岩心钻探工艺培训资料.docx

1、岩心钻探工艺培训资料岩心钻探工艺岩心钻探工艺1、前言钻探工程是获得地下蕴藏的真实地质资料（如岩、矿、地温、地下水等）和直接信息的一种技术。通过钻探可对所取得的地质和矿产资源参数作出最终可靠的评价。探矿工程包括钻探工程、坑探工程、矿产管理、安全技术等多方面的技术，其中以钻探工程的工作量为最大，作业范围也很广。钻探工程包括钻进工艺和钻探设备两方面。两者之中，以钻进工艺为主，钻探设备是实现钻进工艺要求的专业机械设备，它对钻进工艺具有重要的保证作用。新中国成立后，百业待兴，党和政府十分重视地质勘探工作，1952年成立了地矿部，建立了探矿科研和设计机构，开展了钻探科学技术的研究和新设备的研制，建立了探矿

2、机械厂和地质仪器厂，创建了地质院校，举办了专门训练班，培养了大批的钻探技术人才，成立了专业的地质队伍，钻探技术有了飞速的发展，技术水平不断提高。钻探工作者不断努力辛勤劳动取得了卓越的成就，1956年3 月3 日至6 月22 日，我国第一口定向双筒井钻成；1963年人造金刚石研制成功，并用于制造金刚石钻头，开启了中国人造金刚石钻进的篇章；1974年6月，我国第一条钻井船“勘探一号”，在黄海试钻成功，谱写了海上油气钻探的新篇章；1978 年我国第一条坐地式钻井船“胜利一号”开始作业。矿山勘探成果显著，有六十多种矿产取得了可供工业设计使用的储量。先后建立了石油、煤炭、钢铁、有色金属、化工产品等大型矿

3、产基地，形成了能源与原材料矿产品的强大供应系统，推动着我国工农业生产、国防科技、国民经济等蓬勃发展，国家日益强盛，人民生活水平不断提高，中国从此摘掉了一穷二白的贫穷帽子。 改革开放以来，由计划经济转向市场经济，钻探工作的服务领域发生了巨大变化，钻探技术迅速向水利、建筑基础工程、地质灾害防治、环境调查保护等诸多领域拓展。钻探技术已经紧紧融入了我们的生活：建造高楼大厦需要钻探技术提供地层的承载力、边坡治理需要钻探技术锚固、桥基、坝址、水库、路基建设需要钻探技术提供支撑，地灾评估需要钻探技术提供依据，石油、天然气、矿产的勘探及开采需要钻探技术提供资料，开发地下热水、热能、坑道掘进指示孔、探气孔、深水

4、孔、通风孔、投料孔、灌浆孔、避难孔以及建筑安装管线的钻孔等都离不开钻探技术，钻探技术的发展与一系列国计民生重大事业密切相连与国家繁荣富强息息相关。特别是国家重大科学工程-中国大陆科学钻探工程“科钻一井”的圆满完成对提高我国的岩心钻探工艺水平起到了极大的促进作用。我国于1991年由原地矿部开始组织中国大陆科学钻探先行研究，1995年国务院批准我国加入国际钻探组织，1996年我国成为第三个发起国之一。钻探这双眼睛已经越来越重要，而且越看越深。 自建队以来，矿山钻探始终是地质八队地质找矿的一种不可缺少的主要手段。30多年来，矿山岩芯钻探设备和技术不断改进、完善、发展。从建队初期的大口径钢粒、合金钻进

5、到小口径金刚石、金刚石绳索取心钻进，再到成功地推广和应用冲击回转钻进技术；从本地区计划内矿山岩芯钻探，到为全省社会市场需求提供钻探技术服务；从省内的矿山钻探业务逐步拓展到省外的安徽、贵州、重庆、湖北、内蒙古等地，所到之处，深受甲方的赞誉。二、钻探工程主要工序钻探工程主要工序：钻孔的施工过程，包括定孔位平整场地与修筑地基安装钻探设备及附属设备临时设施建造安装验收开孔前的准备工作开孔及下孔口管换径钻进岩矿心整理和保管其他工作（下套管、校正孔深、简易水文观测、钻孔弯曲测量）终孔起拔套管封孔废浆处理和场地环境恢复钻孔验收拆迁。 三、钻探设备（1）钻探设备分类从事钻探工作所使用的全套技术装备称为钻探设备

6、。钻探设备根据用途不同可分为石油钻探设备、岩心钻探设备、水文水井钻探设备及其他特种用途的钻探设备。岩心钻探设备主要用于金属及非金属固体矿产的普查及勘探；另外，也可以用于工程地质勘查，水文地质调查，油、气田的普查和勘探及水井钻凿等。岩心钻探设备包括钻机、泥浆泵、钻塔、动力机、泥浆的制配和净化装置等。（2）岩心钻机的技术参数1.立轴式岩心钻机立轴式钻机是目前国内外应用最广泛的岩心钻机的机型。其主要特点是钻机回转器有一根长的立轴，在钻进中可起到良好的导正和固定钻具方向的作用，适用于打各种倾角的钻孔。现代立轴式钻机为了适应金刚石钻进工艺的需要，并能兼顾硬质合金及钢粒钻进工艺的要求，提高了立轴转速(最高

7、可达2500r/min)，扩大了调速范围，增加了速度挡数。地矿部立轴式地质岩心钻机技术参数(DZ19-82)参数名称单位型号、参数和指标XY-1XY-2XY-3XY-4XY-5XY-6XY-8XY-9钻进深度m10030060010001500200030004000终孔钻头直径mm46465946595959597575钻杆直径mm43(43)4353(4354)4353(4354)5360(5467)5360(5467)5363.5(5467)71712.转盘式岩心钻机 转盘式钻机与立轴式钻机的最本质区别在于回转器。转盘式钻机回转器采用转盘。与立轴式回转器相比，转盘没有长的立轴；转盘可直接

8、装在机座或钻机基础设施上，重心低，给进行程大；转盘的通孔尺寸不受安装尺寸限制，通孔直径大，可通过粗径钻具；转盘可兼做拧管机。但转盘的导向和定向性能不如立轴式回转器好；另外，由于转盘通孔直径大，影响了转盘转速的提高。因为上述原因，转盘式钻机主要用于石油钻井、水井钻进及大口径工程钻进上。3.移动回转器式岩心钻机 移动回转器式岩心钻机是一种新型岩心钻机，是在吸取了立轴式岩心钻机和转盘式岩心钻机结构的优点基础上发展起来的。根据传动方式不同，目前已生产出机械移动回转器式岩心钻机及全液压移动回转器式岩心钻机。 （3）钻塔类型1四脚钻塔它是由4个平面梯形桁架面构成的空间桁架，横截面一般为正方形或矩形。四脚钻

9、塔的内部空间大，承载能力大和稳定性好。一般靠自重可以保持稳定，而设置的绷绳只是为了防止巨风或其他特别意外情况的一种保险设施。四脚钻塔多为单个构件的拆装方式，安装、拆卸费工费时，一般用于钻孔周期长、钻塔负荷大、交通不便的钻探施工场合。有直塔和斜塔之分。2三脚钻塔该类钻塔为三面体空间桁架结构。3根塔脚一般为整体或可伸缩式。这类钻塔结构较简单，整体稳定性好。轻便式三脚钻塔一般多为拉立式，拆装方便，但承载能力较小。三脚钻塔多用于与浅孔或次深孔钻机配套。3A型钻塔A型钻塔是用小断面桁架结构或管材组成的两脚式钻塔，需要用绷绳及支架使之获得，整体稳定。A型钻塔可减轻塔的自重，并可整体立放，近年来已在大、中型

10、钻塔中采用。4桅杆型钻塔桅杆型钻塔也称为桅杆或钻架，可以做成独杆式、管式、板箱式、小断面桁架式等多种型式，多数不能靠自重稳定，必须采用绷绳或支架、立放塔油缸等以加强具稳定性。桅杆型钻塔尺寸小、重量轻、立放简便迅速，特别适用于车装钻机或拖车装钻机。（4）泥浆泵根据岩心钻探工作对泵的要求，目前岩心钻探用于钻孔冲洗的泵主要采用往复式泥浆泵。往复式泥浆泵根据缸的布置形式不同分为立式和卧式两种类型；根据缸数不同分为单缸、双缸、三缸；根据活塞往复一个循环，液缸吸排水的次数分为单作用和双作用泵；根据活塞的结构不同分为柱塞式泵和活塞式泵。虽然上述这些类型的泵在岩心钻探中都有采用，但目前应用最为普遍的是卧式三缸

11、活塞式泵。岩心钻探常用泥浆泵主要技术参数表泵的型号BW-100BW-120BW-150BW-200BW-200BW-250BW-320类型三缸单作用活塞泵单缸双作用活塞泵三缸单作用活塞泵三缸单作用活塞泵双缸双作用活塞泵三缸单作用活塞泵三缸单作用活塞泵泵量(l/min)18;23;28;35;43;53;72;9012032;38;347358;72;90;125;150102;125;164;200200;125250;145;90;52;166;96;60;35320;250;165;118;180;130;92;66泵压(MPa)5.6;5.6;5.6;5.6;5.5;4.5;3;2.51

12、.37;7;6;4.8;4;3.2;2.3;1.88.0;7.0;6;53.92;5.882.45;4.41;5.88;5.88;3.92;5.88;6.86;6.864;5;5;8;6;8;9;10（5）机场的确定钻探场地用以安装钻塔、钻探设备、泥浆循环系统、管子架等等。场地大小取决于钻孔的设计孔深。设计深度愈深，所需钻塔高度就愈高，各种设备的外部尺寸愈大，循环系统及管子架等占的面积也愈大。同时，需要配有泥浆及水的储备池。常用钻机所需机场面积参考表钻机类型机 场 面 积钻机类型机 场 面 积总面积(m2)长宽(m)总面积(m2)长宽(m)XB-1000A128168SPJ-300160208

13、XU-600128168JU-1000128168XY-4128168XY-21863XY-5144188钻探工作对机场的要求:A地面平整、有足够的面积，地表土层(或岩层)有一定抗压强度；B避风，在季风比较大的地区应考虑风的横向压力；C地盘的纵向长度与钻孔方位线一致；D填方的面积不大于总面积的1/4；E应考虑防洪、易排水；F山坡地盘靠山一面的坡度：岩石为6080；松散土夹石或土层不大于45。（6）钻孔结构 钻孔口径规格代号REABNHPS公称口径（mm）303848607696122150常用套管规格套管外径套管壁厚平接头外径平接头内径镗孔(旋孔)直径外部镗孔直径外螺纹镗孔长度全剖面内外螺纹长

14、度套管长度一米光滑套管的理论质量(kg)一个平接头的理论质量(kg)735.073.062.069.066.5150045007.401.3895.089.078.085.582.510.361.71085.0108.095.5103.5101.040561500600012.702.41275.0127.0114.5122.5120.015.402.61465.0146.0134.0141.5139.017.392.8常用钻头规格钻头外径钻头内径备注56（59）35（36）绳取77（75）49绳取9564绳取9168普双11085普双11093单管130113单管（8）钻孔类型 有直孔、斜孔

15、与定向孔。四、钻进工艺（1）取心钻进1钢粒钻进 钢粒钻进不同于金刚石、硬质合金钻进，其磨料钢粒不固定在钻头上，它依靠孔底钻头的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒，沿孔底滚动和移动而克取孔底岩石。由于钢粒不与钻头固结这一特点，故在钻进过程中随时可以投入钢粒以补充钢粒的损耗。现已基本不使用。2硬质合金钻进 利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具作为碎岩的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。硬合金钻进是地质勘探钻进中的一种主要钻进方法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进工作，即可钻进14级软的沉积岩及中硬的57级及部分8级岩浆岩和变质岩。3金刚石钻进 金刚石钻进是当前钻探工艺中一种

16、比较先进的钻进方法。由于这种方法的钻进效率比较高，钻孔质量比较好，施工劳动强度比较轻，钻探成本比较低，因此得到越来越广泛的应用。过去金刚石钻进主要用于钻进硬岩和坚硬岩石；近年来由于金刚石烧结体和复合片的研制成功，因此也用于钻进软一中硬岩石，可见金刚石钻进有着广阔的发展前景。（2）不取心钻进 是指孔底岩石被钻头全部破碎成碎屑的钻进方法，依孔底全面钻进使用的碎岩工具不同，可粗略分为：牙轮钻头钻进、刮刀钻头钻进、金刚石全面钻进(包括PDC钻头)和冲击回转全面钻进4种。（3）取心方法及适应地层为了反映地质因素对岩矿心的形成和保全的影响，选择与之相适应的技术和工艺措施来提高岩矿心采取质量，根据取心难易程

17、度的不同，大致可以将常见的岩矿层分为7类：1完整、致密、少裂隙的岩矿层这类岩矿层可钻性为412级。钻进时经得起振动，不易断裂破碎，耐磨性强，不怕冲刷，取心容易，采取率高，取出的岩心完整，代表性强。一般用单层岩心管正循环洗孔取心。2节理、片理、裂隙发育，硬或中硬，性脆易碎的岩矿层这类岩矿层可钻性为49级。钻进时若受钻具回转振动和冲洗液冲刷，则易破坏成碎块和细粒，相互磨损，导致岩矿心材料流失，物质成分可能贫化、富集或污染。采集较完整的岩矿心困难，卡取也不容易。一般采用喷射反循环钻具和单动双管钻具取心。对于可钻性级别低的岩矿层，有时还要采用无泵钻具和双动双管钻具。 3软硬不均，夹石、夹层多，层次变化

18、频繁，性质不稳定的岩矿层这类岩矿层如薄煤层、氧化矿等。围岩与矿层，岩层与岩层之间可钻性级别相差悬殊。钻进中很易破碎和磨损，软弱部分粘结性差，怕冲刷，煤层还怕烧灼变质。一般采用隔水单动双管，爪簧式单动双管和双动双管钻具取心。4软，松散，破碎，胶结性差的岩矿层这类岩矿层可钻性为l4级。松散易塌，胶结不良，钻进中易被冲蚀，岩矿心呈细粒、粉末状，也易烧灼变质。一般采用内管超前式单动双管，带半合管的单动双管取心。孔浅时可采用无泵钻具保证取心质量。5易被冲洗液溶蚀和溶化的岩矿层这类岩矿层如岩盐、冻土等，可钻性为24级。由于其可溶性，岩矿心常溶蚀成蜂窝状或完全解体，取不上岩心。因此要根据不同的盐类矿层采用饱

19、和盐溶液作冲洗液，或选用无泵钻具，双管黄油护心钻进，在缺水干旱地区或冻土层也可用空气洗孔钻进。6怕污染的岩矿层这类岩矿层如滑石、型砂、石墨矿等，钻进时岩屑或泥浆中的粘土颗粒混入矿心，会改变矿石的品位和成分。为防止污染可采用活塞式单动双管取心。地层完整时可用清水作冲洗液。在缺水地区也可用空气洗孔钻进。SZ钻具的结构图7淤泥和流砂类岩矿层对于这类岩矿层，用一般取心工具很难取上岩心。需用采用花篮式或活阀式取样器或局部孔底反循环钻具。 双层岩心管钻具结构型式示意图(a)孔底正冲洗式单动双管钻具(冲洗液出口高于岩心卡簧)1钻头；2岩心卡簧；3内管；4单动装置；5扩孔器(b)孔底正反冲洗式单动双管钻具(冲

20、洗液出口低于岩心卡簧)1钻头；2岩心卡簧；3内管(c)冲洗液底泄式单动双管钻具1钻头；2岩心卡簧；3卡簧座(d)内管超前压入式单动双管钻具1外管钻头；2外管；3内管；4内管钻头(压筒)；5带单流阀的内管接头；6摩擦离合器；7压缩弹簧；8单动装置；9异径接头(e)内管超前击入式单动双管钻具；10振击器；11下牙嵌；12上牙嵌五、保证钻孔质量的措施（1）保证岩矿心采取率的措施（1）、根据矿区地质条件、岩矿层得物理机械性质，正确地选择取心工艺、取样器具、钻进参数和冲洗液类型。（2）、矿心未达到要求时，应按设计要求补采矿心。（3）、取心工具应妥善保管，使用前要认真检查，用后要清洗检查、注润滑油脂。（4

21、）、在取心困难的矿层中钻进时应降低转速、压力和泵量。（5）、在破碎地层中钻进时，应适当控制回次进尺长度和回次进尺时间。（6）、钻进回次进尺长度不得超过岩心管长度。（7）、在矿层、矿层顶底板和重要标志层中，岩、矿心没有采取上来时，要专程捞取，必须钻进捞取时进尺不得超过0.5m。（8）、退岩心时要细心、不得重敲、猛打，尽量避免人为破碎并防止上下次序颠倒。 （二）控制钻孔弯曲的要点1把好“三关”：设备安装，钻具组合，钻进工艺。（1）、地表机械设备应经过检验，稳固可靠。（2）、确保安装质量，保证“天车、回转器、孔口”三点一线。（3）、按要求的测量间距测斜。（4）、及时根据测斜成果计算钻孔空间位置，发现

22、孔斜超标应及时纠斜。（5）、在易斜岩层施工，应根据地层、见矿深度等条件合理设计开孔角度和弯曲强度，已掌握钻孔自然弯曲规律的工区应设计初级定向孔。（6）、合理选择钻具结构和级配，尽量采用满眼钻进。（7）、开孔应选用锋利的钻头，钻杆不得有偏摆，钻压要均匀，要随钻孔加深加长岩心管。（8）、深孔钻进时，应尽量采用钻铤加压。（9）、遇到片岩地层、倾斜岩层、破碎带、软硬互层时，应使用锋利的钻头和长、直、重、厚、刚的钻具。有条件时可采用冲击回转钻进。（10）、扩孔时要带内导正器，换径时要带外导正器。粗径钻具要用综合式异径接头连线，其中心线应一致。（11）、换径时导正管长度要大于4m,第一回次的小径岩心管长度

23、要小于1m。2常用测斜仪器 测斜仪根据其能否用于磁性矿体分为非磁性测斜仪和磁性矿体测斜仪。顶角小于3，方位角测量一般都不准确，具有随意性。 氢氟酸测斜仪，罗盘测斜仪-主要用于非磁性矿体； 光纤陀螺仪-非磁性、磁性矿体都可以，且精度较高。（三) 做好简易水文地质观测的要点（1）、严格按设计及时观测水位及其他应测项目。（2）、观测的基准一致，读数准确。（3）、水位在100m以内应配备100m测绳；水位大于100m，应配备毫安表水位计，保证水位测量的准确。（四）孔深误差测量与校正的质量保证（1）、按要求的孔深及层位及时校正孔深，孔深误差率大于千分之一时及时修正报表。（2）、测量时要使用经过校正的钢卷

24、尺丈量，应保持两端平齐，刻度准确、清楚，并准确记录数据。（3）、丈量机上余尺时钻柱应停止回转，基准点要一致，并应准确丈量，及时记录。（4）、处理后应校正孔深。 （五） 做好原始记录的要点（1）、在现场认真、及时地按要求在本班各种原始表报上记录各项数据，不允许下班后追记、补记。（2）、记录应全面、完整，尽量详细。报表所记录的内容，要为钻探技术经济指标分析提供可靠的基础数据，也要为后续钻探工程的开展积累可供应用或借鉴的经验和教训。应记录的内容主要有：按时间顺序和报表格式记录本班的工作及相应措施，既要有工艺技术方面的内容（钻进及取心方法、钻头规格、钻进技术参数、泥浆配制及其性能指标测试等），也要有质

25、量活动方面的成果（进行取心、测斜等质量工作及其获得的数据）。遇到换径、换层、漏水、涌水、坍塌掉块、改变钻进方法及事故处理的详细情况等较大问题。发生孔内事故情况及处理过程。（3）、班长、机长要及时校对原始记录，发现错误立即修正，并亲笔签字、以示负责。 （六） 保证封孔质量的要点（1）、严格按封孔要求和封孔设计进行每一层位封闭，封孔后必须在孔口中心处设立水泥标志桩(用水泥固定)。（2）使用泥浆做冲洗液的钻孔，应自下而上清洗封闭段孔壁上的泥皮。 （3）、按设计要求进行透孔检查封孔质量。（4）、用套管护壁的钻孔，应先封好套管下部各封闭段再起拔套管。六、钻进过程的主要工序1起下钻，也称升降钻具工序：钻探

26、施工中，为提取岩心或更换新钻头、处理事故等，从孔内提出，又向孔内下入钻具的作业。起下钻在钻进中属辅助生产作业。 回次：在钻孔施工中，每一次将钻具下至孔底进行钻进直至钻进完毕将钻具从孔内全部提出地面，这样一个作业循环，称为一个回次。对绳索取心钻进，一个回次为从投放内管总成、钻进、打捞内管总成的一个循环过程。2给进：岩心钻探的用语，在钻进施工中保证钻头随孔底延伸的跟进，而送进钻杆柱的作业。给进的实质是保持钻头对岩石破碎的均衡的钻压。（1）加压给进当钻孔深度较浅、钻具的自重达不到钻压所要求的值时，其不足的数值就要通过钻机回转器（立轴）给主动钻杆施加向下的力来实现正常钻进的一种作业方式。加压方式：给进

27、装置加压（如常用的有油缸加压、齿轮齿条加压(通过给进把或给进手轮)、滑轮组钢绳加压、在孔内增加钻铤（加重钻杆）加压以及大口径钻孔采用重块（砝码）加压等。（2）减压钻进孔内钻具质量超过钻头破碎岩层所需压力时，用给进装置减压（如用油缸、齿轮齿条、钢绳滑轮组等）平衡掉一部分钻具的重量（通过立轴给主动钻杆一个向上的力），以维持规定钻压钻进的一种作业方式。 倒杆：岩心钻探使用立轴式钻机的一种操作程序。钻机立轴带动主动钻杆旋转和给进，是通过立轴上下的两个卡盘卡紧主动钻杆而实现的。当钻机立轴从最高位置降到最低位置，此时需停钻将立轴的卡盘松开与主动钻杆脱离，重新将立轴升到最高位置，再卡紧主动钻杆，这种操作程序

28、就称倒杆。 3进尺：钻进获得以米为度量单位的长度数值。一个作业班（8 小时）内的钻进长度，称为班进尺，此外有日进尺、月进尺、年进尺等；一个钻头所钻的总深度，称钻头进尺；进尺是钻探或钻井的工作量指标，是钻探计划、统计、核算、定额等的一个基本项目。（1）机上余尺：钻具位于孔底时，钻机回转器某固定点至主动钻杆与水接头连接处的距离。机上余尺是用作钻进作业时，测量进尺的基础数据，某一时间间隔内的进尺数，由时间起点和止点两个时间内，所量得的机上余尺之差。孔深与钻具总长的关系图孔深（H）= 钻具总长（L）机高（h1）机上余尺（h2）式中：钻具总长 = 机上钻杆长+立根总长+单根总长+取粉管长+岩心管长+钻头

29、长机上余尺 = 钻具总长机高孔深本回次初机上余尺 = 上回次末机上余尺+L（加减钻具的差值） （2）回次进尺：一个回次中钻头的进尺数称回次进尺，以长度表示，单位为米。一个回次所消耗的时间称回次时间，属生产时间。回次进尺的大小表征着两重含义，即回次时间内纯钻进时间的长短；或者在同一纯钻进时间内进尺的大小，这两者都意味着钻进机械效率、回次效率的高低，必然影响台月效率的高低。岩心钻探的回次进尺，取决于岩心的完整程度和钻头的耐磨性。致密完整地层，回次进尺可达到9 米；钻进极为松散破碎的岩心，回次进尺被限制在12 米之间；无岩心钻进，回次进尺可以达到几十米。 回次进尺 = 回次初机上余尺回次末机上余尺钻头消耗（注：硬质合金及金刚石钻头消耗很小，一般略而不计）七、地勘公司钻探成果（1）水泥浆高压旋喷固结护壁法。 主要用于解决钻孔漏失泥浆护壁难且无法采用套管隔离情况下的中、深部孔段钻遇松散、破碎、易水化分散坍塌等复杂夹层护壁难题。通过多个钻孔的应用实践，水泥浆高压旋喷固结护壁法可以在任意孔深的坍塌超径孔段、软弱松散地层等形成可靠、有效的“水泥套管”护壁。目前，该技术已成为机台主要和必备的固结护壁手段。（2）应用定向钻探技术进行孔内检测磁异常验