钻探工艺技术_第四章_钢粒钻进.ppt

1、第四章 钢粒钻进,第一节 钢粒钻进原理 第二节 钢粒和钢粒钻头 第三节 钢粒钻进技术参数,第一节 钢粒钻进原理,一、钢粒钻进破碎岩石的原理 （一）钢粒钻进的特点 钢粒钻进不同于金刚石、硬质合金钻进，其磨料钢粒不固定在钻头上，它依靠孔底钻头的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒，沿孔底滚动和移动而克取孔底岩石。由于钢粒不与钻头固结这一特点，故在钻进过程中随时可以投入钢粒以补充钢粒的损耗。从而能提高回次进尺长度，表现了在坚硬岩层中钻进的优越性。因此，我国多年来被广泛应用。,第一节 钢粒钻进原理,也由于磨料不固定在钻头上，钻进时一部分钢粒在钻头唇面下破碎岩石；另一部分钢粒分布在钻头内壁与岩心之间；还有一部分钢

2、粒分布在外环状间隙。这样钢粒在破碎岩石的同时也研磨孔壁，磨损岩心和钻具，使岩心磨细及孔壁扩大，并增加了钢粒、钻具、动力的消耗。特别使在破碎、软硬互层中钻进，取心困难，采心率低。应采取有效的措施提高采取率和控制孔斜，以利提高钻孔质量。,第一节 钢粒钻进原理,（二）钢粒钻进破碎岩石的原理 钢粒钻进时破碎岩石是一个复杂的过程，是多种方式作用的结果：包括压皱、压碎、滚动、冲击、碾磨、切削等作用。钻头在轴心压力和回转力作用下，钢粒主要以压皱压碎方式破碎岩石。 与此同时，钢粒钻进因钻具的回转、振动而产生脉冲冲击作用，促使岩石疲劳，加速了岩石体积破碎的产生。由于钻头在轴心压力下压住钢粒，同时又在回转力矩作用

3、下翻滚，带棱角的钢粒在孔底的工作状态大致与牙轮钻头相似。,第一节 钢粒钻进原理,实际工作中，观察由水量过大而被冲起来的小钢粒，可以看到多数失去棱角而磨成圆形或椭圆形（圆柱状钢粒球化），而且钢粒被磨蚀后直径变小。因此可以认为，钢粒对岩石的研磨切削作用是完全存在的，质量好的钢粒破碎岩石主要是以整粒起作用而不是碎钢粒，在较大的轴心压力下是以体积破碎为主。钢粒球化的过程即是破碎岩石的过程。,第一节 钢粒钻进原理,二、钢粒在孔底工作过程的分析 钢粒钻进过程中，由于钻头与钢粒相互间的磨损，钢粒钻头的唇部逐渐形成圆弧形，使钻头压砂面积比回次开始时有所减少，因而造成了向钻头底部补砂的有利条件。钢粒钻进的孔底形

4、状与钻头的形状是相适应的，钻头唇部是弧形，因而钻头对孔底压力的分配不均匀，如图4-2所示。钢粒在运动过程中，在动平衡时唇部只能压住一层钢粒，压住二至三层钢粒时，仅是短暂的过程。多余的钢粒将以钢粒柱的形式大部分储存在钻头的外环间隙中。,第一节 钢粒钻进原理,钢粒压碎岩石吃入一定深度后，随着钻头的回转又使钢粒沿着压碎面升起，待升到一定高度，又重新压碎岩石，如图4-3所示。这种不断升起又下降的滚动作用，具有脉动冲击作用；钢粒以压碎方式破碎岩石，造成孔底凹凸不平，也加速了压皱压碎的效果。,第一节 钢粒钻进原理,钻头在推动钢粒运动过程中，正循环冲洗液的冲力将钢粒向外环状间隙推送。同时钻头回转给钢粒以离心

5、力，使钢粒沿着钻头回转的切线方向抛出。所以钢粒柱的重量、冲洗液的冲力、离心力都促使内环间隙的钢粒向钻头唇部补给，外环状间隙的钢粒补给则比较困难。储存在外环状间隙中的钢粒，在钻头回转力与冲洗液的冲力下，以悬浮状态运动着，如图4-4所示。钢粒因离心力沿着切线方向运动，而受孔壁的约束被碰回见图4-5。,第一节 钢粒钻进原理,钻头的水口，能使外环状间隙的钢粒失去运动惯性而导入孔底。为此，水口的大小形状应有利于将钢粒导入孔底。水口的高度对钢粒的补给有积极作用。在确定水口高度时，除取决于回次钻进时间与钢粒对钻头的磨损速度外，还应与孔内钢粒柱的高度相适应，回次初应大于150mm；回次末的应大于50mm。水口

6、高度是否合理，可看钻头外壁麻痕的高度，只有当水口的高度大于外环状间隙中钢粒柱的高度时，钢粒向孔底的补给才比较完善。孔内钢粒柱的高度，除决定其本身储备量外，还与冲洗液的流速及钻头转数有密切联系。如冲洗液正常，则孔底钢粒柱的高度主要与钻头回转速度有关 。,第一节 钢粒钻进原理,钢粒钻头的最优导砂面（即碰撞面）应加工成弧形，在钻头顺时针回转时，弧形导砂面可以强制将钢粒纳入钻头的唇部。 回次末，孔底环状间隙的钢粒不多，再通过上述动力平衡作用补给钢粒比较困难。这时应改小水量，通过提动钻具，使大部分钢粒落到孔底，则又可以维持一个时期的正常钻进速度。,第二节 钢粒和钢粒钻头,一、钢粒 （一）钢粒的材质 目前

7、主要用较粗的废旧钢丝和废管材切制而成。其形状，前者切割后呈短圆柱状（使用较多）；后者为方粒状。为了提高钢粒的机械性能曾采用65#锰硅矾切制钢粒，经生产实践，效果较好。,第二节 钢粒和钢粒钻头,（二）钢粒的规格和性能 根据不同岩性和可钻性，对钢粒的机械性能要求如下： 1、抗压碎强度 可按整颗圆柱状钢粒承受的压力而定，如表4-3。 2、硬度 HRC50以上。钢粒的硬度大于60时，则脆性大，韧性不好；如硬度小于50时，则韧性太大，易被压扁。最合适的硬度是HRC50-58。 3、韧性 现场的简便检验方法是将钢粒放在铁砧上（或铁锤上），用1.52磅手锤猛击，外形不扁不碎（或只破成23瓣并冒出火星）的占总

8、数90%以上者为合格。,第二节 钢粒和钢粒钻头,除上述用手锤击打法对钢粒质量做一般检验外，在现场使用时，还可以从钢粒的表面颜色进行观察。好的钢粒在抹掉油污后，表面呈棕黑至黑色；表面清洁后呈兰色光泽是加热温度低，淬火程度不够，这样颜色的钢粒韧性高，易压扁；反之钢粒表面成初见是棕黑色，但擦净后呈灰白色和银白色，说明加热温度过高或加热时间过长，这种颜色的钢粒性脆，易压碎。,第二节 钢粒和钢粒钻头,二、钢粒钻头 （一）钻头材质 要求钢粒钻头具有一定的硬度、塑性和弹性，以便增加其与钢粒的结合力。钢粒钻头以4045号无缝钢管所制成的钻头对钻进指标的影响见表4-4所示。 （二）钻头的结构要素 1.钻头直径

9、终孔直径是以地质要求来决定的，但开孔和中途换径次数，则以地层情况和技术措施来选择。 生产实践表明，应用110、91mm钻头比较合适，能在保证钻孔质量的前提下提高效率。,第二节 钢粒和钢粒钻头,2.钻头壁厚 普通壁厚为911mm，厚壁钻头可达1216mm。厚壁钻头能提高钻速，实践证明了这点，如江西某队，以1618mm壁厚的钻头作生产实验，其效率比一般钻头提高62.5%（试验时在9级矽化砂岩，孔深50150mm，钻头直径110mm，钢粒和铁砂混合比1：2的情况下进行的）。因钻头壁厚增大，被压在钻头底唇的钢粒数量增加，钢粒分布较为合理，并能牢靠地压住钢粒进行破碎岩石；另外，厚壁钻头所克取的孔底环状面

10、积与它本身底唇面积所负担的克取岩石工作量，较厚壁钻头的工作量大，因此，厚壁钻头具有较高的钻进效率。,第二节 钢粒和钢粒钻头,3.钻头水口 钢粒钻头水口有两个作用：即为了流通冲洗液；更重要的是不断将钢粒导入钻头唇部（导砂作用）。在钻进中要求钻头水口有比较稳定的过水断面和良好的导砂作用，以保证在钻头唇部有充足的钢粒在孔底工作。水口高度一般在120180mm之间，上宽为1530mm；下宽为圆周长的1/41/3，以1/4最为常用。正循环钻进时，钻头的有效长度应大于150mm；而反循环钻进，钻头有效长度应大于100mm。其切口两边可加工成单弧形、双斜边、斜弧形、双弧形等。如图4-7.。生产实践表面以双弧

11、形和双斜边水口导砂性能为最好。,第二节 钢粒和钢粒钻头,4.几种常见的钢粒钻头 （1）普通钢粒钻头其构造为：长450500mm，壁厚911mm，水口上部宽20mm，下部宽为钻头外圆周长的1/31/4。水口高度为140170mm，单弧形水口顺旋转方向的前面开成直的，另一边开成弧形；双弧形水口两边均为弧形。为便于卡取岩心，钻头内部上端应带有1：100的锥度，如图4-8所示。具体规格见表4-5。,第二节 钢粒和钢粒钻头,（2）双弧形长水口钢粒钻头一般采用普通钢粒钻头改制，水口全长300mm，下宽占钻头周长的1/3，水口为双弧形（亦可制成单弧形或直角形），在水口高150mm上部镶焊厚为11.2mm的铁

12、板，并与钻头内壁平齐，具体规格如图4-9.在用完一个回次后，根据上部水口小了，可削切去一角，以保证水口宽度。其优点是由于水口形状不变，钻进中水量易于掌握；还可以节省修正水口的工具和时间，以及加工上的困难；在整个钻头未磨损之前；不必重新开水口。 这种钻头适用与712级岩层。在深孔中可提高回次进尺，减少起下钻时间，所以钻进效率较普通钢粒钻头为高。,第三节 钢粒钻进技术参数,钢粒钻进技术参数包括轴心压力、钻头转数、冲洗液量、投砂方法和投砂量等方面。要根据岩石性质、钻孔直径、深度和设备能力等条件全面分析，以确定最优的技术参数。,第三节 钢粒钻进技术参数,一、压力、转数、投砂量和冲洗液 （一）压力 钻压

13、是钢粒破碎岩石的必要条件。压力不足，使体积破碎岩石（压入、压碎）不完全甚至不可能，而只能以表面破碎（研磨）岩石，致使破碎岩石效率降低。同时，钻压也是保证钻头底唇有一定的变形和摩擦力，从而产生足够的连系力，保证钢粒在孔底运动的重要因素。,第三节 钢粒钻进技术参数,（二）转数 钢粒钻进时，立轴的回转运动能构成破碎岩石的脉动冲击作用。在一定条件下，转数越高，钢粒在孔底的滚动冲击数增多即破碎岩石的机会增加，同时脉动冲击荷载增大，有利于对岩石产生疲劳破碎和体积破碎，因而能增强破碎岩石的效果。,第三节 钢粒钻进技术参数,（三）冲洗液量 在水源充足，供水条件良好，特别是孔内状况许可时，应尽量采用清水钻进，以

14、提高钻进效率。在风化、破碎、易坍塌掉快、漏失严重等复杂地层情况才用泥浆钻进。 1、冲洗液量对钻进效率的影响 钢粒钻进中，冲洗液在孔内循环时，除了排除岩粉和冷却钻头外，更重要的还起着促使钻头唇面合理补砂；更新与分选钢粒的作用。它使钻头底部经常保持一定数量的工作钻粒，将多余的钻粒悬浮在外环间隙中，而将破碎失效的钻屑或钻粉冲到取粉管或孔外。因此在钻进中冲洗液量的控制比其它钻进方法更为重要和复杂。,第三节 钢粒钻进技术参数,2、水量的调节与测定 在回次钻进过程中，随着水口面积磨小及钢粒磨细，水量应当改小，特别是采用回次投砂法时，改小问题更须注意。经验证明，每次改小量不宜过大，以5升左右为好。每经406

15、0分钟改水一次，每个回次约改小12次，频繁的改小或改水不及时，都会影响钻进效率。,第三节 钢粒钻进技术参数,（四）投砂方法与投砂量 1、投砂方法 钢粒钻进的投砂方法和投砂量的多少，对钻进效率关系很大。向孔底补给钢粒的方法称之为投砂方法。常用的投砂方法有一次投砂法、结合投砂法和连续投砂法三种。,第三节 钢粒钻进技术参数,2、投砂量 是整个回次钻进中投入孔底的钢粒数量，投砂量多少对钻进效率和钻孔质量都有影响。投砂量过多，使钢粒、岩心管和钻头的磨损增加，不仅影响进度，浪费材料，而且钻孔易发生弯曲，岩心采取率也不高。投砂量过少，钢粒很快磨损完，使回次进尺减少，岩心底端变粗，容易堵塞，残留岩心多。,第三

16、节 钢粒钻进技术参数,二、钻头及岩心“变形”分析 （一）钻头“变形”（变相）情况的分析 1、钻头磨损正常，其底唇面表现呈弧形，磨损均匀地分布在钻头唇面上，如图4-10-（1）。 2、钻头唇面光滑，无磨痕，表面孔底无钢粒，钻头与岩石直接接触或是砂量少，水量大的缘故，如图4-10（2）。 3、喇叭筒状，钻头底端内周向外微张，里面磨成喇叭形，底面光滑，没有麻痕。原因是送水量、压力都过大，钻头底部内周无钢粒，直接与岩石接触所致，如图4-10-（3）。,第三节 钢粒钻进技术参数,4、锥形钻头，钻头底端外周向内收拢，锥面光滑，是送水量过小所致，如图4-10（4）。 5、水口上面有窝坑，表面孔底钢粒过多，而

17、水量又小，冲洗液从水口处流出，不能清除孔底钻粉，如图4-10-（5） 6、钻头内壁磨薄，主要是岩心堵塞，不进尺而空转造成，如图4-10-（6） 7、钻头底面有凹沟，表面孔底岩石软硬不均，而孔底钢粒又过少，或存在硬质合金碎块，将钻头底面磨成一条沟，4-10-（7） 8、钻头底部有蝌蚪形，表面钻头曾被钢粒卡住过。如图4-10-（8）,第三节 钢粒钻进技术参数,（二）岩心“变形”分析 1岩心上下粗细均匀，表明投砂量和泵量掌握合适。 1、岩心直径过粗，表明冲洗液量过大，钻头底部钢粒少的缘故。 2、岩心过细，表明冲洗液量小，砂量多，钢粒堆积在钻头唇部及内周所致。 3、岩心粗细不均，表明冲洗液时大时小，或

18、者投砂量不均匀（非一次投砂法）所造成。 4、岩心上细下粗，直径相差较大，表明回次之初投砂量过多，水量偏小，而回次后期水量却又偏大。,第三节 钢粒钻进技术参数,（二）岩心“变形”分析 1岩心上下粗细均匀，表明投砂量和泵量掌握合适。 1、岩心直径过粗，表明冲洗液量过大，钻头底部钢粒少的缘故。 2、岩心过细，表明冲洗液量小，砂量多，钢粒堆积在钻头唇部及内周所致。 3、岩心粗细不均，表明冲洗液时大时小，或者投砂量不均匀（非一次投砂法）所造成。 4、岩心上细下粗，直径相差较大，表明回次之初投砂量过多，水量偏小，而回次后期水量却又偏大。,第三节 钢粒钻进技术参数,（三）其它情况的分析 1、岩心管外部磨损印

19、痕超过一米高度，表明钢粒过多或水量过大。在正常情况下，麻痕高度约为0.6m左右。 2、取粉管内的钻粉颗粒大，甚至还有未失效的完整钢粒，而且数量还不少，说明冲洗液量过大；吐过取粉管内钻粉很少，颗粒又细，岩粉也部多，表明冲洗液量偏小。 3、钻进中进尺均匀，回次长，效率高，钻头磨损正常，则表明钻进技术参数合适；如孔内又“呼隆呼隆”声，钻具回转阻力增加，皮带跳动幅度大，不进尺，表明孔内钢粒多而水量少；如果钻具、皮带有规律地跳动，并且孔内有“卡卡”声，表明砂量少或水量大。,第三节 钢粒钻进技术参数,4、钻进中提动钻具感觉不轻，发滞或多方面调整参数也不进尺；提升后，钻头磨损又较正常，麻痕高度较大，一般是因

20、为钢粒太多，应专门捞取孔内钢粒和钻粉。 5、钻进中没有克取振动的声音，经调整参数后，仍然进尺缓慢，钻头提出来后底唇面又光滑，表明孔底没有钢粒。 6、钻进中回次开始进尺很快，但持续时间不长，钻速就急剧下降从取粉管捞上的钢粒来看，较破碎，且又新鲜端口和明显的棱角，从粗径上边的34根钻杆赖看，又有明显的弯曲变形。其原因是钻压过大。,第三节 钢粒钻进技术参数,7、投入孔底的钢粒不少，选用的规程也较合适，就是不进尺，但此时不返水或返水少，表明孔底岩层裂隙发育和漏水，钢粒几乎都冲入裂隙中（但有时裂隙发育，也有不漏水的情况）。此时如裂隙不大，可投入一些大小不等的岩石颗粒下去堵缝，堵好后再投入钢粒钻进。如裂隙

21、大些，应采用两用钻头（即钢粒钻头上锒硬质合金）钻进。,第三节 钢粒钻进技术参数,8、采用钢粒孔底反循环钻进时，如果钻头底部或岩心管中没有岩粉几种和泥包现象，则为水量合适；反之，则水量小。倘岩心管上部也没有岩粉，则为水量大。若钢粒几种在钻头部分，则为水量合适；如果出现在岩心管上部，则为水量过大；如果与岩粉搅拌在一起糊住钻头底部，则为水量偏小。从岩心完整情况来看，如果回次岩心由下而上以柱、块、粒、粉顺序排列，则为水量合适；如果无明显的上述顺序，则为水量过大。,第三节 钢粒钻进技术参数,三、钢粒钻进的技术操作及注意事项 1、每次提钻后都应详细对钻头是否磨损、岩心变化、钻粉粒度和操作中的感觉等情况进行分析研究，以此确定下个回次的钻进参数。 2、在岩性、孔径相同的情况下，三个小班的钻