國(guó)家精品課程：巖土鉆掘工程學(xué)第2章-鉆具與鉆塔

第二章鉆具與鉆塔

一、鉆桿柱的功能與組成

二、鉆桿柱的工況

三、套管柱四、鉆塔國(guó)家精品課程第二章鉆具與鉆塔鉆具一般是指鉆頭以上，水接頭以下的全部鋼管柱，由巖心管、異徑接頭、取粉管、扶正器、鉆鋌、鉆桿和主動(dòng)鉆桿等組成。鉆桿是鉆具組成中的主要成員，多根鉆桿借助接頭連接成相當(dāng)于孔深長(zhǎng)度的鉆桿柱。鉆塔的主要任務(wù)是升降鉆具和套管。鉆塔的高度應(yīng)與鉆桿立根的長(zhǎng)度相匹配。

7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系§1.鉆桿柱的功能與組成

一、鉆桿柱的功用把鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭，實(shí)現(xiàn)連續(xù)給進(jìn)；為清潔孔底和冷卻鉆頭提供輸送沖洗介質(zhì)的通道；更換鉆頭、提取巖心管和進(jìn)行事故打撈的工作載體。在繩索取心和水力反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)中是巖心的通道；用孔底動(dòng)力機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿柱承擔(dān)孔底動(dòng)力機(jī)的反扭矩。二、鉆桿柱的材質(zhì)

（自習(xí)）三、鉆桿柱的結(jié)構(gòu)（自習(xí)）第二章鉆具與鉆塔7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系§2.鉆桿柱的工況

一、鉆桿柱的工作狀態(tài)鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆桿柱自身的偏心和自重失穩(wěn)而產(chǎn)生的某些彎曲，造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心。產(chǎn)生的離心力，更促使鉆桿柱彎曲。鉆柱上還有由自重、鉆機(jī)給進(jìn)力及摩擦力合成的縱向壓力。在離心力、縱向壓力和扭矩的聯(lián)合作用下，鉆柱軸線一般呈變節(jié)距的空間螺旋彎曲曲線形狀。彎曲程度取決于這三種力的大小。彎曲的鉆桿柱軸線在孔底螺距最小，往上逐漸加大。第二章鉆具與鉆塔7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系我們把鉆桿柱中心線和鉆孔的軸線相交兩點(diǎn)間的一段縱向長(zhǎng)度稱為半波長(zhǎng)，可根據(jù)薩爾基索夫的理論計(jì)算。鉆桿柱在孔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可能有三種形式。（1）鉆桿柱圍繞自身彎曲軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）。鉆桿在整個(gè)圓周上與孔壁接觸產(chǎn)生均勻磨損，但受交變彎曲應(yīng)力。（2）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)并沿著孔壁滑動(dòng)（公轉(zhuǎn)）。鉆桿不受交變彎曲應(yīng)力的作用，但產(chǎn)生偏磨。（3）鉆桿柱圍繞鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)，但不是沿著孔壁滑動(dòng)而是沿著孔壁反向滾動(dòng)（公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合），鉆桿柱同時(shí)圍繞自身軸線和鉆孔軸線旋轉(zhuǎn)。其磨損均勻，也受到交變彎曲應(yīng)力作用，但循環(huán)次數(shù)比第一種形式低得多。第二章鉆具與鉆塔7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系一般認(rèn)為呈半波彎曲的鉆桿柱的主要形式是自轉(zhuǎn)，也可能產(chǎn)生：以自轉(zhuǎn)為主+公轉(zhuǎn)，以公轉(zhuǎn)為主+自轉(zhuǎn)。

二、鉆桿柱的受力1.軸向壓力和拉力減壓鉆進(jìn)時(shí)，上部鉆桿柱受拉，其中孔口處拉力最大，向下逐漸減?。幌虏裤@桿柱受壓，孔底壓力最大。軸向力等于零處稱為零斷面或中和點(diǎn)。應(yīng)使其落在剛度大、抗彎強(qiáng)的鉆鋌上。2.扭矩鉆桿柱受扭矩作用在各個(gè)截面上都產(chǎn)生剪應(yīng)力。鉆桿柱在孔口處承受的扭矩最大，在孔底最小。第二章鉆具與鉆塔7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系3.彎矩與離心力已彎曲的鉆桿柱在軸向力作用下，受到彎矩作用，如繞自身軸旋轉(zhuǎn)則會(huì)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力。如鉆桿柱公轉(zhuǎn)，則產(chǎn)生離心力。離心力又將加劇鉆桿柱的彎曲變形。4.縱振、扭振與擺振孔底跳躍式碎巖引起鉆柱縱振，共振鉆桿柱容易疲勞破壞。破巖回轉(zhuǎn)阻力不斷變化引起鉆柱扭振，產(chǎn)生交變剪應(yīng)力。在某一臨界轉(zhuǎn)速下，鉆桿柱會(huì)出現(xiàn)擺振，其結(jié)果是迫使鉆桿柱公轉(zhuǎn)，引起鉆桿柱嚴(yán)重的偏磨。不難看出，鉆桿柱受力嚴(yán)重部位是下部、孔口處和零斷面附近。第二章鉆具與鉆塔7/14/2023中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)勘察與基礎(chǔ)工程系§3.套管柱（通常自下而上設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)）一、鉆孔結(jié)構(gòu)鉆孔由開(kāi)孔至終孔，各孔段的深度和口徑的變化情況。開(kāi)孔前根據(jù)以下資料來(lái)設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)：

(1)所鉆巖石的物理-力學(xué)性質(zhì)，硬度、穩(wěn)定性和水敏性等；(2)鉆孔的設(shè)計(jì)深度和傾角；(3)擬用的鉆進(jìn)方法，鉆探工具和孔內(nèi)測(cè)量?jī)x器的外徑尺