鉆探工程常見問題及分析

1、根據(jù)巖石的變形特性，圖示說明巖石的三種類型彈脆性巖石（花崗巖、石英巖、碧石鐵質(zhì)巖）在壓頭壓入時僅產(chǎn)生彈性變形，至A點(diǎn) 最大載荷為Pmax處便突然完成脆性破碎，壓頭瞬時壓入，破碎穴的深度為h 圖（a）。 這時破碎穴面積明顯大于壓頭的端面面積，即h/6 5。彈塑性巖石（大理巖、石灰?guī)r、砂巖）在壓頭壓入時首先產(chǎn)生彈性變形，然后塑性變形。 至B點(diǎn)載荷達(dá)Pmax時才突然發(fā)生脆性破碎圖（b）。這時破碎穴面積也大于壓頭的端面 面積，而h/6 =2.55，即小于第一類巖石。高塑性（粘土、鹽巖）和高孔隙性巖石（泡沫巖、孔隙石灰?guī)r）區(qū)別于前二類，當(dāng)壓頭 壓入時，在壓頭周圍幾乎不形成圓錐形破碎穴，也不會在壓入作用下

2、產(chǎn)生脆性破碎圖（c）， h/6 =1。什么是巖石破碎的體積破碎？切削具上的載荷繼續(xù)增加，接觸壓力大于或等于巖石硬度，切削具可有效地切入 巖石，結(jié)果是：切削具在孔底移動時不斷克服巖石的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，切下巖屑，這種變形破 壞方式稱為體積破碎，這個區(qū)稱為體積破碎區(qū)。體積破碎時，會分離出大塊巖石，破碎 效果好。(UIUI)Y什么是巖石的各向異性？對鉆進(jìn)有哪些影響？巖石在不同方向上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度值稱為巖石的各項異性，巖石的各向異性分為兩 種：一種是由于微裂縫的存在以及在不同方向上的排列，分布不同而導(dǎo)致的，這種各向異性 會隨著巖石的應(yīng)力變化而變化，可稱為應(yīng)力各向異性；另一種是由于巖石顆粒的定向排列引 起的，

3、這種巖石的各向異性不會隨著巖石的應(yīng)力變化而改變。影響進(jìn)效率的：由于在不同的層理結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度性質(zhì)，在鉆進(jìn)這樣的巖石層時會 加大鉆進(jìn)的工作量，因此巖石的各向異性會影響鉆進(jìn)效率。影響鉆孔偏斜：由于存在巖石的各向異性，使得鉆桿在鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)受力不平衡的情況， 使得鉆桿發(fā)生一定角度的偏斜甚至彎曲，會影響鉆孔的偏斜量。影響巖石硬度的因素有哪些？（1）巖石中石英及其他堅硬礦物或碎屑含量愈多，膠結(jié)物的硬度越大，巖石的顆 粒越細(xì)，結(jié)構(gòu)越致密，則巖石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙發(fā)育的巖石硬度 將會降低。（2）巖石的硬度具有明顯的各向異性。但層理對巖石硬度的影響正好與對巖石強(qiáng) 度的影響相反。垂直

4、于層理方向的硬度值最小，平行于層理的硬度最大，兩者之間可 相差1.051.8倍。巖石硬度的各向異性可以很好地解釋鉆孔彎曲的原因和規(guī)律，并可 利用這一現(xiàn)象來實(shí)施定向鉆進(jìn)（3）在各向均勻壓縮的條件下，巖石的硬度增加。在常壓下硬度越低的巖石，隨 著圍壓增大，其硬度值增長越快。（4）一般而言，隨著加載速度增加，將導(dǎo)致巖石的塑性系數(shù)降低，硬度增加。但 當(dāng)沖擊速度小于10m/s時，硬度變化不大。加載速度對低強(qiáng)度、高塑性及多孔隙巖石 硬度的影響更顯著。鉆探技術(shù)的基本構(gòu)成是什么？（基本鉆探工藝過程）平整場地，挖好循環(huán)系統(tǒng)，安裝鉆塔、鉆機(jī)、泵和動力機(jī)。按設(shè)計的方向開孔，在孔口固定孔口管。根據(jù)所鉆巖石的物理力學(xué)性

5、質(zhì)、鉆頭直徑、鉆頭類型和孔深選擇合理的規(guī)程參數(shù)， 一邊沖洗鉆孔，一邊通過給進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆柱給鉆頭加軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度。鉆頭在孔底鉆出一個環(huán)形空間，并形成巖心，隨著鉆孔加深巖心將充滿巖心管。清潔孔底、冷卻鉆頭切削具后，攜帶巖屑的沖洗液上返流出孔口，并在沉 淀槽、沉淀池中清除掉巖屑后，清潔的液體再流回泥漿池，如此循環(huán)。把鉆具提至地表，從巖心管內(nèi)取出巖心。重新配好鉆具，再下放至孔內(nèi)繼續(xù)鉆進(jìn)。簡述硬質(zhì)合金鉆頭的碎巖機(jī)理（文字與簡圖）巖心鉆探使用硬質(zhì)合金鉆頭的一種鉆進(jìn)方法。硬質(zhì)合金鉆進(jìn)碎巖的機(jī)理是鉆頭 在鉆壓的作用下，硬質(zhì)合金切削、 刮削巖石。金剛石鉆頭有哪些主要類型？全面鉆進(jìn)鉆頭，通常說的PDC鉆頭、孕鑲

6、鉆頭、取芯鉆頭、兩級偏心鉆頭、巴拉斯 鉆頭、還有旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆頭（一般要帶旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具）地質(zhì)巖心鉆探與油氣井鉆探的主要區(qū)別在哪里？地質(zhì)巖新鉆探指地質(zhì)勘查鉆探，主要目的是鉆取地下巖石的巖心，以供科學(xué)研究。油氣井鉆探的目的是抽取石油和天然氣。在鉆井工藝上有很大區(qū)別，油氣井鉆探相對復(fù) 雜9空氣鉆進(jìn)技術(shù)有哪些優(yōu)點(diǎn)？鉆進(jìn)效率高：空氣鉆進(jìn)效率比一般鉆進(jìn)法約提高9 11倍。其原因是：孔底巖 石減掉了鉆孔內(nèi)的液柱靜壓力，有助于巖石最大限度地釋放殘余應(yīng)力，使孔底巖石 處于一種負(fù)壓效應(yīng)狀態(tài)，借助切削具的碎巖作用，巖屑呈“爆炸”形式崩離巖體， 從而提高了鉆進(jìn)效率。另外壓縮空氣以高速吹洗孔底、孔內(nèi)干凈，幾乎完全沒有重 復(fù)

7、破碎，故在硬巖和深孔時，鉆進(jìn)效率更為顯著。鉆頭壽命長：空氣鉆進(jìn)鉆頭壽命長，除上面提到的因素外，還有一重要因素，即 當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過鉆頭時，由于壓力驟然降低，在此大量吸收熱量，有利于冷卻鉆頭， 防止燒鉆，并為切削具創(chuàng)造有利的工作環(huán)境。與一般鉆進(jìn)方法相比，鉆頭壽命可提 高十倍以上。能取得正確的地質(zhì)資料：空氣鉆進(jìn)以空氣為循環(huán)介質(zhì)，它不污染巖石和孔壁這不僅 對洗井、抽水等工作有益，而且可以獲取正確的水文地質(zhì)資料。空氣鉆進(jìn)不用水：這在干旱缺水地區(qū)其優(yōu)越性更為顯著，同時可以避免因漏水而帶 來的堵漏問題和沖洗液、巖粉等對含水層堵塞的影響。10鉆孔結(jié)構(gòu)（也稱井身結(jié)構(gòu)）？鉆孔結(jié)構(gòu)是指鉆孔由開孔至終孔，鉆孔剖面中各

8、孔段的深度和口徑的變化情況。一般來 說，換徑次數(shù)越多、鉆孔結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；換徑次數(shù)越少，鉆孔結(jié)構(gòu)越簡單。在可能情況下，應(yīng) 使鉆孔結(jié)構(gòu)盡量簡單11、套管在鉆探工程中起什么作用？中間套管用于井深較大，對井眼中間井段的易塌、易漏、高壓、含鹽等地層，起到 隔離地層和保護(hù)井身的作用。下入了中間套管可以保證對下部，四通防噴器,可以預(yù) 防井噴。套管還能用于套管鉆進(jìn)，鉆頭和井下工具的起下在 套管內(nèi)進(jìn)行，利用鋼絲繩 試下不提鉆更換鉆頭、鉆具，能夠節(jié)省起下鉆時間，提高施工效率，大幅度節(jié)約鉆井 成本。12、鉆探設(shè)備包括哪些主要內(nèi)容？鉆探設(shè)備通常由鉆機(jī)、鉆塔一桅桿、泥漿泵等三部分構(gòu)成。對于一些大型鉆探設(shè)備 來講，劃分得可

9、能會更細(xì)一點(diǎn)，如石油鉆機(jī)就號稱8大件：井架、天車、游動滑車、 大鉤、水龍頭、絞車、轉(zhuǎn)盤、泥漿泵。13、什么是正循環(huán)鉆進(jìn)？什么是反循環(huán)鉆進(jìn)？反循環(huán)的形式有多少種？正循環(huán)鉆進(jìn)是泥漿自供應(yīng)池由泥漿泵泵出，輸入軟管送往水龍頭上部進(jìn)口，再注入旋轉(zhuǎn) 空心鉆桿頭部，通過空心鉆機(jī)一直流到鉆頭底部排出，旋轉(zhuǎn)中的鉆頭將泥漿潤滑，并將泥漿 擴(kuò)散到整個孔底，攜同鉆碴浮向鉆孔頂部，從孔頂溢排地面上泥漿槽。反循環(huán)鉆進(jìn)與正循環(huán)鉆進(jìn)的差異在鉆進(jìn)時泥漿不經(jīng)水龍頭直接注入鉆孔四周，泥漿下達(dá) 孔底，經(jīng)鉆頭拌和使孔內(nèi)部漿液均勻達(dá)到擴(kuò)壁，潤滑鉆頭，浮起鉆碴，此時壓縮空氣不斷送 入水龍頭，通過固定管道直到鉆頭頂部，按空氣吸泥原理，將鉆渣

10、從空心鉆桿排入水龍頭軟 管溢出。反循環(huán)鉆進(jìn)按照產(chǎn)生沖洗液上升流動的方式不同，可分為地表噴射反循環(huán)，泵吸反循環(huán) 和氣舉反循環(huán)三種方式。14、鉆進(jìn)參數(shù)主要有哪些？各自起到什么作用？鉆進(jìn)參數(shù)有三個：鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量鉆壓是孔底碎巖的必要條件。鉆壓的大小決定著碎巖的方式和特點(diǎn)，它直接影響鉆 進(jìn)速度。機(jī)械鉆速與鉆壓的關(guān)系是：機(jī)械鉆速隨著鉆壓的增加而不斷地增大。一般情況下，轉(zhuǎn)速越高，鉆進(jìn)速度越快。泵量指送入孔內(nèi)的沖洗液量，主要是用于清除孔底產(chǎn)生的巖粉和冷卻鉆頭。隨著沖 洗液量的增加，對孔底清除巖粉和冷卻鉆頭的能力也增強(qiáng)?？椎椎那鍧崰顟B(tài)對鉆進(jìn)影響 很大。把孔底破碎下來的巖屑及時沖離孔底，就為連續(xù)破碎巖石新鮮面

11、創(chuàng)造了條件，從 而避免重復(fù)破碎巖屑和無益地消耗功能。同時，孔底清潔也減少了鉆具的磨損和防止某 些孔內(nèi)事故的發(fā)生。在某些比較松軟的巖層，沖洗液流可起到噴射碎巖作用。15、影響地層可鉆性的因素有哪些？地層的可鉆性不僅取決于地層的結(jié)構(gòu)，土質(zhì)、巖石自身的物理力學(xué)性質(zhì)，包括巖石 的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、強(qiáng)度、硬度、彈塑性、研磨性，及其含水量、化學(xué)成分、酸堿性等；還與 鉆進(jìn)的工藝技術(shù)措施有關(guān)，所以它是巖石在鉆進(jìn)過程中顯示出來的綜合性指標(biāo)。為什么說上天難，入地更難？巖石堅硬，鉆頭消耗大；全孔取心、取樣，要求高；地層易斜，難以保直；井身結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，大直徑硬巖擴(kuò)孔鉆進(jìn)難度高、套管下入難度大；井深，下部地層狀況未知；施工周期

12、長， 風(fēng)險因素大，施工費(fèi)用高面對這些難題，科鉆一井無論是從國內(nèi)還是國外，都很難找到 可以借鑒的成熟先例。以往，人類對地球內(nèi)部的勘查因堅硬巖石的阻隔而困難重重。人們對地球內(nèi)部的認(rèn)識， 大多是通過地球物理等方法間接獲得的，地表地球物理遙測只能獲得近地表的構(gòu)造影像及深 部的推測，這種推測存在“多解性”。而大陸科學(xué)鉆探是獲得地球大陸內(nèi)部信息的唯一直接 途徑。數(shù)千米的深部鉆探提供了通過保留在垂向?qū)有蛑械牡刭|(zhì)記錄研究“系統(tǒng)瞬態(tài)動力學(xué)” 的手段，使“多解性”真相大白。由深部鉆探技術(shù)和地球物理遙測技術(shù)構(gòu)成的科學(xué)鉆探工程 被譽(yù)為“伸入地球內(nèi)部的望遠(yuǎn)鏡”。通過大陸科學(xué)鉆探對巖石圈進(jìn)行直接觀測，可以揭示大陸地殼的物

13、質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)構(gòu)造， 校正地球物理對地球深部的遙測結(jié)果，探索地球深部流體系統(tǒng)、地?zé)峤Y(jié)構(gòu)，監(jiān)測地震活動， 揭示地震發(fā)生規(guī)律，研究全球氣候變化及環(huán)境變遷，探索地下微生物的分布及潛育條件，預(yù) 防環(huán)境及地下水污染，處理核廢料。長期觀察地球變化等，可以解決一系列重大基礎(chǔ)科學(xué)問 題。鉆探技術(shù)的難點(diǎn)是：鉆遇的巖石堅硬、研磨性強(qiáng)，導(dǎo)致鉆進(jìn)速度低、鉆頭壽命短；要求全孔連續(xù)采取巖心，導(dǎo)致提鉆次數(shù)多，加大了輔助工序時間；鉆遇的片麻巖各向異性顯著，加之巖層陡斜、造斜性強(qiáng)，極易產(chǎn)生井斜；某些層段井壁坍塌、破碎嚴(yán)重，擴(kuò)徑顯著，導(dǎo)致發(fā)生孔內(nèi)事故；在堅硬的巖石施工5000m終孔直徑157mm的連續(xù)取心鉆孔，在我國沒有先例，沒

14、有現(xiàn)成可用的鉆探技術(shù)，沒有深部資料可供參照，施工風(fēng)險大。科鉆一井的施工采用了 “組合式鉆探技術(shù)”，即石油鉆井技術(shù)和地質(zhì)巖心鉆探技術(shù)的組 合，采用石油鉆井設(shè)備，同時采用地質(zhì)巖心鉆探常用的高轉(zhuǎn)速金剛石取心鉆進(jìn)工藝方法，以 這一套特殊的鉆探技術(shù)體系解決大直徑、深孔、硬巖連續(xù)取心鉆進(jìn)的技術(shù)難題。施工萬米科學(xué)深鉆是向地球科學(xué)進(jìn)軍的一項更加宏偉的工程，也是一項高難度的、高 新技術(shù)工程，其主要難點(diǎn)是：在萬米深井中，在高溫、高壓條件下，不僅巖石堅硬、難鉆，且?guī)r石具有一定塑性， 易產(chǎn)生孔底縮徑事故，甚至在下鉆時，找不到井眼，國外超深井鉆進(jìn)時出現(xiàn)過類似事件。由于科學(xué)鉆井往往需要全孔連續(xù)取樣，勢必占用大量升降作業(yè)時間，導(dǎo)致施工周期明 顯增大。對鉆桿柱的性能有更高的要求，在起下鉆具時，鉆桿柱上部承受萬米鉆桿重量，需要 有很高的抗拉強(qiáng)度，而鉆桿柱的底部在鉆進(jìn)時承受井底壓力及回轉(zhuǎn)扭矩，對其抗彎強(qiáng)度有很 高的要求，一旦發(fā)生鉆桿折斷事故，處理起