钻探设备与工艺

第二章 钻探设备与工艺
2.1 钻探方法的选择 2.2 钻探设备 2.3 钻探工艺
2.1 钻探方法的选择
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 一定的工艺破碎岩土体并取岩土试样的整个过 程，这项工程的结果即地壳内的钻孔。
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二、钻探工程的发展简史
1、中国古代盐井钻凿技术发展时期
二、钻机的类型
用于岩心钻探的钻机分为：机械式钻机(包括立轴式钻机 和转盘钻机)、全液压钻机。
当然还有旋挖钻机、车装钻机、履带式钻机。
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XY-4型立轴式岩心钻机
GPS—15型转盘式钻机
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G-3
型 全
全液压坑道钻机
液
压
钻
机
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(二)钻探方法的分类
1、根据钻进时取心的特点分类——岩心钻探和不取心 (无岩心、无心、全面)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(上、 下垂)、下斜孔、上仰孔、水平孔。
4、根据钻孔位置的分类——地表钻探、水上(河、湖、 海)钻探、地下坑道钻探。
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三、钻探施工过程
1、钻孔的概念
钻孔是从地表(或坑道中)向岩石中开凿的圆形断 面的空间，一般具有较小的直径和较大的深度。直径 在25～500mm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、孔底、孔壁。
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作； 但也存在不足：
ａ、消耗功率大，机械效率低； ｂ、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。
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2.2.2 泥 浆 泵
一、泥浆泵在钻探工作中的作用
泵是通过一定的方式将动力机的机械能转变为液体压 力能的设备。泥浆泵是泵在钻探中应用的设备。有以下 用途：
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2.2 钻探设备
2.2.1 钻 机 2.2.2 泥 浆 泵 2.2.3 动 力 机 2.2.4 钻塔及其附属设备 2.2.5 其它设备
2.2.1 钻 机
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。
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)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)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。
泵由于其能量转换的方式不同，可分为不同的类型:
往复式泵 —— 活塞泵、柱塞泵等 容积式泵
回转式泵 —— 螺杆泵、齿轮泵等
靠密闭腔容积变化 进行能量转换
动力式泵 —— 离心泵、轴流泵等 —— 靠旋转叶轮进行能量转换
其它泵 —— 电磁泵、水锤泵、喷射泵等 —— 靠其它方式进行能量转换
钻场上常用容积式活塞泵作为冲洗液循环泵。
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四、钻探工程的应用范围和分类
(二)钻探方法的分类
5、根据钻孔布置方法分类——丛状钻探 (图2.2)、多井 筒钻探(图2.3)、多孔底钻探 (图2.4)。
图2.2 丛状布孔
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图2.3 多井筒布孔 图2.4 多孔底布孔
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四、钻探工程的应用范围和分类
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三、钻探施工过程
2、钻探施工的主要工序
钻进现场布置图见图2.1所示。 钻进按下列工序进行： 用升降机把钻具下入孔内； 连接好所有接头，开泵； 给钻具加压，并带动其回转，破碎岩石； 提钻取心或更换钻具； 下钻继续钻进； 钻进一段时间后及时测斜； 提出全套钻具，停钻； 封孔。
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NBQ25-380型柴 油驱动泥浆泵
NBQ25-380电驱 动泥浆泵
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三、钻探工作对泥浆泵的要求
• 流量均匀且能在较大的范围内调整流量 • 具有一定的强制压力及较大的调压范围 • 排量要稳定 • 具有超载承受能力和保护措施 • 要适应野外施工的恶劣环境 • 运移性要好
要求钻塔有足够的承载能力及足够的刚度； 要求钻塔有合理的高度及足够的上下顶面积； 此外，要求钻塔自重轻，运移性好，拆卸、安装、操作
方便，安全可靠，制造成本低廉。
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一、钻塔
3、钻探的类型
按制造钻塔的材质分类 金属钻塔 木质钻塔
按钻塔的构造分类 三角钻塔 四角钻塔 两脚轻便钻塔 桅杆式钻塔
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四、钻探工程的应用范围和分类
(一)应用范围
1、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：打水井；石油(天然气)钻探；盐井钻 探。
3、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：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。
(二)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： ①液压给进——通过油缸给进； ②手动机械给进——边回转边通过机械手动给进。
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(三)升降机
(二)钻探方法的分类
6、根据破岩形式分类 (1)物理方法破岩：①高温（1400℃～3500℃）、高压
（200~250MPａ）破岩；②用超声波和低声波破岩； ③用爆破、高压水射流等方法破岩。 (2)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：使用最为广泛，其分类如图2.5所示。
燃烧室式内燃机 气动动力机 在井下，尤其是在粉尘爆炸危险的矿井内常用 液动动力机
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2.2.4 钻塔及其附属设备
一、钻塔
1、钻塔的作用
钻塔是安装钻探设备和操作工人活动的场所。钻塔 在钻进工程中主要用于起下钻具；在处理事故时，用来 处理井内事故及起下套管。
2、钻探工作对钻塔的要求
图2.8 全液压钻机结构示意简图
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五、全液压钻机
全液压钻机的特点： 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； 可实现无极调速； 实现无塔升降，能机械自动拧卸钻具； 操作方便，使用工人少； 可实现较远距离操作，操作更加安全，甚至可实现遥控操
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(二)钻探方法的分类 7、根据钻进使用的冲洗液分类 清水钻进； 乳化液钻进； 泥浆钻进(含加重泥浆)； 饱和盐溶液钻进(钻盐井，以防溶解岩心和孔壁)； 空气钻进； 泡沫钻进； 雾化钻进； 充气泥浆钻进(降低泥浆比重，以防漏失)。
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四、往复式泵的工作原理
图2.9 单作用泵工作原理示 意图
图2.10 双作用泵工作原理示意图
1-活塞；2-排水活门；3-吸水活门；4-活塞杆； 5-排水管；6-吸水管；7-水源箱
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五、煤田钻探常用泥浆泵
煤田钻探常用的泥浆泵为几个泵(常说几缸)组成的泥浆 泵。
③第三阶段——小口径深井钻凿工艺的完善和提高时 期(明清)。
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2、近代与现代钻探发展过程
①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)；
②钻探设备种类越来越多，功能更多，性能更佳； ③钻头等钻具品种种类越来越全，性能越来越优； ④钻进方法越来越多，越来越先进； ⑤中国与发达国家在钻探领域的技术差距较大。
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冲击钻进
手动冲击钻进
机械冲击钻进 手动回转钻进
冲击器钻进 钻机钻进
液动冲击器钻进 风动冲击器钻进
硬质合金钻进
回转钻进 机械回转钻进 钻粒钻进 金刚石钻进
转盘钻进 深井回转钻进
涡轮钻进
螺旋钻进 其它 震动钻进
井底发动机钻进 螺杆钻进 电钻进
冲击回转钻进
图2.5 机械破碎岩石的钻探方法分类
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：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。
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四、机械传动式钻机的构成部件