固体矿产钻探(机班长培训)

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1、固体矿产钻探 大家过年好! 目 录 一、国内外现状 二、钻探设备 三、钻探技术方法 四、合金钻探技术 五、金刚石钻探技术 六、钻探工程质量要求 七、孔内事故预防和处理 一、国内外现状 （一）国外现状 人类四大难题：上天、入地、下海、登极 （1）设备 全液压化、机电一体化、智能化、轻便 （2）钻杆 刚钻杆：强度大、韧性强、丝扣 铝合金钻杆：轻、强度大，但价格高 （3）钻探方法 金刚石绳索为主，潜孔锤反循环越来越广 （4）钻探深度 科钻：苏联12262m，美国9583m 固体矿产钻探：最深加拿大公司在南非5424m 北美、南美：15003000m 日本：1965 1972完成8个2000 2800

2、m，1983年超过 3000m 长年 LF140 长年 LF230 钻深（钻深（mm）：）： BQ 3050BQ 3050NQ 2350NQ 2350 HQ 1585HQ 1585PQ 1045PQ 1045 Christensen CS4002Christensen CS4002 NQ 2000NQ 2000 澳大利亚澳大利亚UDR1200HCUDR1200HC NQ 2500 HQ 1585 NQ 2500 HQ 1585 PQ 1045 PQ 1045 PHC液压控制系统APC计算机控制系统 Diamec U8 的两种控制系统 通过钻机控制系统实现钻机远程访问 钻井名称国 家 井深 （m

3、） 施工目的 终孔直径 （mm） 取心率 （%） Cezallier法国1400结晶岩地热热储60100 Sancerre法国3500巴黎盆地基底磁异常102上部100 NA80-B瑞士2006核废料储堵点137100 Weiach瑞士2482核废料储堵点159100 Mallerguin-1巴拉圭2987石油勘探76100 冰岛科学钻井冰岛1920大洋洋壳调查60100 Sellafield英国2000核废料储堵点159100 金矿超深井南非5424深部金矿80100 VC-2B美国1762高温地热系统76100 索尔顿湖井美国3220热液系统与成矿过程156125 深部金矿勘查井美国507

4、1金矿勘查122下部100 卡洪山口钻井美国3510地应力、地热机制1655 国外部分金刚石绳索取心钻进深度概况 日本利根公司施工超深岩心钻孔 孔号孔深/m钻进时间/（年月日）施工日 数/d 日效率/（ md-1） 机型 CMS-52502.35 1965.05.251965.11.30 18913.24TW-2 S-22703.15 1966.07.291967.02.15 20213.38TXL S-42023.06 1966.05.261966.09.18 11617.44TW-2C S-52101.00 1967.07.031967.11.18 13915.12TW-2 S-72301

5、.60 1967.09.071968.05.21 2108.92TXL-1 S-92070.00 1969.01.101969.05.15 12616.43TXL-1 S-132362.00 1969.12.271970.07.20 20611.47TW-2 H-32807.00 1972.05.251972.10.28 157T-100 俄罗斯可用于绳索取心的 Boart Longyears RQTMHP wireline drill rod BOART-LONGYEAR公司QHP/RQHP绳索取心钻杆 黄色区域：采用特殊热处理工艺 增加材料强度 增加钻杆内螺纹使用寿命 增加钻杆螺纹轴肩使用

6、寿命 红色区域：采用表面硬度处理工艺 增加钻杆外螺纹使用寿命 增加钻杆内螺纹外径部分使用寿命 BOART-LONGYEAR公司新开发的防脱扣绳索钻杆螺纹 （二）国内现状 （1）设备 主要是立轴钻机：XY-1XY- 6 ，XY-8，近几年引进、开发了全液压动力 头钻机。 （2）钻杆 材质先天不足，钢级偏低；热处 理工艺落后；加工精度低，误差大。 深孔只有靠端部加厚即加强型钻杆 。 （3）钻探方法 主要是金刚石钻进（绳索）， 潜孔锤反循环（少有应用） （4）钻探深度 计划经济时期到90年代前，国产 机具固体矿产：1803.8m；进口设备TXL-1： 2505M (1985年) 2005年科学钻探：

7、5158m 2006年三院：1804.95m（S75） 2007年河北四队：1905.92 （S75） 三院：1450.88（ S95 ） 2008年11月25日三院：2046.02m （S75） 12月3日山东冶金三勘：2060.50m （S75） 二、钻探设备 （一）钻机 1、立轴钻机： 目前：XY-1、XY-2、XY-3、XY-4、XY-44 、XY-5、XY-6、XY- 6B、HXY-8 过去：XU600 、XU600-3；JU-1500 立轴钻机 XY-6BXY-6B HXY-8(8B)HXY-8(8B) 钻机型号类别标志 钻机类型类别代号第一特征代号第二特征代号 岩心钻机X（岩心）

8、Y （液压操纵机械传动）C （车装） 砂矿钻机SZ （砂钻）D （全液压动力头） 水文钻机S （水文）P （转盘） 坑道钻机K （坑道） 浅孔钻机Q （浅钻） 地热钻机R （地热） 工程钻机G （工程） 立轴钻机的特点 立轴钻机的优点： （1）传动效率较高，消耗功率低； （2）提下钻辅助时间较短； （3）处理事故能力较强； （4）可靠性较高，实用性强； （5）维修方便，对操作技能要求较低； （6）制造成本较低。 立轴钻机的主要缺点： （1）给进行程短（多为0.6m），钻进中须频 繁停车、倒杆； （2）工作平稳性较差； （3）转速分挡控制，不能无级变速； （4）加杆繁琐，钻具须提离孔底； （5）

9、不易实现斜孔钻进； （6）搬迁、安装时间较长。 2、全液压钻机 探矿机械厂研制的XD-3勘探所研制的YDX-3 全液压动力头钻机特点： 全液压钻机主要优点： （1）给进行程长； （2）无级变速，工作平稳； （3）易于实现斜孔钻进； （4）加接钻杆方便，钻具不提离孔底； （5）钻进工艺适应性好； （6）搬迁、安装方便； （7）操作控制集中、方便，易于实现远程 遥控及自动化控制。 全液压钻机的主要缺点： （1）传动效率较低，功率消耗大； （2）提下钻辅助时间长； （3）处理事故能力较差； （4）液压系统密封件寿命较短； （5）维修较复杂，费用高； （6）制造成本高。 （二）钻塔 类型：四角、A型、

10、桅塔 12.5m、13m、17m、18m、23m （三）泥浆泵 按工作原理大致分三类： 容积式泵：往复泵等，如BW250/7、 BW320/10卧式三缸单作用 叶片式泵:离心泵、深井泵等 其它类型泵 三、钻探技术方法 （一）分类 按碎岩工具或磨料分： （1）硬质合金钻进 （2）钢粒钻进 （3）牙轮钻进 （4）金刚石钻进 按碎岩方式（机械能）分： （1）回转钻进 （2）冲击钻进 （3）冲击回转钻进 （4）静压或震动钻进 其它：潜孔锤反循环钻进 定向钻进 不提钻换钻头钻进 （二）钻进方法选择 选择钻探方法时，一般应根据岩石的可钻性， 同时考虑其研磨性、完整程度等来选择钻进方法。 （1）16级、部分

11、7级岩石宜选用硬质合金、针状硬 质合金或聚晶金刚石及复合片钻进； （2）412级岩石宜选用金刚石回转钻进； （3）68级岩石可用硬质合金冲击回转钻进； （4）612级，特别是弱研磨性岩石，可选用金刚石 冲击回转钻进； （5）712级岩石也可用钢粒钻进。 （三）岩石性质 硬度：某一物体表面对另一物体压入时的阻力或反 抗特性 。 强度：在载荷的不断作用下，岩石变形到一定程度 就会发生破坏。 弹性：岩石受外力作用产生变形，外力撤除后变形 随之消失的性质。 塑性：如外力撤除变形不能消失，称为塑性变形。 研磨性：岩石在被工具破碎时反过来对工具的磨损 能力。 脆性：岩石受应力破坏而无明显塑性变形，则称为

12、岩石的脆性。 岩石可钻性：岩石被碎岩工具钻碎的 难易程度。 岩石可钻性是岩石的”综合”性质，反映的 是岩石的抗钻性能，与岩石的强度、硬度、 弹塑性、研磨性和结构特征等密切相关，是 决定钻进效率的基本因素。一般分为12级。 （四）地质钻探对岩石的分类 按硬度和可钻性分： 按岩石硬度的大小分为4类，按可钻性的高 低分为12级，其相应关系为： （1）软可钻性13级； （2）中硬可钻性46级； （3）硬可钻性79级； （4）坚硬可钻性1012级。 按研磨性分： 按研磨性的强弱分为3类，即弱研磨 性、中研磨性、强研磨性。 按岩石的完整程度分： 按岩石的完整程度分为3类，即完整 、较完整、破碎 四、合金钻

13、探技术 （一）合金钻进原理 从单个切削具来看， 轴向力Py使切削具切 入岩石，回转力Px使 切削具沿圆周向前切 削推进，环状孔底如 同螺旋一样向下延伸 。 2、硬质合金 钻探常用钨钴合金（YG） YG8（强度高、抗冲击、抗振性较好 ）钻探常用 YG3X（耐磨性最好，冲击韧性最低） 针状合金 YG4C（煤田、石油勘探用） 合金钻进适用地层： 可钻性6级，针状和小片状合金可用于部 分7级。 合金的型式 3、合金钻头 应根据岩石类别、钻头直径、地层特性 等选择钻头上硬质合金的型号、规格、数 量、镶焊角度和切削具出刃量。 4、钻进工艺 （1）钻压（N）：稍大于岩石抗压入强度，产 生体积破碎为宜。 岩石

14、性质切削具型 式 每颗合金片上 的压力/N 13级软、塑性岩石片状合金500 600 4 6级中硬、均质岩石柱状合金700 1200 7 级致密岩石柱状合金900 1500 7 级硬的、研磨性岩石针状合金1500 2000 切削具压力推荐值表 （2）转速（r/min）：根据地层、孔深、口径确定 。线速度以1.02.5m/s为宜。对于卵石层、破碎 层可降低为0.6m/s；软至中硬、弱研磨性、较完 整致密岩层选用较大值，反之选用较小值。 （3）泵量（L/min）： 使上返流速在0.20.6m/s 经验公式：Q=kD D钻头直径（cm）；k 取6 15（L/min.cm) 五、金刚石钻探技术 （一）

15、基础知识 金刚石钻进始于1862年前，早于硬质合金及钢粒钻进。我 国从60年代开始研制人工金刚石并试验推广金刚石钻进， 很快显示出强大的威力。 1、金刚石 天然金刚石 人造金刚石 金刚石特性： 硬度高，强度大，但抗冲击韧性差。 耐磨性好。 化学稳定性好。 亲油疏水性。 热稳定性不够好。 2、金刚石钻头 由金刚石、胎体、钻头体（钢体）构成 表镶钻头：10100粒/克拉， 常用2550粒/克拉 孕镶钻头：40100目，常用60目、80目 金刚石粒度：岩石愈硬，粒度应愈小；研磨性愈 强，粒度愈小 金刚石浓度：一般25% 胎体硬度：地层破碎、研磨性强，选用硬胎体 （HRC40） 天然金刚石表镶单管钻头

16、 天然金刚石表镶双管钻头 人造金刚石孕镶单管钻头 人造金刚石孕镶双管钻头 天然金刚石表镶绳索取心钻头 人造金刚石孕镶绳索取心钻头 颜店铁矿区用人造金刚石孕镶尖齿钻头 3、金刚石扩孔器 作用： 修整孔壁、保持孔径 扶正钻头及钻具 减轻钻头负担、延长钻 头寿命 单管钻进中起卡簧座和 卡簧限制器的作用 4、技术参数 钻压：存在最优值。应根据岩石的可钻性、研磨 性、完整程度、钻头底唇面积、金刚石粒度、 品级和数量选择钻压（见下表） 表镶：P=km （N） m金刚石粒数 ， k每粒金刚石压力1525N/粒 孕镶：P=Fp （N） F钻头环状可取面积 （cm2），P400 800N/cm2 金刚石钻进推荐钻压表 转速：应根据岩石的可钻性、研磨性、完整 程度及钻头直径选择转速。 表镶金刚石钻头底唇面线速度1.02.0米/秒； 孕镶金刚石钻头底唇面线速度1.53.0米/秒。 金刚石钻进推荐转速表（转/分钟