1、钻探工艺钻探工艺 第一章 岩芯钻探钻具第二章 钻进方法 第三章 岩矿芯的采取 第四章 特种取芯方法 第五章 钻孔弯曲及其测量 第一章第一章 岩芯钻探钻具岩芯钻探钻具第一节 岩芯钻具的组成 第二节 钻杆柱第三节 钻杆柱在孔内的工作状态第四节 钻杆柱的合理使用第一节第一节 岩芯钻具的组成岩芯钻具的组成钻头钻头 岩芯管岩芯管取粉管取粉管钻杆柱钻杆柱水笼头水笼头全套钻具全套钻具 岩芯提断器岩芯提断器 第一节第一节 岩芯钻具的组成岩芯钻具的组成钻头钻头 岩芯管岩芯管取粉管取粉管钻杆柱钻杆柱水笼头水笼头钻头钻头bit：破碎岩石岩芯管岩芯管core barrel：容纳岩芯、传递钻压和扭矩钻头钻头接头接头钻具
2、钻具钻杆钻杆钻杆钻杆第一节第一节 岩芯钻具的组成岩芯钻具的组成取粉管取粉管core barrel：捞取岩粉、收集大粒岩屑钻杆柱钻杆柱drill string：传递钻压、扭矩及通道冲洗液,测斜器单根单根single立根立根stand，多为三根，多为三根主动钻杆主动钻杆drive pipe/kelly：孔口钻杆，与动力机相接水笼头水笼头water swivel：输送冲洗介质的高压胶管与回转钻具间的连接的专用装置第一节第一节 岩芯钻具的组成岩芯钻具的组成 提引钻具提引钻具lifting tools 拧卸钻具拧卸钻具make-up or breaking-out tools夹持器夹持器clamp拧卸钻
3、具拧卸钻具提引钻具提引钻具水笼头水笼头提引器提引器移动滑车移动滑车木马夹持器木马夹持器第一节第一节 岩芯钻具的组成岩芯钻具的组成 钻头切削具外径钻 头岩 芯 管外 径内 径外 径壁 厚内 径1521321129376594636150130110917558.545.535.51361169677614532.522.514812710889735744345.05.05.05.05.04.53.53.0136.0117.098.079.063.048.037.028.0 钻头和岩芯管的基本尺寸 第二节第二节 钻杆柱钻杆柱 drill string/column一、钻杆柱的功用一、钻杆柱的功用
4、传递动力传递动力钻压钻压 bit pressure转矩转矩 rotary torsion 2作为通道作为通道冲洗液冲洗液岩矿芯岩矿芯卡料或仪器等卡料或仪器等第二节第二节 钻杆柱钻杆柱 drill string/column二、钻杆柱的连接方式二、钻杆柱的连接方式平接头连接平接头连接 rod锁接头连接锁接头连接tool joint接箍连接接箍连接coupling接箍接箍第二节第二节 钻杆柱钻杆柱 drill string/column三、钻杆柱的材质与要求三、钻杆柱的材质与要求45钢，少量用铝合金钢，少量用铝合金有足够的接头强度有足够的接头强度加重钻杆（钻铤加重钻杆（钻铤drill collar
5、）钻钻 探探 设设 备备Drilling Equipments 绪绪 论论 钻探设备 drilling equipments是指钻探施工中直接应用的机械设备和装置。钻探设备包括动力机、钻机、泥浆泵和钻塔等。动力机 power machine作为通用机械，不属于本课程范围。电动机 electric motor柴油机 diesel engine 空压机 air compressor 钻探设备中，以钻机作为主机来配备其它设备。一、钻探设备的组成一、钻探设备的组成 1钻机drill/rig 是进行钻探工作的主要设备。它的功能一般包括两个方面:带动钻具向地层深部钻进；通过升降机起、下钻具。2泥浆泵及泥浆
6、制备、净化设备 泥浆泵 mud pump/slush pump向孔内输送冲洗液以清洗孔底、冷却钻头和润滑钻具。泥浆搅拌机 mud mixer 用于制备泥浆及其它类型的冲洗液。泥浆净化设备mud purifying device:振动筛和泥浆旋流除砂器。一、钻探设备的组成一、钻探设备的组成 3钻塔derrick/mast(轻便)用于升降钻具的构筑物。二、钻机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探地质勘探钻机钻机 矿山地质矿山地质钻机钻机水文地质与水井水文地质与水井钻机钻机 工程地质勘察工程地质勘察钻机钻机 工程施工工程施工钻机钻机 石油天然气石油天然气勘探与开发钻机勘探与开发钻机 二、钻
7、机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探钻机地质勘探钻机 矿山地质钻机矿山地质钻机水文地质与水井钻机水文地质与水井钻机 工程地质勘察钻机工程地质勘察钻机 工程施工钻机工程施工钻机 石油天然气勘探与开发钻机石油天然气勘探与开发钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探钻机地质勘探钻机 矿山地质钻机矿山地质钻机水文地质与水井钻机水文地质与水井钻机 工程地质勘察钻机工程地质勘察钻机 工程施工钻机工程施工钻机 石油天然气勘探与开发钻机石油天然气勘探与开发钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探钻机地质勘探钻机 矿山地质钻机矿山地质钻机水文地质与水井钻机水文
8、地质与水井钻机 工程地质勘察钻机工程地质勘察钻机 工程施工钻机工程施工钻机 石油天然气勘探与开发钻机石油天然气勘探与开发钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探钻机地质勘探钻机 矿山地质钻机矿山地质钻机水文地质与水井钻机水文地质与水井钻机 工程地质勘察钻机工程地质勘察钻机 工程施工钻机工程施工钻机 石油天然气勘探与开发钻机石油天然气勘探与开发钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 1钻机按用途分类地质勘探钻机地质勘探钻机 矿山地质钻机矿山地质钻机水文地质与水井钻机水文地质与水井钻机 工程地质勘察钻机工程地质勘察钻机 工程施工钻机工程施工钻机 石油天然气勘探与开发钻机石油天然气勘
9、探与开发钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 2钻机按钻进方法分类 冲击式钻机 钢绳冲击式 钻杆冲击式 回转式钻机 立轴式 转盘式 移动回转器式 手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压 全液压动力头式机械动力头式 振动钻机 复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 2钻机按钻进方法分类 冲击式钻机 钢绳冲击式 钻杆冲击式 回转式钻机 立轴式 转盘式 移动回转器式 手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压 全液压动力头式机械动力头式 振动钻机 复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合
10、在一起的钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 2钻机按钻进方法分类 冲击式钻机 钢绳冲击式 钻杆冲击式 回转式钻机 立轴式 转盘式 移动回转器式 手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压 全液压动力头式机械动力头式 振动钻机 复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合在一起的钻机 二、钻机的分类二、钻机的分类 2钻机按钻进方法分类 冲击式钻机 钢绳冲击式 钻杆冲击式 回转式钻机 立轴式 转盘式 移动回转器式 手把给进式螺旋差动给进式手把螺旋差动给进式液压给进钢绳加减压液压缸加减压 全液压动力头式机械动力头式 振动钻机 复合式钻机 振动、冲击、回转、静压等功能组合
11、在一起的钻机 三、钻探设备的发展方向三、钻探设备的发展方向 1、小型、轻便化、小型、轻便化2、大型、多功能化、大型、多功能化3、特殊专用化、特殊专用化第三节第三节 钻杆柱在孔内的工作状态钻杆柱在孔内的工作状态一、钻杆柱在孔内的工作特点一、钻杆柱在孔内的工作特点二、钻杆柱在孔内的波形弯曲二、钻杆柱在孔内的波形弯曲三、钻杆柱在孔底的弯曲状态三、钻杆柱在孔底的弯曲状态四、回转钻杆柱所产生的扭应力四、回转钻杆柱所产生的扭应力五、提升钻杆柱所产生的拉应力五、提升钻杆柱所产生的拉应力六、处理事故中的钻杆柱受力情况六、处理事故中的钻杆柱受力情况一、钻杆柱在孔内的工作特点一、钻杆柱在孔内的工作特点钻头上的钻压
12、P0驱动钻杆柱的扭矩钻机轴向调节力孔内摩擦扭矩1钻头工作扭矩M0钻杆柱重量W加压钻进forced feed drilling减压钻进reduced bit load drilling二、钻杆柱在孔内的波形弯曲二、钻杆柱在孔内的波形弯曲产生弯曲的原因：自身某些偏心自重失稳弯曲部分质量偏离回转中心产生离心力促使钻杆柱弯曲钻杆柱由于自重产生的纵向压力促使钻杆柱弯曲离心力纵向力共同作用，钻杆柱在孔内呈波形弯曲波峰wave crest压向孔壁l萨尔基索夫半波长计算公式 以钻杆柱中心线和钻孔中心线相交两点间的一段纵向长度称为半波长，以 表示。l钻杆柱中心线钻孔中心线注意两点：（1）由于自重产生的纵向力的变
13、化，各部位的半波长是不一样的。（2）减压钻进中，钻杆柱某点纵向力为零，称零断面或中和点。零断面萨尔基索夫作一假定：钻杆柱受外力(离心力和纵向力)所作的功等于钻杆柱变形所储存的位能。1AAUU钻杆柱变形位能；离心力所作的功；纵向力所作的功。A1A1关于钻杆柱变形能U 断面的弯矩；2MddU 取一x断面钻孔轴线方向边界断面的转角=；xdx该处的曲率半径。Md由材料力学知：EJM1EJMdxyd22故有：dxdxydEJdU2222所以，弯曲的半波长内钻杆柱中储存的变形能为：dxdxydEIUl20222为纵向弹性模量为钻杆断面积的轴惯性矩根据实际弯曲情况，若把钻杆的弯曲视为正弦波形，有：lxfys
14、inlxlfdxydsin2222f 最大的挠度D为钻孔直径；d为钻杆直径。f2DddxlxlEJfdxdxydEJUll024422022sin223424lEJfU所以：kgfcm 关于离心力所作的功取一x断面钻孔轴线方向离心力对钻杆柱所作的功可以根据离心力及其变化过程计算。dx长的钻杆质量为：gqdxm 为单位长度钻杆的质量 q当钻杆柱角速度为 时，单元的离心力为：dxydxgqmy22.关于离心力所作的功取一x断面钻孔轴线方向该离心力在达到平衡之前是随y值的增大而增大的，所以该力所作的功为：dxygqdA22222sin22220222202lfgqdxlxfgqdxygqAll即：g
15、lfqA422kgfcm关于纵向力所作的功1 作用于某一半波长上端中心的纵向力P为一常值。纵向力可以是拉力；也可能是压力。规定拉力为正；压力为负。对于用方程式)(xfy 所表示的平缓曲线，其曲线的长度与其弦长之差，可以近似地表示为：dxdxdyPPAl0212关于纵向力所作的功1 同样，设钻杆柱的弯曲方程式为：lxfysin则有：lxlflxfdxddxdycos)sin(ldxlxlfPA022221cos2于是：lPfA4221所以：kgfcm4萨尔基索夫公式 1AAUlPfglfqlEJf4442222342解方程式得：2424222224)(qEJgqgPPglqJzzl2321022
16、5.05.0100qzP z为所求断面距零断面的距离。5关于钻杆柱的弯曲应力 钻杆柱在孔内发生弯曲，半波长越小，弯曲越严重，产生的弯曲应力越大。其弯曲应力可利用其弯曲变形来求得。钻杆柱的弯曲曲线方程式为：lxfysin由材料力学知，弯曲曲线的方程式为：MdxydEJ225关于钻杆柱的弯曲应力所以有：lxlfEJMsin222lx 当 maxMM flEJM22max因为 WMwmax且圆管的断面模量为：dJW2时，5关于钻杆柱的弯曲应力所以有：flEdJdflEJw22222221000ldf即 钻杆柱的弯曲应力与钻杆直径和最大挠度f成正比关系，而与半波长度的平方成反比。由萨尔基索夫公式知，半
17、波长度又与(转速)成反比，所以半波长受钻杆柱转速的影响较大。三、钻杆柱在孔底的弯曲状态三、钻杆柱在孔底的弯曲状态实际钻杆柱磨损会出现两种情况：四周磨损均匀 某一侧面磨损特别厉害偏磨 钻杆柱在孔内存在两种旋转方式：公转revolution 自转rotation 磨损均匀偏磨三、钻杆柱在孔底的弯曲状态三、钻杆柱在孔底的弯曲状态 在钻进中，由于部分钻杆柱的重量是作为钻压施加在钻头之上，使得下部钻杆柱受压缩。在钻压小和直孔的条件下，钻杆柱也可能是直的。但当压力达到某一临界值时，下部钻杆柱失去直线稳定状态而发生弯曲，并且在某一点和孔壁接触，称为切点切点。钻杆柱的中和点N1在切点T1的上方，这是第一次弯曲
18、(如曲线所示)。如果继续加大钻压，则弯曲状态又改变。切点逐渐下移，中和点上移(如曲线所示)。当钻压增大到新的临界值时，钻杆柱弯曲轴线呈现出第二个半波，出现第二个切点，这是钻杆柱的第二次弯曲(如曲线所示)。四、回转钻杆柱所产生的扭应力四、回转钻杆柱所产生的扭应力钻杆柱受压 正应力direct stress 钻杆柱传递扭矩 剪应力shearing stress M大大小小研究钻杆柱扭应力思路：计算钻杆柱上端所承受的最大扭矩 确定钻杆柱上端所传送的总功率 一定的转速条件 已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。四、回转钻杆柱所产生的扭应力四、回转钻杆柱所产生的扭应力M大大小小计算钻杆柱上端所承受的最大
19、扭矩 确定钻杆柱上端所传送的总功率 一定的转速条件 已知断面扭矩，可算出该断面的剪应力值。用第三强度理论计算钻杆柱合成应力 224bp321NNNNd钻钻进进功功率率1空转钻杆柱的功率 2克服摩擦阻力时增加的功率 3钻头破碎岩石所需的功率 钻机的输出转速五、提升钻杆柱所产生的拉应力五、提升钻杆柱所产生的拉应力当开始把全部钻杆柱从孔中提起时，钻杆柱上端受有最大的拉应力。钻杆柱最大的拉力钻杆柱最大的拉力 Q321QQQQ提升加速度的惯性力 提升钻杆柱时孔内增加的阻力 钻杆柱本身的重力 smLq1011QgtvQgap2.0(2Q1)3.0Q 六、处理事故中的钻杆柱受力情况六、处理事故中的钻杆柱受力
20、情况这是钻杆柱在非正常工作条件下非正常工作条件下可能遇到的受力情况。这种受力状况往往对钻杆柱可能造成严重损伤。卡夹钻具卡夹钻具 drill rod sticking回转运动受阻 扭转变形 埋埋 钻钻 drill rod burying强力提拔 钻杆拉断 第四节 钻杆柱的合理使用 长时间在孔内经受着 各种载荷 磨损 侵蚀 磨损 折断 消耗 优化的钻杆柱使用方式较为成功的使用方式：优化的钻杆柱使用方式较为成功的使用方式：变换次序使用法 综合使用法 TKdlTT钻孔钻进时间钻杆柱使用寿命一般说KTl 第四节 钻杆柱的合理使用一、变换使用方式一、变换使用方式 当KT1时，即钻孔时间与钻杆寿命相等或接近
21、时，为了使钻杆消耗均匀，钻孔须成对考虑，即两个钻孔的工作量一起计算。在钻第二个钻孔时，把立根使用的次序颠倒过来，称为变换次序使用法。对于KT0.5和0.7KT1的各种情况，这种优化使用的方式都可采用，实际上只是所钻的孔数不同而已。第四节 钻杆柱的合理使用二、综合使用方式二、综合使用方式 当KT0.7时，可采用综合使用方式优化钻杆的使用。在钻第一个孔深度一半的过程中，把立根依次1，2，3，5接到钻杆柱上进行钻进。在钻完深度的一半后，提钻时把这些立根依次放于立根台上待用。而在继续钻下半部钻孔时，把其他末用的一半立根6，7，8，10一起下入孔中，在继续向深部钻进时，把原上部用过的钻杆按相反的顺序，(即从即从5到到1)接上继续工作。第一章第一章 岩芯钻探钻具岩芯钻探钻具第一节 岩芯钻具的组成 第二节 钻杆柱第三节 钻杆柱在孔内的工作状态第四节 钻杆柱的合理使用
