钻探工程学.ppt

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钻钻探探工程学工程学n授课教师：

唐胜利教授授课教师：

唐胜利教授n参考教材：

参考教材：

马值侃主编.钻探工程学.中国矿业大学出版社，1998.鄢泰宁主编.岩土钻掘工程学.中国地质大学出版社，2001.张组培等编.岩土钻掘工程新技术.地质出版社，2003.韩广德主编.中国煤炭工业钻探工程学.煤炭工业出版社，2000.刘广志主编.金刚石钻探手册.地质出版社，1991.11/12/20221现代钻探技术目目录录u第一章概述u第二章岩心钻探设备u第三章钻探管材及常用工具u第四章岩石的物理力学性质及其碎岩的关系u第五章设备的安装与开孔u第六章硬质合金钻进u第七章钻粒钻进u第八章金刚石钻进u第九章冲击回转钻进u第十章岩煤心的采取u第十一章钻孔弯曲u第十二章钻孔冲洗和护壁堵漏u第十三章工程钻探u第十四章岩土钻掘工程新技术11/12/20222现代钻探技术第一章概述第一章概述n一、钻探工程的定义n二、钻探工程的简单发展史n三、钻探施工过程n四、钻探工程的应用范围和分类11/12/20223现代钻探技术n课时：

2n本章目的：

了解钻探工程的定义、简单发展史、钻探施工过程以及钻探方法分类n教学难点：

钻探工程定义及施工过程n教学方法：

课堂教授11/12/20224现代钻探技术一、钻探工程的定义一、钻探工程的定义钻探工程是用一定的工具，在地壳内按着一定的工艺破碎岩石的整个过程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。

11/12/20225现代钻探技术二、钻探工程的简单发展史二、钻探工程的简单发展史1、中国古代盐井钻凿技术发展时期、中国古代盐井钻凿技术发展时期第一阶段第一阶段大口径浅井时期：

从公元前255年至公元1040年（自秦至宋初）。

李冰任蜀郡太守后，率领人民兴修都江堰工程的过程中，发现了多处盐泉，通过认真考察，初步掌握了水文地质条件，并创造性地运用大口径水井开凿方法，成为了开凿我国第一口盐井的开拓者。

第二阶段第二阶段小口径深井发明与推广时期：

公元10411048年（北宋庆历年间）。

第三阶段第三阶段小口径深井钻凿工艺的完善和提高时期（明清）。

11/12/20226现代钻探技术二、钻探工程的简单发展史二、钻探工程的简单发展史2、近代与现代钻探发展过程、近代与现代钻探发展过程钻探工程用途越来越广，钻探工程量逐年上升（局部时期徘徊或下降）；钻探设备种类越来越多，功能更多，性能更佳；钻头等钻具品种种类越来越全，性能越来越优；钻进方法越来越多，越来越先进；中国与发达国家在钻探领域的技术差距较大。

11/12/20227现代钻探技术三、钻探施工过程三、钻探施工过程1、钻孔的概念、钻孔的概念钻孔是从地表地表（或坑道中或坑道中）向岩石中开凿的圆形断圆形断面的空间面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。

直径在25500mm之间，称为钻孔。

钻孔的深度从数厘米到数千米，目前的钻孔深度已超过10000m。

钻孔包括孔口孔口、孔底孔底、孔壁孔壁。

11/12/20228现代钻探技术三、钻探施工过程三、钻探施工过程2、钻探施工的主要工序、钻探施工的主要工序钻进现场布置图见图1.1所示。

钻进按下列工序进行：

u用升降机把钻具下入孔内；u连接好所有接头，开泵；u给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石；u提钻取心或更换钻具；u下钻继续钻进；u钻进一段时间后及时测斜；u提出全套钻具，停钻；u封孔。

11/12/20229现代钻探技术图1.1钻探现场布置全貌图1-钻头；2-岩心；3-岩心管；4-异径接头；5-钻杆柱；6-固定空口管；7-钻机；8-回转器；9-卡盘；10-提引水龙头；11-游动滑车；12-游动钢绳；13-天车；14-钻塔；15-钻机房；16-升降机；17-高压胶管；18-泵；19-电动机；20-循环槽；21-沉淀池；22-泥浆池；23-吸水管；24-拉力表；25-出水管11/12/202210现代钻探技术四、钻探工程的应用范围和分类四、钻探工程的应用范围和分类（一一）应用范围应用范围1、地质勘探地质勘探：

普查找矿钻探；矿产勘探钻探；水文地质钻探；工程地质钻探。

2、开采矿产资源钻探开采矿产资源钻探：

打水井；石油（天然气）钻探；盐井钻探。

3、煤矿井下钻探煤矿井下钻探：

地质勘探钻探；瓦斯抽放钻探；排放水钻探；锚杆锚索钻探；救援钻探。

4、工业钻探工业钻探：

加固建筑物的基桩孔；建大桥的大直径（桥墩施工用空间）钻孔；以测量地面沉降精确变比资料的标孔；加固水坝、防漏水的防渗漏墙；利用钻孔灌注水泥防治地质灾害（地面锚索、杆孔）；铺设管道、电缆的技术孔；矿山的竖井、通风井及多种辅助井；代替开挖隧道打大断面的地下坑道；用于军事，如导弹的发射井。

11/12/202211现代钻探技术四、钻探工程的应用范围和分类四、钻探工程的应用范围和分类（二二）钻探方法的分类钻探方法的分类1、根据钻进时取心的特点分类岩心钻探岩心钻探和不取心不取心（无岩心、无心、全面无岩心、无心、全面）钻探钻探。

2、根据钻孔用途分类按钻探的应用范围分出相应类型。

3、根据钻孔中心线的倾角和方位角分类垂直孔垂直孔（上、下垂）、下斜孔下斜孔、上仰孔上仰孔、水平孔水平孔。

4、根据钻孔位置的分类地表钻探地表钻探、水上水上（河、湖、河、湖、海海）钻探钻探、地下坑道钻探地下坑道钻探。

11/12/202212现代钻探技术四、钻探工程的应用范围和分类四、钻探工程的应用范围和分类（二二）钻探方法的分类钻探方法的分类5、根据钻孔布置方法分类丛状钻探丛状钻探（图1.2）、多井多井筒钻探筒钻探（图1.3）、多孔底钻探多孔底钻探（图1.4）。

图1.2丛状布孔图1.3多井筒布孔图1.4多孔底布孔11/12/202213现代钻探技术四、钻探工程的应用范围和分类四、钻探工程的应用范围和分类（二二）钻探方法的分类钻探方法的分类6、根据破岩形式分类

（1）物理方法破岩物理方法破岩：

高温（14003500）、高压（200250MP）破岩；用超声波和低声波破岩；用爆破、高压水射流等方法破岩。

（2）化学方法破岩化学方法破岩：

此法使用较少，如溶解、软化岩石等。

（3）机械方法破岩机械方法破岩：

使用最为广泛，其分类如图1.5所示。

11/12/202214现代钻探技术冲击钻进手动冲击钻进机械冲击钻进冲击器钻进钻机钻进液动冲击器钻进风动冲击器钻进回转钻进手动回转钻进机械回转钻进深井回转钻进硬质合金钻进钻粒钻进金刚石钻进螺旋钻进震动钻进转盘钻进井底发动机钻进涡轮钻进螺杆钻进电钻进其它冲击回转钻进图1.5机械破碎岩石的钻探方法分类11/12/202215现代钻探技术四、钻探工程的应用范围和分类四、钻探工程的应用范围和分类（二二）钻探方法的分类钻探方法的分类7、根据钻进使用的冲洗液分类u清水清水钻进；u乳化液乳化液钻进；u泥浆泥浆钻进（含加重泥浆）；u饱和盐溶液饱和盐溶液钻进（钻盐井，以防溶解岩心和孔壁）；u空气空气钻进；u泡沫泡沫钻进；u雾化雾化钻进；u充气泥浆充气泥浆钻进（降低泥浆比重，以防漏失）。

11/12/202216现代钻探技术四、钻探工程的应用范围四、钻探工程的应用范围和分类和分类（二二）钻探方法的分类钻探方法的分类8、根据冲洗液循环方式分类钻孔冲洗液的循环方式示意图如图1.5所示。

冲洗液正循环钻进冲洗液反循环钻进全孔反循环钻进孔底局部反循环钻进图1.5钻孔冲洗液的循环方式a-全孔正循环；b-全孔反循环；c-孔底局部反循环.1-来自泵；2-往冲洗液沉淀系统11/12/202217现代钻探技术本章思考题：

1、简述钻探工程的定义及钻探施工过程。

2、简答钻探方法的分类。

11/12/202218现代钻探技术第二章岩心钻探设备第二章岩心钻探设备n第一节钻机n第二节泥浆泵n第三节动力机n第四节钻塔及其附属设备11/12/202219现代钻探技术n课时：

4n本章目的：

掌握钻探设备的种类，钻机的类型、主要参数，钻机的主要构成部件，并了解其它设备的工作原理n教学重点：

钻机的类型及组成n教学方法：

课堂教授、现场参观11/12/202220现代钻探技术第一节钻机第一节钻机一、钻探工艺对钻机功能的基本要求一、钻探工艺对钻机功能的基本要求1、提供使钻杆柱及碎岩钻具（钻头）破岩所需的回转动力；2、提供钻具克入岩石的压力，并能调节；3、具有起下钻具的能力。

二、钻机的类型二、钻机的类型用于岩心钻探的钻机分为：

机械式钻机机械式钻机（包括立轴式钻机立轴式钻机和转盘钻机转盘钻机）、全液压钻机全液压钻机。

当然还有旋挖钻机旋挖钻机、车装钻机车装钻机、履带式钻机履带式钻机。

11/12/202221现代钻探技术uXY-4型立轴式岩心钻机型立轴式岩心钻机uGPS15型转盘式钻机型转盘式钻机11/12/202222现代钻探技术uG-3型型全全液液压压钻钻机机u全液压坑道钻机全液压坑道钻机11/12/202223现代钻探技术u旋旋挖挖钻钻机机旋挖钻机旋挖钻机11/12/202224现代钻探技术u车车装装钻钻机机u履带式跟管钻机履带式跟管钻机11/12/202225现代钻探技术三、选用、评价钻机的主要参数三、选用、评价钻机的主要参数钻机的技术参数有以下三种：

1、基本参数基本参数：

是反映钻机钻进能力最稳定的参数。

一般用钻进深度和使用钻杆的直径联合表示。

2、主要参数主要参数：

它取决于基本参数。

主要有回转器的转速、上顶力和钻进力、给进速度和行程、提升能力和提升速度、钻进的重量与外廓尺寸、动力机的功率和转速等参数。

3、一般参数一般参数：

从属于基本参数和主要参数，如钢丝绳直径、卷筒直径等，反映次要技术参数。

11/12/202226现代钻探技术四、机械传动式钻机的构成部件四、机械传动式钻机的构成部件（一一）回转器与卡盘回转器与卡盘回转器的功用是传递回转动力，提供钻速和转矩，能正反转。

卡盘（转盘式钻机无此件，主轴式钻机的卡盘常与回转器连为一个部件）的任务也是传递回转运动和扭矩（它起加紧钻杆的作用），同时还传递轴向运动和钻进（上顶）力。

（二二）给进机构给进机构给进机构是回转钻进的主要执行机构之一，其任务是：

称量钻头质量；进行加压或减压钻进；提供一定的轴向压力和钻进速度；倒杆、提动和悬挂钻具；强力起拔钻具等。

给进机构有以下两种：

液压给进通过油缸给进；手动机械给进边回转边通过机械手动给进。

11/12/202227现代钻探技术四、机械传动式钻机的构成部件四、机械传动式钻机的构成部件（三三）升降机升降机又称卷扬机或绞车。

在钻进过程中升降钻具和套管。

进行减压钻进，处理孔内事故时，配合给进机构进行强力起拔。

（四四）变速箱和分动箱变速箱和分动箱变速箱用来变更回转器和升降机的转速和扭矩；分动箱的作用是将动力传送分配给回转器和升降机，或联动两者同时运转。

（五五）摩擦离合器摩擦离合器摩擦离合器是用来切断或接通动力机传来的动力；完成钻机换档和孔内特殊工序操作（如套岩心、扭断岩心）；起过载保护作用。

11/12/202228现代钻探技术四、机械传动式钻机的构成部件四、机械传动式钻机的构成部件（六六）机座机座可分为两种类型：

开合式让开孔口机座（为整合式）、后移式让开孔口机座。

立轴式钻机部件构成简图1-电动机；2-油泵；3-摩擦离合器；4-变速箱；5-分动箱；6-回转器；7-升降机11/12/202229现代钻探技术五、全液压钻机五、全液压钻机全液压钻机是指钻机的回转、钻进和升降钻具等机构均用液压驱动完成。

全液压钻机一般是由主机、泵站、操主机、泵站、操作台作台三部分组成，中间用高压油管高压油管连接。

如图所示：

全液压钻机结构示意简图全液压钻机结构示意简图11/12/202230现代钻探技术五、全液压钻机五、全液压钻机全液压钻机的特点：

u外形和结构与传统机械式钻机完全不同，由三部分组成，结构简单；u可实现无极调速；u实现无塔升降，能机械自动拧卸钻具；u操作方便，使用工人少；u可实现较远距离操作，操作更加安全，甚至可实现遥控操作；u但也存在不足：

u、消耗功率大，机械效率低；u、液压原件精度要求高，对液压油的质量、过滤精度要求也很严格，因此维护保养较困难。

11/12/202231现代钻探技术第二节泥浆泵第二节泥浆泵一、泥浆泵在