钻探工程专业设计.docx
《钻探工程专业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钻探工程专业设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
钻探工程专业设计
第一章前言
1.1专业设计的目的意义
随着我国经济建设的快速发展，对矿产资源的需求逐步增大，加快矿产资源勘探速度，改善钻探工艺技术水平，提供准确的矿产资源储量，有计划的合理开采利用具有重要意义。
1.2专业设计内容要点
专业设计内容主要包括钻探设备选择与布置安装、钻进方法及工艺参数、钻孔冲洗液与护壁堵漏、钻探质量保证措施以及钻探经济成本与施工组织管理等内容。
在认真分析了任务书中地质要求和地层条件基础上，得出了打滑层钻进和提高岩矿心采取率是本设计需要重点解决的内容。
1.3毕业设计的任务
通过专业综合设计，参考地质资料，作出钻孔工程设计，完成以下任务:
（1）通过所给工程地质条件，根据地质情况，按照设计规范要求设计合理的钻孔结构。
（2）根据所设计的钻孔结构以及地层情况选择合理的钻进方法和钻具。
（3）选择合理的钻探设备以及附属设备，并根据所选设备进行现场的布置。
（4）根据地层情况设计出合理的钻进工艺参数。
（5）根据具体的钻探要求选择合理的控制钻探质量的方法和器具。
（6）进行施工成本计算，编写施工组织管理方案。
（7）针对实习过程中遇到的钻进问题，提出相应的解决措施，作相应的专题研究。
第2章工区概况
2.1矿区基本条件
钻探工程施工地区为四川××磷矿，该区域属于丘陵地带，植被繁茂。
矿区交通便利，有电源，且水源充足。
施工期为多雨季节，最大风力达到0.5Kpa。
2.2地层特征
钻探工程施工地区地层松散破碎，裂隙发育，岩层易漏失。
表不覆盖层含含5%的Φ30~50㎜砾石，且孔壁易坍塌，所以在钻进工艺的选择时应特别注意。
矿区地层剖面如表2-1所示：
表2-1钻孔地层剖面
层次
累计孔深
（m）
地质概况
柱状剖面
地层倾角（°）
岩层描述
可钻性等级
1
15
残积土
风化残积
含5%的Φ30~50㎜砾石
3
2
50
砂卵砾石
松散破碎、孔壁易坍塌
4
3
210
泥质砂岩
20
裂隙发育
5
4
310
钙质灰岩
20
破碎
7
5
380
磷灰矿
20
厚层状、破碎易冲蚀
4
6
400
灰岩
20
较完整
7
2.3钻探目的及要求
2.3.1钻孔目的
求C级储量。
2.3.2钻孔要求
终孔直径≥Ф75㎜，岩心分层采取率＞65％，矿心采取率＞85％，孔深50m内覆盖层可不取岩心，顶角允许偏差2°／100m，作简易水文观测，按规范封孔。
第三章钻孔结构设计
3.1钻孔结构的原则
钻孔结构是指开孔至终孔孔身口径的变化。
换径次数越多，钻孔结构越复杂，反之越简单。
钻孔结构的选择，要充分考虑矿区的岩石性质、水文地质条件、终孔直径、钻孔深度、钻进方法、钻孔用途等因素。
所以，以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照理想岩层剖面自下而上拟定各段的口径和开孔直径[1]。
在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护壁从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构，以提高钻进效率。
3.2钻孔结构设计
分析分析设计钻孔地层剖面，发现该地层岩性松散破碎、易冲蚀，裂隙发育，采用硬质合金与金刚丝联合钻进。
所以，该钻孔下孔口管和一层套管。
为了防止孔壁坍塌、掉块，套管下放深度为50m，孔口管长15m。
为保岩心直径≥40㎜，钻孔终孔直径为Φ75㎜。
套管直径为Φ89㎜，孔口管直径为Φ108㎜.因此，该孔开孔直径为Φ110㎜钻头钻进。
中间孔段用直径为Ф91㎜的钻头，终孔用直径为Φ75㎜的钻头。
钻孔结构如图3-1所示
3-1钻孔结构示意图
地层剖面图如图3-2所示：
第四章钻探设备及器材
4.1钻机选择
钻机是钻探中最主要的设备，选择钻机的依据是钻孔结构和钻进方法。
由于该区域地层岩石松散破碎，且裂隙发育，可钻性等级不均。
因此，岩石可钻性等级≤4的地层采用硬质合金钻进，岩石可钻性等级≥5的地层采用金刚石钻进。
为了满足硬质合金和金刚石钻进所需的钻速，必须选用多个高速档位的钻机，有又由于钻进深度为400m，终孔直径为Φ75㎜，开孔直径为Φ110㎜，所以选择地质系统液压立轴式岩心钻机XY-4型岩心钻机。
钻机各项性能都满足该钻孔的施工要求。
XY-4型岩心钻机技术参数见表4-1。
表4-1液压立轴式岩心钻机XY-4技术参数表
钻进深度（ｍ）
7001000
钻杆直径（㎜）
5042
钻孔直径（㎜）
150
钻孔倾角（°）
0~360
回
转
器
通孔直径（㎜）
68
转
速
正（r/min）
101；187；267；388；
311；574；819；1191
反（r/min）
83251
给
进
机
构
型式
液压双缸
上顶力（KN）
80
给进力（KN）
60
给进行程（㎜）
600
升
降
机
型式
行星式带水冷刹车
最大提升力（kn）
30
提升速度（ｍ/ｓ）
0.82；1.51；2.16；3.13
卷筒直径（㎜）
285
钢绳直径（㎜）
16
容绳量（ｍ）
52
移动液压缸行程（㎜）
400
动
力
机
型式
Y225S-4495
功率（KW）
3736.75
转速（ｒ/min）
14802000
液
压
缸
型式
CB-32/80
工作压力
8
流量（l/min）
32
外型尺寸（㎜）
2640×110×1750
生产单位
黄海机械厂
4.2泥浆泵
泥浆泵是钻探设备重要的组成部分之一。
在钻进过程中，泥浆泵的作用是使冲洗液在钻孔内形成循环，以便悬浮、排出岩屑和冷却钻头。
4.2.1泥浆泵的流量计算
泥浆泵的流量就是泵向钻孔内输送的冲洗液量，即是泵量，它的确定是与钻进方法相适应，以保证有效的排出岩粉和冷却钻头为前提。
冲洗液量的确定可用公式4-1[1]：
（4-1）
公式中：
Q——冲洗液量（；
β——上返流速不均匀系数；β=1.1～1.3；
F——最大上返环状空间过流断面面积（㎡）；
D——由最大钻头外径决定的孔径或最大套管内径（m）；
d——钻杆外径（m）；
V——冲洗液上返流速（m/s）；
算出流量所需泵量最大的孔段，作为选定泥浆泵的依据。
根据公式4-1计算结果，所需最大流量为，因此选用国内往复式泥浆泵BW-250型。
BW-250型往复式泥浆泵性能参数如表4-2所示：
表4-2BW-250型往复式泥浆泵技术参数
型号
技术参数
BW-250
类型
卧式三缸单作用活塞泵
变量方式
变速箱四级变速和更换两级缸套
流量级数
8
流量（l/min）
35；60；96；166；52；90；145；250
额定排出压力（MPa）
7；7；6；4；6；6；4.5；2.5
吸入高度（ｍ）
2.5
输入功率（KW）
15
输入轴转速
500
缸径（㎜）
80；65
活塞行程（㎜）
100
活塞往复次数（次/分）
42；72；166；200
吸水管直径（㎜）
75
排水管直径（㎜）
50
重量（kn）
5．00（不含动力机）
外形尺寸
1100×995×650
生产厂
衡阳探矿机械厂
4.3供水泵
由于施工区域周边有充足的的水源来配备泥浆以及满足生活需求，所以不需要供水泵。
4.4动力机
由于施工区域内有电源为钻机、泥浆泵等提供动力，所以不需要选择单独的动力机。
4.5钻塔
钻塔是钻探施工过程中用于悬挂滑车系统进行起、下钻具和套管的设备。
钻塔的类型和结构应根据孔深、钻孔倾角、大钩载荷及施工期限等因素选用。
4.5.1钻高的选择
钻塔高度决定于钻孔深度和起下钻时的立根长度。
钻孔越深，立根应越长，钻塔就应越高。
钻塔在吊起立根时，顶部应有一定的安全距离，确定钻塔高为：
公式中：
H——钻塔高度（m）；
L——立根长度（m）；施工中所用的钻杆单根长度为4.5m，三根钻杆连接构成一根立根，为13.5；
K——安全高度系数。
与起、下钻工具尺寸和提钻安全高度有关，一般可取1.25～1.4，立根短，提升速度快时，取大值，此处取1.25。
表4-3钻杆立根长度与钻孔深度配合关系
孔深（m）
<100
100～300
300～500
>500
立根长度（m）
6～9
9～12
12～15
15～18
4.5.2钻塔的选择
结合钻孔特点和钻孔深度，并综合其余因素，决定选用SG18型钻塔，其性能参数详见表4-4。
表4-4SG18钻塔性能参数表[1]
钻孔深度（m）
600～1000
钻孔角度（°）
90
名义高度（m）
18
立根长度（m）
13.5
天车最大负荷（KN）
200
天车额定负荷（KN）
150
天车滑轮数（个）
4
钻塔层数（层）
11
顶层尺寸（m）
1.2×1.2
底层尺寸（m）
4.5×4.5
塔身质量（kg）
2500
底座质量（kg）
1300
最大破坏负荷（KN）
550
活动工作台负荷（KN）
0.80
结构特点
预加拉力交叉柔性腹杆系
生产厂
张家口、西北、天津探矿厂
4.5.3钻塔负荷的校核
公式中：
——大钩载荷；
Q——每m钻杆柱的质量，φ50钻杆为6.04kg/m；
L——钻杆柱的长度；
——冲洗液比重，取1.1g/cm3；
——钻杆钢材比重，取7.8g/cm3；
——接头重量修正系数，由于采用接头连接ａ=1.05；
K——卡阻系数，K=1.5～2，浅孔取大值，深孔取小值，此处取2。
当下入套管时，提升的只是套管自身的重量，数值是比较小的。
当钻孔完毕，要拔出孔内套管时，由于套管与地层有摩擦阻力，此时的提升力比下套管时大的多，所以按拔套管时的力计算。
（4-7）
取大值作为大钩载荷，即是=43.58KN。
用带死绳端的滑车系统时，载荷对称，并可在死绳端指重器，而无死绳端的滑车系统对载荷是不对称的。
综合考虑，采用有死绳端的滑车系统。
有死绳端滑车系统，有效钢绳数m取2。
公式中：
——天车载荷（KN）；
m——滑车系统工作钢绳数；
η——滑车系统效率，滑车系统效率η的值见表4-5；
表4-5滑车系统效率η值
M
1
2
3
4
5
6
η
0.97~0.96
0.95~0.93
0.92~0.90
0.90~0.88
0.87~0.85
0.85~0.82
SG18型钻塔的天车系统能够承受钻杆和套管的拉力，所以SG18型钻塔满足设计的需要。
4.6附属设备
4.6.1水龙头
水龙头又称水接头，装在主动钻杆上端，并有弯管接头与泥浆泵的高压胶管相连。
在钻进过程中，主动钻杆回转而高压胶管不转。
常用为小口径金刚石钻进用水龙头。
图4-1小口径水龙头
4.6.2吸水管和高压送水管
吸水管采用和BW250型泥浆泵配合的直径（内径）为75mm的普通输水胶管，靠泥浆池一端连接滤水器（莲蓬头）。
送水管为了能保证在高压下不破坏，选用直径（内径）为51mm的高压输水胶管；管壁夹有多层帆布和钢丝，工作压力为10MPa。
4.6.3绷绳
用绷绳加固钻塔使其在风载和其他水平载荷下保持稳定是通常采用的方法。
SG18型钻塔有塔围时，则迎风面上风力作用点离地基高度为h：
公式中：
B——钻塔的最底层宽度（m）；
b——钻塔的顶部宽度（m）；
H——钻塔的高度（m）；
若要钻塔稳定，风载的倾倒力矩必须小于钻塔的稳定力矩，则：
＝
公式中：
——塔重（KN）；
——风载（KN）；
P——单位面积上的风载（KN/㎡），此处的风载取0.5KN；
S——钻塔的承重面积（㎡），（㎡）；
——由钻塔外廓围起的平面在垂直于风向的平面上的投影面积（㎡）；
——挡风系数，有塔围，无塔围。
此处，。
此处条件不成立，则钻塔有倾倒的危险。
在钻塔上加上绷绳加固后如图4-2所示。
图4-2绷绳受力分析
力矩平衡方程式为：
＝22.5KN
公式中：
（α一般为45°）；
η——储备系数η＝1.5~2；
绷绳在拉力平面上的角度为γ，则：
所以，γ=60°
=12.99KN
4.6.4提引器
采用普通提引器其结构如图4-8所示:
4.6.5泥浆搅拌机
采用JW-1型泥浆搅拌机；其技术参数如表4-6所示：
表4-6JW-1型泥浆搅拌机
型
号
规格（
机轴转速
（r／min）
绞筒有限容积（
搅拌泥浆能力
／h）
JW-1
1
60
1
1～2
4.6.6夹持器
采用木马夹持器，主要由卡瓦、夹持板、偏心座等组成采用杠杆偏心凸轮自锁原理进行工作，钻杆靠自重锁紧，安全可靠。
其外形如图4-3所示：
图4-3夹持器外形
4.7钻探管材选择
采用硬质合金与金刚石联合钻进的方法，管材选用如表4-7所示：
表4-7选用管材一览表[1]
管材类别
公称系列（mm）
外径（mm）
内径（mm）
壁厚（mm）
接头（外径/内径）（mm）
其他（mm）
钻头
硬质合金
110
110
75
75
金刚石
91
91
68
11.5
扩孔器
60/75.5/91.5
岩芯管
Ø91孔径
外管
91
89
81
4
内外间隙
2
内管
77
70
3.5
套管
Ø108
91
108
97.5
5.25
Ø89
75
89
78.5
5.25
钻杆
50
50
39
5.5
52/35
第五章钻探机场的修建及设备的安装
5.1钻探机场的修建
5.1.1修筑机场
钻探机场时钻进施工活动的场所，主要用于安装钻塔，钻探设备、设置冲洗液循环槽，沉淀池水源箱，以及放置必须的管材物资等。
机场的方向主要取决于钻孔的方位角，修筑钻机场时要考虑使钻塔的一角或无门的一侧迎着施工期间的主要风向（如果了解钻区长年的风向情况）。
一般地，机场地盘应比基台每边大出1～2米。
机场场地必须平坦坚实，稳固，适用，保证在其上布置的基台和安装的钻塔及机械设备不会发生陷塌、溜方歪斜，在整个施工期间自始至终都能安全顺利进行。
由于钻机场处于山坡地盘，靠上方一面必须有一定的坡度。
给予施工区表层土较松散，因此坡度不应大于45°。
钻机的地盘面积见表5-1：
表5-1钻机的地盘面积[1]
钻机类型
地盘面积
总面积（m2）
长×宽（m）
XY-4
143
13×11
5.1.2建筑基台
安装钻探设备的基台是在修建完毕的地基上用数根基台木，按照一定的规格和形式排列，分上下两层交错并用螺栓连接而成。
下层为横，上层为顺枕，横顺枕的交错处，一定要构成直角并用螺栓连接固定。
钻塔、钻机的地脚螺栓也应连接在横顺枕的相交点上。
5.1.3基台木的布置
基台木得数量取决于钻探设备类型所选定的基台木铺设结构形式。
基台木的长度取决于所用钻塔底梁的长度，一般比钻塔底梁长0.5m。
基台木的断面尺寸与钻机的钻进孔深有关。
根据上述选择原则确定基台木数量为8根；基台木长度为5m；基台木的断面尺寸为250×250（mm）。
基台木的连接如图5-1所示。
图5-1顺枕交错连接图
钻机场场地基础如图5-2所示。
1-基台木2-基台枕
图5-2机场地基浅槽基础
基台木布置形式如表5-2和图5-3所示。
表5-2XY-4钻机机座螺栓孔的位置尺寸[1]
机座前排螺栓孔中心连线到立轴中心的垂直距离
260mm
机座左右两排螺孔间的距离
1000mm
主动圆锥齿轮中心至机座底部的垂直高度
1100mm
图5-3基台木布置图
5.2钻塔的安装及机械设备的安装
5.2.1钻塔的安装
鉴于选择的钻塔类型（SG18四角钻塔）以及钻机场的条件钻塔安装采用分层安装法。
钻塔安装图如图5-4所示（钻塔右面和左面相同；后面和前面相同）。
图5-4钻塔安装结构图
5.2.2泥浆循环系统的安装
循环系统包括水源箱（池）、循环槽、沉淀池，系统的规格应根据孔深，岩层性质，冲洗液携带岩屑的能力合理确定。
为了充分的沉淀岩屑，循环槽尽量长，但该孔位地层多为较坚硬的岩石，产生的岩屑不多，综合机场的布置确定循环系统为：
一个沉淀池，规格为2×1×1m3；一个水源池，规格为2×2×1m3；循环槽按实地情况合理布置。
循环槽的端面尺寸不得太小，否则流速过大，起不了沉淀的作用。
槽尺寸设计为高200mm，宽250mm.孔口—沉淀池—水源池的坡度是1/100，以保证循环畅通。
系统布置在离左后塔脚1米并靠近泥浆泵的地方。
沉淀池中上下交错安装挡板，循环槽中可以适当放些筛网或树枝，起到过滤岩屑的作用。
还要防止外来水进入循环系统，并随时清理沉淀池、循环槽内的岩屑。
5.2.3安全设备的安装
安全设备包括灭火器、绷绳、避雷针及其装备等。
（1）防火设备：
钻机场内应备有足够数量的防火用具如灭火器、沙箱、防火钩等，并设有专人负责。
（2）绷绳安装：
绷绳用以保持钻塔平稳，增加钻塔强度、防御大风侵袭而倾倒。
钻塔每根塔腿各设一根绷绳，系于塔高四分之三处。
在安装绷绳时，每根绷绳需装上拉紧器，以利于绷紧绷绳，如图5-5所示。
（3）避雷针安装：
安装避雷针时，避雷针的安装高度必须高出塔顶1.5m以上。
避雷针由接闪器、引下线和接地装置组成。
图5-5绷绳及避雷针装置示意图
5.3机场的安装与布置
5.3.1钻探机场的总体布置
机场内部布置应整齐有序、使用方便、操作安全、作业过程中互不干扰影响的前提下将钻机、泥浆泵等设备和循环系统等布置在平面上。
钻探机场布置图如5-6所示：
图5-6钻机场平面布置图
第六章钻进方法
6.1钻进方法
由于要求前50米的残积土、砂卵砾石层不取心，且前50米的覆盖层可钻性等级都小于5，所以采用硬质合金钻进。
而50~310米的岩层可钻性等级≥5，所以使用金刚石钻进，提高钻进效率。
310~380米的层厚状、破碎易冲蚀的磷灰矿可壮行等级为4，座椅采用硬质合金钻进。
最后的20米、可钻性等级为7的较完整灰岩，为了节约时间，避免更换钻具，提高钻进效率，所以直接采用硬质合金钻进。
6.20~50米的地层
6.2.1钻头的选择
由于0~50米的残积土地层风化残积，含有Φ30~50㎜砾石和砂卵砾石选用团结式钻头钻进。
因此，选用钻头规格如图5-1所示：
表5-1团结式钻头参数
钻头直径
113
D
110
d
96
合金数量
12
钻头结构如图6-1所示：
图6-1团结式钻头图
6.2.2钻进规程
硬质合金钻进规程参数包括：
钻压、钻速、和冲洗液量三个可以控制的工艺参数。
钻压的按公式6-1计算：
（6-1）
公式中：
P——钻压；
——每颗切削具上应有的压力；
m——钻头唇面上的切削具树木。
Ф110mm钻头：
钻速按公式6-2计算：
（6-2）
公式中：
V——钻头上切削具的线速度；
D——钻头的平均直径；
n——钻头的钻速；
Ф110mm钻头：
m/s
Ф75mm钻头：
m/s
冲洗液量按公式6-3计算：
（6-3）
公式中：
——冲洗液在外环状空间上返速度；
D、d——分别为钻孔直径和钻杆外径；
m——由于孔壁、孔径不规则引起的上返速度不均匀系数。
m取1.03~1.1。
Ф110mm钻头：
6.350~310米的地层
50~310米的地层是可钻性等级大于5的泥质砂岩和钙质灰岩，所以采用孕镶金刚石钻头的规格如表6-2所示[2]：
表6-2孕镶金刚石双管钻头规格
地层
钻头
外／内径（mm）
粒度
（粒／克拉）
胎体硬度HRC
胎体耐
磨性
50~310m
91
91／68
＜46
20
低
孕镶金刚石钻头结构如图6-2所示：
图6-2金刚石钻头图
6.3.1钻头的使用
（1）排队使用：
使用钻头时，应根据钻孔结构和岩石性质，考虑可能需要使用的钻头数量，把钻头排队使用。
即按外径和内径的尺寸分组，按排队顺序使用，先用外径大的内径小的。
（2）扩孔器与钻头的配合：
扩孔器的直径应比钻头的外径大0.3～0.5mm。
（3）卡簧与钻头的配合：
卡簧应比钻头内径小0.3mm左右。
卡簧的作用是卡取岩心，过小岩心易堵塞，过大卡心不牢，岩心易脱落。
（4）内管，短接，卡簧座的配合：
内管低端与短接和卡簧座三个部件组装好后，将其置于垂直位置而不滑脱，且应稍用力才能拔出，方为合宜。
否则在钻进中会因滑落下降，造成憋钻和岩心堵塞。
同时，双管钻具组装后，卡簧座底端离钻头内台阶应有3～4mm的间隙，以流通冲洗液和使岩心顺利进入内管。
（5）注意选择最优钻进规程参数和泥浆性能参数，采用有效的防振措施，遵循操作规程等。
（6）控制合理的时效：
根据我国目前钻进水平和质量水平，一般建议时效不要超过3m／h。
（7）不要盲目追求钻头进尺：
金刚石钻头一经投入使用，就应力求多打进尺，但不要盲目追求钻头进尺。
如已经发现钻头过度磨损或损伤，就应当停止使用。
6.3.2钻进规程
（1）钻压
孕镶金刚石钻头钻压按公式6-4计算：
（6-4）
式中：
F----钻头实际工作唇面面积（；
q----单位底唇面积上允许的压力，（0.4~0.5KN/）。
Ф91mm钻头：
（2）转速
转速按照钻探工程专业设计手册选取。
选择见表6-3[1]。
表6-3Φ50~210米的转速单位：
r／min
钻头直径（mm）
91
转速
350～700
如果岩石较破碎、软硬不均、孔壁不稳时，宜选用下限转速。
如果钻孔结构简单、环空间隙小、孔深不大时，应尽量选用高转速，反之亦然。
6.2.3冲洗液泵量
在金刚石钻进中冲洗液除了完成排粉、冷却、护壁外，还起润滑钻具等作用。
Q=6vF（L/min）（6-5）
Q------金刚石钻进所需泵量（L／min）；
F------钻孔的环空面积；
v------环空上返流速，要求v≥0.3～0.5m/s。
金刚石钻头环空间隙很小，冲洗液的流动阻力很大，泵量过大不仅增大工作泵压，容易冲蚀孔壁和岩心，还会过量抵消钻压，引起钻具的振荡[8]。
计算得钻孔冲洗液泵量为50L/min。
现场选用泵量时按照表6-4选取。
表6-4金刚石钻进中常用泵量值
钻头直径（mm）
91
泵量（L/min）
50～70
钻进坚硬致密岩层时，单位时间产生的岩粉量少，可选择下限泵量，反之亦然。
钻进强研磨性岩层时，为了吸收摩擦产生的热量，需要较大泵量冷却，但携带岩粉磨粒的高速液流会严重冲蚀胎体，诱发金刚石颗粒过早脱落。
因此，应该权衡利弊选择合理的泵量。
6.4310~400米的地层
6.4.1钻头的选择
310~380米的层厚状、破碎易冲蚀的磷灰矿可壮行等级为4的磷灰岩，而380~400米是较完整、可钻性等级为7的灰岩，所以选用品字形钻头。
因此，选用钻头规格如表6-5所示：
表6-5品字形钻头参数
钻头直径
78.5
D
75
D1
68
d
61
钻头图如图6-3所示：
升级会员 