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勘探钻进原理 Exploration drilling principals

勘探钻进原理 Exploration drilling principals. 主讲：段隆臣博士 Lectured by Dr. longchen Duan. 绪 论 (Preface). 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位和任务 二、钻进技术的用途 三、钻进方法的分类 四、学习本课程应注意的问题. 一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位 Contents and status of “Exploration Drilling Principles”. 1 、内容 岩石的物理力学性质与碎岩机理 钻头与钻进工艺

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Presentation Transcript

  1. 勘探钻进原理Exploration drilling principals 主讲：段隆臣博士 Lectured by Dr. longchen Duan

  2. 绪 论 (Preface) • 一、“钻探工艺学”课程的内容、地位和任务 • 二、钻进技术的用途 • 三、钻进方法的分类 • 四、学习本课程应注意的问题

  3. 一、“勘探钻进原理”课程的内容、地位Contents and status of “Exploration Drilling Principles” • 1、内容 岩石的物理力学性质与碎岩机理 钻头与钻进工艺 钻探质量（钻孔弯曲、取芯等） • 2、地位 2.1 从专业课的课时分配上说明 2.2 从与其它专业课的关系上进行说明 2.3 从专业历史沿革进行说明

  4. 二、钻进技术的用途Application fields of drilling technology • 找矿（地质普查、地质勘察、水文地质钻探、工程地质钻探、油气钻探、地热钻探、海洋钻探、极地钻探、科学钻探） • 开采矿产资源 • 工程施工（桥墩、大坝防渗注浆、铺设管道钻孔、通风孔等）

  5. 三、钻进方法的分类Classification of drilling method • 按钻头所用切削材料分类：金刚石钻进、硬质合金钻进、钢粒钻进 • 按碎岩方式分类：回转钻进、冲击钻进、冲击回转钻进、回转冲击钻进。 • 按冲洗液循环方式钻进：正循环钻进、反循环钻进、孔底局部反循环钻进 • 按钻进目的分类：地质钻进、石油钻进、水井钻进、工程施工钻进

  6. （a）正循环 （b）正循环 （c）孔底局 部 反循环

  7. 四、学习本课程应注意的问题Problems noted in learning the subject • 1.理论联系实际，课本描述性语言多, 注意总结,结合实践,上升理论； • 2.理论、实践并重； • 3.注重实验课； • 4.注重工程实例。

  8. 第一章 岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism • 第一节、岩石的物理力学性质 • 第二节、岩石可钻性及其分级 • 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式 • 第四节、静载作用下的岩石应力状态 • 第五节、外载作用下岩石的破碎过程

  9. 第一章 岩石钻进过程与破碎机理Chapter 1 Drilling process of rocks and fracturing mechanism • 第一节、岩石的物理力学性质 • 第二节、岩石可钻性及其分级 • 第三节、钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式 • 第四节、静载作用下的岩石应力状态 • 第五节、外载作用下岩石的破碎过程

  10. 第一节 岩石的物理力学性质Physical & mechanical properties of rocks 一、岩石的组成与分类 岩石是矿物颗粒的集合体。按成因分：岩浆岩、沉积岩和变质岩。 岩浆岩：内力地质作用的产物，系地壳深处的岩浆沿的壳裂隙上升冷凝而成。 沉积岩：在地表条件下母岩风化剥蚀的产物，经搬迁、沉积和硬结等成岩作用而形成的岩石。组成沉积岩的物质成分有颗粒和胶结物两大类。 变质岩：沉积岩或变质岩本身在地壳中受到高温高压及化学活动性流体的影响而变质形成的岩石（原岩成分和变质岩特有的，如石墨、滑石，蛇纹石，硅灰岩等）。

  11. 二、岩石的结构与构造 岩石的微观组织特征，即岩石的结构，它与矿物粒度的大小、形状和表面特征有关，反映了岩石非均质性和孔隙性。 岩石构造是表示岩石宏观组织特征，它说明矿物颗粒之间的组合形式和空间分布状况，它决定了岩石的各向异性和裂隙性。岩石的结构和构造与岩石的成因类型、形成条件及存在环境有紧密的联系。 岩浆岩是由岩浆冷却形成凝固而形成的岩石，由于生成环境和冷却速度不同，岩浆化学成份和其中挥发物的含量不等，形成不同的结构和构造。 岩浆岩：晶质结构岩石一般强度较高，同时断面粗糙者往往研磨性较大。 沉积岩：颗粒和胶结物组成，沉积岩的主要构造特征是有钻进过程中产生的层理，与钻进有关。 变质岩：主要构造特征是片理（如石墨和滑石）.岩石沿平行平面分裂为薄片的能力叫做片理化。

  12. 图1－1 晶体结构类型 图1-2 胶结物的类型 图1－3 层理产生的原因

  13. 花岗石 花岗岩 花岗石 白云岩 岩 石 照 片

  14. 第二节 岩石的自然性质Natural properties of rocks 岩石的自然性质：岩石在生成过程中，构造变动和风化过程中自然形成的特性。 密度:单位体积岩石的质量.容重:单位体积岩石的重量. 比重:单位体积岩石骨架体积的重量.岩石体积=固相骨架体积+岩石中孔隙体积. 一般来说,密度越高,强度越大。 孔隙度:岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。一般来说,孔隙度越大,强度越低. 含水性:W=(GW-GD)/GD 透水性:KW=ŋql/A(Pi- Po) 岩石的孔隙越大,裂隙越多,水对它的影响就越小。如石灰岩,用水浸透后,强度下降明显。

  15. 第三节 岩石的力学性质Mechanical properties of rocks • 岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。 • 变形特性：弹性、塑性和脆性 • 强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度 • 表面特性：硬度和研磨性

  16. 1.3.1、变形特性（deformation properties） • 弹性变形 • 塑性变形

  17. (c) (a) (b) 岩石破坏的形式Broken form of rocks 塑脆性破坏（弹性变形不明显，塑性破坏） 脆性破坏

  18. 影响岩石弹性、塑性和脆性的因素（Facts affecting rocks elasticity and plasticity） 1、岩石物质成分 2、岩石结构构造 3、应力状态 4、载荷性质 5、受力条件 6、温度和湿度

  19. 图 1.1－11 岩石压入时的载荷－侵深曲线 图 1.1－10 由应力－应变曲线确定弹性模数 岩石弹塑性的测定Measure of rock’s elasticity and plasticity Kp=SOABC/ SODE

  20. 1.3.2、强度性质（Strength properties） • 岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。

  21. 图 1.1－14 岩石单轴抗压试验 1－岩样；2－球座；3－钢垫板 图 1.1－15 岩石单轴拉伸试验 1－岩样；2－夹头；图中尺寸单位：cm

  22. 图1.1－16 圆盘劈裂试验 图1.1－17 剪切试验 1－岩样； 2－上下剪切模具；3－模套；4－斜锲块；5－上下垫板； 6－钢滚子 Бt=2p/3.14DL

  23. 影响岩石强度的因素（Factors affecting rocks strength） 1、岩石的物质成份 2、岩石的结构构造 3、岩石的容重和孔隙度 4、受力条件 5、应力状态 6、载荷速度 7、岩样的线性尺寸 8、湿度和温度

  24. 1.3.3、表面特性(Surface properties) • 岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。 • 岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。

  25. 影响岩石硬度的因素（Factors affecting rocks hardness） • 岩石的矿物成分和结构构造 • 应力状态 • 载荷速度 • 液体介质 • 工具形状和尺寸

  26. 影响岩石研磨性的因素（Factors affecting rocks abrasiveness） • 岩石的矿物成分和结构特征 • 正压力 • 滑动速度 • 介质

  27. 第四节 岩石可钻性及其分级（Drillability of rocks and its classification） • 岩石可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度。 • 它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。 • 岩石可钻性是个多变量的函数。它不仅受控于岩石的性质，而且与外界技术条件和工艺参数有密切的关系。

  28. 1.4.1 岩石可钻性分级的观点(Viewpoints on classification of rock drillability) • 用岩石力学性质评价岩石的可钻性 • 用实钻速度评价岩石的可钻性 • 用微钻速度评价岩石的可钻性 • 用碎岩比功评价岩石的可钻性

  29. 1.4.2 划分岩石可钻性的具体方法(Methods for classification of rock drillability) • 力学性质指标法 • 实际钻进速度法 • 模拟钻进速度法 • 破碎比功法

  30. 第五节 钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式（Main mode of action between rock-broken tool and rock）

  31. 第六节 静载作用下的岩石应力状态（Stress conditions of rock under static load） • 一、平底圆柱形压头压入时岩石的应力状态 图1.1－34 平底圆柱压头压力面上的压力分布

  32. 图1.1－36 球形压头压力面上的压力分布 图1.1－37 平底压头压入时沿 对称轴的应力分布

  33. 三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态三、轴向力和切向力共同作用时压头下方岩石的应力状态 图2－16 轴向力和切向力共同作用时岩石内的应力分布 （a）等应力线图；（b）应力状态特征 Ⅰ－压应力区；Ⅱ－拉应力区；Ⅲ－过渡区 图2－15 轴向力作用时岩石 内的应力分布

  34. 在回转钻进中，破碎岩石工具以轴向和切向载荷作用于岩石上。弹性力学研究表明：只有轴向力单独作用于压头时，弹性半无限体内等应力线分布是均匀的、对称的（如图2－15）。而轴向力和切向力共同作用时，等应力线分布则是非均匀的、不对称的（如图2－16）。在接触面上，切向力作用的前方将产生压应力，而切应力作用的后方则产生拉应力，在半无线体内（如图2－16(b)所示），形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区（Ⅲ） 。由此可以推知，在兩向载荷作用下，碎岩工具对岩石的作用具有以下的特点： 1. 轴向力和切向力共同作用时，可视为碎岩工具对孔底岩石表面以某一角度施加作用力。岩石破碎效果将由此作用力的数值和方向来决定。轴向力和切向力之间存在最优比值，或者说有最优的作用力方向。这一方向对于不同的岩石可能是不同的。所以钻进不同岩石时，轴向压力和回转速度应用一个合理的配合关系。 2. 轴向力与切向力共同作用时，碎岩工具下方岩石中产生不均匀的应力状态。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反；过渡区内既有正应力的作用，又有拉应力的作用。 3. 当岩石中出现拉应力时，在其他条件相同的情况下，岩石将在作用力比较小的时，在拉应力区开始破碎。

  35. 第七节 外载作用下岩石的破碎过程（Failure process of rock under exterior load） • 一、岩石的变形破碎方式 图1.1－45 破碎功与破碎产物粉碎度的关系 1－根据黎金格尔定律；2－根据基尔切夫定律 图1.1－46 转速与载荷的关系曲线

  36. 二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程二、平底压模或球状切削具压入时的岩石变形破碎过程

  37. 三、尖楔状切削具压入时和冲击碎岩机理 图 2－21 液体压差下的碎岩机理 图 2－20 尖楔状切削具碎岩机理

  38. 第二章、回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling • 第一节、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 • 第二节、硬质合金钻头 • 第三节、钻探用金刚石及其孔底碎岩过程 • 第四节、金刚石钻头和扩孔器 • 第五节、钢粒钻头及其孔底碎岩过程 • 第六节、牙轮钻头及其孔底碎岩过程 • 第七节、全面钻头

  39. 第二章 回转钻进用钻头Drilling bits used in the rotary-table drilling • 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程 • 第二节 硬质合金钻头 • 第三节 钻探用金刚石及其孔底碎岩过程 • 第四节 金刚石钻头和扩孔器 • 第五节 钢粒钻头及其孔底碎岩过程 • 第六节 牙轮钻头及其孔底碎岩过程 • 第七节 全面钻头

  40. 第一节 硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit • 一、钻探用硬质合金(hardmetal for drilling) 通常钻头切削具采用钨钴类硬质合金。碳化钨为骨架材料，钴为粘结材料。 硬质合金钻进一般适用于软、中硬岩层钻进。 硬质合金切削具主要有薄片状、方柱状、八角柱状和针状等形状。薄片状：1-5级软岩；方柱状、八角柱状：4-7级中硬岩石；其中八角柱状：较硬岩层和裂隙发育；针状：自磨式钻头，在硬地层或研磨性岩石中使用。

  41. 表4－1 YG类硬质合金的性能表 注：硬质合金中的附加字母“x”表示细粒合金，“c”表示粗粒合金。

  42. 二、硬质合金钻头钻进的孔底碎岩过程(Failure process of downhole rock drilled by carbide-insert bit) 回转钻进的机械钻速vm=60nmh1 影响切入深度h1的主要因素有：轴向力大小，岩石的性质及岩屑被清除的速度。切削具的性质、几何形状及排布方式；钻头的转速与切削具的磨钝程度。 1、塑性岩石的孔底破碎过程 2、脆性岩石的孔底破碎过程 3、切入与切削同时作用下的碎岩过程

  43. 一、塑性岩石的碎岩情况： • 岩石切入岩石底过程： • 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（和最小等于）岩石的抗压强度（压入硬度），即： （1.3－1） （1.3－2） （1.3－3） 式中： Py—一个切削具上的轴向压力；S0—切削具与岩石的接触面积； σ—岩石的临界抗压入强度（相当于在该条件下岩石的硬度）。 Py≥σ. S0是切削具切入岩石的必要条件，否则，切削具在井底不能切入岩石，碎岩过程只能是切削具对岩石的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。 在塑性岩石中，切削具切入岩石的情况如图1.3－1所示。一个单斜刃的切削具在轴向压力的作用下，切入岩石的深度为。由于切削具后斜面的作用，使切削具的刀尖O并非垂直切入岩石，而是沿着与垂直线成γ角的线方向切入岩石。因此，在切入的过程中,在前面OB上产生的正压力及摩擦力（ 等于摩擦 f )。系数同理，在后斜面OA上产生正压力及摩擦力。各作用力平衡关系如下：

  44. 根据切削具切入岩石的条件知： 式中： b—切削具的宽度； σn－OA面上的法线压强； σ－垂直于AB的压强，它等于岩石的抗压入强度（压入硬度）。 将式（1.3－5）代入式（1.3－4）中，则有： 因此，切入深度h0为： 若设： 则有： 式中：v－由切削具刃尖角β和切削具与岩石的摩擦角φ所决定的一个系数。 在一般情况下，v＝0.88～0.97。

  45. 图1.3－2 塑性岩石中的回转切削 Py-轴向压力； Px-水平力； h0-切入深度； b-切削槽宽（切削具宽度）

  46. 图1.3－4 单面锲形切削具切入脆性岩石 Py-轴向压力；h0-切入深度；kok'-崩落岩穴 图1.3－5 脆性岩石的回转切削过程 Py-轴向压力；Px-回转水平压力； β－刃角 h0-切入深度； abc-大剪切体； a'b'c'-第二次大剪切体； B1－大剪切时岩面槽宽；

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