(工程设计)钻孔工程设计

钻孔工程设计第一节钻孔结构一、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： 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。 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。 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。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。 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。 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。 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 1.5-2.5 2.5-3 2-3 中硬、强研磨性岩石 1-2 1-2 1.5-2.5 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。 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。 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。 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 = （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。 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 = KDK经验系数（615l/cm.min）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 (rpmmin) 泵量 (Lmin) 取心钻头 （kg粒） 刮刀钻头 （kgcm） 14级 5060 100120 200350 80 56部分7级 80120 120150 150250 80 注：（1）针状硬质合金块每块能承受的压力为150200kg； （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（kgcm）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： 新钻头入孔内，应离孔底0.5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。 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0.5米以上或有脱落岩心时不得下入新钻头。 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。 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。 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： 钻进效率高；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）；事故少；劳动强度低；成本低；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。 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HRC2050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。 3.1分层钻进的选择原则 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。 3.2金刚石钻头选择的基本原则 3.2.1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。 3.2.2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