岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进
硬地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法
地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法引言：在地层取芯中不同岩石理化特性有很大差异。
从宏观到微观通过研究岩石的理化特征，以及相应的钻进手段对对岩石钻进的影响对岩石钻进时钻进效率进行分析，做到高效钻进。
本文主要讨论的是硬地层取芯中的诸多问题。
首先我们探讨岩石的可钻性。
对不同岩石的理化性质进行逐步分析。
然后介绍目前常见的取芯钻进方式，在不同岩石和不同钻进方式之间建立对应关系，对不同岩是做到对症下药逐个击破。
钻进效率最优。
最后，会讨论一些钻进时的辅助手段，从另一个侧面提高钻进效率做到百尺竿头更进一步。
岩层的钻进方法钻进方法的分类方法很多，有的根据钻进目的分类，有的根据碎岩方式分类，还有的根据冲洗介质的种类以及循环方式分类。
根据钻进目的可分为地质钻进、石油钻进、水进钻进、工程施工钻进等。
根据机械碎岩方式可分为回转钻进、冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进等。
在回转钻进中，根据所用的钻头不同又可分为金刚石钻进、硬质合金钻进、牙轮钻进以及钢粒钻进等岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。
主要有变形特性、强度特性和表面特性。
变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。
破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。
根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。
有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。
岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。
岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。
岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。
岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。
测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。
岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。
钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。
第四章冲击及冲击回转钻进
第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
工程钻探学Leabharlann 件一字形钻头第一节、钢丝绳冲击钻进 二、钢丝绳冲击钻进所使用的钻具
1）用来破碎岩石和取样排屑的工具—钻头、冲击钻杆、 钢丝绳接头、捞砂筒和取样器等。
第四章 冲击及冲击回转钻进
采用回转钻进方法钻进坚硬和研磨性较高的岩石时，由于岩 石抗压入强度高，切削具必须在很大的压力下才能切入岩石， 而大的轴心压力将导致切削具的急剧磨损，从而使钻进效率 大大降低。实践表明，破碎坚硬岩石时，冲击钻进比回转钻 进更为有效，这是由于岩石的剪切强度只相当于抗压强度的 1/6~1/12，冲击钻进使岩石产生剪切破碎。此外，在冲击载 荷作用下，岩石表面可产生瞬时接触应力，在动应力作用下， 岩石易产生裂纹，并且随冲击速度的提高，岩石的脆性将增 大，有利于岩石中裂纹的发育。因此，用不大的冲击力，便 可以达到破碎坚硬岩石的效果。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进 施工工地照片
工程钻探学课件
第四章 冲击及冲击回转钻进 第一节、钢丝绳冲击钻进
钢丝绳冲击钻进的基本原理是， 借助于一定重量的钻头，在一定 的高度内周期地冲击井底，使岩 石破碎而获得进尺。在每次冲击 之后，钻头在钢丝绳带动下，回 转一定的角度，从而使钻孔得到 规则的圆形断面。
工程钻探学课件
钢丝绳冲击钻机
钢丝绳冲击钻机
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 三、冲击钻进规程
冲击钻进规程是研究如何合理地、有效地运用冲击钻具进行钻 进，从而能达到提高效率、保持质量和降低成本的问题。
岩土钻掘工程学第5章-回转钻进工艺
回转钻进工艺的历史与发展
01
回转钻进工艺起源于19世纪中叶 ，随着工业技术的发展和市场需 求的变化，回转钻进工艺不断得 到改进和完善。
02
现代回转钻进工艺已经实现了自 动化、智能化和信息化，提高了 钻进的效率和精度，为岩土工程 的发展提供了有力支持。
02
回转钻进工艺原理
回转钻进工艺的基本原理
回转钻进工艺是通过钻机的回转运动 ，带动钻杆和钻头连续旋转，利用钻 头切削牙齿的旋转切削作用，破碎岩 石，实现钻孔的目的。
要点二
详细描述
在某油田区块，采用回转钻进工艺进行石油天然气勘探。 通过先进的钻井技术和设备，成功地钻穿了复杂的地质构 造，发现了高产油层。这为该地区的能源开发提供了有力 支持，促进了当地经济发展。
THANK YOU
感谢聆听
岩土钻掘工程学第5章-回转钻 进工艺
目
CONTENCT
录
• 回转钻进工艺概述 • 回转钻进工艺原理 • 回转钻进工艺流程 • 回转钻进工艺应用 • 回转钻进工艺的挑战与解决方案 • 回转钻进工艺案例分析
01
回转钻进工艺概述
定义与特点
定义
回转钻进工艺是一种利用钻头旋转切削岩土，并通过钻杆将切削 下来的岩土带出孔外的钻进方法。
详细描述
钻孔质量问题通常是由于钻具磨损、钻压和转速控制不当、钻孔结构不合理等原因引起的。为了解决这一问题， 需要定期检查钻具，确保其完好无损；合理选择和控制钻压和转速，避免过大的磨损和失稳；优化钻孔结构，采 取相应措施提高钻孔质量。
钻具磨损与预防措施
总结词
钻具磨损是回转钻进工艺中的另一个重 要问题，它会影响到钻孔质量和施工效 率。
例如，在地热能开发中，通过回转钻进工艺钻取地热井，将地热能转化为热能或电能；在矿产资源勘 探中，通过回转钻进工艺获取岩心样本，进行矿产资源的评估和开发。
第四章 冲击及冲击回转钻进
5) 切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头 普通大八角硬合金钻头 可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm 以增大通水面积，合金采用 10×10×16mm大八角柱八粒，内、 外出刃3mm，底出刃5mm，刃尖角
4) 钻头是以自由落体方式冲击岩石的。冲击钻头利用高的
冲击速度产生很大的冲击力，能有效破碎坚硬岩石。
工程钻探学课件
第一节、钢丝绳冲击钻进 一、钢丝绳冲击钻进的特点： 冲击钻进，总的来说是一种钻进速度低的老方法。它利用 钻具自由落体式进行钻进，因而只能钻进垂直的钻孔；与 现代先进钻进方法相比，钻进效率较低。因此，冲击钻进
（2）的中心通道而流人孔底，作经常性冷却钻头及吹粉，
②作为动力的主气流则沿缸壳(12）中的气槽，进人活塞 （冲锤）的中间环腔，并经缸壳上的下气槽进入锤下气室， 推动活塞上行。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
一、冲击器
2、风动冲击器 ③在活塞上行中，当下段活塞封闭下气槽的入口后，就停 止向下气室进气，但锤下气室内的压气便膨胀井在惯性作用 下继续推动活塞上升。
冲击器钻进中硬岩石。
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头
工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ②金刚石钻头 (1）现在金刚石冲击回转钻进方法仍以回转作用为主，冲击 为辅，所以选择钻头类型时，表镶或孕镶钻头都可以用；
2、风动冲击器 ⑥在活塞上行的过程中，当活塞的尾端离开轴承环(19）时， 活塞下气室中的膨胀气体经钻头中心孔排于孔底， ⑦当活塞下行至离开配气机构的尾管后，锤上气室的气体
第三讲 岩心钻探工艺
第三讲岩心钻探工艺第一部分：钻进基本知识一、钻孔结构1、定义：指由开孔至终孔，孔身口径及长度的变化。
亦即钻孔的技术剖面。
2、内容：包括钻孔口径、换径次数、下套管层数、管径、长度及换径深度、套管底部止水封固方法等。
3、要求：在保证钻孔质量和安全的前提下，尽可能采用优质泥浆、水泥浆或化学浆液护壁堵漏，力争少换径，少下或不下套管，最大限度地简化钻孔结构。
4、下套管的目的：隔离复杂地层。
5、在下列情况下，往往需要换径和下入套管：①钻进松散的砂砾石层、流砂层，受地下水影响泥浆护孔无效时。
②穿过较厚的节理裂隙发育的破碎带，坍塌掉块严重，采用泥浆或其它护孔方法无效时。
③钻孔遇到含水构造与大裂隙贯通，严重漏水，用其它方法止水无效时。
④钻孔达到一定深度后，为了适应设备负荷的能力可换径钻进。
6、钻孔结构的选择因素岩石性质、水文地质条件、终孔口径、钻孔深度、钻进方法、钻孔用途、护孔措施、施工设备等。
7、钻具级配：钻杆直径与钻孔直径（钻头直径）的配合关系。
它反映了孔壁间隙的大小，对钻杆的工作状态、冲洗液的流动、钻具回转阻力的大小都有重要影响。
二、钻进基本知识1、钻进方法：向地下钻孔时，破碎孔底岩石的方法和技术措施的总称。
2、钻探工艺：如何利用一定的设备和工具来破碎岩石（土层），在地层中造成一个有一定直径和深度的圆滑规则的钻孔，并采取一定的技术措施以保证钻进工作顺利进行的全部工作。
3、钻进方法分类①根据破碎岩石的外力和方式不同，分为回转钻进、冲击钻进和冲击回转钻进等；②根据碎岩工具（磨料的材质）不同，分为硬质合金钻进、钢粒钻进、金刚石钻进等；③根据冲洗循环方式不同，分为正循环、反循环和孔底局部反循环钻进。
④根据是否取心分为取心钻进和全面钻进。
4、如何选择钻进方法：主要根据岩石的物理机械性质选择钻进方法。
①软的和部分中硬岩层，选用硬质合金钻进；②部分中硬至硬的岩层，选用针状合金、金刚石复合片或钢粒钻进；③中硬至坚硬岩层，选用金刚石、钢粒或潜孔锤钻进。
地质钻探工艺
地质钻探工艺
地质钻探工艺主要包括以下几种：
1. 冲击钻进：利用钻具自重对孔底进行冲击而破碎岩（土）体的钻进方法。
人力冲击一般适用于浅孔和地下水位以上的土层钻进。
机械冲击则是采用机械向下冲击，适于各类土层钻进。
2. 回转钻进：在轴心压力作用下，利用筒状钻头用回转研磨方式切削岩石的一种取芯钻进方法，适于各种岩石钻进，通常称为岩芯钻探。
根据钻头研磨材料，可将其分为硬质合金钻进、钻粒钻进和金刚石钻进。
3. 反循环钻探技术：包括空气反循环技术和水力反循环技术。
空气反循环钻探技术是将压缩空气用作循环介质，利用双壁钻杆外管将压缩空气送至孔底，空气的剧烈膨胀会产生冲击力，驱动孔底潜孔锤作用于岩石上，同时空气作用后通过钻杆中心通道重新回到地表，并携带岩屑。
水力反循环钻探技术则是将泥浆或水用作循环介质，其循环方式与空气反循环相同，都是利用钻杆将介质传送到孔底，获取的柱状岩心则通过钻杆携带回地面。
4. 组合钻探工艺：结合了绳索取心技术、反循环取样、取心技术，吸取了各种钻探技术的优点，能依据地质钻探要求和地层情况提高钻探效率，减少额外劳动和成本。
此外，还有一些新工艺和新材料的应用，例如新型节水钻探技术、新型泥浆体系和泥浆材料等。
这些新技术的应用可以提高生产效率、增加钻头使用寿命、提高钻进速度等。
综上所述，地质钻探工艺是一个综合性的工艺系统，不同的工艺适用于不同的地质条件和需求。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的工艺以提高钻探效率和保证工程质量。
国家精品课程：岩土钻掘工程学第4章——回转钻进用钻头
H
2019/1/30
中国地质大学勘查教研室
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
2、硬质合金切削具在孔底磨损的实际状况
国家精品课程
岩土钻掘工程学
前述理论分析的基础是假定切削具刃部为均匀磨损，实际钻
进中，切削具出刃的内、外侧 磨损量是不均匀的，即：
y外＞y内＞y， t外＞t内＞t
切削具底端也不是被磨损成 平面，而是呈圆弧形，刃前缘 和后缘磨损更厉害。
2019/1/30
中国地质大学勘查教研室
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
0、硬质合金钻进的基本概念与特点
1、硬质合金钻进的基本概念
国家精品课程
岩土钻掘工程学
利用镶焊在钻头钢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。
硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法，
它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、 中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。
S(t)=S0+θt ； θ——磨损系数
2019/1/30 中国地质大学勘查教研室
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程
A vm (S 0 t ) 2
国家精品课程
岩土钻掘工程学
A——岩性、钻进规程及钻头一定时为常量。
切削具的磨损面积与钻进时间成正比，而机械钻速与切削具 接触面积的平方成反比。 设钻进的初始钻速为 v0=A/S02，上式可写成：
2 v0 S0 v0 vm 2 2 2 S0 2S0 t t (1 k0t ) 2
式中： k0——钻速下降的特征系数，k0=θ/S0。 钻头在t时间内
总进尺为
2019/1/30
H vm dt 得到
岩心钻探规程.pdf_200711168201787586
毫米，并在靠近基台木处上下加垫。基台木的断面规格如下：
100型钻机 150×150(毫米)
300型钻机 200×200(毫米)
500-600型钻机 220×200(毫米)
1000-1500型钻机 250×250(毫米)
第十条 安装与拆卸钻塔必须遵守下列规定
1.安、拆钻塔工作应在安装队(组)长或机长的指挥下进行；安装人员必须戴安全帽。在
全与方便，尽量少占或不占农田。已确定的孔位要立木桩，斜孔要设方位桩。孔位和倾角确
定之后不得任意变更。
第八条 修筑地基必须遵守下列规定
1.机场地基必须平整、坚固、适用。钻塔底座填方部分不得超过塔基面积的四分之一，
填方部分还必须采取有效措施防止塌陷和溜方。孔深超过 600米以深及土层松散、地形坡度
第五节 处理事故的安全规定
第十章 钻探机械和仪器、仪表的使用与维护
第一节 使用与维护的基本要求
2
第二节 钻机
第三节 泥浆泵
第四节 柴油机
第五节 电动机和照明发电机
第六节 拧管机
第七节 孔内测量仪器和地面监测仪表
第十一章 一般安全规定
第一节 个人和机场内的安全防护
孔和土层松散时应在下部用混凝土加固。其安装形式一般按钻塔底盘和钻机地脚螺孔的排列
尺寸铺设，见表2。
常用钻机、钻塔底座安装尺寸 表2
钻机安装尺寸（毫米） 钻塔安装尺寸（米）
钻机型号 机座螺孔尺寸 孔前距 变角点
高 度
钻塔类型 钻塔
高度
钻 塔
底盘尺寸左右 前后
XJ-100 564 418+385+385 186 730 三角管架 7 2．8×3。2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
其他运动零件，也无弹簧、配水活阀等易 损零件，因而钻具工作可靠，使用寿命长 ；冲锤向下冲击砧子时，没有自由行程阶 段和弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击 器能量利用率高；能适用于高温高压条件 下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量 要求高，否则射流原件易堵塞。
结构：如图所示。
工作原理：冲锤活塞正冲程和反冲程
均由液体压力推动。
特点：结构较复杂。采用差动运动方式
，必须有既滑动又隔压的密封件，以使冲 击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位 设有"节流环"、"下阀"等元件，在与冲锤活 塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有" 呼吸道"。从理论上讲，该冲击器的液流功 率恢复较高。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转 钻进
2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理研究结论
① 冲击动载作用下岩石易产生大剪切破碎，这对 硬岩（特别是粗颗粒硬岩）效果更为明显；
实验证明，对同种岩石，冲击载荷破碎的坑穴远大于静压载荷破碎的 坑穴。这可用岩石的剪切强度只是抗压强度的1/6—1/12进行解释。
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞。但工 作弹簧的工作寿命只有40～100h。
工程钻探
图7.2 反作用液动冲击器
1-工作弹簧； 2-外壳； 3-冲锤活塞； 4-铁砧
14 2020/8/3
③ 双作用液动冲击器
工程钻探
图7.1 正作用液动冲击器
1-外壳； 2-活阀座垫圈； 3-阀簧； 4-活阀； 5-冲锤活塞； 6-锤簧；
7-铁砧； 8-缓冲垫圈； 9-阀座
13 2020/8/3
② 反作用液动冲击器
结构：如图所示。
工作原理：利用高压液流的压力推动
冲锤活塞上行，并压缩工作弹簧储存能量 ，经弹簧释能而作功。
在坚硬、脆性的岩石中钻进：要注重发挥冲击器的作 用，并且注意回转速度与冲击频率和冲击功的配合，将其 控制在两次冲击之间的夹角上。
在中硬、塑性的岩石中钻进: 对冲击频率和冲击功的要 求不高，主要是应将钻压加得足够，保证切削具吃入岩石 的深度足够。此时，对转速的控制就并不要求合理的冲击 夹角了。
工程钻探
磨损量与摩擦功成正比，摩擦功与摩擦时间成正比，所以，摩擦时间 越长，磨损量越大。
⑤ 岩石在动载下强度、硬度和破碎比功都增加。
大量试验证明，岩石的动硬度高于静硬度。
工程钻探
5 2020/8/3
3. 冲击回转钻进碎岩过程
图(a)：静压回转钻进。
钻头在静压和回转两种外力作用下向 下螺旋钻进。
图(b)：冲击钻进。
11 2020/8/3
7.2.2 常用液动冲击器结构及工作原理
液动冲击器
正作用
有阀式 无阀式
反作用 双作用 射流式
射吸式
工程钻探
12 2020/8/3
7.2.2.1 阀式液动冲击器
① 正作用液动冲击器
结构：如图所示。 工作原理：以液体压力推动冲锤 下行进行冲击，以弹簧作用力复 位。 特点：结构简单，技术成熟。冲 锤活塞向下作功时，可利用高压 室中巨大的水锤能量；但复位弹 簧的反作用力将抵消相当大的冲 击力。
这时静压力使切削具吃入岩石，回转扭矩使切削具剪切 岩石，冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆性增加的辅助 碎岩效果。
工程钻探
8 2020/8/3
◆两类不同岩石中的不同破碎机理，决定了采用 的工艺规程参数应当不同。
由于在两类岩石中三种外载荷各自发挥的作用不同， 决定了在两类岩石钻进中所用的规程参数不同。
静压力因为不可能达到压入破碎岩石的应力要求，所以， 它主要的作用是克服冲击反弹，保证冲击能量的传递。
回转扭矩所起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉，同时变 换切削具的冲击位置。
工程钻探
7 2020/8/3
◆在中硬、塑性的岩石中钻进，岩石破碎主要是 静压力和回转扭矩的结果。
在塑性岩石中钻进，因为冲击器的冲击能量大部分被岩 石塑性变形所吸收，所以，它不可能对岩石破碎起到主要 作用。
实验证明，同样是冲击破碎岩石，有预压条件比无预压条件的强度 要低的多。
工程钻探
4 2020/8/3
③ 岩石在动载作用下脆性增加，有利于裂隙发育 和脆性破碎；
实验证明，静载作用下不产生破碎坑穴的岩石，如孔隙性石灰岩，在 动载作用下产生了破碎坑穴，说明岩石脆性增加。
④ 切削具在动载作用时与岩石接触时间短，磨损 小。
工程钻探
10 2020/8/3
③ 机械冲击器——利用某种机械运动使冲锤上下 运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等
将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料 强度的影响，寿命一直未能取得较大突破，故目前还未大 量进入生产使用。
④ 其它冲击器——如电磁、电机、涡轮等，未见 实用。
工程钻探
9 2020/8/3
7.2 常用冲击器分类、结构及工作原理
7.2.1 冲击器分类
冲击回转钻进的纵向冲击动载是由安装在靠近钻头的专门的冲击 器产生的，根据冲击器的驱动方式，一般将冲击器分为以下几类：
① 液动冲击器——以高压液体（水或泥浆）为动力介质。 这类冲击器在我国岩心钻探中使用最多。
② 气动冲击器——以压缩空气为动力介质。这类冲击器习 惯称为“潜孔锤”，在全面钻进钻孔施工中使用最多，如 锚固孔施工。
钻头在唯一冲击力作用下上下运动。
图(c)：冲击回转钻进。
钻头在静压力、回转扭矩和冲击力三 种外载共同作用下向下螺旋钻进。
工程钻探
最优冲击夹角
6 2020/8/3
4.在不同岩石中的破碎机理
冲击回转钻进钻遇岩石性质不同时，静压力、回转扭矩和 冲击力三种外载荷在碎岩过程中发挥的作用不同。
◆在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲 击力的结果。
工程钻探
图7.3 双作用液动冲击器 1-带孔的活阀座; 2-活阀; 3-外套; 4-支 撑座; 5-导向密封件; 6-塔形冲锤活塞;
7-导向密封件; 8-节流环; 9-砧子
15 2020/8/3
7.2.2.2 无阀式液动冲击器
① 射流式液动冲击器
结构：如图所示。
工作原理：由我国独创的采用双稳射
流元件作为控制机构、冲锤活塞正、反冲 程均由高压液体推动的新型钻具。