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1、11765 钻探工程概论考试复习题一、简答题 每题 10 分1.根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类 型。型。弹塑性岩石弹脆性岩石高塑性和高孔隙性岩石脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时 仅产生弹性变形，至 A 点最大载荷为 Pmax 处便突然完成脆 性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为 h 图 (a) 。这 时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即 h/5。 弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先 产生弹性变形，然后塑性变形。至 B 点载荷达 Pmax 时才突 然发生脆性破碎图 (b) 。这时破碎穴面积也大于压头的 端面面积
2、，而 h/=2.55，即小于第一类岩石。 高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石 灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形 成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎图 (c) ， h/=1。2.什么是岩石破碎的体积破碎？什么是岩石破碎的体积破碎？岩石的变形破碎形式岩石的变形破碎形式 表面破碎 疲劳破碎 体积破碎表面破碎切削具与岩石的接触压力远远小于岩石硬度，切削具不 能压入岩石。切削具移动时，将研磨孔底岩石，岩石破碎是 由接触摩擦功引起的，研磨的岩石颗粒很小，钻进速度低。 这种变形破碎方式称为岩石的表面研磨，这个区称为表面破 碎区。疲劳破碎切削具上的轴向载荷增加，
3、但接触压力仍小于岩石硬度， 可使岩石晶间联系破坏，岩石结构间缺陷发展，特别是孔底 受多次加载产生的疲劳裂隙更加发展，于是众多裂隙交错， 仍可产生较粗岩粒的分离，这种变形破碎方式称为疲劳破碎， 这个区称为疲劳破碎区。 体积破碎体积破碎切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬 度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动 时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式 称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分 离出大块岩石，破碎效果好。 3.什么是岩石的各向异性？对钻进有哪些影响什么是岩石的各向异性？对钻进有哪些影响？岩石在不同方向上表现出不同的强度值称为岩石的各
4、项异 性。岩石的各向异性分为两种：一种是由于微裂缝的存在以及 在不同方向上的排列，分布不同而导致的，这种各向异性会 随着岩石的应力变化而变化，可称为应力各向异性；另 一种是由于岩石颗粒的定向排列引起的，这种岩石的各 向异性不会随着岩石的应力变化而改变。对钻进的影响：影响进效率的：由于在不同的层理结构上表现出不同 的强度性质，在钻进这样的岩石层时会加大钻进的工作量， 因此岩石的各向异性会影响钻进效率。影响钻孔偏斜：由于存在岩石的各向异性，使得钻杆在钻 进过程中出现受力不平衡的情况，使得钻杆发生一定角度的 偏斜甚至弯曲，会影响钻孔的偏斜量。4.影响岩石硬度的因素有哪些？影响岩石硬度的因素有哪些？岩
5、石的硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表 面的能力。硬度与抗压强度有联系，但又有很大区别。抗压强度是固 体抵抗整体破坏时的阻力，而硬度则是固体表面对另一物体 局部压入或侵入时的阻力。因此，硬度指标更接 近于钻掘过 程的实际情况。因为回转钻进中，岩石破碎工具在岩石表面 移动时，是在局部侵入（可能非常微小）的同时使岩石发生 剪切破碎。由前面的分析知道，工具压入岩石是很难的，而 压入后剪切破岩却较容易。所以我们说，硬度对钻掘工程而 言是一个主要力学性能参数。（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结 物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬 度越大。而孔隙度高，密度低，裂
6、隙发育的岩石硬度将会降 低。（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬 度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的 硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间 可相差 1.051.8 倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯 曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。 （3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常 压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性 系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于 10m/s 时，硬度变 化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影 响更显著。 5.钻探技术的基本构
7、成是什么？钻探技术的基本构成是什么？设备：钻孔施工所使用的地面设备总称。包括钻探机、动 力机、泥浆泵、钻塔等。工艺：取心钻探技术，无岩心钻探技术，多介质反循环钻 探技术，其它反循环钻探技术，水文水井钻探技术 地质学地质学 基础、矿物岩石学、地层学、构造地质学、钻探工程、工程基础、矿物岩石学、地层学、构造地质学、钻探工程、工程 地质、工程与环境物探、钻探机械、地质、工程与环境物探、钻探机械、6.简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图）简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图）与刀具（切削类似）相联系：利用镶焊在钻头体上的硬质 合金切削具，作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬 质合金钻进。但在实
8、际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以 下的地层，即可钻性 1 7 级和部分 8 级地层。若在更为 坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易 折断而迅速失去钻进能力。当前，软的和中硬以下的地层， 尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。7.金刚石钻头有哪些主要类型金刚石钻头有哪些主要类型金刚石钻头按其制造方法不同，可分为烧结法和电镀法两 种。金刚石钻头按包镶形式的不同，可分为表镶钻头与孕镶 钻头两种1.表镶钻头金刚石分布在胎体表面上，当其刃角磨钝后可回收复用。 钻头按金刚石粒度分粗、中、细三种：520粒/克拉的为粗 粒钻头；2040粒/克拉的为中粒钻头；40100粒/克拉的
9、为 细粒钻头。一般情况下，细粒钻头适用于钻进致密、坚硬地 层。金刚石都是用天然品。硬度较低、完整岩层；2.孕镶钻头金刚石不只是分布在胎体表面上，而且，还分布于胎体内 部的一定层厚中。金刚石是1080目的天然粉级品或60129 目JR4级的人造品。含金刚石的胎体层称为工作层。钻进时， 随着胎体的磨损，金刚石切刃才不断露出，旧切刃失去工作 能力或脱掉，新切刃相继出露参加工作。因此，孕镶钻头可 保持稳定的钻速，应用范围较广。它坚硬、致密、弱研磨性 （优质金刚石、较低的金刚石浓度），均匀性差、完整度差、 破碎地层（金刚石浓度高、胎体硬度大）；3.还有一种“多层钻头”。它是孕镶钻头的变种形式，与孕镶的区
10、别是胎体内部的金 刚石分成几层并有一定排列方式。钻头按金刚石成因分类， 可分为天然金刚石钻头(表镶)和人造金刚石钻头(都是孕镶)。 此外，还有一种聚晶金刚石钻头，金刚石的镶焊属于表镶， 但在工作时却起孕镶钻头作用。它用于钻进较软和研磨性强 岩层，可得到很高的钻速。8.地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？主要区别有以下几点：1.钻孔的直径：Hole：孔，用于地质钻探，孔比较小，用于勘察，勘探Well：井，用于油气井钻探，孔比较大，往往还要用于生 产2.钻孔的深度：钻探：比较浅，油气井：比较深，技术有，成本高3.地层情况：钻探：地层比较复杂，低层遇到
11、的种类比较多油气井：一般低层地层单一。9.空气钻进技术有哪些优点？空气钻进技术有哪些优点？空气钻进的实质是以压缩空气代替冲洗液，作为钻进中的 循环介质来冷却钻头，吹洗钻孔把岩屑携带出地表的一种高 效率、先进钻进方法。空气钻进可以正循环钻进，也可以反 循环钻进，在钻探设备上只需要增加一台移动式空气压缩机， 孔口防尘及除尘等设备。空气钻进特别适用于干旱缺水地区、 常年永冻层、孔内严重漏水地层及用水钻进较困难地区。我 国北方各省和西北各地有很多这样的地区，因此，研究空气 钻进具有很大的现实意义。1.钻进效率高： 空气钻进效率比一般钻进法约提高 9 11 倍。其原因是：孔底岩石减掉了钻孔内的液柱静压力
12、， 有助于岩石最大限度地释放残余应力，使孔底岩石处于一种 负压效应状态，借助切削具的碎岩作用， 岩屑呈“爆炸” 形 式崩离岩体，从而提高了钻进效率。另外压缩空气以高速吹 洗孔底、孔内干净， 几乎完全没有重复破碎，故在硬岩和深 孔时， 钻进效率更为显著。2.钻头寿命长： 空气钻进钻头寿命长，除上面提到的因 素外， 还有一重要因素， 即当压缩空气经过钻头时，由于 压力骤然降低， 在此大量吸收热量，有利于冷却钻头， 防 止烧钻，并为切削具创造有利的工作环境。与一般钻进方法 相比，钻头寿命可提高十倍以上。3.能取得正确的地质资料：空气钻进以空气为循环介质， 它不污染岩石和孔壁这不仅对洗井、抽水等工作有
13、益，而且 可以获取正确的水文地质资料。4.空气钻进不用水：这在干旱缺水地区其优越性更为显著， 同时可以避免因漏水而带来的堵漏问题和冲洗液、岩粉等对 含水层堵塞的影响。10. 什么是钻孔结构（也称井身结构）？什么是钻孔结构（也称井身结构）？钻孔结构设计是与钻进有关的，所有工程计算的基钻孔结构设计是与钻进有关的，所有工程计算的基 础。钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各础。钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各 孔段的深度和口径的变化情况。据地层理想柱状图做孔段的深度和口径的变化情况。据地层理想柱状图做 出来的。一般来说，换径次数越多、钻孔结构越复杂；出来的。一般来说，换径次数越多、钻孔
14、结构越复杂； 换径次数越少，钻孔结构越简单。在可能情况下，应换径次数越少，钻孔结构越简单。在可能情况下，应 使钻孔结构尽量简单。根据地层条件，一层一层放入使钻孔结构尽量简单。根据地层条件，一层一层放入 套管，所形成图示的结构：套管，所形成图示的结构： 设计依据设计依据1钻孔的用途和目的；2该地层的地质结构、岩石物理力学性质；3钻孔的设计深度和钻孔的方位方向、顶角方向；4必需的终孔直径；5钻进方法、钻探设备参数。11 套管在套管在 钻探钻探工程中起什工程中起什 么作么作用？用？保护孔壁，支 撑孔壁防止倒塌， 为钻探提供通道 在钻探施工过程 中，套管用途很 广。钻进复杂地 层时，用套管护壁 堵漏，
15、可保证正常 钻进。岩心钻探抽 水试验孔可用套 管进行止水，保 证抽水资料的准 确性。长期水文观 测和开采孔，可 用套管作为出水 的通道。 下多层套管的目 的主要是考虑一 下几个方面：一、 每口井至少有两 层套管;必须下表 层套管，目的是 保护浅部地层特 别是地层水不受 污染；二、通常每 口井钻进时所穿 越的地层存在多 个压力系统，钻井行业标准规定同一裸眼井段上下地层压力 系数差不得超过 0.4；三、如果同一裸眼井段上下压力系数 相差太大，无法进行钻井施工，会出现上漏下喷，必须将上 部薄弱地层下套管封住；四、对于特别复杂的地层，如容易 缩径和蠕变的石膏盐地层为减少卡钻等事故复杂，多下层套 管可减
16、少钻井施工的难度和缩短钻井周期，经评估有可能还降低钻井成本。钻探地质套管是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管。套 管又是钻探和钻井工作中下人钻孔内,用以保护孔壁封闭孔身 的钢管。它的主要功用是防止孔壁坍塌,隔离地层,封闭涌水 或漏水层、油气层。在开采井中,套管又是流体、气体生产的 通道,例如水井、油气井、地热井、溶解类矿产的开采钻井等,都 必须下入生产套管。地质钻探孔内的套管外径小,一般下入的 套管也较浅,在钻探任务完成后要将套管起拔出来,可以继续 使用。石油天然气下入的表层套管、技术套管和油层套管,在 下入井内之后,都需要注水泥将套管与井壁固结起来,封闭死 管外的环状间隙,套管就无法取出。即使无工业油气流的探井,下 入了套管也一样丢弃在井内。供水井下入的套管称为井管,强 度要求不高,井浅时可不用无缝钢管,用铸铁管。12 钻探设备包括哪些主要内容？钻探设备包括哪些主要内容？钻探设备是指用于钻探施工这种特定工况的机械装置和设 备，主要由钻机钻机、泥浆泵泥浆泵及泥浆搅拌机、泥浆净化设备、钻钻 塔塔等组成钻机：钻机：是完成钻进施工的
