鉆探工藝

第一章巖芯鉆探鉆具第二章鉆進(jìn)方法第三章巖礦芯的采取第四章特種取芯方法第五章鉆孔彎曲及其測(cè)量

第一章巖芯鉆探鉆具第一節(jié)巖芯鉆具的組成第二節(jié)鉆桿柱第三節(jié)鉆桿柱在孔內(nèi)的工作狀態(tài)第四節(jié)鉆桿柱的合理使用第一節(jié)巖芯鉆具的組成鉆頭

巖芯管取粉管鉆桿柱水籠頭全套鉆具

巖芯提斷器

第一節(jié)巖芯鉆具的組成鉆頭

巖芯管取粉管鉆桿柱水籠頭鉆頭bit：破碎巖石巖芯管corebarrel：

容納巖芯、傳遞鉆壓和扭矩鉆頭接頭鉆具鉆桿鉆桿第一節(jié)巖芯鉆具的組成取粉管corebarrel：撈取巖粉、收集大粒巖屑鉆桿柱drillstring：傳遞鉆壓、扭矩及通道沖洗液,測(cè)斜器單根single立根stand，多為三根主動(dòng)鉆桿drivepipe/kelly：孔口鉆桿，與動(dòng)力機(jī)相接水籠頭waterswivel：輸送沖洗介質(zhì)的高壓膠管與回轉(zhuǎn)鉆具間的連接的專用裝置第一節(jié)巖芯鉆具的組成

提引鉆具liftingtools擰卸鉆具make-uporbreaking-outtools夾持器clamp擰卸鉆具提引鉆具水籠頭提引器移動(dòng)滑車木馬夾持器第一節(jié)巖芯鉆具的組成

鉆頭和巖芯管的基本尺寸

第二節(jié)鉆桿柱drillstring/column一、鉆桿柱的功用１．傳遞動(dòng)力鉆壓

bitpressure轉(zhuǎn)矩rotarytorsion

2．作為通道沖洗液巖礦芯卡料或儀器等第二節(jié)鉆桿柱drillstring/column二、鉆桿柱的連接方式平接頭連接

rod鎖接頭連接tooljoint接箍連接coupling接箍第二節(jié)鉆桿柱drillstring/column三、鉆桿柱的材質(zhì)與要求≥45﹟鋼，少量用鋁合金有足夠的接頭強(qiáng)度加重鉆桿（鉆鋌drillcollar）鉆探設(shè)備

DrillingEquipments

緒論

鉆探設(shè)備drillingequipments是指鉆探施工中直接應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備和裝置。

鉆探設(shè)備包括動(dòng)力機(jī)、鉆機(jī)、泥漿泵和鉆塔等。

動(dòng)力機(jī)powermachine作為通用機(jī)械，不屬于本課程范圍。電動(dòng)機(jī)electricmotor柴油機(jī)dieselengine

空壓機(jī)aircompressor

鉆探設(shè)備中，以鉆機(jī)作為主機(jī)來配備其它設(shè)備。一、鉆探設(shè)備的組成

1．鉆機(jī)drill/rig

是進(jìn)行鉆探工作的主要設(shè)備。它的功能一般包括兩個(gè)方面:

帶動(dòng)鉆具向地層深部鉆進(jìn)；

通過升降機(jī)起、下鉆具。

2．泥漿泵及泥漿制備、凈化設(shè)備

泥漿泵mudpump/slushpump向孔內(nèi)輸送沖洗液以清洗孔底、冷卻鉆頭和潤滑鉆具。

泥漿攪拌機(jī)mudmixer

用于制備泥漿及其它類型的沖洗液。

泥漿凈化設(shè)備mudpurifyingdevice:振動(dòng)篩和泥漿旋流除砂器。

一、鉆探設(shè)備的組成

3．鉆塔derrick/mast(輕便)

用于升降鉆具的構(gòu)筑物。

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

1．鉆機(jī)按用途分類地質(zhì)勘探鉆機(jī)

礦山地質(zhì)鉆機(jī)水文地質(zhì)與水井鉆機(jī)

工程地質(zhì)勘察鉆機(jī)

工程施工鉆機(jī)

石油天然氣勘探與開發(fā)鉆機(jī)

二、鉆機(jī)的分類

2．鉆機(jī)按鉆進(jìn)方法分類

沖擊式鉆機(jī)

鋼繩沖擊式

鉆桿沖擊式

回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)

立軸式

轉(zhuǎn)盤式

移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式手把給進(jìn)式螺旋差動(dòng)給進(jìn)式手把螺旋差動(dòng)給進(jìn)式液壓給進(jìn)鋼繩加減壓液壓缸加減壓全液壓動(dòng)力頭式機(jī)械動(dòng)力頭式振動(dòng)鉆機(jī)

復(fù)合式鉆機(jī)

振動(dòng)、沖擊、回轉(zhuǎn)、靜壓等功能組合在一起的鉆機(jī)二、鉆機(jī)的分類

2．鉆機(jī)按鉆進(jìn)方法分類

沖擊式鉆機(jī)

鋼繩沖擊式

鉆桿沖擊式

回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)

立軸式

轉(zhuǎn)盤式

移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式手把給進(jìn)式螺旋差動(dòng)給進(jìn)式手把螺旋差動(dòng)給進(jìn)式液壓給進(jìn)鋼繩加減壓液壓缸加減壓全液壓動(dòng)力頭式機(jī)械動(dòng)力頭式振動(dòng)鉆機(jī)

復(fù)合式鉆機(jī)

振動(dòng)、沖擊、回轉(zhuǎn)、靜壓等功能組合在一起的鉆機(jī)二、鉆機(jī)的分類

2．鉆機(jī)按鉆進(jìn)方法分類

沖擊式鉆機(jī)

鋼繩沖擊式

鉆桿沖擊式

回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)

立軸式

轉(zhuǎn)盤式

移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式手把給進(jìn)式螺旋差動(dòng)給進(jìn)式手把螺旋差動(dòng)給進(jìn)式液壓給進(jìn)鋼繩加減壓液壓缸加減壓全液壓動(dòng)力頭式機(jī)械動(dòng)力頭式振動(dòng)鉆機(jī)

復(fù)合式鉆機(jī)

振動(dòng)、沖擊、回轉(zhuǎn)、靜壓等功能組合在一起的鉆機(jī)二、鉆機(jī)的分類

2．鉆機(jī)按鉆進(jìn)方法分類

沖擊式鉆機(jī)

鋼繩沖擊式

鉆桿沖擊式

回轉(zhuǎn)式鉆機(jī)

立軸式

轉(zhuǎn)盤式

移動(dòng)回轉(zhuǎn)器式手把給進(jìn)式螺旋差動(dòng)給進(jìn)式手把螺旋差動(dòng)給進(jìn)式液壓給進(jìn)鋼繩加減壓液壓缸加減壓全液壓動(dòng)力頭式機(jī)械動(dòng)力頭式振動(dòng)鉆機(jī)

復(fù)合式鉆機(jī)

振動(dòng)、沖擊、回轉(zhuǎn)、靜壓等功能組合在一起的鉆機(jī)三、鉆探設(shè)備的發(fā)展方向

1、小型、輕便化2、大型、多功能化3、特殊專用化第三節(jié)鉆桿柱在孔內(nèi)的工作狀態(tài)一、鉆桿柱在孔內(nèi)的工作特點(diǎn)二、鉆桿柱在孔內(nèi)的波形彎曲三、鉆桿柱在孔底的彎曲狀態(tài)四、回轉(zhuǎn)鉆桿柱所產(chǎn)生的扭應(yīng)力五、提升鉆桿柱所產(chǎn)生的拉應(yīng)力六、處理事故中的鉆桿柱受力情況一、鉆桿柱在孔內(nèi)的工作特點(diǎn)

鉆頭上的鉆壓P0驅(qū)動(dòng)鉆桿柱的扭矩Ｍ鉆機(jī)軸向調(diào)節(jié)力Ｐ孔內(nèi)摩擦扭矩Ｍ1鉆頭工作扭矩M0鉆桿柱重量W加壓鉆進(jìn)forcedfeeddrilling減壓鉆進(jìn)reducedbitloaddrilling二、鉆桿柱在孔內(nèi)的波形彎曲產(chǎn)生彎曲的原因：自身某些偏心自重失穩(wěn)彎曲部分質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生離心力促使鉆桿柱彎曲鉆桿柱由于自重產(chǎn)生的縱向壓力促使鉆桿柱彎曲離心力縱向力共同作用，鉆桿柱在孔內(nèi)呈波形彎曲波峰wavecrest壓向孔壁薩爾基索夫半波長計(jì)算公式

以鉆桿柱中心線和鉆孔中心線相交兩點(diǎn)間的一段縱向長度稱為半波長，以表示。鉆桿柱中心線鉆孔中心線注意兩點(diǎn)：（1）由于自重產(chǎn)生的縱向力的變化，

各部位的半波長是不一樣的。（2）減壓鉆進(jìn)中，鉆桿柱某點(diǎn)縱向力為零，稱零斷面或中和點(diǎn)。零斷面薩爾基索夫作一假定：

鉆桿柱受外力(離心力和縱向力)所作的功等于鉆桿柱變形所儲(chǔ)存的位能。

——鉆桿柱變形位能；

——離心力所作的功；——縱向力所作的功。1．關(guān)于鉆桿柱變形能U——斷面的彎矩；取一x斷面鉆孔軸線方向——邊界斷面的轉(zhuǎn)角=；——該處的曲率半徑。

由材料力學(xué)知：

故有：所以，彎曲的半波長內(nèi)鉆桿柱中儲(chǔ)存的變形能為：Ｅ為縱向彈性模量Ｊ為鉆桿斷面積的軸慣性矩根據(jù)實(shí)際彎曲情況，若把鉆桿的彎曲視為正弦波形，有：

——最大的撓度D為鉆孔直徑；d為鉆桿直徑。

所以：

kg·f·cm２．關(guān)于離心力所作的功Ａ取一x斷面鉆孔軸線方向離心力對(duì)鉆桿柱所作的功Ａ可以根據(jù)離心力及其變化過程計(jì)算。

長的鉆桿質(zhì)量為：為單位長度鉆桿的質(zhì)量

當(dāng)鉆桿柱角速度為

時(shí)，

單元的離心力為：

２．關(guān)于離心力所作的功Ａ取一x斷面鉆孔軸線方向

該離心力在達(dá)到平衡之前是隨y值的增大而增大的，所以該力所作的功為：即：

kg·f·cm３．關(guān)于縱向力所作的功Ａ1

作用于某一半波長上端中心的縱向力P為一常值。

縱向力可以是拉力；也可能是壓力。

規(guī)定拉力為正；壓力為負(fù)。對(duì)于用方程式

所表示的平緩曲線，其曲線的長度與其弦長之差，可以近似地表示為：

３．關(guān)于縱向力所作的功Ａ1

同樣，設(shè)鉆桿柱的彎曲方程式為：

則有：

于是：

所以：

kg·f·cm4．薩爾基索夫公式

解方程式得：z為所求斷面距零斷面的距離。

5．關(guān)于鉆桿柱的彎曲應(yīng)力鉆桿柱在孔內(nèi)發(fā)生彎曲，半波長越小，彎曲越嚴(yán)重，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力越大。其彎曲應(yīng)力可利用其彎曲變形來求得。鉆桿柱的彎曲曲線方程式為：由材料力學(xué)知，彎曲曲線的方程式為：5．關(guān)于鉆桿柱的彎曲應(yīng)力所以有：

當(dāng)

因?yàn)榍覉A管的斷面模量為：

時(shí)，5．關(guān)于鉆桿柱的彎曲應(yīng)力所以有：

即

鉆桿柱的彎曲應(yīng)力與鉆桿直徑和最大撓度成正比關(guān)系，而與半波長度的平方成反比。

由薩爾基索夫公式知，半波長度又與

(轉(zhuǎn)速)成反比，所以半波長受鉆桿柱轉(zhuǎn)速的影響較大。

三、鉆桿柱在孔底的彎曲狀態(tài)實(shí)際鉆桿柱磨損會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

四周磨損均勻

某一側(cè)面磨損特別厲害偏磨

鉆桿柱在孔內(nèi)存在兩種旋轉(zhuǎn)方式：公轉(zhuǎn)revolution

自轉(zhuǎn)rotation

磨損均勻偏磨三、鉆桿柱在孔底的彎曲狀態(tài)

在鉆進(jìn)中，由于部分鉆桿柱的重量是作為鉆壓施加在鉆頭之上，使得下部鉆桿柱受壓縮。

在鉆壓小和直孔的條件下，鉆桿柱也可能是直的。

但當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值時(shí)，下部鉆桿柱失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲，并且在某一點(diǎn)和孔壁接觸，稱為切點(diǎn)。

鉆桿柱的中和點(diǎn)N1在切點(diǎn)T1的上方，這是第一次彎曲(如曲線Ⅰ所示)。

如果繼續(xù)加大鉆壓，則彎曲狀態(tài)又改變。切點(diǎn)逐漸下移，中和點(diǎn)上移(如曲線Ⅱ所示)。

當(dāng)鉆壓增大到新的臨界值時(shí)，鉆桿柱彎曲軸線呈現(xiàn)出第二個(gè)半波，出現(xiàn)第二個(gè)切點(diǎn)，這是鉆桿柱的第二次彎曲(如曲線Ⅲ所示)。四、回轉(zhuǎn)鉆桿柱所產(chǎn)生的扭應(yīng)力鉆桿柱受壓

正應(yīng)力directstress

鉆桿柱傳遞扭矩

剪應(yīng)力shearingstress

M大Ｍ小研究鉆桿柱扭應(yīng)力思路：計(jì)算鉆桿柱上端所承受的最大扭矩

確定鉆桿柱上端所傳送的總功率

一定的轉(zhuǎn)速條件

已知斷面扭矩，可算出該斷面的剪應(yīng)力值。

四、回轉(zhuǎn)鉆桿柱所產(chǎn)生的扭應(yīng)力M大Ｍ小計(jì)算鉆桿柱上端所承受的最大扭矩

確定鉆桿柱上端所傳送的總功率

一定的轉(zhuǎn)速條件

已知斷面扭矩，可算出該斷面的剪應(yīng)力值。

用第三強(qiáng)度理論計(jì)算鉆桿柱合成應(yīng)力

鉆進(jìn)功率Ｎ1空轉(zhuǎn)鉆桿柱的功率

Ｎ2克服摩擦阻力時(shí)增加的功率Ｎ3鉆頭破碎巖石所需的功率

鉆機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速五、提升鉆桿柱所產(chǎn)生的拉應(yīng)力

當(dāng)開始把全部鉆桿柱從孔中提起時(shí)，鉆桿柱上端受有最大的拉應(yīng)力。

鉆桿柱最大的拉力

提升加速度的慣性力

提升鉆桿柱時(shí)孔內(nèi)增加的阻力

鉆桿柱本身的重力

~六、處理事故中的鉆桿柱受力情況這是鉆桿柱在非正常工作條件下可能遇到的受力情況。

這種受力狀況往往對(duì)鉆桿柱可能造成嚴(yán)重?fù)p傷?？▕A鉆具

drillrodsticking回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受阻

扭轉(zhuǎn)變形

埋鉆

drillrodburying強(qiáng)力提拔鉆桿拉斷第四節(jié)鉆桿柱的合理使用

長時(shí)間在孔內(nèi)經(jīng)受著

各種載荷

磨損

侵蝕

磨損折斷

消耗優(yōu)化的鉆桿柱使用方式較為成功的使用方式：

變換次序使用法

綜合使用法

一般說KT＜l

第四節(jié)鉆桿柱的合理使用一、變換使用方式

當(dāng)KT＝1時(shí)，即鉆孔時(shí)間與鉆桿壽命相等或接近時(shí)，為了使鉆桿消耗均勻，鉆孔須成對(duì)考慮，即兩個(gè)鉆孔的工作量一起計(jì)算。在鉆第二個(gè)鉆孔時(shí)，把立根使用的次序顛倒過來，稱為變換次序使用法。對(duì)于KT≤0.5和0.7≤KT≤1的各種情況，這種優(yōu)化使用的方式都可采用，實(shí)際上只是所鉆的孔數(shù)不同而已。第四節(jié)鉆桿柱的合理使