現(xiàn)代鉆探技術說課講解

現(xiàn)代鉆探技術第一章概述一、鉆探工程的定義二、鉆探工程的簡單發(fā)展史三、鉆探施工過程四、鉆探工程的應用范圍和分類1/13/20232現(xiàn)代鉆探技術課

時：2本章目的：了解鉆探工程的定義、簡單發(fā)展史、鉆探施工過程以及鉆探方法分類教學難點：鉆探工程定義及施工過程教學方法：課堂教授1/13/20233現(xiàn)代鉆探技術

一、鉆探工程的定義

鉆探工程是用一定的工具，在地殼內(nèi)按著一定的工藝破碎巖石的整個過程，這項工程的結果即地殼內(nèi)的鉆孔。1/13/20234現(xiàn)代鉆探技術二、鉆探工程的簡單發(fā)展史

1、中國古代鹽井鉆鑿技術發(fā)展時期

①第一階段——大口徑淺井時期：從公元前255年至公元1040年(自秦至宋初)。

李冰任蜀郡太守后，率領人民興修都江堰工程的過程中，發(fā)現(xiàn)了多處鹽泉，通過認真考察，初步掌握了水文地質(zhì)條件，并創(chuàng)造性地運用大口徑水井開鑿方法，成為了開鑿我國第一口鹽井的開拓者。

②第二階段——小口徑深井發(fā)明與推廣時期：公元1041－1048年(北宋慶歷年間)。③第三階段——小口徑深井鉆鑿工藝的完善和提高時期(明清)。1/13/20235現(xiàn)代鉆探技術二、鉆探工程的簡單發(fā)展史

2、近代與現(xiàn)代鉆探發(fā)展過程

①鉆探工程用途越來越廣，鉆探工程量逐年上升(局部時期徘徊或下降)；

②鉆探設備種類越來越多，功能更多，性能更佳；

③鉆頭等鉆具品種種類越來越全，性能越來越優(yōu)；

④鉆進方法越來越多，越來越先進；

⑤中國與發(fā)達國家在鉆探領域的技術差距較大。1/13/20236現(xiàn)代鉆探技術三、鉆探施工過程

1、鉆孔的概念

鉆孔是從地表(或坑道中)向巖石中開鑿的圓形斷面的空間，一般具有較小的直徑和較大的深度。直徑在25～500mm之間，稱為鉆孔。鉆孔的深度從數(shù)厘米到數(shù)千米，目前的鉆孔深度已超過10000m。鉆孔包括孔口、孔底、孔壁。1/13/20237現(xiàn)代鉆探技術三、鉆探施工過程2、鉆探施工的主要工序

鉆進現(xiàn)場布置圖見圖1.1所示。 鉆進按下列工序進行：用升降機把鉆具下入孔內(nèi)；連接好所有接頭，開泵；給鉆具加壓，并帶動其回轉，破碎巖石；提鉆取心或更換鉆具；下鉆繼續(xù)鉆進；鉆進一段時間后及時測斜；提出全套鉆具，停鉆；封孔。1/13/20238現(xiàn)代鉆探技術圖1.1鉆探現(xiàn)場布置全貌圖1-鉆頭；2-巖心；3-巖心管；4-異徑接頭；5-鉆桿柱；6-固定空口管；7-鉆機；8-回轉器；9-卡盤；10-提引水龍頭；11-游動滑車；12-游動鋼繩；13-天車；14-鉆塔；15-鉆機房；16-升降機；17-高壓膠管；18-泵；19-電動機；20-循環(huán)槽；21-沉淀池；22-泥漿池；23-吸水管；24-拉力表；25-出水管1/13/20239現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍和分類(一)應用范圍1、地質(zhì)勘探：普查找礦鉆探；礦產(chǎn)勘探鉆探；水文地質(zhì)鉆探；工程地質(zhì)鉆探。2、開采礦產(chǎn)資源鉆探：打水井；石油(天然氣)鉆探；鹽井鉆探。3、煤礦井下鉆探：地質(zhì)勘探鉆探；瓦斯抽放鉆探；排放水鉆探；錨桿錨索鉆探；救援鉆探。4、工業(yè)鉆探：加固建筑物的基樁孔；建大橋的大直徑(橋墩施工用空間)鉆孔；以測量地面沉降精確變比資料的標孔；加固水壩、防漏水的防滲漏墻；利用鉆孔灌注水泥防治地質(zhì)災害(地面錨索、桿孔)；鋪設管道、電纜的技術孔；礦山的豎井、通風井及多種輔助井；代替開挖隧道打大斷面的地下坑道；用于軍事，如導彈的發(fā)射井。1/13/202310現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍和分類(二)鉆探方法的分類1、根據(jù)鉆進時取心的特點分類——巖心鉆探和不取心(無巖心、無心、全面)鉆探。2、根據(jù)鉆孔用途分類——按鉆探的應用范圍分出相應類型。3、根據(jù)鉆孔中心線的傾角和方位角分類——垂直孔(上、下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。4、根據(jù)鉆孔位置的分類——地表鉆探、水上(河、湖、海)鉆探、地下坑道鉆探。1/13/202311現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍和分類(二)鉆探方法的分類5、根據(jù)鉆孔布置方法分類——叢狀鉆探

(圖1.2)、多井筒鉆探(圖1.3)、多孔底鉆探

(圖1.4)。圖1.2叢狀布孔圖1.3多井筒布孔圖1.4多孔底布孔1/13/202312現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍和分類(二)鉆探方法的分類6、根據(jù)破巖形式分類(1)物理方法破巖：①高溫（1400℃～3500℃）、高壓（200~250MPａ）破巖；②用超聲波和低聲波破巖；③用爆破、高壓水射流等方法破巖。(2)化學方法破巖：此法使用較少，如溶解、軟化巖石等。(3)機械方法破巖：使用最為廣泛，其分類如圖1.5所示。

1/13/202313現(xiàn)代鉆探技術沖擊鉆進手動沖擊鉆進機械沖擊鉆進沖擊器鉆進鉆機鉆進液動沖擊器鉆進風動沖擊器鉆進回轉鉆進手動回轉鉆進機械回轉鉆進深井回轉鉆進硬質(zhì)合金鉆進鉆粒鉆進金剛石鉆進螺旋鉆進震動鉆進轉盤鉆進井底發(fā)動機鉆進渦輪鉆進螺桿鉆進電鉆進其它沖擊回轉鉆進圖1.5機械破碎巖石的鉆探方法分類1/13/202314現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍和分類(二)鉆探方法的分類7、根據(jù)鉆進使用的沖洗液分類清水鉆進；乳化液鉆進；泥漿鉆進(含加重泥漿)；飽和鹽溶液鉆進(鉆鹽井，以防溶解巖心和孔壁)；空氣鉆進；泡沫鉆進；霧化鉆進；充氣泥漿鉆進(降低泥漿比重，以防漏失)。1/13/202315現(xiàn)代鉆探技術四、鉆探工程的應用范圍

和分類

(二)鉆探方法的分類 8、根據(jù)沖洗液循環(huán)方式分類

鉆孔沖洗液的循環(huán)方式示意圖如圖1.5所示。沖洗液正循環(huán)鉆進沖洗液反循環(huán)鉆進全孔反循環(huán)鉆進孔底局部反循環(huán)鉆進圖1.5鉆孔沖洗液的循環(huán)方式a-全孔正循環(huán)；b-全孔反循環(huán)；c-孔底局部反循環(huán).1-來自泵；2-往沖洗液沉淀系統(tǒng)1/13/202316現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：

1、簡述鉆探工程的定義及鉆探施工過程。2、簡答鉆探方法的分類。1/13/202317現(xiàn)代鉆探技術第二章巖心鉆探設備第一節(jié)鉆機第二節(jié)泥漿泵第三節(jié)動力機第四節(jié)鉆塔及其附屬設備1/13/202318現(xiàn)代鉆探技術課

時：4本章目的：掌握鉆探設備的種類，鉆機的類型、主要參數(shù)，鉆機的主要構成部件，并了解其它設備的工作原理教學重點：鉆機的類型及組成教學方法：課堂教授、現(xiàn)場參觀1/13/202319現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)鉆機 一、鉆探工藝對鉆機功能的基本要求

1、提供使鉆桿柱及碎巖鉆具(鉆頭)破巖所需的回轉動力； 2、提供鉆具克入巖石的壓力，并能調(diào)節(jié)； 3、具有起下鉆具的能力。 二、鉆機的類型

用于巖心鉆探的鉆機分為：機械式鉆機(包括立軸式鉆機和轉盤鉆機)、全液壓鉆機。 當然還有旋挖鉆機、車裝鉆機、履帶式鉆機。1/13/202320現(xiàn)代鉆探技術XY-4型立軸式巖心鉆機GPS—15型轉盤式鉆機1/13/202321現(xiàn)代鉆探技術G-3型全液壓鉆機全液壓坑道鉆機1/13/202322現(xiàn)代鉆探技術旋挖鉆機旋挖鉆機1/13/202323現(xiàn)代鉆探技術車裝鉆機履帶式跟管鉆機1/13/202324現(xiàn)代鉆探技術三、選用、評價鉆機的主要參數(shù)鉆機的技術參數(shù)有以下三種：1、基本參數(shù)：是反映鉆機鉆進能力最穩(wěn)定的參數(shù)。一般用鉆進深度和使用鉆桿的直徑聯(lián)合表示。2、主要參數(shù)：它取決于基本參數(shù)。主要有——回轉器的轉速、上頂力和鉆進力、給進速度和行程、提升能力和提升速度、鉆進的重量與外廓尺寸、動力機的功率和轉速等參數(shù)。3、一般參數(shù)：從屬于基本參數(shù)和主要參數(shù)，如鋼絲繩直徑、卷筒直徑等，反映次要技術參數(shù)。1/13/202325現(xiàn)代鉆探技術四、機械傳動式鉆機的構成部件

(一)回轉器與卡盤

回轉器的功用是傳遞回轉動力，提供鉆速和轉矩，能正反轉?？ūP(轉盤式鉆機無此件，主軸式鉆機的卡盤常與回轉器連為一個部件)的任務也是傳遞回轉運動和扭矩(它起加緊鉆桿的作用)，同時還傳遞軸向運動和鉆進(上頂)力。

(二)給進機構

給進機構是回轉鉆進的主要執(zhí)行機構之一，其任務是：稱量鉆頭質(zhì)量；進行加壓或減壓鉆進；提供一定的軸向壓力和鉆進速度；倒桿、提動和懸掛鉆具；強力起拔鉆具等。給進機構有以下兩種：①液壓給進——通過油缸給進；②手動機械給進——邊回轉邊通過機械手動給進。1/13/202326現(xiàn)代鉆探技術四、機械傳動式鉆機的構成部件

(三)升降機

又稱卷揚機或絞車。在鉆進過程中升降鉆具和套管。進行減壓鉆進，處理孔內(nèi)事故時，配合給進機構進行強力起拔。

(四)變速箱和分動箱

變速箱用來變更回轉器和升降機的轉速和扭矩；分動箱的作用是將動力傳送分配給回轉器和升降機，或聯(lián)動兩者同時運轉。

(五)摩擦離合器

摩擦離合器是用來切斷或接通動力機傳來的動力；完成鉆機換檔和孔內(nèi)特殊工序操作(如套巖心、扭斷巖心)；起過載保護作用。1/13/202327現(xiàn)代鉆探技術四、機械傳動式鉆機的構成部件

(六)機座

可分為兩種類型：開合式讓開孔口機座(為整合式)、后移式讓開孔口機座。

立軸式鉆機部件構成簡圖1-電動機；2-油泵；3-摩擦離合器；4-變速箱；5-分動箱；6-回轉器；7-升降機1/13/202328現(xiàn)代鉆探技術五、全液壓鉆機

全液壓鉆機是指鉆機的回轉、鉆進和升降鉆具等機構均用液壓驅動完成。全液壓鉆機一般是由主機、泵站、操作臺三部分組成，中間用高壓油管連接。如圖所示：全液壓鉆機結構示意簡圖1/13/202329現(xiàn)代鉆探技術五、全液壓鉆機全液壓鉆機的特點：外形和結構與傳統(tǒng)機械式鉆機完全不同，由三部分組成，結構簡單；可實現(xiàn)無極調(diào)速；實現(xiàn)無塔升降，能機械自動擰卸鉆具；操作方便，使用工人少；可實現(xiàn)較遠距離操作，操作更加安全，甚至可實現(xiàn)遙控操作；但也存在不足：ａ、消耗功率大，機械效率低；ｂ、液壓原件精度要求高，對液壓油的質(zhì)量、過濾精度要求也很嚴格，因此維護保養(yǎng)較困難。1/13/202330現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)泥漿泵一、泥漿泵在鉆探工作中的作用

泵是通過一定的方式將動力機的機械能轉變?yōu)橐后w壓力能的設備。泥漿泵是泵在鉆探中應用的設備。有以下用途：提供沖洗液以清除巖屑；向孔底鉆具供給能量——如給渦輪鉆具、螺桿鉆頭、液動沖擊鉆具及其它水力沖擊鉆具提供動力；輸送特種物質(zhì)——如堵漏、封孔時，利用泵向孔內(nèi)灌注水泥漿或其它堵漏物質(zhì)；判斷孔內(nèi)情況——利用水泵的儀表在地面及時了解孔內(nèi)的一些情況。1/13/202331現(xiàn)代鉆探技術二、泵的分類泵由于其能量轉換的方式不同，可分為不同的類型:容積式泵動力式泵——離心泵、軸流泵等——靠旋轉葉輪進行能量轉換往復式泵——活塞泵、柱塞泵等回轉式泵——螺桿泵、齒輪泵等其它泵——電磁泵、水錘泵、噴射泵等——靠其它方式進行能量轉換靠密閉腔容積變化進行能量轉換鉆場上常用容積式活塞泵作為沖洗液循環(huán)泵。1/13/202332現(xiàn)代鉆探技術NBQ25-380電驅動泥漿泵NBQ25-380型柴油驅動泥漿泵1/13/202333現(xiàn)代鉆探技術三、鉆探工作對泥漿泵的要求流量均勻且能在較大的范圍內(nèi)調(diào)整流量具有一定的強制壓力及較大的調(diào)壓范圍排量要穩(wěn)定具有超載承受能力和保護措施要適應野外施工的惡劣環(huán)境運移性要好1/13/202334現(xiàn)代鉆探技術四、往復式泵的工作原理單作用泵工作原理示意圖雙作用泵工作原理示意圖1-活塞；2-排水活門；3-吸水活門；4-活塞桿；5-排水管；6-吸水管；7-水源箱1/13/202335現(xiàn)代鉆探技術五、煤田鉆探常用泥漿泵

煤田鉆探常用的泥漿泵為幾個泵(常說幾缸)組成的泥漿泵。如NBB系列是由三個單作用活塞泵組成，而TBW系列是由兩個雙作用活塞泵組成。TBW系列泥漿泵1/13/202336現(xiàn)代鉆探技術NBQ35—600W型五缸泥漿泵1/13/202337現(xiàn)代鉆探技術第三節(jié)動力機

現(xiàn)代巖心鉆探設備中，主要使用以下類型的動力機(動力驅動裝置)：電力驅動裝置——電動機內(nèi)燃機——汽油機、柴油機(常用)、用原油為燃料的燃燒室式內(nèi)燃機氣動動力機液動動力機在井下，尤其是在粉塵爆炸危險的礦井內(nèi)常用1/13/202338現(xiàn)代鉆探技術第四節(jié)鉆塔及其附屬設備一、鉆塔1、鉆塔的作用 鉆塔是安裝鉆探設備和操作工人活動的場所。鉆塔在鉆進工程中主要用于起下鉆具；在處理事故時，用來處理井內(nèi)事故及起下套管。2、鉆探工作對鉆塔的要求要求鉆塔有足夠的承載能力及足夠的剛度；要求鉆塔有合理的高度及足夠的上下頂面積；此外，要求鉆塔自重輕，運移性好，拆卸、安裝、操作方便，安全可靠，制造成本低廉。1/13/202339現(xiàn)代鉆探技術一、鉆塔3、鉆探的類型按制造鉆塔的材質(zhì)分類金屬鉆塔木質(zhì)鉆塔按鉆塔的構造分類三角鉆塔四角鉆塔兩腳輕便鉆塔桅桿式鉆塔二、鉆塔的附屬設備天車游動滑車提引鋼絲繩梯道安全欄桿或土電梯簡易場房防雨天棚蓋避雷針1/13/202340現(xiàn)代鉆探技術帶普通手搖轆的三腳架1/13/202341現(xiàn)代鉆探技術兩腳輕便鉆塔1-下主腿；2-中主腿；3-上主腿；4-副腿；5-天車帽；6-天輪；7-天輪軸；8-繃繩；9-塔衣繃繩；10-活動工作臺四角鉆塔1-上部工作面活動棚頂；2-上部工作面；3-活動棚頂；4-玻璃窗；5-塔外安全掛梯1/13/202342現(xiàn)代鉆探技術桅桿的結構及豎立形式a-整體豎立式；b-折疊式；c-伸縮式角鋼四腳斜塔結構示意圖1/13/202343現(xiàn)代鉆探技術第五節(jié)其它設備空壓機 提供高壓風，供空氣、泡沫風動沖擊鉆進使用。泡沫發(fā)生器、泡沫注入泵 這兩種設備是泡沫鉆進的專用設備。擰管器 立軸式、轉盤式鉆機配套擰卸鉆桿用。除砂(泥)器、振動篩 供除去泥漿中的巖屑使用。柴油發(fā)電機組 提供無電工區(qū)動力和照明電。1/13/202344現(xiàn)代鉆探技術空壓機泡沫發(fā)生器擰管器泡沫注入泵1/13/202345現(xiàn)代鉆探技術除砂器振動篩1/13/202346現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：1、簡答巖心鉆探用鉆機的類型。2、簡答機械傳動鉆機的主要構成部件。3、試問全液壓鉆機有那些特點？1/13/202347現(xiàn)代鉆探技術第三章鉆探管材及常用工具一、鉆進工具二、附屬工具1/13/202348現(xiàn)代鉆探技術課

時：2本章目的：了解鉆進工具和附屬工具的類型和用途教學重點：鉆探工具的種類及用途教學方式：課堂講授1/13/202349現(xiàn)代鉆探技術一、鉆進工具

鉆進工具常指水接頭、主動鉆桿、鉆桿、鉆鋌、液動(風動)沖擊器、巖心管、擴孔器、異徑接頭、取粉管、套管、鉆頭等。右圖為鉆具在孔底的連接情況。孔內(nèi)鉆具連接情況示意圖1/13/202350現(xiàn)代鉆探技術金剛石鉆進用的巖心鉆具鉆粒鉆進用的巖心鉆具1-鉆頭；2-提斷外殼；3-提斷彈簧；4-巖心管；5-異徑接頭；6-鉆桿1-鉆粒鉆頭；2-巖心管；3-異徑接頭；4-巖粉管；5-鉆桿1/13/202351現(xiàn)代鉆探技術二、附屬工具提引類——主要有滑車、提引器、提引鉤、鋼絲繩等。夾持類——主要有墊叉、鉆桿夾持器、套管夾板等。擰卸類——主要有管鉗、自由鉗、鏈鉗、各種扳手等。打撈類——主要有絲錐、割管器。修理類1/13/202352現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：鉆探工具主要包括那些？1/13/202353現(xiàn)代鉆探技術第四章巖石的物理力學性質(zhì)及其與碎巖的關系第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)第二節(jié)巖石的力學性質(zhì)第三節(jié)巖石的可鉆性級別及其分類1/13/202354現(xiàn)代鉆探技術課

時：2本章目的：了解巖石的物理力學性質(zhì)，掌握巖石可鉆性級別教學重點：巖石的力學性質(zhì)及可鉆性教學方法：課堂講授1/13/202355現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)巖石的物理性質(zhì)

從影響機械破巖效果的角度看，巖石最重要的地質(zhì)特征是礦物成分、結構、和構造。一、巖石的礦物成分單礦物巖石——由一種礦物組成，如石英巖。多礦物巖石——由兩種及以上礦物組成，如花崗巖、砂巖等。由硬度較高的礦物組成的巖石，其強度和硬度也較高。巖漿巖的強度和硬度較高；沉積巖的強度和硬度較低。造巖礦物中石英的含量越多，膠結物的強度越大，礦物的顆粒越細。1/13/202356現(xiàn)代鉆探技術二、巖石的結構

巖石的結構是指組成巖石的礦物成分、粒度、形狀和礦物顆粒之間的連接方式。巖石的結構不同，其堅固程度不同。 1、影響沉積巖堅固性的因素：礦物的成分、顆粒與形狀膠結物的成分和顆粒間膠結的強度硅質(zhì)成分最為堅固；鐵質(zhì)成分次之；鈣質(zhì)和泥質(zhì)成分最差；致密、膠結牢固、孔隙少，堅固性好；反之，堅固性差。 2、對于變質(zhì)巖，變質(zhì)程度越高，堅固性越強。 3、顯然，巖石的堅固性越高，鉆進的效率越低，而對保護井壁穩(wěn)定性越有利。1/13/202357現(xiàn)代鉆探技術三、巖石的構造及各向異性

1、巖石的構造

巖石的構造屬于巖石組織的宏觀特征。屬于構造特征的有層理、片理和裂隙。

層理——是指在垂直方向上巖石成分變化的情況。某些鉆孔中出現(xiàn)軟硬互層也可以看成是層理變化的反應。層理形成的幾種主要情況如右圖所示。沉積巖的層理類型1-成分相同顆粒大小在垂直方向上呈現(xiàn)規(guī)律性變化；2-不同礦物成分的互相交替；3-顆粒按一定方向排列；4-某種顆粒呈規(guī)律分布1/13/202358現(xiàn)代鉆探技術三、巖石的構造和各向異性

1、巖石的構造

片理——是巖石沿平行的平面分裂為薄片的能力。

裂隙性——它對巖石的強度、鉆進的難易程度和孔壁的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，也可導致沖洗液的漏失。

2、巖石的各向異性 原因：層理面之間的聯(lián)結力較弱，在沿平行于層理方向加壓時，巖石首先從層理面裂開。下圖表現(xiàn)為巖石強度的各向異性。巖石強度的各向異性1/13/202359現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)巖石的力學性質(zhì) 與機械方式破碎巖石有關的巖石力學性質(zhì)主要有巖石的強度、硬度、彈性、脆性和塑性，以及巖石的研磨性。 一、巖石的強度巖石的強度一般理解為固體抵抗機械破壞的能力。強度依外載作用性質(zhì)的不同，可以有抗壓、抗拉、抗剪和抗彎強度等。強度的單位為kgf/cm2，或MPa。巖石強度的大小取決于巖石的內(nèi)聚力和巖石顆粒間的內(nèi)摩擦力。1/13/202360現(xiàn)代鉆探技術二、巖石的硬度 巖石的硬度通常被認為是巖石表面對工具壓入時的反抗性，單位為kgf/cm2，或MPa。 注意：硬度——只是固體表面的局部對另一物體壓入的阻力；強度——是固體整體被破壞時的阻力。 對于鉆進巖樣來講，巖石的壓入硬度比巖石的單軸抗壓強度更具有實際意義。因為工具對孔底巖石的破碎方式，在大多數(shù)情況下是局部破碎。 常用壓入硬度、擺球硬度、刻痕硬度(現(xiàn)場常用)表示。壓入硬度與擺球硬度的測定裝置示意圖見下頁。1/13/202361現(xiàn)代鉆探技術二、巖石的硬度壓模示意圖a-圓柱壓模；b-硬質(zhì)合金圓錐壓模(a)(b)測試壓入巖石硬度的裝置1-液壓缸；2-液壓柱塞；3-巖樣；4-壓頭；5-壓力機上壓板；6-千分表；7-柱塞導向桿1/13/202362現(xiàn)代鉆探技術二、巖石的硬度擺球硬度計示意圖1-底盤；2-巖樣固定器螺桿；3-刻度盤；4-擺球；5-水平調(diào)節(jié)螺釘1/13/202363現(xiàn)代鉆探技術三、巖石的彈性、塑性和脆性 彈性、塑性和脆性是物體受外力作用后，對變形的不同表現(xiàn)。彈性——是固體在卸去所加之載荷后，恢復原來狀態(tài)的性能。塑性——當載荷卸去后，固體保持其變形的性能。脆性——是固體在載荷作用下不引起任何殘余變形的性能。脆性巖石易發(fā)生體積破碎，尤其適合沖擊回轉鉆進。塑性巖石易遇水膨脹，鉆進時易縮徑。1/13/202364現(xiàn)代鉆探技術三、巖石的彈性、塑性和脆性在單軸壓縮下巖石直至破壞的典型應力-應變曲線1/13/202365現(xiàn)代鉆探技術四、巖石的研磨性巖石磨損鉆進工具的能力，稱為巖石的研磨性。而鉆頭抵抗巖石磨損的能力稱為耐磨性。影響巖石研磨性的因素有：①巖石的礦物成分，尤其是石英含量；②礦物的顆粒大小和形狀；③巖石與工具摩擦表面的濕度、相對速度和壓力等外因。目前，尚無統(tǒng)一衡量指標，一般用相對磨損量作為衡量指標。注意：一般硬度高，研磨性強；但當堅硬致密、研磨性極低時，鉆探常稱為“打滑”地層。1/13/202366現(xiàn)代鉆探技術第三節(jié)巖石的可鉆性及其分類一、巖石的可鉆性及其影響因素定義——可理解為鉆進過程中巖石抵抗破碎的程度，亦即表示巖石破碎的難易程度。影響因素： ①所鉆巖石的物理力學性質(zhì)； ②采用的破巖方法，破碎工具的結構、種類及質(zhì)量，鉆進規(guī)程參數(shù)，孔底破碎巖石的能量消耗； ③孔底巖屑清除干凈程度。1/13/202367現(xiàn)代鉆探技術二、巖石可鉆性分級1、巖石可鉆性的分級方法衡量巖石可鉆性的指標為巖石的可鉆性級別。在實際鉆探生產(chǎn)施工中，巖石的可鉆性及其分類是非常重要的。它是制定鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計劃的依據(jù)，同時也是對生產(chǎn)機臺評定的標準。巖石可鉆性級別也是合理選擇鉆進方法及相應的鉆進工具和鉆進規(guī)程的依據(jù)。目前，巖石的可鉆性分級的方法也不統(tǒng)一。常用壓入硬度、微鉆鉆速和聲波穿透速度為指標進行分級(參見教材附錄一~附錄三)，分為12級。1/13/202368現(xiàn)代鉆探技術二、巖石可鉆性分級 2、巖石的堅固性系數(shù) 由俄羅斯學者于1926年提出的巖石堅固性系數(shù)（又稱普氏系數(shù)）至今仍在礦山開采業(yè)和勘探掘進中得到廣泛應用。巖石的堅固性區(qū)別于巖石的強度，強度值必定與某種變形方式（單軸壓縮、拉伸、剪切）相聯(lián)系，而堅固性反映的是巖石在幾種變形方式的組合作用下抵抗破壞的能力。因為在鉆掘施工中往往不是采用純壓入或純回轉的方法破碎巖石，因此這種反映在組合作用下巖石破碎難易程度的指標比較貼近生產(chǎn)實際情況。巖石堅固性系數(shù)f表征的是巖石抵抗破碎的相對值。因為巖石的抗壓能力最強，故把巖石單軸抗壓強度極限的1/10作為巖石的堅固性系數(shù)，即f=σc/10

式中：σc——巖石的單軸抗壓強度，MPa。

1/13/202369現(xiàn)代鉆探技術二、巖石可鉆性分級

2、巖石的堅固性系數(shù) f是個無量綱的值，它表明某種巖石的堅固性比致密的粘土堅固多少倍，因為致密粘土的抗壓強度為10MPa。巖石堅固性系數(shù)的計算公式簡潔明了，f值可用于預計巖石抵抗破碎的能力及其鉆掘以后的穩(wěn)定性。 根據(jù)巖石的堅固性系數(shù)（f）可把巖石分成10級(表4-1)，等級越高的巖石越容易破碎。為了方便使用又在第Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，Ⅶ級的中間加了半級。考慮到生產(chǎn)中不會大量遇到抗壓強度大于200MPa的巖石，故把凡是抗壓強度大于200MPa的巖石都歸人I級。1/13/202370現(xiàn)代鉆探技術堅固程度代表性巖石f最堅固最堅固、致密、有韌性的石英巖、玄武巖和其他各種特別堅固的巖石20很堅固很堅固的花崗巖、石英斑巖、硅質(zhì)片巖，較堅固的石英巖，最堅固的砂巖和石灰?guī)r15堅固致密的花崗巖，很堅固的砂巖和石灰?guī)r，石英礦脈，堅固的礫巖，很堅固的鐵礦石10堅固堅固的砂巖、石灰?guī)r、大理巖、白云巖、黃鐵礦，不堅固的花崗巖8比較堅固一般的砂巖、鐵礦石6比較堅固砂質(zhì)頁巖，頁巖質(zhì)砂巖5中等堅固堅固的泥質(zhì)頁巖，不堅固的砂巖和石灰?guī)r，軟礫石4中等堅固各種不堅固的頁巖，致密的泥灰?guī)r3比較軟軟弱頁巖，很軟的石灰?guī)r，白堊，鹽巖，石膏，無煙煤，破碎的砂巖和石質(zhì)土壤2比較軟碎石質(zhì)土壤，破碎的頁巖，粘結成塊的礫石、碎石，堅固的煤，硬化的粘土1.5軟致密粘土，較軟的煙煤，堅固的沖擊土層，粘土質(zhì)土壤l軟軟砂質(zhì)粘土、礫石，黃土0.8土狀腐殖土，泥煤，軟砂質(zhì)土壤，濕砂0.6松散狀砂，山礫堆積，細礫石，松土，開采下來的煤0.5流沙狀流沙，沼澤土壤，含水黃土及其他含水土壤0.3表4-1按堅固性系數(shù)對巖石可鉆性分級表1/13/202371現(xiàn)代鉆探技術二、巖石可鉆性分級

2、巖石的堅固性系數(shù)

上述方法比較簡單，而且在一定程度上反映了巖石的客觀性質(zhì)。但它也還存在著一些缺點：

(1)巖石的堅固性雖概括了巖石的各種屬性(如鑿巖性、爆破性、穩(wěn)定性等)，但有些情況下這些屬性并不是完全一致的。

(2)普氏分級法采用實驗室測定來代替現(xiàn)場測定，這就不可避免地帶來因應力狀態(tài)的改變而造成的堅固程度上的誤差。 礦山常用巖石的堅固性系數(shù)(即f系數(shù))對巖石的可鉆性進行分級。兩者的對應關系為： 軟巖中硬巖較硬巖硬巖堅硬巖可鉆性級別Ⅰ-ⅢⅣ-ⅥⅦ-ⅧⅨ-ⅩⅪ-Ⅻf系數(shù)1~34~89~1213~20>201/13/202372現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：1、巖石的力學性質(zhì)有那些？2、試回答可鉆性定義，并寫出可鉆性的分級表。1/13/202373現(xiàn)代鉆探技術第五章設備安裝與開孔第一節(jié)設備的安裝第二節(jié)開孔工作1/13/202374現(xiàn)代鉆探技術課

時：1本章目的：了解設備的安裝準備工作機開孔程序教學重點：熟悉設備的安裝要求及開孔準備工作教學方法：課堂講授1/13/202375現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)設備的安裝 一、修筑地盤(平整場地)應注意的事項如下：①地盤的位置由設計位置確定。②地面應平整，且有一定的抗壓強度。③在山坡修筑地盤時，應注意靠山坡一面的坡度，對于堅硬穩(wěn)固巖石，一般不超過60°；對于松軟巖石坡度應小于45°。④填方面積不得超過地盤面積的四分之一；填方必須夯實。⑤需進行鑿巖爆破時，應嚴格按安全規(guī)程進行。1/13/202376現(xiàn)代鉆探技術二、修建地基修建地基的主要目的是為了能承受鉆探設備等的荷重。常見的地基類型如下:淺槽地基——適合較實的土壤地面，基臺槽底墊石、土，夯實。如圖5-1(a)所示。臥枕地基——在比較松軟或填方部分不夠堅實時使用。如圖5-1(b)所示。豎樁地基——適用于承受性較差的潮濕地面或山坡地基的填方一側。如圖5-1(c)所示。深坑地基——一般用于較堅實的土壤上，作柴油機底的基礎?；炷恋鼗硗淋浻膊痪蜚@進深孔時采用。1/13/202377現(xiàn)代鉆探技術二、修建地基（a）（b）（c）圖5-1地基的形式a:淺槽地基1-基臺木；2-基臺枕。b：臥枕地基1-臥枕地基；2-上、下基臺木；3-扒釘。c：豎樁地基1-上基臺木；2-下基臺木；3-扒釘；4-涂瀝青或柏油處；5-豎樁；6-螺絲桿1/13/202378現(xiàn)代鉆探技術 三、鉆塔安裝

在鉆孔位布置好的基臺上將使用的鉆塔豎起稱為鉆塔安裝。其安裝方法為：整體安裝——適合“A”字形鉆塔和三腳鉆塔。在地形平坦廣闊處四腳鉆塔安裝也可采用此法。分節(jié)安裝——多用于四腳鉆頭的安裝。 四、機械安裝

根據(jù)不同的機型，按照要求，依次將鉆機、中間軸、動力機、水泵等用螺桿固定在基臺上。1/13/202379現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)開孔工作一、鉆孔的結構及其選擇

鉆孔結構是由孔口、孔深、孔壁等要素組成。在實際鉆進中遇特殊情況，可適當調(diào)整鉆孔的結構，但應滿足地質(zhì)或工程要求。右圖5-2為常見的鉆孔結構圖，有的僅下孔口管，有的可能還下幾層套管。圖5-2鉆孔結構圖1/13/202380現(xiàn)代鉆探技術二、開孔開孔前及開孔過程中的注意事項:準備好所有鉆進用器材；對鉆探設備及安裝質(zhì)量進行全面的檢查；制定鉆孔的施工方案和技術措施；要防止孔斜；應注意護壁；鉆進規(guī)程應該輕壓慢轉。1/13/202381現(xiàn)代鉆探技術第六章硬質(zhì)合金鉆進第一節(jié)概述第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆進的碎巖過程與磨損第三節(jié)硬質(zhì)合金切削具第四節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭第五節(jié)硬質(zhì)合金鉆進規(guī)程1/13/202382現(xiàn)代鉆探技術課

時：2本章目的：了解硬質(zhì)合金鉆進的特點，掌握其破巖機理、切削具材料、鉆頭特點及鉆進規(guī)程。教學重點：硬質(zhì)合金鉆進的碎巖過程、硬質(zhì)合金鉆頭及其鉆進規(guī)程教學方法：課堂講授、習題課討論1/13/202383現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)概述一、硬質(zhì)合金鉆進的定義 利用鑲焊在鉆頭上的硬質(zhì)合金切削具，作為破碎巖石的工具，這種鉆進方法通稱為硬質(zhì)合金鉆進。二、硬質(zhì)合金鉆進的特點硬質(zhì)合金鑲焊在鉆頭體上比較堅固、方便；可以靈活改變鉆頭結構參數(shù)；操作簡單方便；易保證鉆孔質(zhì)量；成本低；但受硬質(zhì)合金本身強度和耐磨性限制，此法不能鉆進堅硬、強研磨性巖石。1/13/202384現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)硬質(zhì)合金鉆進的碎巖過程與磨損 一、孔底碎巖過程

1、塑性巖石中的碎巖過程切削具在Py作用下切入巖石，在Px作用下作回轉運動，切削具前面的巖石不斷塑性流動，并自由滑移，這種現(xiàn)象為切削。如圖6-1所示。圖6-1切削具在雙向力作用下切入塑性巖石1/13/202385現(xiàn)代鉆探技術一、孔底碎巖過程 2、塑脆性巖石中的碎巖過程在塑脆性巖石中，巖石破碎大體分為三個過程，即吃入、小剪切、大剪切，如圖6-2所示。（a）（b）（c）圖6-2切削具破碎塑脆性巖石的過程（a）-切入；（b）-小剪切；（c）-大剪切1/13/202386現(xiàn)代鉆探技術二、切削具的磨損

在實際的鉆進過程中，切削具的不同部位磨損程度有很大差異，切削具出刃的內(nèi)、外磨損量是不均勻的，如圖6-3所示。y外>y內(nèi)>yt外>t內(nèi)>t 隨著切削具的磨損，與巖石接觸面積加大，因而，引起單位面積上的比壓下降，機械鉆速減小。y——切削刃磨損高度；y內(nèi)——切削刃內(nèi)側磨損高度；y外——切削刃外側磨損高度；t——刃端磨損寬度；t內(nèi)——刃端內(nèi)側磨損寬度；t外——刃端外側磨損寬度；b——環(huán)槽寬度（切削寬度）；r——環(huán)槽內(nèi)徑；R——環(huán)槽外徑圖6-3切削具的實際磨損情況1/13/202387現(xiàn)代鉆探技術第三節(jié)硬質(zhì)合金切削具一、材質(zhì)

鉆探用硬質(zhì)合金主要是碳化鎢（WC）-鈷（Co）硬質(zhì)合金，常稱為YG類硬質(zhì)合金，它以碳化鎢為骨架金屬，鈷粉粘結劑燒結而成。鉆探用YG類硬質(zhì)合金性能如表6-1所示。表6-1鉆探用YG類硬質(zhì)合金性能1/13/202388現(xiàn)代鉆探技術一、材質(zhì)

上頁表中，硬質(zhì)合金牌號的意義：YG3XYG4CYG8

注意：含Co量越高，韌性就越好(即抗剪強度越高)，但耐磨性會越低，成本更高。細粒度Co占3%CoWC（碳化鎢）粗粒度標準粒度1/13/202389現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金切削具形狀1、片狀合金矩形薄片直角薄片菱形薄片2、柱狀合金八角柱四方柱

3、針狀合金4、排狀合金單排—圓形、橢圓形、菱形多排—圓形、橢圓形、菱形5、球齒狀合金：用于風動沖擊鉆頭及牙輪鉆頭表6-2鉆探常用硬質(zhì)合金切削具形狀和規(guī)格表1/13/202390現(xiàn)代鉆探技術第四節(jié)硬質(zhì)合金鉆頭一、硬質(zhì)合金鉆頭的結構要素1、切削具的出刃切削具必須突出于鉆頭體一定高度，突出的部分稱為出刃。包括內(nèi)出刃、外出刃、和底出刃。內(nèi)外出刃——解決沖洗液的暢通，攜帶排除巖粉和降低回轉阻力，一般取1.5~2mm。底出刃——主要用于切削巖石，一般軟巖選4~5mm，中硬巖選3~4mm，硬巖選2~3mm。圖6-4切削具出刃示意圖1/13/202391現(xiàn)代鉆探技術一、硬質(zhì)合金鉆頭的結構要素 2、切削具的鑲焊角度

切削具鑲焊在鉆頭體上，其鑲焊角度如圖6-5所示。刃尖角β——軟巖選小，硬巖選大。鑲焊角φ——φ>0正斜鑲，軟巖；φ<0負斜鑲，脆性硬巖。切削角α——與φ互余。后角e——φ與β確定后，e也確定，注意要考慮切削具與巖石表面不接觸和少磨損。圖6-5切削具的各種角度α-切削角；β-刃尖角；φ-鑲焊角；e-后角1/13/202392現(xiàn)代鉆探技術一、硬質(zhì)合金鉆頭的結構要素

3、切削具的排列和布置

常用的有單環(huán)排列、雙環(huán)排列、多環(huán)排列和密集排列等形式（圖6-6）。單環(huán)排列主要用于軟巖；多環(huán)排列適用于中硬以上巖石；密集排列起到相互支撐和增加破碎自由面的作用；肋骨式排列增加孔底環(huán)狀面積和孔壁間隙，便于排粉，用于軟巖。（a）（c）（b）圖6-6切削齒的排列形式a-單環(huán)排列；b-多環(huán)排列；c-密集排列1/13/202393現(xiàn)代鉆探技術一、硬質(zhì)合金鉆頭的結構要素

4、切削具的數(shù)目

切削具的數(shù)目受鉆頭的直徑、壁厚和巖石軟硬程度的影響。切削具的數(shù)目是切削具的組數(shù)和每組顆數(shù)的乘積。切削具的組數(shù)須考慮其穩(wěn)定性，一般是對稱的，不得少于四組。5、鉆頭的水口與水槽

水口數(shù)量與切削具的組數(shù)相同。水口的總面積應大于鉆頭內(nèi)環(huán)狀間隙或外環(huán)狀間隙，面積過大，沖洗液流速低，對攜帶巖粉和冷卻鉆具不利，若過小，容易造成憋泵，影響鉆進效率。在鉆頭體外壁（或內(nèi)壁）上加工水槽，增加鉆頭內(nèi)、外環(huán)過水面積，水槽須與水口連接，如圖6-7。圖6-7鉆頭的水口水槽1/13/202394現(xiàn)代鉆探技術一、硬質(zhì)合金鉆頭的結構要素

6、鉆頭體

鉆頭體也被稱為空白鉆頭或鉆頭鋼體，未鑲焊切削具。常用規(guī)格如圖6-8所示。圖6-8硬質(zhì)合金鉆頭體1/13/202395現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金鉆頭 將硬質(zhì)合金焊接(氣焊、鋼焊料)在鉆頭體上即成硬質(zhì)合金鉆頭。

(一)取心鉆頭

1、磨銳式鉆頭 此種鉆頭磨鈍后，可以用砂輪重新修磨變銳。常見的有肋骨式鉆頭(圖6-9)、燕尾補強鉆頭(圖6-10)。

2、自磨式鉆頭 自磨式鉆頭選用小斷面薄片狀或針狀切削具，在鉆進中磨損后切削具與巖石接觸面積保持一定，即切削具不會變鈍，故稱自磨。

常見的排狀硬質(zhì)合金自磨式鉆頭見圖6-11。1/13/202396現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-9階梯高肋骨鉆頭示意圖圖6-10燕尾補強鉆頭示意圖1/13/202397現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-11排狀硬質(zhì)合金自磨式鉆頭示意圖1/13/202398現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金鉆頭(二)全面鉆頭

1、三翼刮刀全面鉆頭

(圖6-12)

2、矛式全面鉆頭(圖6-13)圖6-12翼片全面鉆頭1/13/202399現(xiàn)代鉆探技術二、硬質(zhì)合金鉆頭圖6-13矛式全面鉆頭1/13/2023100現(xiàn)代鉆探技術硬質(zhì)合金釬頭1/13/2023101現(xiàn)代鉆探技術硬質(zhì)合金鑲齒三牙輪鉆頭球齒狀硬質(zhì)合金全面鉆頭（潛孔錘鉆進用）1/13/2023102現(xiàn)代鉆探技術第五節(jié)硬質(zhì)合金鉆進規(guī)程 鉆進規(guī)程也可謂鉆進規(guī)程參數(shù)，包括鉆壓、轉速和沖洗液量(泵量)，它直接關系到鉆探成本、效率和質(zhì)量。圖6-9鉆進速度與比壓的關系曲線一、鉆壓

鉆壓也稱為軸向壓力，表示整個鉆頭受的荷載。每顆切削具上的鉆壓稱為單位鉆壓。單位鉆壓P與鉆速的關系如圖6-9所示。1/13/2023103現(xiàn)代鉆探技術一、鉆壓 圖6-9中，曲線變化分三個階段：①表面破碎階段：鉆壓小于巖石壓人硬度；②疲勞破碎階段：鉆壓接近巖石壓入硬度；③體積破碎階段：鉆壓大于巖石壓入硬度，體積崩落破碎，鉆速明顯提高。在實際施工過程中，以下情況應適當減小鉆壓：①鉆進軟巖時，防堵水和糊鉆；②鉆進裂隙性破碎巖石時，防崩刃；③鉆進傾角大的巖層時，防孔斜；④合金強度低、刃尖角較小時，防崩刃。1/13/2023104現(xiàn)代鉆探技術一、鉆壓P鉆壓推薦值如表6-3所示：巖石性質(zhì)切削具型式加在每顆切削具上的壓力P,N軟的、塑性的1~3級巖石片狀合金490~580中硬的、均質(zhì)的4~6級巖石柱狀合金690~1180硬的、致密的7~8級巖石柱狀合金800~1470硬的、研磨性的6~8級巖石針狀合金胎塊1500~2000/塊表6-3鉆壓推薦值表1/13/2023105現(xiàn)代鉆探技術二、轉速 鉆頭的轉速指鉆頭每分鐘的轉數(shù)。轉速n與線速度v的關系為 式中D——鉆頭直徑，mm；

n——鉆頭轉速，r/min;

v——鉆頭圓周線速度，m/s。 磨銳式鉆頭的轉速推薦值如表6-4所示。巖石性質(zhì)鉆頭圓周線速度，m/s不同直徑鉆頭的轉速，r/min1501301109175研磨性小的軟巖1.2~1.4150~180180~210210~250250~300300~350稍有研磨性的中硬巖石0.9~1.2100~120120~150150~200200~250250~300研磨性的、硬的裂隙巖石0.6~0.880~100100~120120~140140~160160~180表6-4磨銳式鉆頭圓周線速度推薦值表1/13/2023106現(xiàn)代鉆探技術三、沖洗液量Q

將送入井內(nèi)的沖洗液的流量稱為沖洗液量，在沒有泄漏的情況下，即是泥漿泵的泵量。 沖洗液的功能：①排除巖粉；②冷卻切削具；③潤滑鉆頭；④保護孔壁。 一般來說，沖洗液量大，攜帶巖粉能力強，冷卻效果好；但太大，將產(chǎn)生舉離力來抵消部分軸向壓力，對孔壁和巖心的沖刷作用也加強。沖洗液量推薦值如表6-5所示。1501301109175沖洗液上升流速，dm/sφ50鉆桿φ42鉆桿軟的巖石200~250180~200140~180100~12060~803~4中硬、硬的及研磨性巖石180~200140~180100~14080~10040~602~3巖石性質(zhì)沖洗液量l/min鉆頭及鉆桿直徑mm表6-5沖洗液量推薦值表1/13/2023107現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：1、簡述硬質(zhì)合金鉆頭在孔底的碎巖過程。2、簡述硬質(zhì)合金鉆頭的種類及主要結構要素。1/13/2023108現(xiàn)代鉆探技術第七章鉆粒鉆進第一節(jié)概述第二節(jié)鉆粒鉆進的井底工作過程與破巖機理第三節(jié)鉆粒與鉆粒鉆頭第四節(jié)鉆粒鉆進的鉆進規(guī)程1/13/2023109現(xiàn)代鉆探技術課

時：1本章目的：了解鉆粒鉆進的特點、井底破巖機理、鉆頭結構及鉆進規(guī)程教學重點：鉆粒鉆進的破巖機理教學方法：課堂講授1/13/2023110現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)概述

一、定義 用未鑲焊切削具的鉆頭體壓住鉆粒(鋼?；蜩F砂)，并帶動它們在孔底翻滾而破碎巖石的鉆進方法，稱為鉆粒鉆進。

二、鉆粒鉆進的發(fā)展歷史

鉆粒鉆進始于19世紀后期，用于鉆進堅硬巖石，隨著金剛石鉆進的廣泛應用，此法已逐漸被取代。但現(xiàn)在大直徑地勘鉆和大口徑勘察或施工的水井鉆、工程鉆中還有應用。1/13/2023111現(xiàn)代鉆探技術三、鉆粒鉆進的特點：①鉆粒的翻滾破巖可產(chǎn)生縱向脈動沖擊，能鉆進硬度比其自身還大的巖石；②鉆粒消耗后可繼續(xù)補給，從而延長回次鉆進時間；③鉆進成本低；④孔徑大、巖心細、孔徑不均勻、孔斜超限、巖心采取率低；⑤受鉆粒自重的影響，只適用75°~90°的斜孔或垂直孔，不能用于鉆進大裂隙、溶洞或涌水量大的鉆孔；⑥鉆進工藝比較復雜，特別是沖洗液量須適應鉆粒分布及分選的要求，難以掌握。1/13/2023112現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)鉆粒鉆進的井底工作過程與破巖機理

一、井底工作過程

鉆粒鉆進的井底工作過程如圖7-1所示。鉆粒在多力的綜合作用下：水口導入→破巖磨耗→水力分選→沖走淘汰→形成動態(tài)平衡。絕大多數(shù)被淘汰的碎鉆粒落入取粉管內(nèi)。鉆進過程中，隨著鉆粒的消耗，水口逐漸變小，鉆速大大下降，回次結束。新的回次開始前，再次投入鉆粒，重新切割修正水口。圖7-1鉆粒鉆進的井底過程1/13/2023113現(xiàn)代鉆探技術二、破巖機理鉆粒破巖主要有兩種形式：1、壓碎破巖①多個鉆粒以其邊棱小面積接觸，形成體積破碎，如圖7-2(a)所示。②壓力集中于少數(shù)磨圓鉆粒上，也會形成體積破碎，如圖7-2(b)所示。（a）（b）圖7-2鉆粒鉆進的壓碎碎巖Py—軸向壓力；Px—水平力1/13/2023114現(xiàn)代鉆探技術二、破巖機理

2、疲勞破碎

鉆粒與巖石接觸處的壓強尚未達到巖石的硬度，在鉆粒的Py和Px的作用下，使巖石表面產(chǎn)生一定深度的裂紋，在鉆粒重復碾壓作用和沖洗液的侵蝕下，裂紋逐漸加強，使巖屑不斷剝離下來達到破巖目的。如圖7-3所示，大多數(shù)情況屬動壓裂疲勞破碎。圖7-3鉆粒鉆進的壓裂碎巖Py—軸向壓力；Px—水平力1/13/2023115現(xiàn)代鉆探技術第三節(jié)鉆粒與鉆粒鉆頭

一、鉆粒 地質(zhì)勘探鉆粒鉆進常用優(yōu)質(zhì)碳素結構鋼的線材（或粗鋼絲繩破股）切成高和直徑基本相等的圓柱體，便于翻滾。并經(jīng)淬火和低溫回火，使其硬而不脆，有較高的屈服強度和耐磨性。 常用的鉆粒規(guī)格和熱處理后的性能見表7-1。直徑，mm2.533.54長度，mm2.2~2.72.7~3.23.2~3.73.7~4.2單?？箟?，kg980~10301200~13001400~15001600~1700硬度，Rc≥50≥50≥50≥50抗沖擊能力，kg·m/s2＞10＞12.5＞13.5＞15表7-1常用鉆粒規(guī)格與性能表1/13/2023116現(xiàn)代鉆探技術二、鉆粒鉆頭1、功能——將軸向壓力（鉆壓）和水平回轉力傳遞給鉆粒，帶動其在孔底翻滾。2、材質(zhì)——中碳鋼（45號鋼）無縫鋼管制成。3、結構——圓筒狀：內(nèi)壁有1︰100的錐度，以便卡心；壁厚9~11mm；長度（新鉆頭）500mm;水口寬不應大于鉆頭端面同長的1/4，以增加有效工作面積；水口高≤150mm，以免影響鉆頭的強度和剛度。圖7-4鉆粒鉆頭1/13/2023117現(xiàn)代鉆探技術第四節(jié)鉆粒鉆進的鉆進規(guī)程 一、投砂方法及投砂量

投砂方法有一次投砂法、分批投砂法、連續(xù)投砂法。比較如下：方法定義優(yōu)缺點一次投砂法將一個回次進尺所需鉆粒一次投入孔內(nèi)。投砂量足，省事；孔徑易擴大，巖心細。分批投砂法先投入回次所需鉆粒總量50%~60%鉆粒，鉆進一段時間，再從鉆桿內(nèi)分一、二次補投其余的鉆粒。改善了一次投砂法擴大孔徑和磨細巖心的缺點；中途補砂，費時麻煩，易引起巖心堵塞；主要用于耗粒量大的堅硬、強研磨性巖石鉆進。連續(xù)投砂法靠裝于粗徑鉆具內(nèi)或地表的投砂器，在鉆進中均勻不斷地投入鉆粒。若孔底鉆粒量控制適當、補給及時，可比一次投砂獲得較好的效果；但目前尚無理想的連續(xù)投砂器，固此法使用甚少。1/13/2023118現(xiàn)代鉆探技術一、投砂方法及投砂量

投砂量存在一個最佳值，投砂量不足不僅回次鉆進較短，而且容易造成孔壁縮徑，甚至發(fā)生擠卡鉆；投砂量過多，不利于排粉和鉆粒分選，影響鉆進速度和取心質(zhì)量。對于不同的可鉆性巖石和不同的鉆頭直徑，一次投砂量推薦值如表7-2所示。巖石級別鉆頭直徑，mm；投砂量，kg759111013081.11.41.62.091.51.82.22.6102.22.73.33.9表7-2一次投砂量推薦值1/13/2023119現(xiàn)代鉆探技術二、鉆壓通常鉆粒鉆進的鉆壓采用下式計算P=p·F式中P——軸向壓力，kg；

p——鉆頭單位唇面面積所需的壓力，kg/cm2；

F——鉆頭唇面的實際面積，cm2。生產(chǎn)中常用的鉆壓如表7-3所示。巖石級別單位壓力，×104Pa鉆粒規(guī)格7~8294~343直徑，3mm8~9343~392抗破碎強度，11760N/粒＞10392~490洛氏硬度，HR（正）50表7-3鉆粒鉆進鉆壓推薦值1/13/2023120現(xiàn)代鉆探技術三、轉速 鉆頭的轉速大小關系到鉆粒在孔底滾動的速度和破巖的效率。轉速過大——導致鉆粒提前破碎；鉆具擺動加強，致使鉆具彎曲；轉速過小——鉆粒滾動次數(shù)少，滾動路程短，鉆速低。 在生產(chǎn)中轉速的選擇如表7-4所示。巖石級別7~9＞10孔深，m0~200200~400＞4000~300＞300轉速，r/min180~250180150~180180150~180表7-4鉆粒鉆進轉速推薦值1/13/2023121現(xiàn)代鉆探技術四、泵量鉆粒鉆進中，沖洗液在孔底循環(huán)，除了常規(guī)的消除巖粉和冷卻鉆具的作用外，更重要的起著分選、更新鉆粒和促使鉆頭唇面下合理布砂的作用。不足——巖粉大量積聚在孔底，影響鉆粒滾動破巖；過大——將有用鉆粒沖離孔底，落入取粉管中。在生產(chǎn)工作中，常采用下式計算鉆粒鉆進的沖洗液量Q=q0·D 式中Q——鉆粒鉆進的沖洗液量，l/min;

D——鉆頭直徑，cm；

q0——送水系數(shù)，l/min·cm。 一般使用清水沖洗時，取q0為3~5l/min·cm；使用泥漿沖洗時，取q0為1.5~3l/min·cm。1/13/2023122現(xiàn)代鉆探技術第八章金剛石鉆進第一節(jié)概述第二節(jié)金剛石鉆頭破碎巖石機理第三節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器第四節(jié)金剛石鉆進規(guī)程1/13/2023123現(xiàn)代鉆探技術課時：3本章目的：了解金剛石的物理化學性質(zhì)和金剛石鉆頭與擴孔器的制造方法，掌握金剛石鉆頭的破巖機理、金剛石鉆頭與擴孔器的結構參數(shù)以及鉆進規(guī)程。本章難點：金剛石鉆頭的破巖機理及其結構參數(shù)。教學方法：課堂講授、現(xiàn)場參觀。1/13/2023124現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)概述一、金剛石金剛石天然金剛石復合片(PDC)按晶形、雜質(zhì)含量、粒度分為首飾級和工業(yè)級金剛石。按品種和用途共分9個等級，地質(zhì)鉆探用為第9級單晶微粉聚晶(PCD)人造金剛石柱狀三角狀天然金剛石1/13/2023125現(xiàn)代鉆探技術人造金剛石單晶人造金剛石納米級微粉1/13/2023126現(xiàn)代鉆探技術人造金剛石復合片（PDC）（PolycrystallineDiamondCompact）人造金剛石聚晶（PCD）（PolyCrystallineDiamond）1/13/2023127現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石

(一)物理性質(zhì)

1、硬度 金剛石是目前礦物中硬度最大的一種，右圖8-1為硬度比較圖。

2、強度 金剛石具有極大的靜抗壓強度(簡稱強度)。但它的沖擊強度、抗彎強度較小。由于金剛石脆性大，受沖擊易產(chǎn)生裂紋，甚至破裂，在鉆進時要避免沖擊、碰撞。圖8-1金剛石硬度比較圖1/13/2023128現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石 (一)物理性質(zhì)

3、耐磨性 由于金剛石硬度最高，彈性模量極大(9.00GPa)，摩擦系數(shù)小，因而它具有最高的耐磨性和研磨能力。

4、熱學性質(zhì)熱膨脹系數(shù)低。導熱性好：易散熱→有利于冷卻；易吸熱→易燒鉆、碳化。熱穩(wěn)定差：在未保護氣氛下，1000℃時完全消失。1/13/2023129現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石(二)化學性質(zhì)常溫下金剛石與酸不反應，與堿起緩慢反應。在沸騰溫度下，硝酸、氫氟酸、王水對金剛石的質(zhì)量有影響。金剛石能溶于硝酸鈉、硝酸鉀及碳酸鈉的熔融體中。在高溫下，某些金屬如鐵、鎳等能熔解金剛石。金剛石為非極性礦物，故其表面有很高的親油疏水性。二、金剛石鉆頭和擴孔器的制造方法無壓浸漬法熱壓燒結法低溫電鍍法冷壓浸漬法電火花燒結法1/13/2023130現(xiàn)代鉆探技術三、金剛石鉆進的特點鉆進效率高，在愈硬的巖層中，鉆進效率提高的幅度愈大；鉆孔質(zhì)量好，巖心采取率較高且?guī)r心完整、光滑，鉆孔彎曲率較?。豢變?nèi)事故少，應用范圍廣；裝備輕，勞動強度低，鉆探成本小。1/13/2023131現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)金剛石鉆頭破碎巖石機理

一、表鑲鉆頭碎巖機理

表鑲鉆頭上的金剛石顆粒出刃較大，取單粒金剛石為研究對象，如圖8-2所示。理論和試驗表明：破碎堅硬脆性巖石時，破碎方式以壓裂、壓碎加體積剪切為主，切削為輔；破碎塑性大的硬及中硬巖石時，則以切削為主，壓裂壓碎為輔。圖8-2單粒金剛石破碎作用P-垂直壓力；H-水平力；h-切入深度；H′-水平阻力；l-水平移動距離；a-大體積剪張體；b-小體積剪張體1/13/2023132現(xiàn)代鉆探技術二、孕鑲鉆頭碎巖機理

孕鑲鉆頭所用的金剛石的粒度小，且埋藏于胎體中，其實際碎巖機理和砂輪磨削類似，如圖8-3所示。以刃具面多而小的硬質(zhì)點——金剛石對巖石進行刻劃磨蝕、微切削、微壓裂壓碎。

三、復合片(PDC)鉆頭碎巖機理

PDC鉆頭以切削方式破碎巖石，如圖8-4所示。圖8-3孕鑲鉆頭的金剛石顆粒工作圖1-胎體；2-金剛石；3-巖石圖8-4PDC切削齒破巖工作圖1/13/2023133現(xiàn)代鉆探技術天然表鑲金剛石取心鉆頭孕鑲金剛石取心鉆頭1/13/2023134現(xiàn)代鉆探技術鋼體式PDC取心鉆頭PDC肋骨式取心鉆頭模型1/13/2023135現(xiàn)代鉆探技術PDC-聚晶混鑲取心鉆頭1/13/2023136現(xiàn)代鉆探技術PDC內(nèi)外錐全面鉆頭（常用于石油鉆進）1/13/2023137現(xiàn)代鉆探技術PDC三翼刮刀無心鉆頭PDC四翼刮刀無心鉆頭1/13/2023138現(xiàn)代鉆探技術PDC內(nèi)凹三翼無心鉆頭PDC圓弧支柱無心鉆頭1/13/2023139現(xiàn)代鉆探技術第三節(jié)金剛石鉆頭和擴孔器一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

金剛石鉆頭的種類很多，最常見的標準鉆頭的結構要素如圖8-5、圖8-6所示。圖8-5金剛石鉆頭組成部分1-金剛石；2-胎體；3-鉆頭體圖8-6金剛石鉆頭刃部剖視圖（a）表鑲鉆頭1-底刃金剛石；2-邊刃金剛石；3-側刃金剛石；4-胎體；5-鉆頭體（b）孕鑲鉆頭1-金剛石；2-工作部分胎體；3-非工作部分胎體；4-鉆頭體；h-孕鑲層高度（a）（b）1/13/2023140現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(一)鉆頭的鋼體

鉆頭的鋼體用中碳鋼制成，單管鉆頭的鋼體長75mm，上端有外絲扣，長度為30mm；雙管鉆頭的鋼體長115mm，上端有內(nèi)絲扣，長33mm，絲扣為特殊梯形扣。為加強鋼體與胎體的粘結強度，鋼體下端加工成棱嵌式、階梯形、方形或螺紋形等。 (二)胎體的唇面形狀

表鑲鉆頭的唇面形狀有多種，它們隨巖石的性質(zhì)、鉆頭的壁厚、工作穩(wěn)定性和要求不同來選擇，如表8-1所示。孕鑲鉆頭的唇面形狀多為平底唇面在鉆進過程中自然形成的圓弧形。也有同心環(huán)或交錯環(huán)的鋸齒狀、梯形唇面。胎體的唇面也根據(jù)取心與無心分別分類。1/13/2023141現(xiàn)代鉆探技術唇部斷面適用范圍圓弧狀圓弧半徑大于胎體厚度的一半，可較好地保護鉆頭的內(nèi)外徑，適用于鉆進中硬和硬的巖層，此形狀較易布置金剛石的定位眼和擺放金剛石。使用范圍廣。半圓形圓弧直徑等于胎體厚度，呈半圓形狀，可布置較多的金剛石。緩解了規(guī)徑刃的過分磨損。適用于鉆進裂隙、堅硬、軟硬互層的研磨性巖層。多階梯形適用于鉆進中硬和硬的巖層，有利于破碎巖石和導向，多采用單階梯形。多用于鉆頭壁厚較大的鉆頭，如繩索取心鉆頭。內(nèi)錐形適用于鉆進研磨性強的和易破碎的巖層及容易引起鉆頭內(nèi)邊刃過早磨損的巖層；也可以鉆進礫巖。用于厚壁鉆頭，如繩索取心鉆頭和泥漿鉆頭。外錐形適用于鉆進較軟和易破碎的巖層。多用于雙管和繩索取心鉆頭。表8-1表鑲金剛石鉆頭唇面斷面形狀及適用范圍1/13/2023142現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(三)鉆頭的水路系統(tǒng)

鉆頭的水路系統(tǒng)包括水口、水槽、水眼(噴嘴)。鉆頭的水路要保證鉆頭破巖面上的巖粉、巖屑及時被沖洗液帶走，有效地冷卻鉆頭。取心鉆頭的水口形式有直水口、正螺旋水口、反螺旋水口及底噴水口等，如圖8-7所示。圖8-7常見的幾種水口形狀a-直水口；b-正螺旋水口；c-反螺旋水口；d-底噴水口1/13/2023143現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(四)切削具在唇面上的排列表鑲鉆頭——優(yōu)質(zhì)金剛石用于邊部，品級較高的用于底部，品級較低及回收金剛石用于側部。金剛石在鉆頭唇面上的排列方式有放射狀、螺旋狀和等間距狀，如圖8-8所示。

孕鑲鉆頭——不存在切削齒的排列問題。復合片鉆頭——根據(jù)取心與不取心合理排列切削具。圖8-8表鑲鉆頭金剛石的排列形式a-放射狀；b-螺旋狀；c-等間距1/13/2023144現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(五)金剛石的粒度

決定了金剛石在鉆頭唇面的出刃高度、分布密度、切入巖石的深度、金剛石與巖石的接觸面積和孕鑲鉆頭的自銳能力等，對鉆進指標有明顯影響。巖石越硬、越致密，越應選小粒度的金剛石鉆頭。表8-2、表8-3為金剛石粒度的推薦值。 復合片鉆頭用直徑D與厚度h的乘積表示其粒度大小。粒度(目)人造＜4646～6060～8080～100天然20～3030～4040～6060～80巖層中硬-硬硬-堅硬粒度(粒/克拉)粗粒中粒細粒特細粒15～2525～4040～6060～100巖層中硬中硬-硬硬硬-堅硬表8-2表鑲鉆頭用金剛石粒度推薦值表8-3孕鑲鉆頭用金剛石粒度推薦值1/13/2023145現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(六)金剛石的含量

含量決定于鉆頭的直徑和巖石的性質(zhì)。鉆頭直徑達，所需金剛石的數(shù)量就多；同一直徑的鉆頭，巖石研磨性強，金剛石的數(shù)量也應增加。取心鉆頭的金剛石用量如表8-4所示。 對于孕鑲鉆頭，金剛石的含量還與濃度有關。金剛石的濃度是指胎體工作層單位體積中所含的金剛石量。但金剛石占胎體體積的1/4時，其體積濃度為100%，即此時金剛石含量為4.4克拉/cm2。 復合片鉆頭用復合片的數(shù)量(片)表示其金剛石的含量。鉆頭規(guī)格mm3646566676表鑲鉆頭7~88~1010~1512~2013~22孕鑲鉆頭8~1010~1212~1714~1916~22表8-4鉆頭的金剛石用量(克拉)1/13/2023146現(xiàn)代鉆探技術一、金剛石鉆頭的技術參數(shù)

(七)胎體的性能 胎體成分主要由骨架材料（碳化鎢、鈷、鎳、鋅等）和粘結金屬（銅）組成。改變骨架材料和粘結金屬的配方就能改變胎體的硬度和耐磨性。

(八)保徑層

通常采用人造聚晶金剛石、針狀合金或質(zhì)量差的天然金剛石進行保徑補強，提高內(nèi)外徑的耐磨性。胎體的硬度孕鑲鉆頭表鑲鉆頭——僅分中硬和硬胎體分較多級，配方較多中硬巖—中硬胎體硬的強研磨性巖石—硬胎體“打滑”地層—軟胎體1/13/2023147現(xiàn)代鉆探技術二、擴孔器 金剛石鉆頭一般要配用擴孔器。常見的金剛石鉆頭的擴孔器如圖8-9所示。擴孔器的主要作用：一是修整孔壁，使鉆孔保持均勻的直徑，避免或減少新鉆頭掃孔；二是增加鉆具的穩(wěn)定性，減少鉆具在鉆進時的擺動現(xiàn)象，以提高鉆頭的壽命。圖8-9金剛石鉆頭擴孔器1/13/2023148現(xiàn)代鉆探技術金剛石鉆頭擴孔器1/13/2023149現(xiàn)代鉆探技術第四節(jié)金剛石鉆進規(guī)程

鉆進規(guī)程包括鉆壓、轉速和沖洗液量3個參數(shù)。

一、鉆壓 鉆壓對鉆速和金剛石鉆頭磨損的影響如圖8-10所示。 鉆壓可按下列公式計算 (1)表鑲金剛石鉆頭的鉆壓P=G·p 式中G——鉆頭上金剛石的粒數(shù)，粒；

p——單粒金剛石上允許的壓力，kgf/粒。p應綜合考慮巖石性質(zhì)。圖8-10鉆壓對鉆速和金剛石鉆頭磨損的影響1—鉆壓-鉆速曲線；2—鉆壓-鉆頭磨損曲線圖1/13/2023150現(xiàn)代鉆探技術 一、鉆壓 (2)孕鑲金剛石鉆頭的鉆壓P=F·q 式中F——鉆頭實際工作唇面面積，cm2；

q——單位底唇面面積允許的壓力，kgf/cm2。 (3)復合片鉆頭的鉆壓P=m·w 式中m——復合片的數(shù)量，片；

w——復合片每片的加壓，100~200kgf。 二、轉速

金剛石鉆頭的轉速可按下式計算n=60VR/πD 式中D——鉆頭的直徑，m；

VR——推薦的線速度，m/s。孕鑲金剛石鉆頭的轉速1.50~3.00m/s表鑲金剛石鉆頭的轉速1.00~2.50m/s硬巖↑軟巖↓復合片鉆頭的轉速0.75~1.50m/s1/13/2023151現(xiàn)代鉆探技術三、沖洗液量 常以沖洗液的上返流速來計算金剛石鉆進所需的沖洗液量，即Q=6

·v·F 式中Q——沖洗液量，l/min；

v——環(huán)空間隙上返流速，對金剛石鉆進v≥0.3~0.5，m/s；

F——鉆孔的環(huán)空面積，cm2。

注意： 不取心鉆進時，沖洗液量要加大；當選用PDC鉆頭進行鉆進時也要加大沖洗液量。1/13/2023152現(xiàn)代鉆探技術本章思考題：1、簡答金剛石鉆頭的主要類型及其碎巖機理。2、根據(jù)金剛石鉆進鉆壓對鉆速和鉆頭磨損的影響曲線圖分析如何合理使用金剛石鉆頭。1/13/2023153現(xiàn)代鉆探技術第九章沖擊回轉鉆進第一節(jié)概述第二節(jié)沖擊回轉鉆進工具第三節(jié)沖擊回轉鉆進工藝1/13/2023154現(xiàn)代鉆探技術課時：1本章目的：了解沖擊回轉鉆進的工具和 鉆進工藝本章難點：沖擊器的工作原理教學方法：課堂講授1/13/2023155現(xiàn)代鉆探技術第一節(jié)概述 沖擊回轉鉆進是將沖擊式鉆進和回轉式鉆進結合起來的一種鉆進方法，其孔內(nèi)鉆具的結構是在一般回轉鉆進鉆具的基礎上，加上一個沖擊器。在取心鉆進中，沖擊器安裝在巖心管上端；在無心鉆進中，則直接安裝在鉆頭的上方。 該方法不但可提高硬巖鉆進效率，而且降低鉆頭的磨損，并有利于防斜。鉆頭的選擇既可采用硬質(zhì)合金鉆頭，也可用金剛石和牙輪鉆頭。1/13/2023156現(xiàn)代鉆探技術第二節(jié)沖擊回轉鉆進的工具

一、沖擊器的分類 沖擊器是沖擊回轉鉆進的關鍵部位，按動力方式分為：液動沖擊器：采用高壓水或泥漿做動力介質(zhì)。氣動沖擊器：又稱氣動潛孔錘，采用壓縮空氣作為動力介質(zhì)。機械作用式?jīng)_擊器：利用某種機械運動，在鉆具回轉時產(chǎn)生沖錘上下的動作。 其中，在鉆探工作中，液動沖擊器和氣動沖擊器使用較多。1/13/2023157現(xiàn)代鉆探技術二、液動沖擊器

(一)液動沖擊器的類型

(二)液動沖擊