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(一)概述水文水井钻探的主要目的是为了勘察和开发利用地下水资源。而为了获得水文地质资料所进行的钻探工程称水文地质钻探工程;而为了工农业供水和人民生活饮用水需要进行的钻探工程称供水井钻探工程。习惯上统称为水文水井钻探工程。水文地质钻探工程的任务1)通过钻进采取岩心来研究水文地质剖面,确定含水层位、厚度、埋藏深度,查明岩石成分和岩性结构,研究含水层的孔隙性及水文地质条件,并通过钻探揭露含水层。2)通过在钻孔内抽水、采取水样等试验达到确定地下水水位、水质、地下水的水力性质及含水层与地表之间的水力联系,含水层的水理性质等水文地质参数。3)通过在钻孔内长期观测来了解区域水文地质情况,预测其变化趋势,为经济建设提供长久的地下水情报。在水文地质钻探工程中,根据水文地质勘察的性质和阶段可以设计成不同种类的专用钻孔,如水文普查孔、水文勘探钻孔和探采结合钻孔。供水井钻探工程的任务供水井钻探工程是为了工农业供水而采用的钻进工程。因而它的任务是根据水文地质资料和用户要求为用户提供优质的水井。有些水文地质钻孔在完成勘探任务以后,应尽量转交地方做生产井,即所谓探采结合孔。供水井钻探工程的钻孔直径较大,习惯上称为井。水文水井钻探工程的特点由于水文水井钻探工程的任务与其他类型钻探工程不同,因而水文水井钻探工程具有以下特点:1)地层复杂。水文水井钻探工程大多数是在第四系的卵砾石层、砂层或黏土层中进行钻进工作。这些地层给钻探工程带来的问题是坍塌、漏失和不易取心等。即使在基岩层中钻进,也多半是断裂带、溶洞或破碎带。这类地层,在钻探上统称为“复杂地层”,即发生事故多、效率低、钻进取心困难。2)钻孔结构复杂。由于要获得准确的水文地质资料,就要求切断各含水层之间的水力联系。因此,下入的套管层次多,钻孔直径大,止水封闭要求严格,故井身结构较岩心钻探工程要复杂得多。3)钻进方法多。由于地层复杂,即使在同一个钻孔中往往遇到不同的几种地层。因此,近年来水文水井钻探工程的钻进方法发展很快,出现了相当多的行之有效的钻进方法,如冲击钻进、反循环钻进、空气钻进、潜孔锤钻进和震动钻进等。4)设备类型多。由于水文水井应用范围广及钻进方法的改进,近几年来世界各国都发展了相应的水文水井钻探设备。因此,与其他类型钻探工程相比,水文水井钻探工程设备类型较多。常用钻机为SP系列转盘式水文水井钻机,如SPJ-300型、SPC-300H型、SPC-600型;CZ系列钻机如CZ-22型、CZ-22-1型、CZ-30型,以及XY系列各型钻机等。其他主要设备还有动力机(电动机或柴油机)、泥浆泵(常用BW型)、桅杆或门字形钻架。5)劳动强度大。由于水文水井钻探工程钻孔直径大,破碎岩屑多,但深度较浅(相对石油钻而言),因此,给钻探工作带来了很多不便实现机械化操作问题,如换钻具、清渣等工作,这些都使劳动强度大大增加。6)钻进过程完成后还需进行成井和抽水试验,成井工艺过程为:冲孔换浆—安装井管—填砾—止水—洗井—抽水试验。(二)水文水井钻进工艺水文地质和水井钻孔的分类(1)水文地质普查孔在未进行水文地质工作的地区,通过钻探了解地层情况,含水层的埋藏条件、构造等。这类钻孔采用常规口径钻进,其质量按钻探六项质量指标要求,即岩心采取率、钻孔弯曲度、校正孔深误差、简易水文地质观测、封孔及钻孔原始记录和技术档案。(2)水文地质勘探孔水文地质勘探孔,除达到水文地质钻孔的质量要求外,还需取得地下水位、水量、水质、水温以及其他水文地质资料,为此需进行抽水等试验。这就需要将钻孔直径加大,进行下管、填砾、止水、洗井等成井工序,然后再进行抽水试验和水文地质观测工作。(3)水文地质长期观测孔水文地质长期观测孔是通过钻孔定时测定地下水位,以了解大范围内地下水动态变化。(4)探采结合孔水文地质勘探孔在满足水文地质勘探之目的后,应根据用户的要求,进行扩孔成井,或在勘探孔施工时就按供水井要求进行,在取得水文地质勘探资料后,移交用户做供水井使用。(5)供水井为满足供水需要而进行钻井成井。按成井规范要求,一般其钻孔直径都较大。水文地质和水井钻孔(井)身结构要素(1)孔(井)深钻孔(井)深度由勘探或开采地下水目的层的埋藏深度决定。钻穿设计最后一层含水层3～5m即可终孔。(2)孔(井)径钻孔(井)直径包括开孔直径、终孔直径以及换径次数。终孔直径按地质要求不能小于110mm,同时还应考虑滤水管的直径和抽水泵泵体外径的尺寸。换径次数由地质情况决定。开孔直径由终孔直径和换径次数计算得出。水文地质和水井钻孔的分类(1)水文地质钻孔结构水文地质钻孔结构如图4-17所示。1)水文地质普查钻孔。这类钻孔要求全孔取心,取心孔段钻孔直径要求不小于110mm。因此终孔直径—般为110mm。2)水文地质勘探钻孔。这类钻孔除要求取心外,还要进行抽水试验,并要求滤水管直径不小于108mm,同时还应考虑填砾时对钻孔直径的要求。3)水文地质观测钻孔。这类钻孔是在取得水文地质资料后,为监测地下水活动规律而保留的水文地质勘探钻孔。其孔径应满足观测工具、仪器顺畅工作。(2)探采结合孔探采结合孔要同时满足勘探和成井的要求。多采用直径146mm或更大的滤水管,上部井管直径要比下入井内的抽水泵泵体直径大一级。钻孔可以一径到底,井管变径可用异径接头连接(图4-18)。图4-17 水文地质钻孔结构图图4-18 探采结合钻孔结构图(3)供水井井身结构供水井井径大,管外止水常采用永久性封固。所以在确定供水井结构时应充分考虑这些特点以及用户要求和水井的深度。1)浅供水井(浅井)。指井深小于100m的供水井。这类水井一般做农田灌溉井,井径一般大于400mm。浅供水井多采用一径成井的结构(图4-19)。2)中深供水井。指井深为100～300m的供水井,井径多在200～300mm。中深供水井可采用一径或两径成井的结构。3)深供水井。指井深超过300m的供水井。深供水井要求对非供水层需进行严格封隔,保护水质,且中间采用多层套管,结构复杂,常采用的结构形式如图4-20所示。图4-19 浅供水井结构图图4-20 深供水井结构图图4-21 基岩供水井结构图4)基岩供水井。岩石中的裂隙、岩溶是地下水赋存和运动的场所。当开发岩石中的水时,必须将上部地表水或第四系的含水层加以封隔,以保护岩石中水的质和量,其结构如图4-21所示。以上水井结构都比较单一。随着钻探技术的发展,已出现了井下局部扩孔、横向输水井、辐射井等结构形式,应及时总结、推广和应用。
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我国加入“WTO”后，石油钻采和石油化工设备制造业的市场发生了变化，在市场全球化大背景下，如何融入国际大市场参与世界同行业的竞争，是各企业面临的生死存亡问题。为提高竞争力，行业中各企业纷纷在产品的技术水平、产品质量、企业结构调整、基本建设、技术改造、采用国际通用标准、开拓国际市场上下功夫，成果十分显著。 一、石油钻采设备技术水平取得突破 近年来，我国许多企业的产品技术水平取得突破。一批列入国家重大技术装备创新项目的石油设备研制获得成果：宝鸡石油机械厂研制的ZJ70DB钻机，采用全数字控制交流变频等多项新技术，进入国际先进钻机行列；宏华公司研制的ZJ40DBS钻机，填补了国内空白，达到国际先进水平；江汉石油四机厂研制的2000型成套压裂设备通过鉴定，填补了国内空白，达到国际先进水平。此外，山西永济电机厂研制的YZ08、YZ08A石油钻井直流电动机由国家科技部授《国家重点新产品证书》；江钻股份有限公司积极开展技术创新，与国内大专院校、科研机构以及国际间的技术合作，获得“单牙轮钻头”等国家专利21项。该公司现共拥有国家专利56项，美国、伊朗专利5项。极大地提高了核心竞争力。荣盛机械制造有限公司研制成功F35-105防喷器，能满足深井、超深井钻探的井控工艺要求，填补了国内空白，达到国外同类产品先进水平。至此，经过多年的努力，我国已有能力实现对防喷器生产的全系列覆盖。该公司研制成功高压注水井带压作业装置，有效地解决了油田中后期开发过程中高压注水井带压作业的重大技术难题；宝鸡机械厂下属公司研制成功的BSJ5080TSJ60油田专用试井车体积小、用途广、适应性强；华北油田第一机械厂研制的新一代节能抽油机获得中国、印尼、和加拿大三国专利；胜岛石油机械厂成功推出液压反馈式抽稠油泵、长柱塞防砂泵、高效旋流泵三种抽油泵；华北油田大卡热能技术开发公司研制的ZXCY系列直线电机抽油机通过河北省产品鉴定。该机达到国际先进水平，重量和占地面积仅为常规抽油机的50%，且节能效果很好；在海洋石油方面，胜利油田自行建成我国国内最大吨位的海上石油钻井平台——赵东一号、生产平台——赵东二号主体结构，胜利油田钢结构承造能力达到国际水平；兰石国民油井公司承包建造的重达1700吨的南海油田自升式井架钻井模块于3月23日完成陆地建造。该钻井模块用于香港正南20公里海域的南海油田作业的番禹4—2和5—1项目。井架可以依托安装在井架下端的导向轮滑行分段起升，无须重型起重设备，在海洋设备安装中具有很大的优势。 进来，由中石油管道局承担的“大口径弯管及装备国产化研制”、“西气东输工程用感应加热弯管技术条件”、华北石油第一机械厂承担的“大口径感应加热弯管制造工艺的研究”、吉林化建有限责任公司承担的“感应加热煨制X70钢级、直径1016大弯管工艺研究”4项课题通过中石油鉴定，技术条件达到国际同类标准的先进水平、产品达到国内先进水平。胜利油田研制成功我国第一台大口径管道全自动开孔机，满足管道、容器带压下开孔、接口、碰头等施工作业。中石油管道局为西气东输工程组织开展了125项科技攻关，其中“PAW-2000型管道全位置自动焊机”“PFM3640管道坡口整形机”“PPC3640管道气动内对口器”技术性能达到或超过国外同类产品水平。总体来说，我国石油钻采设备技术水平已达到一定水平。 二、化工设备的科研新产品取得较大成果 经过多年发展，我国化工设备的科研新产品取得较大成果。由我国自行设计制造的350万吨/年重油催化裂化装置在大连石化一次投料试车成功，标志着我国拥有自主知识产权的催化裂化成套技术，具备了世界级大型催化裂化装置的工程设计、制造和建设实力。由中石化工程建设公司、一重、齐鲁石化共同设计制造的千吨级加氢反应器通过中石化技术鉴定，标志着我国迈入大型加氢反应器设计与制造商行列。由中石化和美国鲁姆斯公司合作开发的10万吨/年大型乙烯裂解炉已在中石化各乙烯装置中使用。正在共同着手开发单炉生产能力15～18万吨/年大型乙烯裂解炉，以满足建设百万吨级大型乙烯装置的需要。杭州制氧机厂设计制造的乙烯冷箱在燕化71万吨/年乙烯装置运行正常，实现了大型乙烯冷箱国产化，达到国际先进水平。沈阳鼓风机厂制造的上海石化70万吨/年乙烯装置裂解气压缩机2002年4月12日正式投料运行，达到国外机组水平。由合肥通用机械研究所承担的国家重大技术装备国产化创新项目：1万m3天然气球罐研制成功。填补了国内空白。由茂名石化设计院设计、茂名石化建设公司施工的5万m3原油储罐在茂名兴建，是目前我国最大的原油储罐。南化机成功制造国内最大的年产45万吨合成氨、80万吨尿素的关健设备—二氧化碳吸收塔。抚顺机械炼化设备有限公司设计制造的螺旋折流板换热器通过专家鉴定，达到国内先进水平。辽阳石油化纤公司机械厂研制成功聚酯装置用重型压力离心机，达到国外同类产品水平。 三、产品质量不断提高 国内各企业在努力提高产品技术水平的同时也在不断提高产品质量，如华北石油一机厂为保证其专利产品异型游梁式抽油机的质量，满足批量出口美国等的需要，打破常规，配套产品由原来招标改为联合国内几家获得国际API资格的厂家进行共同攻关，发挥联合优势叫响国产品牌；山西永济电机厂的石油钻井直流电动机由中国质量协会、全国用户委员会授予《全国用户满意产品》称号。 在市场竞争中形成了一些产品质量好、受到用户欢迎、市场占有率不断上升的专业厂。如：荣盛机械制造有限公司防喷器产品占据国内市场80%销售份额，跻身于世界4大防喷器制造商行列；江苏阜宁宏达石化机械制造有限公司是一家地方小厂，公司推出的四款新采油工具QS型系列可取式桥塞、KYLM型系列液力锚、DS90-Y241型组合式油层保护封隔器和Y341型系列软卡瓦封隔器，大大提高了采油作业的成功率，降低了油田生产成本，受到油田用户的欢迎。山西永济电机厂生产的直、交流系列石油钻井电动机已达30多种，国内油田钻机所用配套电机的98%来自该厂。 四、国际通用标准和信息化受到重视 北京石油机械厂获得API 16D会标使用权（API 16D是美国石油学会关于钻井控制设备控制系统规范），北京石油机械厂是国内第一家、世界第九家拥有API 16D会标使用权的厂家。 经过近15年的努力，全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会已形成了面向陆上和海上石油勘探、钻采设备、材料标准体系。现行有效的国家标准中，等同等效采用国际标准和国外先进标准的有27项。目前，我国通过API认证的石油设备制造企业已达196家。宝鸡石油机械厂已获得API认证达8大类55项，是我国取得API认证最多的石油设备制造企业。为我国的石油机械装备进入国际市场打下了坚实的基础。 为了实现世界级制造商的目标，江钻股份公司一直把信息化建设摆在十分重要的位置。江钻股份公司信息化系统的成功开发应用，大大提高了在全球一体化市场竞争中的生存与发展能力。2002年成为湖北省制造业信息化工程重点示范企业。 五、企业结构调整取得较大进展 上海神开科技工程有限公司成功购并上海第一石油机械厂、上海第二石油机械厂、上海石油仪器厂、上海石油化工机械设备研究所等。由上海神开科技工程有限公司参股60%、上海电器集团总公司参股20%、个人参股20%，成立上海神开石油化工设备有限公司。宝鸡石油机械厂按照现代企业制度，建立规范的法人治理结构，成功改制为宝鸡石油机械有限责任公司；并全面启动耗资7000万元的钻机生产线技术改造项目。具有50年历史，生产炼油、化工设备的抚顺机械厂与一些大中型国有企业一样，在竞争激烈的市场竞争中，步履蹒跚，举步维艰。近年来，虽几经努力，但亏损不断加剧。在得到员工的支持和认可、在市委、市政府指导组的协调指导下，采取国有民营策略，顺利实现企业转制；原华北石油二机厂的产品85%以上的市场在华北石油管理局外，由于体制的束缚，经营陷入困境。2002年顺利完成了整体带资分流改制工作，新成立了河北华北石油荣盛机械制造有限公司。 六、石油钻采设备向海外进军取得成效。 江钻股份公司是世界石油钻头三强之一，石油钻头出口到美国、加拿大等19个国家和地区；宏华公司已交付中亚ZJ70D钻机5台，又新接中亚国家的10台ZJ50DBS电动钻机订单；南阳石油机械厂先后有7台3000米车装钻机随长城钻井公司和大港油田等用户赴墨西哥作业，其钻机性能给用户留下了良好印象。2002年，750马力电动拖挂式钻机在墨西哥中标；中国石油技术开发公司向土库曼出口成套钻机及其外围设备；中原油田特车修造总厂石油钻采特车出口土库曼、格鲁吉亚、哈萨克；新疆石油局采研院研制的一批固井工具、抽油泵出口哈萨克；四川射孔器材公司批量射孔器材出口哈萨克等。
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钻探工程施工技术设计002 第一节 钻孔结构 一、概念 钻孔结构是指开孔至终孔孔身口径的变化。换径次数愈多，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、终孔口径、钻孔深度、钻进方法、钻孔用途等因素。 二、确定钻孔结构总的原则 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。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孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构。 三、钻孔结构选择示例 勘探某金属矿床时，设计孔深700米， 采用金刚石钻进，地质剖面包括以下层位：（1）0至100米为可钻性1-7 级的岩石，该段全漏水不循环；（3）100至700米为可钻性9至10级的稳定岩石；（4）地质取样要求以59mm终孔。试确定该钻孔结构。[分析]从已知条件，自160米至终孔适于一径到底，不下套管；分析地质剖面，该钻孔下孔口管和一层套管即可；为封闭漏失层，套管下放深度为120-130米，管鞋伸进稳定层10至20米，套管直径为73mm，因此该孔段须用76mm钻进；孔口管长18至20米。直径89mm，因此开孔取91或110mm。据此可作出如上图的钻孔结构图。 在矿区钻探技术设计书中，值得注意的是应该将矿区的钻孔结构划分为简单钻孔结构和复杂钻孔结构二种类型加以作图说明，同时作图时应将各要素如直径、换径深度等标明。 第三节 钻进方法 目前岩心钻探工作中，一般根据各矿区地层岩石力学特性、结构与构造，结合钻探设备与护壁堵漏措施等因素，常采用合金与金刚石分层钻进的方法。一般地，开孔采用合金钻进至完整岩面3至5米，然后扩孔下孔口管隔离上部松散层、覆盖层等不稳定地层，然后改用金刚石钻进至终孔。因此，在此只介绍这二种钻进方法。 一、硬质合金钻进 1概念 将具有一定强度和形状的硬质合金，按钻进要求固定于钻头上，在一定的技术条件下，作为切削具破碎岩石的一种钻进方法。 2钻探对硬质合金的要求 合金钻进是靠固定在钻头体上的硬质合金来破碎岩石的，而各种岩石都具有一定的强度和研磨性，钻进时钻头上受力也很复杂，因此，所使用的硬质合金应具有如下性能： ①硬度大且耐磨性强。便于钻头能有效地切入或压入岩石，并能抵抗岩石对硬质合金的磨蚀作用。 ②抗弯强度大且韧性好。便于能承受破碎岩石过程中各种变化的负荷而不至于崩刃和碎裂。 ③热硬性好而导热性高。钻进中孔底会产生很高的温度，因此要求较高的热硬性，而且在冲洗液中易于释放热量。④成型性好，容易镶焊在钻头体上。 地质勘探用的硬质合金主要是钨钴合金，这类合金其性能满足上述要求。 3硬质合金钻头 钻探用的硬质合金钻头的结构合理与否直接影响到钻进效率、钻头寿命、钻孔质量以及材料成本，因此要认真对待合金钻头的结构要素的研究与选择。它一般分为二大类：取心钻头和全面钻头。地质勘探中一般都只采用取心钻头。 ①钻头体：它是镶嵌切削具的基体，用D35或D45号无缝钢管制成，针状合金钻头的内外出刃应与相应的金刚石钻头一致，钻头体长度不得短于95mm，其中丝扣部分长度40mm，钻头钢体壁厚7至9mm，过厚克取岩石面积大，消耗功率多，过薄影响强度而容易变形。壁厚在保证足够强度与刚度的条件下力求减小，以使克取面积减少以提高钻进效率。 ②合金镶焊数目和排列形式：应根据岩石性质、钻头直径、合金质量、钻具强度和设备功率等因素来确定。钻头直径大、孔较深、岩石硬度大和研磨性较高时，合金数量要适当增加。地质勘探中常用的数量如下表所示。 钻头规格（mm） 合金数量（个） 岩石性质 36 46 59 76 91 110 130 150 研磨性较强的岩层 3-4 3-4 4-6 6 6-8 8-10 10-14 12-14 弱研磨性岩层 3-4 3-4 4 4-6 6 6-8 8 10 在排列形式上一般采用均匀单环排列。 ③切削具的出刃：主要是底、内、外三种出刃。其中底出刃起切入并破碎岩石的任务，大出刃利于破碎岩石和冲洗液流通，但过大容易造成崩刃与折断；内外出刃主要是形成环状间隙，以保证冲洗液流通，较大的内外出刃会导致钻头回转阻力增大，容易崩刃折断，但有利于排粉和减少岩心堵塞的机会，太小了则容易造成岩心堵塞和影响排粉效果甚至会造成糊钻等不良现象。因此，出刃的大小应根据岩石性质来考虑，实际工作中可参考下表进行选择。 岩石性质 内刃（mm） 外刃（mm） 底刃（mm） 松软、弱至中等研磨性岩石 5-5 5-3 2-3 中硬、强研磨性岩石 1-2 1-2 5-5 ④镶焊角：合金颗粒与钻头唇面的夹角，一般采用正前角镶焊，这种镶焊切削具有自磨作用也有利于排粉，但所需轴向压力要较其他方法大些。 ⑤水口及水槽：起到冲洗液流通冷却钻头和携带岩粉的作用，其形状与大小应根据岩层性质、钻头结构形式、冲洗液种类的不同而考虑。一般地，水口面积的总和要大于钻头与岩心之间或钻头与孔壁之间的环状面积，以减少循环阻力。 4合金钻进技术参数 合金钻进的技术参数主要包括钻压、转速和冲洗液量。它们对钻进效率、钻孔质量、磨料消耗、施工安全等直接有关系。在操作过程中，应根据岩石的物理机械性质、钻头结构、钻探设备和钻具的可能性以及钻孔质量要求等条件来合理掌握，并通过实践当中进行修正、总结出适合矿区的最优钻进技术参数。 ①钻压：合理的钻压应该既保证钻头耐久性又获得最大的平均机械钻速。在其它条件不变的情况下，在一定范围内，钻速随着钻压的增加而成比例地增加。实践证明：钻速的提高主要是依靠钻头压力的增加来实现。但压力过大会导致崩刃、钻具折断、钻孔弯曲、软岩层中容易烧钻等事故。钻压可通过下式进行计算： 钻头总压力 = 每颗切削具上应加的压力（如柱状合金70-120kgf/颗） X 钻头上切削具的颗数 实际工作中应该根据所钻的岩层性质而选择的合金切削具型式和钻头的排列与数目进行初步计算，同时在施工中不断总结出最优的钻压。 ②转速：钻具转速有二种表示方法，一是钻头每分钟的回转数（转/分），另一个是用钻头的圆周速度V（米/秒）来表示。 V = [π（D + D1）n ]/（2X60） 生产实践表明：在一定条件下，提高钻头转速可增大钻速，但超过最优值后反而随转速的增高而使钻速降低。一般情况下，在软至中硬岩中钻进时，可采用较高的转速；在坚硬和强研磨性岩石或非均质和裂隙发育的岩石中钻进，则应降低转速；深孔或大口径钻进也应降低转速。 ③冲洗液量：冲洗液量的大小应根据岩石性质和钻孔直径等因素而定。一般地，在软岩层中钻进因进尺快所产生的岩粉多而选择较大的冲洗液量；在岩石颗粒粗比重大的岩层钻进也应相应加大冲洗液量；在大直径孔、深孔钻进时，钻杆和孔壁渗漏多也应加大冲洗液量；而在松散、破碎地层钻进，为防止冲蚀岩心和冲垮孔壁，应选择较小的冲洗液量。冲洗液量Q的大小一般用经验公式进行计算：Q = KD K—经验系数（6—15l/in）D—钻头直径（cm） 实际钻进工作当中，各参数之间有着密切的联系，要达到合理的配合，其配合关系大致如下： 岩石 钻压 转速 冲洗液量 研磨性大的硬岩石 大 小 小 裂隙岩层 小 小 相应地小 软岩 小 大 相应地大 设计中可根据下面的技术参数表的数据范围内根据矿区地层岩性特点加以选择，同时应在实际工作中摸索出适合矿区地层的最优技术参数。 不同岩层钻进技术参数范围表 岩石级别 钻进技术参数 钻头压力 转速 (rpm／min) 泵量 (L／min) 取心钻头 （kg／粒） 刮刀钻头 （kg／cm） 1～4级 50～60 100～120 200～350 ＞80 5～6部分7级 80～120 120～150 150～250 ＞80 注：（1）针状硬质合金块每块能承受的压力为150～200kg； （2）100型钻机的泵量，以水泵最大有效排水量送给。 （3）刮刀钻头单位压力（kg／cm）中的cm，系指钻头直径。 5 合金钻进注意事项 采用合金钻进，除了合理选用钻头结构和钻进技术参数外，还必须有正确的操作方法，才能达到提高钻进效率和钻头使用寿命的目标。因此，应注意以下几方面： ①新钻头入孔内，应离孔底5米以上并轻压慢转扫至孔底，以防止新钻头被挤夹住。扫孔时速度要慢，以防止合金崩刃或因孔底有残留岩心而堵塞。 ②要经常保持孔底清洁。孔内的岩粉、崩落的合金须及时捞取，孔内有残留岩心在5米以上或有脱落岩心时不得下入新钻头。 ③为保持孔径一致，钻头应排队使用。原则是先用外径大内径小，后用外径小内径大的。 ④正常钻进压力要均匀，不得无故提动钻具，并随着合金的磨钝逐步加大压力。发现岩心堵塞时要及时处理，无效时立即提钻以防止孔内事故。 ⑤合理掌握好回次进尺时间。合金钻进时因磨料逐渐磨钝而出现钻孔缩径和钻速逐步下降，因此，为避免下一回次的扩孔、起下钻时间和提高回次效率，应当确定合理的回次进尺时间，这是提高钻速的有效措施之一。可通过计算法或作图法进行现场确定，各矿区地层情况不一，在此无法具体给出数据。 回次钻速= （回次累计进尺）/（钻进时间累计 + 起下钻时间） 二、金刚石钻进 1 金刚石钻进的优点：与其它方法相比具有如下优点： ①钻进效率高；②钻孔质量好（采取率可达90%以上，岩矿心代表性好，岩矿心光滑完整、无选择性磨损和富矿流失、污染等现象，钻孔弯曲小）；③事故少；④劳动强度低；⑤成本低；⑥应用范围广。 2 金刚石钻头 在这里我们要了解和掌握金刚石钻头的组成、类型和规格及其结构等知识，才能在进行设计或审查设计时对矿区所选择使用的钻头是否合理做出一个评价。 ①钻头的组成：由三个部分组成，即金刚石、胎体、钻头体。 金刚石：分底刃、边刃、侧刃金刚石。底刃用于克取岩石，要选择晶形较好的金刚石；边刃主要用于克取岩石并要保内外径。因此要选择质量最好的金刚石；侧刃仅用于保内外径，可选择较次质量的金刚石。 胎体：是钻头底部包镶金刚石的一圈假合金，采用粉末冶金法或电镀法制成各种需要的形状，用来包镶金刚石颗粒并牢固地与钻头体焊接在一起。胎体部分开有水口，供冲洗液流通之用。金刚石钻头胎体硬度一般在HRC20—50之间，要根据矿区岩性研磨性、破碎程度等因素来合理选择钻头胎体硬度。 钻头体：钻头钢体部分，用中碳钢制作，上部车有丝扣，用来与扩孔器连接。 3、合理选择金刚石钻头与磨料 生产实践证明，金刚石钻头并非能全部顺利钻进各类岩石，在某些岩层中钻进钻速非常低甚至不进尺（如俗称的“打滑地层”）。因此，必须根据岩石的硬度、强度、研磨性、完整度进行合理的选择，做到钻头分层选用“对号入座”，以充分发挥金刚石钻进的优越性。如果选择不当，不但不能发挥其效能，相反会增加金刚石的消耗量使钻探成本增加、事故增多、效率低、质量差，因此必须在设计与实际工作中重视这项工作。 1分层钻进的选择原则 ①在中硬至坚硬岩层以及中、强研磨性岩层、破碎岩层中宜采用孕镶钻头钻进。 2金刚石钻头选择的基本原则 1钻头型式的选择原则 应根据岩石研磨性、完整度和可钻性进行选择。表镶钻头适用于软的、中硬完整岩层钻进；孕镶钻头适用于硬的、坚硬的、破碎的和软硬不均的、裂隙性的岩层钻进。 2钻头胎体的选择原则：在研磨性强，很破碎、较软、颗粒度粗的岩层钻进所选择的胎体硬度应大；反之，研磨性弱、均质完整、硬度大、颗粒度细的岩层所选用的胎体硬度应偏软；而在研磨性强、硬度特硬的岩层不应选用偏软胎体，而是要选择特硬的胎体，否则胎体很快被岩层磨损使钻头失去工作能力。 3具体选择条件：根据上述原则，目前常用的人造孕镶金刚石钻头的金刚石浓度、粒度和胎体硬度的具体设计和使用时可按下表从不同厂家生产的钻头中选择适合矿区地层的钻头。 岩石性质 坚硬 中硬 软 金刚石粒度 细 100目 80—46目 粗 46目 金刚石浓度 低 50% 50—75% 高 100% 胎体硬度 较软 HRC30± HRC40 较硬 HRC40—50 4合理使用金刚石钻头与扩孔器 目的在于以最小的金刚石消耗量，取得最高的机械钻速和最长的钻头使用寿命，达到降低成本。其原则是：先用外径大的，后用外径小的。同时也应考虑先用内径小的，后用内径大的。这样做的好处在于： 1使钻头的外径与孔底部位的孔径尽量吻合，避免扫孔； 2使钻头内径与卡簧内径和残留岩心外径尽量吻合，防止扫岩心而造成岩心堵塞或损坏钻头； 3防止钻头、扩孔器下不到底被挤卡造成事故； 4可防止单个钻头连续进行多回次钻进而形成“喇叭形“钻孔，造成长距离扫孔； 5可使钻头与扩孔器均匀磨损以延长寿命，降低成本。 5钻头与扩孔器、卡簧的配合 1扩孔器外径与钻头外径的配合 扩孔器外径过大，形成“台阶式”钻进，扩孔器易崩刃或过早磨损，导致钻进效率低；而扩孔器外径过小就起不到扩孔的作用导致钻头过早磨损。因此，扩孔器的外径与钻头外径的合理配合尺寸为：扩孔器外径比钻头外径大3—5mm，在坚硬岩层中不得大于3mm。 2钻头内径与卡簧自由内径的合理配合 卡簧内径是岩心进入内管的第一道“关口”，若卡簧内径过大，则取不上或卡不住岩心而造成岩心脱落或残留孔底过长；而卡簧内径过小，则会造成岩心堵塞或岩心顶死卡簧被迫提钻。因此，它们间的配合尺寸是：卡簧自由内径比钻头内径小3—4mm。现场机台使用时应有2至3种规格的卡簧供机台选择，在使用时先用内径小的后用大的。值得注意的是短节与卡簧座为过渡配合，卡簧座的下端与钻头内台阶应有4—5mm的间隙（防止岩心堵塞）。 6金刚石钻进常见事故的预防措施 1如何防止岩心堵塞 实际钻进中，当岩层节理发育、岩石破碎或因工艺规程不合理及操作不当，钻具配合不好等因素存在时，将容易导致岩心堵塞。采取单动双管钻具钻进或专门的取心工具来进行预防。单动双管的内管有扶正岩心、减少钻具旷动和容纳岩心的作用，同时卡簧座与钻头内台阶必须有3至4mm的间隙，以保证内管自由扶正岩心从而防止堵塞；而在节理发育、破碎倾角大的岩矿层中应设计带容纳管的或活塞式的等专门取心工具。另外要保证岩心顺利进入内管，主要的措施有：内管光滑平直；双管内设减振机构或加半合管；良好的卡簧自由内径和钻头内径的配合；精心操作，技术参数稳定，不无故提动钻具等。 2如何防止烧钻事故 当井底钻头得不到充分冷却时将会发生烧钻，烧钻事故严重时会伴随恶性卡钻和断钻杆等孔内事故，因此应该做好预防工作。 烧钻事故主要原因：钻杆中途渗漏，到达孔底冲洗液量不足；水泵工作不正常；岩心堵塞不及时提钻；孔底岩层漏水；钻速过快岩粉没及时排清等方面的原因都会引起烧钻事故。 事故征兆：泵压突然增高，返水变小；回转阻力增加，进尺变慢或不进尺；机械运转不正常；柴油机声音异常或电动机电流表值增高等均是发生烧钻事故的征兆。 预防措施：①要防止冲洗液从钻杆漏失。可在提钻时认真检查钻杆磨损情况，不合格都及时更换；下钻时钻杆接头丝扣缠棉纱等措施。 ②要防止泵量不足。可通过经常检查水泵、使用变量泵和抗震性能好的抗震压力表和随时检查水眼、水路是否畅通来实现； ③较软地层控制钻速，不得盲目加压追求进尺。地层由硬变软时，压力要随之改小。 ④经常修磨水口、水槽。要求水口高度不小于3mm，水槽深不小于5mm。 ⑤精心操作。操作者随时观察泵压表、孔底压力表、电流表（使用电动机时），孔内返水情况，观察进尺速度和动力机的负荷变化，发现异常立即提钻。 ⑥下钻不能一次到孔底，必须离孔底5m以上开泵送水待循环畅通后再慢速回转下放钻具到孔底。 ⑦发现岩心堵塞或蹩泵时，应立即提钻。不得用加大压力或加快转速的办法来处理。 ⑧保持孔内清洁，残留孔底岩粉不得超过3m。同时也要经常清除清除冲洗液净化系统内的杂物异物和沉渣。 8金刚石钻进技术参数 在正确选择金刚石钻头的情况下，金刚石钻进效率取决于钻进规程参数的合理调节，即钻头轴向载荷、钻头转速和冲洗液量。许多可变因素对规程参数均有直接影响，如岩石物理机械性质、钻头类型、钻孔直径和深度、所用设备与钻具等。金刚石钻进所采用的是以高转速为主体的钻进规程，转速参数的变化影响钻进效果非常明显。评价所选择的钻进规程的合理性，主要是根据钻速、钻头进尺和单位进尺金刚石的消耗量（克拉/米），其中以单位进尺金刚石消耗量和钻头进尺尤为重要。在实际工作中应结合以下的分别论述根据矿区地层岩性特点和选择的设备、孔径和深度等因素，综合选定出自己所在矿区施工的技术参数范围，而不是盲目在设计中套用规程参数。 1钻压 是指钻进过程中直接加在钻头上的轴向压力。合适的钻压可保证金刚石钻头有效地破碎岩石，效率高、进尺多、金刚石消耗量少。钻压低于岩石抗压强度时，金刚石无法克取岩石而在岩石上滑动并迅速被抛光；钻压过大会造成孔底岩屑聚集而使钻头胎体磨损过快，金刚石消耗量大，导致钻速不高甚至糊钻和烧钻。 选择压力时要根据岩石的可钻性、研磨性、完整程度、钻头类型、金刚石的质量、数量和粒度以及钻头克取岩石的环状面积等，笼统地按钻头直径推荐钻压是不够全面的。一般地，从岩石性质的角度在软或弱研磨性岩层中用较小的钻压；在完整、中硬到坚硬或中等研磨性的岩层中适当加大钻压；在破碎裂隙和非均质的岩层中应视裂隙程度适当减小钻压（减少25—50%）。从钻头类型上看，口径大、壁厚、胎体较硬时，用较大的钻压，反之用较小的钻压，值得注意的是如果用表镶钻头时所采用的钻压要较孕镶钻头大，以利于金刚石能压入所钻岩石产生体积破碎。从钻头的成份看，当所有的钻头金刚石品级高、质量好，量多、粒度大时，钻压应大些，反之应小些。同时，在实际工作中，确定钻压时也应考虑钻头的新旧程度和估计好钻压在孔底的损失，新钻头在初磨阶段应用较小的钻压（200—300kgf）等正常出刃后方可用正常钻进压力；孔底损失主要是受孔深与泵压的影响，随着孔深的增加，钻柱与孔壁间的磨擦及泵压的增大抵消了部分钻压，因此也要相应地加大钻压以保证钻头有效地破碎岩石。 设计时，可根据下列公式进行计算： 表镶钻头的压力：P = （66—76）g m p 式中P—表镶钻头总压力（kgf）； g—钻头上的金刚石的克拉数； m—金刚石粒度（粒/克拉）； p—经验单位压力（5—5kgf/粒）； 66—76是系数，表示实际克取岩石的金刚石数量为钻头总克拉数的66—76%。孕镶钻头压力的计算：P = F p 式中：P——钻头总压力（kgf）； F——钻头环状克取面积（cm2），F=π/4 （D2 – d2） D——钻头外径（cm）d——钻头内径（cm） 2转速 转速是主要技术参数之一，金刚石钻进破碎岩石时切入深度小（百分之一到千分之一毫米），想获得高的钻速就必须采用较高的转速。生产试验研究表明，在一定范围内，转速越高，钻速也越高。因此，在实际工作当中，当岩层比较完整、管材有足够的强度和稳定性、配有润滑剂、设备能力允许的情况下，应该选用较高的转速。值得注意的是，当转速超过一定的限度时钻速会下降且严重影响钻头寿命，国内长寿命钻头一般均在800rpm/min下获得。一般地，孕镶钻头出刃很小，切入岩石的深度更小，为获得较高钻速，要求线速度达到5—0m/s；表镶钻头的出刃较孕镶钻头大，转速过高时容易引起振动而损伤金刚石，因此表镶钻头的线速度要求在0—0m/s。 转速的选择应从钻孔深度、设备能力、钻孔结构及岩石性质等方面综合考虑。深孔钻进时，钻具重量大受力情况复杂，钻具回转所消耗的功率也大，受功率和钻具强度的限制以及在泵压和泵量不足时，转速应该降低；浅孔钻进可选用较高的转速；钻孔结构简单，钻具级配合理时，适当采用高转速；反之，钻孔结构复杂，钻杆与孔壁间隙大时，钻具稳定性差，则不宜开高转速。在完整岩层应采用高转速；在岩层破碎、裂隙发育、软硬不均时钻具振动大，容易损坏金刚石，应降低转速。转速的划分为高、中、低三个范围，高转速一般在700—800rpm/min甚至1000rpm/min以上；中转速一般在400—600rpm/min；低转速一般在200—300rpm/min，最低速100rpm/min左右。那么在设计和实际工作中，可根据上面的这些选择原则，先确定采用多大的线速度，通过V = πDn/60 进行换算出转速n，式中：V是线速度（m/s）、D钻头平均直径（m）、n是钻头转数(rpm/min)。同时根据钻孔深度、设备能力和岩石性质等因素综合考虑后确定合理的转速。 3冲洗液量 一般地说，金刚石钻进要求不大的泵量和较高的泵压，同时也要求泵量均匀连续，有较高的流速。其原因在于孔底与孔壁间隙小加之岩粉颗粒细，必须要有较高的上返流速和较大的冲洗液压力才能克服流动阻力。因此，钻探工作中要求使用变量泵作为冲洗液的输送设备。确定泵量时考虑因素是岩石性质、钻杆与钻孔的环状间隙、钻头类型、金刚石粒度、胎体性能等主要因素。泵量的确定原则如下： 从岩石性质角度看：钻进坚硬、颗粒细的岩层时，因钻速低、颗粒细岩粉少，可用较小的冲洗液量；软的、中硬、颗粒粗的岩层。因钻速较高，冲洗液早应用大些；在裂隙、轻微漏失的岩层中钻进，为补偿一些漏失应用较大的冲洗液量；钻进研磨性高的岩层摩擦产生的热量多，用较大的冲洗液量，但注意如果太大会在强烈的液流作用下冲蚀钻头胎体而使金刚石颗粒过早暴露导致崩刃脱落。 从钻头类型看：孕镶钻头钻进时用大的冲洗液量，原因是转速高需要及时冷却胎体避免金刚石损伤和防止胎体磨损过快。表镶钻头出刃量较孕镶钻头大，排粉和冷却条件好，冲洗液量较孕镶钻头小。 从环状间隙看：钻孔环状间隙内岩粉的下沉速度一般在1m/s，冲洗液的上返流速超过下沉速度时方可携带岩粉至孔口。因此，金刚石钻进时要求冲洗液上返流速在3—5m/s。当冲洗液上返流速超过5m/s时，会冲刷岩石和孔壁上不稳固的岩石，容易导致事故的发生。 从钻孔深度看：孔深的增加，钻杆接头处的渗漏也增加，泵量应适当增加。 泵量的计算可用经验公式：Q = K D 式中：Q——泵量（l/min）；D——钻头直径(cm)；K——经验系数，取5至8。 根据上述，在设计或实际工作中，可先从直径大小初步计算出冲洗液量，再结合所在矿区的钻进岩石性质、钻孔深度、采用的钻头类型、钻具级配等方面综合考虑确定合理的冲洗液量。 关于泵压问题：金刚石钻进钻孔环状间隙小，钻头水口窄，过水断面小，因此流动阻力大从而泵压较高。泵压的损失包括地表管路、钻杆内孔、双管、钻头和环状间隙几部分，其中地表管路（包括高压胶管、水龙头、主动钻杆等）、双管和钻头的压力损失大约8个大气压；每百米钻杆约损失2个大气压。设计时在设备选择中应该将这些因素考虑在内。同时，在实际工作中，可根据泵压的变化来判断孔内情况作出相应的处理对策。一般地，钻进过程中泵压发生小幅度的上升或下降现象，是孔底换层的征兆，这时要注意进尺情况和钻具响声，必要时可调整钻进参数（包括三个参数），以防岩心堵塞；泵压如果大幅度增高，是发生严重堵塞的反映，要尽快将钻具提高孔底以防止发生烧钻；如果泵压大幅度下降，多半是钻杆折断或脱扣，应立即停车检查。因此，钻进过程中经经常观察泵压的变化，严防送水中断和中途泄漏，同时也要配备性能良好的泵压表，以便帮助迅速地判断孔内情况。 4技术参数的合理配合 钻压、转速、泵量三者间是相互配合与相互制约的一种关系。在一定条件下存在最优的配合关系，这种最优关系称最优钻进规程。只有在最优的规程下钻进。才能在以最小的金刚石消耗量获得最高和钻速和较长的钻头寿命，达到优质、高效、低成本和安全的目的。 一般地，在较软地层钻进，采用高转速、大泵量和适当的压力；在坚硬的研磨性强的岩层钻进，则采用大钻压和适当的转速和泵量；在裂隙发育的破碎岩层和研磨性强的岩层钻进，则采用最小限度的钻压、转速中低和适当的泵量；在“打滑层”中钻进，应用大钻压、中低转速和适当的泵量。 总之，各参数的合理配合要结合实际情况加以摸索、总结，不断积累经验，逐步丰富和完善矿区的钻进工艺规程。 绳索取心钻进规程参数较普通金刚石钻进参数大些，这主要取决于钻头唇面的不同而引起的，其钻压较普通外头大些，转速在动力条件允许情况下宜选择高转速，而水量因环状间隙很小应采用比普通双管要小（一般35—35升/分），具体在此就不讲了。 9钻具的的选择 目前我区钻探中除了开孔使用单管外，换径后一般均采用双管钻具进行钻进，双管钻具分单动双管和双动双管钻具，各矿区可根据所钻地层岩性特点与取心难易来灵活选择。 ………… 写个设计吧 ——余下一点写不下了！