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1、第五章第五章 回转钻进工艺回转钻进工艺 1 1、钻进效果指标及钻进规程参数、钻进效果指标及钻进规程参数 2 2 2 2、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺、硬质合金钻进工艺 3 3 3 3、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺、金刚石钻进工艺 4 4 4 4、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺、钢粒钻进工艺 5 5 5 5、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺、牙轮钻进工艺 6 6 6 6、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺、全面钻头钻进工艺国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21
2、中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 一、钻进效果指标一、钻进效果指标（一）（一）概述概述1、钻进效果指效果指标的定的定义是衡量钻进速度、钻进成本、钻进质量的经济技术指标。钻进速度、钻进成本、钻进质量之间有着密切的联系。2、钻进效果指效果指标内容内容 钻速、每米钻孔成本、岩矿心采取率和钻孔弯曲等。不可控不可控影响因素因素（客观存在），地层岩性及其埋深等可控可控影响因素因素（可人工调节），钻头类型、冲洗液性能、钻压、转速和泵量等。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础
3、工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 （二）钻进速度（二）钻进速度 1 1、平均机械钻速、平均机械钻速（m/h）2、回次、回次钻速速 表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工表示从钻具开始下入钻孔，进行钻进，直到把钻具从钻孔提出的工序中（即一回次）单位时间的进尺。序中（即一回次）单位时间的进尺。t1辅助作业时间，钻进准备、起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长钻杆、卡取岩心、提钻准备、更换钻头及钻具等时间。随孔深的增加，回次钻速减小。熟练操作、优化钻进、实现钻具升降机械化、自动化是提高回次钻速的前提。（m/hm/h）岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩
4、土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 3.技术钻速技术钻速一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序、一台钻机在一个月期间内用于完成基本工序、辅助作助作业和其他补充作业的和其他补充作业的总时间与同期的钻进进尺总时间与同期的钻进进尺H之比。之比。技术钻速取决于机台工作的技术水平、各项工作的组织配合及技术措施等。 (m/h) T1一个月期间内消耗在固孔、测量孔斜、地球物理测井、孔内注浆、人工造斜等工作中的补充作业时间补充作业时间，h。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学
5、国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 4、经济钻速、经济钻速 在国外叫做商业钻速，表示一台钻机在一个月（季）可计入成本时间表示一台钻机在一个月（季）可计入成本时间（基本工序时间t 、辅助工序时间t1、补充作业时间T1和非生产工序所用的时间T2 ）与同期钻进进尺）与同期钻进进尺H 之比。之比。 (m/h) T2一个月（季）钻机安装、大修、处理孔内事故等非生非生产性作性作业的的时间，h。劳动组织、动力供给、物资供应、技术状况越好，特别是无事故，经济钻速就会越高。台月效率台月效率vB 3024。岩土钻掘工程学岩土
6、钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 5、循、循环钻速速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速循环钻速指的是从开孔到终孔整个生产大循环的平均钻速 (m/h) 式中：T3用于安装和拆卸钻塔、起拔套管、封孔等开孔准备和终孔作业的时间，h。 循环钻速表示钻探工程技术和组织管理、协调的总状态。它取决于经济钻速、安装及运输、基地的条件等。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻
7、进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 二、钻进规程二、钻进规程 （一）概述（一）概述 o钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，钻进规程是指为提高钻进效率、降低成本、保证质量所采取的技术措施，通常指可由操作者人为改变的参数组合。通常指可由操作者人为改变的参数组合。o在回转钻进中主要的钻进参数有：钻压、钻具转速、冲洗介质的品质、单位时间内冲洗介质的消耗量等工艺参数。o生产中有不同的钻进规程：最优规程、合理规程、专用规程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与
8、钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 （二）钻进规程的类型（二）钻进规程的类型1、最、最优规程程o在在一定一定地地质条件和条件和钻进方法方法下下，为保保证钻孔孔质量量，获取最高取最高钻速或最低速或最低钻进成本而成本而选择的的钻进参数搭配叫最参数搭配叫最优规程。程。o每米钻进总成本每米钻进总成本(元元/m)oCb钻头价格；钻头价格；Cr钻机单位时间费用；钻机单位时间费用；H钻头进尺。钻头进尺。o变换得： (元/m)ovm机械钻速，m/h；t纯钻时间，h；o k =t1/t、K1=T1 /t 、K2=T2 /t；岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/2
9、1中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o对对于于一一定定的的钻钻孔孔、设设备备和和孔孔深深，k、K1、K2基基本本上上为为一一经经验验值值。依依据据C=f（vm），求求出出对对应应于于最最低低成成本本Cmin的的最最优优钻钻速速vm优优，并并由由此此可可确确定定最最优优的的钻压、转速等规程参数。钻压、转速等规程参数。2 2、合理规程、合理规程 在给定条件下，当规程参数选择受到某种制约时（例如设备功率不足，钻具强度不够、冲洗液泵量不足等），在保证钻孔质量的同时争取最大钻速的钻进参数组合叫做合理规程。3、专用用规程程 为完成特种取心，纠斜，
10、定向钻进等任务所采用的参数组合称为专用规程。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 三、钻进过程中各参数间的基本关系三、钻进过程中各参数间的基本关系 1、钻压对钻速的影响速的影响o实际钻压=给进力力(钻具具质量量+正正或或负的的机机械械施施加加力力)-(冲冲洗洗液液浮浮力力+孔孔内内摩摩擦阻擦阻)。常用的表示钻压的方法：（1）钻压P整个钻头上的轴向载荷，受钻头类型、口径和切削具数量影响，可比性较差； （2 2）钻钻头头唇唇面面比比压压p p切削具与岩石接触
11、单位面积上的轴向载荷，涵盖了钻头口径和类型的影响，可比性较好。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o钻压在在很很大大的的变化化范范围内内与与钻速速近近似似成成线性性关关系；系；oa a点之前，点之前，钻压太低，太低，钻速很慢；速很慢；ob b点点之之后后，钻钻压压过过大大，甚甚至至切切削削具具完完全全吃吃入入岩岩层层，孔孔底底冷冷却却和和排排粉粉条条件件恶恶化化，钻钻头头磨磨损损也也加加剧，钻进效果变差剧，钻进效果变差o钻速速:vm（P-W）,式式
12、中中Wab线线在在钻钻压压轴轴上上的的截截距距，相相当当于于切切削削具具开开始始压压入入地地层层时时的的钻钻压压。在石油钻井中称为门限钻压，取决于岩层性质。在石油钻井中称为门限钻压，取决于岩层性质。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 2、转速对钻速的影响、转速对钻速的影响o钻软、塑塑性性大大、研研磨磨性性小小的的岩岩层层时时（曲曲线线），钻钻速速vm与与转转速速n基基本本呈呈线线性性关关系；系；o钻中硬、研磨性较小的岩层时（曲线钻中硬、研磨性较小的岩层
13、时（曲线），钻速），钻速vm与与n开始呈开始呈直直线关关系系，但但随随着着n继续增增大大而而逐逐渐变缓，转速愈高，速愈高，钻速增速增长愈慢；愈慢；o钻钻中中硬硬、研研磨磨性性强强的的岩岩层层（曲曲线线），开开始始类类似似于于曲曲线线，但但vm随随n增增大大而而增增大大的的速速率率缓缓慢慢，当当超超过过某某个个极极限限转转速速n0后后，钻钻速速还还有有下下降降的的趋趋势。势。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 o在其他在其他钻进参数保持不参数保持不变的情
14、况下，的情况下，钻速可表述速可表述为 vmn 为转速指数，一般小于为转速指数，一般小于1 1，其数值大小与岩性有关。，其数值大小与岩性有关。3、切削具的磨、切削具的磨损对钻速的影响速的影响 在在钻钻进进中中随随着着切切削削具具的的磨磨钝钝，若若此此时时钻钻值值保保持持不不变变，则则机机械械钻钻速速v也也必必然然逐渐下降。实质是钻头唇面比压逐渐下降。实质是钻头唇面比压p下降引起的。下降引起的。 4、水力因素、水力因素对钻速的影响速的影响o一定钻速下，单位时间钻出的岩屑量一定，需要一定的水水功功率率才能完全清除，低于这个水功率值，孔底净化就不完善，则钻速降低。o软岩：高于这个水功率值水力参加破岩，
15、机械钻速升高。但水浮力增加，对钻速的提高会造成不利影响(硬岩层中)。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 q对孕镶和自磨式钻头，若遇到弱研磨性岩石弱研磨性岩石，为保持钻头自锐保持钻头自锐能力，必须在孔底保存一定的岩粉在孔底保存一定的岩粉，过大的水功率将导致钻速下降，甚至抛光钻头。5、冲洗液性能对钻速的影响、冲洗液性能对钻速的影响5.1冲洗液密度冲洗液密度对钻速的影响速的影响o冲洗液密度决定着孔内液柱压力与地层孔隙压力之间的压差o孔底压差对刚破碎的岩屑有
16、压持作用，阻碍孔底岩屑及时清除，压差增大将使钻速明显下降。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第一节第一节钻进效果指标与钻进规程参数钻进效果指标与钻进规程参数 5.2冲洗液粘度冲洗液粘度对钻速的影响速的影响其他条件一定时，冲洗液粘度的增大,将使孔底压差增大，浮力增大，并使孔底钻头获得的水功率降低，从而使钻速降低。5.3冲洗液固相含量及其分散性冲洗液固相含量及其分散性对钻速的影响速的影响o固相含量、固相颗粒的大小和分散度对钻速对钻进速度有明显影响。o固相含量相同时，分散性冲洗液比不分散冲洗液的钻速低。o固相含量越少，两
17、者的差别越大。一般应用固相含量4%的不分散冲洗液。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。重点是磨锐式硬质合金钻头钻进，自磨式强调异同点。 一、钻头压力的选择一、钻头压力的选择o钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图钻压是决定硬质合金钻头机械钻速的最重要参数。在图5-1中，中，a点继续增点继续增加钻压，其钻速将呈直线增长。加钻压，其钻速将呈直线增长。o不同岩石钻压增大一倍时钻速增长率是不同的。不同岩石钻压增大一倍时钻
18、速增长率是不同的。q 中硬中硬硬（硬（级）岩石最敏感。级）岩石最敏感。q 级岩石钻压过大，孔底排粉冷却条件恶级岩石钻压过大，孔底排粉冷却条件恶化，阻碍钻速成比例上升；化，阻碍钻速成比例上升；q 级岩石不宜硬合金钻进，在钻杆强度范级岩石不宜硬合金钻进，在钻杆强度范围内钻压不能使钻速直线增长。围内钻压不能使钻速直线增长。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o应充分发挥切削具初刃的切入优势。硬质合金钻进开始时就应以允许的最大初始钻压钻进。等切削具磨钝后，再增大钻压也不可能获得
19、好的钻效。o从两个方面分析增加钻压的意义：岩石方面岩石方面钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加钻压是产生体积破碎的决定性因素，尤其在中硬岩层中增加钻压对提高钻速更为有效；钻压对提高钻速更为有效；在切削具方面在切削具方面初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的初始钻压应取合理的最大值，以充分发挥切削具初刃的优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。优势。随着切削具被磨钝，应逐渐补充钻压。但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于但在钻进过程中频繁调整钻压可能导致岩心堵塞及钻孔弯曲。同时，由于孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较
20、大孔内钻柱的振动等原因，钻头上的实际瞬时钻压值与地表的测量值有较大差距。差距。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o实际生产中首先选择每颗切削具上的压力值p，然后根据钻速的变化情况适时调整。岩石越硬、研磨性越强，p值取上限；粘性软岩取小值；裂隙地层也应取小值。钻头上的总压力为 P总总=pmYG8硬质合金切削具的单位压力推荐值 岩岩 层层切削具形状切削具形状单位压力推荐值单位压力推荐值p (kN/颗颗) 级软级软-部分中硬岩石部分中硬岩石片片 状状0.400.70级中硬
21、级中硬-部分硬岩石部分硬岩石方柱状方柱状中八角柱状中八角柱状大八角柱状大八角柱状0.801.200.901.401.501.80研磨性大的岩石研磨性大的岩石方柱状方柱状中八角柱状中八角柱状1.201.401.201.70岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 二、钻头转速的选择二、钻头转速的选择( (必须考虑岩性和时间因素的影响必须考虑岩性和时间因素的影响) ) o由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学，由于钻头直径不一，切削具的运动以线速度更为科学， (m/s) q
22、钻钻软软岩岩转转速速的的效效果果最最显显；而而另另两两类类岩岩石石由由于于破破岩岩时时间间效效应应影影响响显显著著，故故钻速随转速而增大的趋势下降。钻速随转速而增大的趋势下降。o时时间间效效应应岩岩石石在在切切削削具具作作用用下下，从从发发生生弹弹性性变变形形- -形形成成剪剪切切体体- -跳跳跃跃式式吃吃入入一一定定深深度度，需需要要一一短短暂暂时时间间。切切削削具具要要在在岩岩面面停停留留短短暂暂时时间间t，使使裂裂隙发育至自由面形成剪切体。隙发育至自由面形成剪切体。o如如果果转转速速超超过过临临界界值值( (nn0) ) 切切削削具具作作用用于于岩岩面面时时间间t，裂裂隙隙尚尚未未发发育
23、育载荷便移走了，造成表面破碎。载荷便移走了，造成表面破碎。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 硬质合金切削具的线速度推荐值硬质合金切削具的线速度推荐值岩岩 石石 性性 质质 线速度取值范围线速度取值范围(m/s) 软的、弱研磨性岩石软的、弱研磨性岩石1.21.6中硬的、具有研磨性的岩石中硬的、具有研磨性的岩石0.91.2中硬中硬硬的研磨性岩石硬的研磨性岩石0.60.8裂隙性岩石裂隙性岩石0.30.6岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程20
24、24/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 三、冲洗液泵量及其性能的选择三、冲洗液泵量及其性能的选择 o冲冲洗洗液液的的排排粉粉、冷冷却却、润润滑滑和和护护壁壁诸诸功功能能中中，以以排排粉粉所所需需的的泵泵量量最最大大，故故以此为依据来选择泵量。以此为依据来选择泵量。o液液流流的的阻阻力力与与流流速速平平方方成成正正比比，如如泵泵量量过过大大引引起起的的孔孔底底脉脉动动举举离离力力将将抵抵消消一一部部分分钻钻压压；造造成成在在岩岩心心管管内内、外外环环间间隙隙中中流流速速过过高高，可可能能冲冲毁毁岩岩心心或或孔壁。孔壁。o合理的泵量值应在满足排粉前
25、提下兼顾其他工艺因素。合理的泵量值应在满足排粉前提下兼顾其他工艺因素。(L/min)岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 o孔孔内内岩岩屑屑颗颗粒粒的的上上返返速速度度主主要要取取决决于于液液流流的的上上返返流流速速、冲冲洗洗液液的的性性能能、岩岩屑颗粒尺寸及其密度。屑颗粒尺寸及其密度。o清水冲洗时，液流上升速度取清水冲洗时，液流上升速度取0.250.250.6m/s0.6m/s；o泥浆冲洗液时，液流上升速度取泥浆冲洗液时，液流上升速度取0.200.200.5m/s0.5
26、m/s。o为提提高高钻速速，在在可可能能的的条条件件下下应尽尽量量选用用清清水水作作冲冲洗洗液液；若若用用泥泥浆其其粘粘度度和密度和密度值宜小不宜大，并尽量用低固相不分散泥宜小不宜大，并尽量用低固相不分散泥浆。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 四四、P、n、Q参数间的合理配合参数间的合理配合在实际钻进中在实际钻进中P、n、Q都不是单独起作用，存在交互影响。都不是单独起作用，存在交互影响。q软岩研磨性小易切入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻软岩研磨性小易切
27、入，应重视及时排粉延长钻头寿命，应取高转速、低钻压、大泵量的参数配合；压、大泵量的参数配合；q研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应研磨性较强的中硬及部分硬岩，为防止切削具早期磨钝保持较高钻速，应取大钻压、较低转速、中等泵量；取大钻压、较低转速、中等泵量；q中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。中等研磨性中软岩，应取两者参数配合的中间状态。q定性分析的原则是：钻进定性分析的原则是：钻进级及以下岩层，以较高转速为主；钻进级及以下岩层，以较高转速为主；钻进级级及以上岩层，应以较大的钻压为主。及以上岩层，应以较大的钻压为主。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学
28、岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 五、最优回次钻程时间的确定五、最优回次钻程时间的确定 1.1.思路原理思路原理q磨锐式钻头的瞬时钻速随切削具磨钝而递减。当当瞬瞬时时钻钻速速下下降降到到什什么么程程度度起钻换钻头最好？起钻换钻头最好？q确定最佳回次钻程时间的标准是回次钻速达最大值。q钻头在t时间内的累计进尺H为：q代入到回次平均钻速计算公式中，可以得到： 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺
29、 q令 ，可求出最优回次钻程时间：，代入上式得最最优优回回次钻速为：次钻速为：q据瞬时钻速vm与进尺H的关系( )，代入t0，可求出此时的瞬时钻速为：瞬时钻速为：q在在t0时时刻刻，瞬瞬时时钻钻速速与与回回次次钻钻速速正正好好相相等等。这便为在现场用绘图法确定最佳钻程时间t0提供了理论依据。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 2.作图法确定最优回次钻程时间作图法确定最优回次钻程时间q利利用用瞬瞬时时钻钻速速vm-t 和和 vR-t 两两曲曲线线的的交交点点来来确确定定t
30、0。在在钻钻进进中中，随随时时计计算算vmH/t，vR=H/(t+T)。当当两两者者相相等等时时，此时间即为最优钻程时间此时间即为最优钻程时间t0。q用用回回次次进进尺尺曲曲线线的的切切点点来来确确定定t0 。起起下下钻时间为T，令令OAT。当当斜斜率率直直线线AB与与H-t相相切切时时，tg为为最最大大值值，即即vR为为最最大值。切点对应的时间为大值。切点对应的时间为t0 。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 3.自动确定最佳钻程时间的方法自动确定最佳钻程时间的方法o在
31、有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每在有钻参仪的情况下，钻进过程中定期检测进尺量，每7s由微机计算一次由微机计算一次瞬时钻速和回次钻速，按不等式瞬时钻速和回次钻速，按不等式vR /vmCm (Cm取值取值1.11.2)判断是否需要终止回次钻程。判断是否需要终止回次钻程。o若不等式能满足，则钻进过程处于图若不等式能满足，则钻进过程处于图5-6中中t0点左边或刚过，可继续钻进。点左边或刚过，可继续钻进。如果不满足，说明已稳定地超过如果不满足，说明已稳定地超过t0点。点。o为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察为了防止偶然因素造成的假象，还需继续观察5min。这时微机系统给一个。这时微机
32、系统给一个钻压增量钻压增量P，观察瞬时钻速，观察瞬时钻速vm是否继续增大而重新满足不等式是否继续增大而重新满足不等式，同时每，同时每秒测算一次秒测算一次Cm值，如果不满足不等式的次数达值，如果不满足不等式的次数达60%，则发出，则发出“起起钻钻”的的命令。命令。o应用该方法曾使回次钻速提高了应用该方法曾使回次钻速提高了10%20%。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第二节第二节硬质合金钻进工艺硬质合金钻进工艺 六、自磨式硬质合金钻头的规程特点六、自磨式硬质合金钻头的规程特点 o自自磨磨式式与与磨磨锐式式钻头的的主主
33、要要区区别：接接触触面面积恒恒定定，回回次次进尺尺较长，以以磨磨削削和微剪切碎岩和微剪切碎岩为主，要求切削具主，要求切削具能自磨出刃。能自磨出刃。（1）钻压：与岩石的接触面：与岩石的接触面积大，大，总钻压应大于磨大于磨锐式式2025%；（2）转速速：由由破破岩岩机机理理，必必须采采用用比比磨磨锐式式更更高高的的转速速，以以提提高高单位位时间的的破岩次数；破岩次数；（3）泵泵量量：可可以以采采用用比比磨磨锐锐式式略略小小的的泵泵量量，但但为为了了充充分分冷冷却却（转转速速较较高高）和和避避免免重重复复破破碎碎，应应尽尽量量采采用用大大泵泵量量。随随着着胎胎块块的的磨磨耗耗，过过水水断断面面减减小
34、小需需及及时调小泵量，以防蹩泵。时调小泵量，以防蹩泵。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 一、合理一、合理选择金金刚石石钻头o金金刚石石钻进中所中所选用的用的钻头必必须和所和所钻的岩性相适的岩性相适应。o尤其是孕镶金刚石钻头的结构参数较为复杂，选择时应根据所钻岩层尤其是孕镶金刚石钻头的结构参数较为复杂，选择时应根据所钻岩层性质综合考虑到金刚石性质综合考虑到金刚石 品级、胎体性能（保证钻头自锐）、唇面形状、品级、胎体性能（保证钻头自锐）、唇面形状、内外径补强和水路设计等因素。
35、内外径补强和水路设计等因素。 二、金刚石钻进规程参数二、金刚石钻进规程参数 评定金刚石钻进规程的主要依据是：钻速、钻头总进尺和评定金刚石钻进规程的主要依据是：钻速、钻头总进尺和单位进尺的金刚石耗量三个指标。单位进尺的金刚石耗量三个指标。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 1.钻压钻压o金金刚刚石石钻钻进进分分：表表面面研研磨磨破破碎碎、疲疲劳劳破破碎、体积破碎碎、体积破碎o随随钻钻压压的的增增加加，单单位位进进尺尺的的金金刚刚石石耗耗量量也也增增长长很很快快。过过大大的的钻钻
36、压压使使金金刚刚石石耗耗量量急剧增大，导致钻速下降。急剧增大，导致钻速下降。o钻钻压压值值应应选选择择在在最最优优区区内内。具具体体选选择择钻钻压压时时，可可根根据据岩岩石石硬硬度度、金金刚刚石石的的抗抗压压强度和钻头的类型等因素确定。强度和钻头的类型等因素确定。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 1.1表镶金刚石钻头的钻压表镶金刚石钻头的钻压P根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压：根据岩石硬度、金刚石的抗压强度确定钻压： P =m p（N）m工作金工作金刚石的粒数石的粒
37、数=总粒数的粒数的2/33/4；p单粒金刚石压力，单粒金刚石压力，N/粒粒.o细细粒粒金金刚刚石石：p11.5dN/粒粒；中中粒粒金金刚刚石石：p1.52dN/粒粒；粗粗粒粒金金刚刚石石：p23dN/粒；特优质级金刚石：粒；特优质级金刚石：p5dN/粒粒.1.2孕镶金刚石钻头的钻压孕镶金刚石钻头的钻压Wo孕孕镶钻头金金刚石石粒粒多多、刃刃小小，钻压对金金刚石石强强度度的的影影响响降降为次次要要因因素素，主主要要应根据岩石的性根据岩石的性质确定确定钻压W=Fq（N）oF钻头实际面面积,mm2；q单位面积压力。单位面积压力。o中硬岩石中硬岩石45N/mm2；坚硬或高质量金刚石；坚硬或高质量金刚石6
38、7N/mm2。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3、选择和施加和施加钻压时还应注意以下几点：注意以下几点： （1）岩石性）岩石性质。软岩层或破碎、非均质岩层宜选下限钻压； （2）金）金刚石。石。金刚石质量好、数量多、粒度大时，宜选用上限钻压，反之，则取下限钻压； （3）钻头类型。型。钻头直径大、壁厚、岩石接触面积大时，宜选用上限钻压。（4）注意新）注意新钻头与孔底的磨合。与孔底的磨合。在磨合阶段应使用低钻压、低转速，使钻头唇面形状与孔底及岩心根部逐渐相吻合。 （5）孔底实
39、际钻压。孔底实际钻压。钻孔弯曲、泵压的脉动和岩性不均质造成钻具振动，使孔底实际的瞬时动载可能是地表仪表指示钻压的03倍。因此，对于深孔、斜孔和非均质岩层应取较小的钻压。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 2.转速转速q转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速与金刚石磨损的关系比较复转速是影响金刚石钻头钻速的重要因素，转速与金刚石磨损的关系比较复杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨杂，若其他条件不变，钻头转速存在着临界值，即在某一转速下金刚石磨损量最
40、小。损量最小。2.1表镶金刚石钻头的线速度表镶金刚石钻头的线速度q表镶金刚石粒度较大出刃也较大，允许有较大的切入量，转速应低于孕镶表镶金刚石粒度较大出刃也较大，允许有较大的切入量，转速应低于孕镶钻头。推荐的线速度为钻头。推荐的线速度为12m/s。2.2孕镶金刚石钻头的线速度孕镶金刚石钻头的线速度q孕镶金刚石粒度很小（一般粒径孕镶金刚石粒度很小（一般粒径0.2mm）出刃微小，主要靠高转速来获取）出刃微小，主要靠高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为钻进效率。推荐的线速度为1.53m/s。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程
41、系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速表镶和孕镶金刚石钻头适用的转速单位：单位：r/min钻头直径钻头直径(mm) 364659(56)6675(76)91表镶钻头表镶钻头65013005001000400800350650300550250500孕镶钻头孕镶钻头10002000750150060012005001000400850350700选择合理转速时：选择合理转速时：(1)岩性。如岩层破碎、软硬不均、孔壁不稳，宜选下限转速。岩性。如岩层破碎、软硬不均、孔壁不稳，宜选下限转速。(2)钻孔。如钻孔结构简单、环空小、孔深不大，应选高转速。钻孔。如钻孔结构
42、简单、环空小、孔深不大，应选高转速。(3)设备和钻具。实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转设备和钻具。实际工作中常因钻机的能力和钻杆柱的质量限制了选用高转速。速。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3.冲洗液泵量冲洗液泵量q在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起润滑钻具、帮在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起润滑钻具、帮助孕镶钻头自锐的作用。助孕镶钻头自锐的作用。qQ=6vF(L/min)。v环空上返流速，要求环空上返流速，要
43、求v0.30.5m/s。q金刚石钻头环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不仅增大工作泵金刚石钻头环隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔压，容易冲蚀孔壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡。q泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。例如，钻进中突然钻速降低而泵压泵压是反映孔底工况的敏感参数之一。例如，钻进中突然钻速降低而泵压猛增时，可能是发生岩心堵塞或猛增时，可能是发生岩心堵塞或“烧钻烧钻”的预兆；泵压逐渐下降则可能是的预兆；泵压逐渐下降则可能是钻杆裂纹并正在逐渐扩大。钻杆裂纹并正在逐渐扩大。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学
44、岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 选择冲洗液量时应考虑以下因素：选择冲洗液量时应考虑以下因素：q岩性：岩性：坚硬致密岩岩粉量少，选择下限泵量；强研磨性岩，摩擦功较大需大泵量冷却，但防止冲蚀胎体使金刚石脱落。q钻头：钻头：孕镶出刃微小，多水口循环，高转速，宜用较大泵量防烧钻。表镶出刃较大，排粉和冷却较好，可选较小泵量。q防烧钻防烧钻(尤其孕镶尤其孕镶)：试验表明，满足冷却胎体只需每厘米钻头直径0.20.3L/min就可。但转速为800r/min，钻头唇面压力为10MPa时，钻头每转一圈胎体温升1.73C
45、。所以钻进中冲洗液停止循环12min，便可能造成烧钻的恶性事故。q金刚石钻进常用泵量值:钻头3691(mm) 泵量2070(L/min)岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 三、金刚石钻进的临界规程三、金刚石钻进的临界规程在临界规程在临界规程下钻头胎体急剧温升，功耗剧增，甚至烧钻。1、胎体温度与、胎体温度与钻压P和和转速速n的关系的关系q当Pn达临界值胎体温度由100200C急升至600700C对具体岩石而言Pn的临界值基本上是常量。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学
46、岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 2、功耗、机械、功耗、机械钻速与速与钻进规程的关系程的关系q钻进功耗、机械钻速也与临界规程有直接关钻进功耗、机械钻速也与临界规程有直接关系。系。q规律与胎体温升的趋势一致，与胎体温升同规律与胎体温升的趋势一致，与胎体温升同步进入临界状态，在同一临界值，功耗、机步进入临界状态，在同一临界值，功耗、机械钻速激增。械钻速激增。q用孕镶金刚石钻头钻进某花岗岩时，最高钻用孕镶金刚石钻头钻进某花岗岩时，最高钻速不得超过临界值速不得超过临界值37mm/min，否则将出现，否则将出现胎体温度剧增的
47、严重后果。胎体温度剧增的严重后果。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 3、胎体温度与冲洗液的关系、胎体温度与冲洗液的关系q试验表明，当钻进过程进入临界状态后，冲洗液的冷却效果有限度，单纯依靠增大泵量不解决问题。q表5-8数据表明泵量增大一倍时，胎体温度和功率消耗虽有某种程度的降低，但并不能使钻进过程从临界转为正常规程。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺
48、 4、钻头磨磨损与与钻进规程的关系程的关系q当由正常规程转入临界规程时，钻头当由正常规程转入临界规程时，钻头磨耗都是突然急剧增大。磨耗都是突然急剧增大。q曲线曲线的磨耗量比曲线的磨耗量比曲线高高3倍，可能倍，可能是生产条件下孔内动载使金刚石强度是生产条件下孔内动载使金刚石强度和胎体硬度降低。和胎体硬度降低。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第三节第三节金刚石钻进工艺金刚石钻进工艺 综上所述，可以得出两点上所述，可以得出两点结论：（1）金）金刚石石钻进，每种岩石都存在，每种岩石都存在临界界规程，其程，其Pn值基本
49、是个常数；基本是个常数；P和和n之之间存在着明存在着明显的交互影响，必的交互影响，必须同同时考考虑它它们的取的取值；进入入临界界规程程的主要表的主要表现是胎体温度急升，是胎体温度急升，钻头严重磨耗，重磨耗，虽然此然此时钻速也很高，但速也很高，但可能可能导致致烧钻。因此，必。因此，必须保保证钻进生生产工工艺处在小于在小于临界界规程的状程的状态下。下。（2）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。）钻进中胎体温度和钻头磨耗是重要的孔内工况指标，但不便于测量。而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，因此可通过测量钻进功而功耗是同步进入临界规程，便于在地表检测，因此可通过测量钻进
50、功率来判断钻进过程是否正常。率来判断钻进过程是否正常。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 一、影响钢粒钻进效果的因素一、影响钢粒钻进效果的因素1.钢粒规格对钻进效果及质量的影响钢粒规格对钻进效果及质量的影响q钢粒粒度大要求钢粒钻头的壁厚加大，导致岩心过细，孔径扩大，对取心钢粒粒度大要求钢粒钻头的壁厚加大，导致岩心过细，孔径扩大，对取心和防斜不利。和防斜不利。q常用直径常用直径3mm的切制钢粒，钻头壁厚为粒径的的切制钢粒，钻头壁厚为粒径的34倍。倍。2.钻头硬度和水口形状的影响
51、钻头硬度和水口形状的影响q为了有效地带动钢粒在孔底翻滚破岩，要求钻头与钢粒之间有水平联系力。为了有效地带动钢粒在孔底翻滚破岩，要求钻头与钢粒之间有水平联系力。这种联系力靠钻头唇面的变形和摩擦。联系力应大于钢粒翻滚时的阻力。这种联系力靠钻头唇面的变形和摩擦。联系力应大于钢粒翻滚时的阻力。q钻头底唇硬度应略低于钢粒硬度，才能带动钢粒翻滚。钻头底唇硬度应略低于钢粒硬度，才能带动钢粒翻滚。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 选择钢粒钻头水口形状的原则选择钢粒钻头水口形状的原则q具有良好
52、的具有良好的“导砂导砂”性能，能保持较稳定的孔底过水断面；性能，能保持较稳定的孔底过水断面；q钻头磨损后唇面压砂面积变化幅度较小，水口加工方便。钻头磨损后唇面压砂面积变化幅度较小，水口加工方便。q双斜边和双弧形水口有利于顺利导砂，在水口高度磨短后，钻头唇面面积双斜边和双弧形水口有利于顺利导砂，在水口高度磨短后，钻头唇面面积变化相对较小，可保持轴向压力基本不变。变化相对较小，可保持轴向压力基本不变。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 二、钢粒钻进的规程选择二、钢粒钻进的规程选择q
53、钢粒钻进要求孔内有一定量的钢粒，规程中除钢粒钻进要求孔内有一定量的钢粒，规程中除P、n、Q外，还包括投砂方外，还包括投砂方法与投砂量两个规程参数。法与投砂量两个规程参数。1.投砂方法及投砂量投砂方法及投砂量1.1一次投砂法一次投砂法q回次开始前，把回次进尺所需要的钢粒一次投入孔内。回次开始前，把回次进尺所需要的钢粒一次投入孔内。q投砂量取决于岩性和回次长短。投砂量取决于岩性和回次长短。q投砂量不足将造成钻速低、钻孔缩径，挤卡钻具的事故。投砂量不足将造成钻速低、钻孔缩径，挤卡钻具的事故。q投砂过多不利于排粉和孔底的钢粒分选，也影响钻速和取心质量。投砂过多不利于排粉和孔底的钢粒分选，也影响钻速和取
54、心质量。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 估算钻进估算钻进级岩石的一次投砂量级岩石的一次投砂量G=KD(kg)1.2结合投砂法结合投砂法q回次开始前先投入所需钢粒的回次开始前先投入所需钢粒的50%60%，待到确认孔底钢粒已消耗得，待到确认孔底钢粒已消耗得差不多时，再从钻杆中分差不多时，再从钻杆中分12次补投其余的钢粒。次补投其余的钢粒。q可钻性达可钻性达、级或强研磨性岩石宜采用结合投砂法可适当延长回次纯级或强研磨性岩石宜采用结合投砂法可适当延长回次纯钻进时间。钻进时间。 岩土
55、钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 2.钻压的选择钻压的选择q钻压是孔底碎岩的必要条件，并影响碎岩方式；是孔底碎岩的必要条件，并影响碎岩方式；q钻压是是钻头牵动钢粒粒联系力的主要依据。系力的主要依据。总的钻压值总的钻压值q实践证明，随着单位压力增大机械钻速上升，但当达实践证明，随着单位压力增大机械钻速上升，但当达pmax值后，钢粒可能值后，钢粒可能被压碎或被压碎或“嵌入嵌入”钻头唇面，钻速明显下降。钻头唇面，钻速明显下降。q影响影响pmax的因素：钢粒钻头唇面硬度的因素：钢粒钻头唇
56、面硬度、钢粒强度、岩石可钻性和钻头转速。、钢粒强度、岩石可钻性和钻头转速。岩石愈硬，钢粒相对强度和耐磨能力岩石愈硬，钢粒相对强度和耐磨能力，则所需的则所需的pmax也也；随转速加快钢；随转速加快钢粒在孔底翻滚频率粒在孔底翻滚频率，对提高钻速有利，所以，当转速较快时，对提高钻速有利，所以，当转速较快时pmax值值。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 3. 3. 转速的选择转速的选择 q钢粒在孔底翻滚受到孔壁和岩心限制，其速度滞后于钻头的线速度。钢粒在孔底翻滚受到孔壁和岩心限制，其速
57、度滞后于钻头的线速度。q钢粒钻进主要用于脆性岩石，破岩的时间效应不明显，钢粒可在孔底自动钢粒钻进主要用于脆性岩石，破岩的时间效应不明显，钢粒可在孔底自动分选与补给。所以可采用较高转速。分选与补给。所以可采用较高转速。q实践证明，只要钻头外环状空间钢粒柱的高度不小于水口高度，水口又能实践证明，只要钻头外环状空间钢粒柱的高度不小于水口高度，水口又能保证及时导砂，则适当提高转速不会出现保证及时导砂，则适当提高转速不会出现“高转速的离心力会把钢粒甩出钻高转速的离心力会把钢粒甩出钻头唇面头唇面”。q选择转速应综合考虑钻头口径、钢粒的强度、孔深和钻杆强度等因素。其选择转速应综合考虑钻头口径、钢粒的强度、孔
58、深和钻杆强度等因素。其中钢粒的相对抗压碎强度与岩石硬度及孔底的脉动频率有关，所以在坚硬中钢粒的相对抗压碎强度与岩石硬度及孔底的脉动频率有关，所以在坚硬岩石中宜采用较低的转速。岩石中宜采用较低的转速。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 110mm钢粒钻头的转速选择参考表钢粒钻头的转速选择参考表岩石级别岩石级别孔深孔深(m)02002004004000300300转速转速(r/min)(r/min)1802501801401801801501804.泵量的选择泵量的选择 q钢粒钻进
59、泵量除了排粉、冷却的功能外，还在孔底钢粒的补给、分选中起钢粒钻进泵量除了排粉、冷却的功能外，还在孔底钢粒的补给、分选中起主要作用。主要作用。q泵量存在着最优值。若不足无法正常地排屑和碎钢粒，使完整钢粒的翻滚泵量存在着最优值。若不足无法正常地排屑和碎钢粒，使完整钢粒的翻滚阻力增大，甚至较少接触孔底，故钻速很低。阻力增大，甚至较少接触孔底，故钻速很低。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 q泵量过大，会把孔底完整钢粒冲上来，既破坏了钻头唇面附近钢粒动平衡，泵量过大，会把孔底完整钢粒冲
60、上来，既破坏了钻头唇面附近钢粒动平衡，又将加剧岩心管的磨损，导致钻速下降甚至酿成岩心管折断或钢粒卡钻的又将加剧岩心管的磨损，导致钻速下降甚至酿成岩心管折断或钢粒卡钻的恶性事故。恶性事故。q泵量的选择取决于岩性、钢粒规格、钻头直径、水口尺寸、钻压和转速的泵量的选择取决于岩性、钢粒规格、钻头直径、水口尺寸、钻压和转速的大小、冲洗液性能及一次投砂量等因素。大小、冲洗液性能及一次投砂量等因素。 Q=q0D(L/min)q清水清水q0=35L/mincm，泥浆时，泥浆时q0=1.53L/mincm。岩石级别较高、。岩石级别较高、钻头钻头水口较小、钻压较低、转速较高、孔底存砂量较少时取下限，反之亦然水口较
61、小、钻压较低、转速较高、孔底存砂量较少时取下限，反之亦然。q生产中随进尺增加水口将逐渐被磨短，水口处的流速加快；这时孔底钢粒生产中随进尺增加水口将逐渐被磨短，水口处的流速加快；这时孔底钢粒也被磨小，钻头处工作钢粒数量减少。因此，在整个回次钻程中应分段逐也被磨小，钻头处工作钢粒数量减少。因此，在整个回次钻程中应分段逐次改小泵量，称为次改小泵量，称为“改水改水”。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 三、钻进规程合理性的判断三、钻进规程合理性的判断 1、根据、根据钻头磨磨损的情况判断的
62、情况判断（1）正常磨损的钻头，其底唇呈圆弧形麻痕均匀，说明投砂量和冲洗液恰当。（2）钻头底唇面光滑明亮、没有麻痕，说明钻头下面没有钢粒。（3）钻头底端磨成喇叭口形，且内周没有麻痕。说明冲洗液量过大，钻头底内没有钢粒，直接与岩心摩擦。（4）钻头底磨成外锥形，锥面光滑。说明冲洗液量过小，钻头外周与岩粉和孔壁磨损所至。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第四节第四节钢粒钻进工艺钢粒钻进工艺 （5）钻头外麻痕过高超过水口，说明孔底钢粒偏多水量过大。麻痕高度基本上与水口齐平或略低于水口，则砂量正常，送水合适。2、根据岩心变化
63、情况判断、根据岩心变化情况判断（1）岩心直径上下基本一致，说明钢粒量和冲洗液掌握适当；（2）岩心直径过粗，说明冲洗液过大或孔底钢粒偏少；（3）岩心直径过细，说明冲洗液量过小，或孔底钢粒过多；（4）岩心粗细上下不均一，冲洗液时大时小或投砂不均所致；（5）岩心上细下粗，回次初投钢粒量多水小，回次末水偏大。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第五节第五节牙轮钻进工艺牙轮钻进工艺 一、牙轮钻进的钻速方程一、牙轮钻进的钻速方程q牙轮钻进钻速牙轮钻进钻速vm与钻压、转速、牙轮磨损、压差和水力因素间的关系式与钻压、转速、牙轮磨损
64、、压差和水力因素间的关系式(m/h)式中：式中：P钻压钻压kN；W门限钻压门限钻压kN；n转速转速r/min；K地层可钻性；地层可钻性；转速指数转速指数(1)(1)；C2与齿形和岩性有关的牙齿磨损系数；与齿形和岩性有关的牙齿磨损系数；CH孔底水力净化系数孔底水力净化系数CH1；CP差压影响差压影响系数系数CP1；h牙齿相对磨损量牙齿相对磨损量, ,新钻头新钻头h=0，全磨损全磨损h=1。qW、K、C2在岩性、钻头类型、冲洗液和水力参数一定时是常量，可通在岩性、钻头类型、冲洗液和水力参数一定时是常量，可通过现场钻进试验和钻头资料确定。过现场钻进试验和钻头资料确定。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土
65、钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第五节第五节牙轮钻进工艺牙轮钻进工艺 二、钻头磨损方程二、钻头磨损方程1.钻压对牙齿磨损速度的影响钻压对牙齿磨损速度的影响q牙齿磨损速度牙齿磨损速度式中式中: D1和和D2钻压影响系数与牙轮钻头尺寸有关。钻压钻压影响系数与牙轮钻头尺寸有关。钻压=D2/D1时，牙齿的磨时，牙齿的磨损速度无限大，即损速度无限大，即D2/D1是该钻头的极限钻压。是该钻头的极限钻压。2.转速对牙齿磨损速度的影响转速对牙齿磨损速度的影响q钻压一定时转速钻压一定时转速牙齿的磨损速度也牙齿的磨损速度也。式中：式中：Q1和和Q2由钻头类型决定
66、的系数。由钻头类型决定的系数。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第五节第五节牙轮钻进工艺牙轮钻进工艺3. 3. 牙齿磨损状态对牙齿磨损速度的影响牙齿磨损状态对牙齿磨损速度的影响 q楔形齿的面积将随着齿高的磨损不断增大，磨损速度也随着齿高的磨损而楔形齿的面积将随着齿高的磨损不断增大，磨损速度也随着齿高的磨损而下降。下降。q牙齿磨损速度方程牙齿磨损速度方程式中：式中：C1牙齿磨损减慢系数；牙齿磨损减慢系数；Af地层研磨性系数。地层研磨性系数。三、钻进方程中有关参数的确定三、钻进方程中有关参数的确定( (自习自习) )
67、四、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速确定四、钻头最优磨损量、最优钻压和最优转速确定 ( (自习自习) )五、水力参数的优选五、水力参数的优选( (自习自习) )岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 一、硬质合金全面钻头的规程选择一、硬质合金全面钻头的规程选择1、翼片（刮刀）式全面钻头的规程选择、翼片（刮刀）式全面钻头的规程选择（1）泵量量： Q =vF（L/min）（2）钻头转速速： n =120300（r/min）（3）轴向向载荷荷： P =qcmD（N）（4）大大直
68、直径径钻进为防防钻杆杆弯弯曲曲与与折折断断，在在钻柱柱的的下下部部加加接接钻铤的的合合理理长度度：h=kP/qT （m）k=1.251.4。q刮刀式钻头钻进时推荐的规程参数如表刮刀式钻头钻进时推荐的规程参数如表5-13所列。所列。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 2.2.干式螺旋钻的规程选择干式螺旋钻的规程选择2.1转速速q在长螺旋钻进中，钻屑是依靠钻杆旋转时的离心力甩到螺旋叶片外侧输送在长螺旋钻进中，钻屑是依靠钻杆旋转时的离心力甩到螺旋叶片外侧输送上来（主动），上来
69、（主动），否则只有被随后的钻屑推着向上走（被动），这容易造成堵塞。螺旋转速是关键参数。q临界界转速的概念速的概念 转速低钻屑的离心力小，孔壁对钻屑的摩擦力不足以使钻屑与叶片之间产生相对运动，钻屑只能随叶片旋转而不上升。转速增大，孔壁对钻屑的摩擦力也增大，转速超过某一临界值后，孔壁对钻屑的摩擦力足以使钻屑与螺旋叶片之间产生相对运动，钻屑就会上升。这称为临界临界转速。转速。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 （2）临界转速的计算）临界转速的计算q取单颗钻屑为研究对象，以临
70、界转速取单颗钻屑为研究对象，以临界转速nk（k）旋转时，颗粒随螺旋叶片旋转而不上升，钻屑旋转时，颗粒随螺旋叶片旋转而不上升，钻屑颗粒处于临界平衡状态。颗粒处于临界平衡状态。q受重力受重力mg，离心惯性力，离心惯性力F1，孔壁对颗粒的法向，孔壁对颗粒的法向反力（惯性力的反作用力），孔壁对颗粒的摩反力（惯性力的反作用力），孔壁对颗粒的摩擦力擦力Ftt，螺旋叶片对颗粒的全反力（用分力，螺旋叶片对颗粒的全反力（用分力Fsz和和Fsy表示）。表示）。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻
71、进工艺 q展开螺旋线，孔壁作用于颗粒的摩擦力Ftt水平方向，重力mg向下，螺旋面对颗粒的全反力Fs。由力多边形得出q因而q以代入，得代入，得临界界转转速速岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 (r/min)式式中中：R 钻孔孔半半径径，m；钻屑屑与与孔孔壁壁间的的摩摩擦擦系系数数，它它大大于于钻屑屑与与叶叶片片之之间的的摩摩擦擦系系数数；螺螺旋旋叶叶片片外外径径的的螺螺旋旋升升角角，度度； 钻钻屑屑与螺旋叶片之间的摩擦角，摩擦系数的反正切，摩擦系数为与螺旋叶片之间的摩擦
72、角，摩擦系数的反正切，摩擦系数为0.30.6。（3）实际转速速q为向上输土长螺旋实际转速应大于临界转速，为向上输土长螺旋实际转速应大于临界转速，n =Knk，K值值向上土速度向上土速度，但所需功率也越大。一般取，但所需功率也越大。一般取K=1.21.3。q对于短螺旋应对于短螺旋应 n nk。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 2.2 2.2 钻压钻压（1）根据工程地根据工程地质勘勘查标贯试验所得的所得的N值q当当N50时，=0.0122N；q当当N50时，=0.033N
73、；通常，取平均；通常，取平均值=0.023N。（2）根据土根据土层单轴抗抗压强强度确定度确定钻压P(kN)q长螺旋的螺旋的钻杆柱杆柱较重，重，钻进时孔壁孔壁对钻具也有一个向下的力具也有一个向下的力（像木螺（像木螺钉），再加上叶片上土的重力，），再加上叶片上土的重力，钻压较大。因此，大。因此，长螺螺旋旋钻一般是用减一般是用减压钻进。而短螺旋。而短螺旋钻一般一般应取加取加压钻进。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 三、金刚石全面钻头的合理使三、金刚石全面钻头的合理使用及规
74、程选择用及规程选择 1、钻进规程参数程参数 （1）钻压：）钻压：考虑到地层岩性和水力冲洗引起的孔底举离力。通常，全面钻进的比压比取心钻进的比压略大。不同地层、不同直径金刚石钻头的钻压值可按图5-14来选定。 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 （2）转速：速：理想的转速应尽可能高些，才能充分发挥金刚石钻进的效益。一般认为安全的转速为150300r/min。 （3 3）泵量：）泵量：泵量首先应满足环形空间最低上返流速度的要求，同时又要保证清洗孔底和冷却钻头的需要。图5-
75、15给出了不同直径钻头推荐采用的泵量范围， 岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 2、规程参数的选择、规程参数的选择（1）钻压值应当先当先选曲曲线的下限，随着金的下限，随着金刚石的磨石的磨钝逐逐渐增增大大钻压，但不宜超，但不宜超过曲曲线的上限。的上限。（2）通）通过估算或估算或查曲曲线得出的得出的钻压值还应加上孔内浮力和加上孔内浮力和举离力的影响才是离力的影响才是实际的的钻压值。（3）在地）在地层条件、条件、钻杆杆质量和量和设备能力允能力允许的条件下，的条件下，转速尽量
76、速尽量选取高限。在金取高限。在金刚石石钻头配合配合涡轮钻时（与（与设备能力无能力无关），关），已成功地用于已成功地用于6001100r/min，并取得良好效果。，并取得良好效果。 （4）泵量的选择还应考虑泥浆性能的影响，高密度泥浆选）泵量的选择还应考虑泥浆性能的影响，高密度泥浆选用其下限，低密度则选用其上限。用其下限，低密度则选用其上限。岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2024/7/21中国地质大学勘查与基础工程系 第六节第六节 全面钻头钻进工艺全面钻头钻进工艺 3、正常钻进前的准备工作、正常钻进前的准备工作 （1）冲排岩粉与修孔）冲排岩粉与修孔 下入金刚石钻头前，必须用带取粉管的硬质合金钻头修井，同时，用大泵量把孔底的大岩屑、碎金属等物冲上来，沉落在取粉管中。 （2）新）新钻头初磨初磨 新钻头的直径必须小于非修井钻头，并进行磨合钻进。初转速宜用4050r/min，初始钻压为正常钻压的1/8，约钻进0.150.2m后再转入正常钻进。
