(shù)。三、鉆進(jìn)方程中有關(guān)參數(shù)的確定(自習(xí))四、鉆頭最優(yōu)磨損量、最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)轉(zhuǎn)速確定 (自習(xí))五、水力參數(shù)的優(yōu)選(自習(xí)) 7/13/2022整理ppt第六節(jié) 全面鉆頭鉆進(jìn)工藝 一、硬質(zhì)合金全面鉆頭的規(guī)程選擇1、翼片（刮刀）式全面鉆頭的規(guī)程選擇 （1）泵量： Q = vF （L/min）（2）鉆頭轉(zhuǎn)速： n = 120300 （r/min）（3）軸向載荷： P = qcmD （N）（4）大直徑鉆進(jìn)為防鉆桿彎曲與折斷，在鉆柱的下部加接鉆鋌的合理長(zhǎng)度：h= kP/qT （m） k=1.251.4 。 刮刀式鉆頭鉆進(jìn)時(shí)推薦的規(guī)程參數(shù)如表5-13所列。 7/13/2022整理pp

39、t第六節(jié) 全面鉆頭鉆進(jìn)工藝 2.干式螺旋鉆的規(guī)程選擇 2.1轉(zhuǎn)速在長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)中，鉆屑是依靠鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力甩到螺旋葉片外側(cè)輸送上來（主動(dòng)），否則只有被隨后的鉆屑推著向上走（被動(dòng)），這容易造成堵塞。螺旋轉(zhuǎn)速是關(guān)鍵參數(shù)。臨界轉(zhuǎn)速的概念 轉(zhuǎn)速低鉆屑的離心力小，孔壁對(duì)鉆屑的摩擦力不足以使鉆屑與葉片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鉆屑只能隨葉片旋轉(zhuǎn)而不上升。轉(zhuǎn)速增大，孔壁對(duì)鉆屑的摩擦力也增大，轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后，孔壁對(duì)鉆屑的摩擦力足以使鉆屑與螺旋葉片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，鉆屑就會(huì)上升。這稱為臨界轉(zhuǎn)速。 7/13/2022整理ppt第六節(jié) 全面鉆頭鉆進(jìn)工藝 （ 2 ）臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算 取單顆鉆屑為研究對(duì)象，以臨界轉(zhuǎn)速nk（k）旋轉(zhuǎn)時(shí)，顆粒隨螺旋葉片旋轉(zhuǎn)而不上升，鉆屑顆粒處于臨界平衡狀態(tài)。受重力mg，離心慣性力F1，孔壁對(duì)顆粒的法向反力（慣性力的反作用力