钻探工艺教案第4章 钢粒钻进.docx

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1、第四章钢粒钻进从十九世纪末开始应用钢粒钻以来，在当前，钢粒钻进仍是钻进坚硬岩层的方法之一。在坚硬地层中，除研究金刚石钻进或其它新技术、新方法外，还应继续认真地探讨钢粒钻进的规律性；改善钢粒钻进的孔底过程，以便进一步提高钻探效率，加快勘探速度。钢粒钻进适用于712级的岩石。因钢粒钻进对岩心磨损严重，为保证足够的岩矿心采取率，钻孔直径不少于75mm,一般为911IOmmo在特殊情况下，130150mm亦可采用（浅孔段）。钻孔深度可达100Om或更深，钻孔倾角在6090。影响钢粒钻进指标的因素很多，归纳起来有以下几方面：1 .钢粒的材质、规格大小及形状；2 .钻进规程（钻压、转速、投砂方法及投砂量、

2、冲洗液量）；3 .钻头的材质、直径、壁厚及水口形状；4 .岩石的物理机械性质。以上因素在钻进过程中，将给钻进指标以综合影响，故必须研究各种因素在钻进时的作用，找出它们之间的关系和规律。抓住主要矛盾加以解决，是提高钻进效率，保证质量，减少消耗的基本方法。第一节钢粒钻进原理、钢粒钻进破碎岩石的原理（一）钢粒钻进的特点钢粒钻进不同于金刚石、硬质合金钻进，其磨料一一钢粒不固定在钻头上，它依靠孔底钻头的弹塑性变形及摩擦力带动钢粒，沿孔底滚动和移动而克取孔底岩石。由于钢粒不与钻头固结这一特点，故在钻进过程中随时可以投入钢粒以补充钢粒的损耗。从而能提高回次进尺长度，表现了在坚硬岩层中钻进的优越性。因此，我国

3、多年来被广泛应用。也由于磨料不固定在钻头上，钻进时一部分钢粒在钻头唇面下破碎岩石；另一部分钢粒分布在钻头内壁与岩心之间；还有一部分钢粒分布在外环状间隙。这样钢粒在破碎岩石的同时也研磨孔壁，磨损岩心和钻具，使岩心磨细及孔壁扩大，并增加了钢粒、钻具、动力的消耗。特别使在破碎、软硬互层中钻进，取心困难，采心率低。应采取有效的措施提高采取率和控制孔斜，以利提高钻孔质量。（二）钢粒钻进破碎岩石的原理钢粒钻进时破碎岩石是一个复杂的过程，是多种方式作用的结果：包括压皱、压碎、滚动、冲击、碾磨、切削等作用。钻头在轴心压力和回转力作用下，钢粒主要以压皱压碎方式破碎岩石。钻进时设想钢粒在孔底不断翻滚，经常以棱角接

4、触岩石表面，如图4-1.其接触面实际上可看做成为一点，见图此时岩石处于弹性变形阶段，不发生破碎；随着压力的增加，当超过岩石弹性极限的瞬时，接触点处即产生裂隙，见图4-1-2；再增加压力，则钢粒与岩石的接触面积增大，这些裂隙也不断增多，扩展延深，形成许多互相交错的新裂隙,见图4-1-3；继续加压时，由于裂隙不断向外发展，岩石与钢粒接触面进一步增大，裂隙延伸范围再次加大。最后这些已经断裂的岩石就与岩体分离，以致产生体积破碎，见图414,其中KOKl表示剪切体；这是钢粒钻进岩石破碎的主要方面。图4-1钢粒钻进破碎岩石情况与此同时，钢粒钻进因钻具的回转、振动而产生脉冲冲击作用，促使岩石疲劳，加速了岩石

5、体积破碎的产生。由于钻头在轴心压力下压住钢粒，同时又在回转力矩作用下翻滚，带棱角的钢粒在孔底的工作状态大致与牙轮钻头相似。实际工作中，观察由水量过大而被冲起来的小钢粒，可以看到多数失去棱角而磨成圆形或椭圆形（圆柱状钢粒球化），而且钢粒被磨蚀后直径变小。因此可以认为，钢粒对岩石的研磨切削作用是完全存在的，质量好的钢粒破碎岩石主要是以整粒起作用而不是碎钢粒，在较大的轴心压力下是以体积破碎为主。钢粒球化的过程即是破碎岩石的过程。二、钢粒在孔底工作过程的分析钢粒钻进过程中，由于钻头与钢粒相互间的磨损，钢粒钻头的唇部逐渐形成圆弧形，使钻头压砂面积比回次开始时有所减少，因而造成了向钻头底部补砂的有利条件。

6、钢粒钻进的孔底形状与钻头的形状是相适应的，钻头唇部是弧形，因而钻头对孔底压力的分配不均匀，如图4-2所示。钢粒在运动过程中，在动平衡时唇部只能压住一层钢粒，压住二至三层钢粒时，仅是短暂的过程。多余的钢粒将以钢粒柱的形式大部分储存在钻头的外环间隙中。钢粒压碎岩石吃入一定深度后，随着钻头的回转又使钢粒沿着压碎面升起，待升到一定高度，又重新压碎岩石，如图4-3所示。这种不断升起又下降的滚动作用，具有脉动冲击作用；钢粒以压碎方式破碎岩石，造成孔底凹凸不平，也加速了压皱压碎的效果。Py图4-4钢粒的悬浮状态及钢粒补给过程的动力平衡示意图图4一5孔底钢粒运动示意图图4-6弧形导砂面压砂的过程钻头在推动钢粒

7、运动过程中，正循环冲洗液的冲力将钢粒向外环状间隙推送。同时钻头回转给钢粒以离心力，使钢粒沿着钻头回转的切线方向抛出。所以钢粒柱的重量、冲洗液的冲力、离心力都促使内环间隙的钢粒向钻头唇部补给，外环状间隙的钢粒补给则比较困难。储存在外环状间隙中的钢粒，在钻头回转力与冲洗液的冲力下，以悬浮状态运动着，如图4-4所示。钢粒因离心力沿着切线方向运动，而受孔壁的约束被碰回见图4-5。钻头的水口,能使外环状间隙的钢粒失去运动惯性而导入孔底。为此，水口的大小形状应有利于将钢粒导入孔底。水口的高度对钢粒的补给有积极作用。在确定水口高度时，除取决于回次钻进时间与钢粒对钻头的磨损速度外，还应与孔内钢粒柱的高度相适应

8、，回次初应大于150mm；回次末的应大于50mm。水口高度是否合理，可看钻头外壁麻痕的高度，只有当水口的高度大于外环状间隙中钢粒柱的高度时，钢粒向孔底的补给才比较完善。孔内钢粒柱的高度，除决定其本身储备量外，还与冲洗液的流速及钻头转数有密切联系。如冲洗液正常，则孔底钢粒柱的高度主要与钻头回转速度有关，可参考表4-1。表4-1钻头直径（mm）转数(r/min)投砂量（kgf）水量(Imin)钢粒分布高度（mm）130200300218-20150130400218-20180200130750218-20280-300钢粒钻头的最优导砂面（即碰撞面）应加工成弧形，在钻头顺时针回转时，弧形导砂面可

9、以强制将钢粒纳入钻头的唇部，如图4-6所示。回次末，孔底环状间隙的钢粒不多，再通过上述动力平衡作用补给钢粒比较困难。这时应改小水量，通过提动钻具，使大部分钢粒落到孔底，则又可以维持个时期的正常钻进速度。第二节钢粒和钢粒钻头一、钢粒（一）钢粒的材质目前主要用较粗的废旧钢丝和废管材切制而成。其形状，前者切割后呈短圆柱状（使用较多）：后者为方粒状。为了提高钢粒的机械性能曾采用65#钵硅矶切制钢粒，经生产实践,效果较好。（二）钢粒的规格和性能钢粒的规格见表表4-2钢粒直径误差范围2.53.03.54.0直径允许误差范围（mm）2.22.72.73.23.23.73.74.2长度允许误差范围（mm）2.

10、22.72.73.23.23.73.74.2根据不同岩性和可钻性，对钢粒的机械性能要求如下：1 .抗压碎强度可按整颗圆柱状钢粒承受的压力而定，如表43。表4-3钢粒直径（mm）2.53.03.54.0每粒不低于（kgf）9801200140016002 .硬度HRC50以上。钢粒的硬度大于60时，则脆性大，韧性不好；如硬度小于50时，则韧性太大，易被压扁。最合适的硬度是HRC50-58。3 .韧性现场的简便检验方法是将钢粒放在铁砧上（或铁锤上），用l.52磅手锤猛击，外形不扁不碎（或只破成23瓣并冒出火星）的占总数90%以上者为合格。除上述用手锤击打法对钢粒质量做一般检验外，在现场使用时，还可

11、以从钢粒的表面颜色进行观察。好的钢粒在抹掉油污后，表面呈棕黑至黑色；表面清洁后呈兰色光泽是加热温度低，淬火程度不够，这样颜色的钢粒韧性高，易压扁；反之钢粒表面呈初见是棕黑色，但擦净后呈灰白色和银白色，说明加热温度过高或加热时间过长，这种颜色的钢粒性脆，易压碎。二、钢粒钻头（一）钻头材质要求钢粒钻头具有一定的硬度、塑性和弹性，以便增加其与钢粒的结合力。钢粒钻头以40-45号无缝钢管所制成的钻头对钻进指标的影响见表4-4所示。表4-4钢号钻头尺寸（mm）钻进速度（mmmin）钢粒消耗量（gf7cm）钻头消耗量（gfcm）破碎岩石的单位功w/mincn330100/8010.020.010.023.

12、560100/8011.317.07.820.4Y7A100/8014.516.77.5519.0弹簧钢100/8014.714.75.1016.3IIIX100/8016.016.05.014注：钻进时使用直径3mm的钢粒,（二）钻头的结构要素投砂800g,单位压力kgfcn,转数300rmin1.钻头直径终孔直径是以地质要求来决定的，但开孔和中途换径次数，则以地层情况和技术措施来选择。生产实践表明，应用110、91mm钻头比较合适，能在保证钻孔质量的前提下提高效率。钻头直径超过13Omm时，轴向总压力将超过1200kgf,一般钻探设备不易达到。使用钻头直径小于91mm,一般不易保证岩矿心采

13、取率，故通常采用91和IIomm的钻头直径钻进。2 .钻头壁厚普通壁厚为9llmm,厚壁钻头可达1216mm.厚壁钻头能提高钻速，实践证明了这点，如江西某队，以1618mm壁厚的钻头作生产实验，其效率比一般钻头提高62.5%（试验时在9级矽化砂岩，孔深50150mm,钻头直径IIomm,钢粒和铁砂混合比1：2的情况下进行的）。因钻头壁厚增大，被压在钻头底唇的钢粒数量增加，钢粒分布较为合理，并能牢靠地压住钢粒进行破碎岩石；另外，厚壁钻头所克取的孔底环状面积与它本身底唇面积所负担的克取岩石工作量，较厚壁钻头的工作量大，因此，厚壁钻头具有较高的钻进效率。3 .钻头水口钢粒钻头水口有两个作用：即为了流

14、通冲洗液；更重要的是不断将钢粒导入钻头唇部（导砂作用）。在钻进中要求钻头水口有比较稳定的过水断面和良好的导砂作用，以保证在钻头唇部有充足的钢粒在孔底工作。水口高度一般在120180mm之间，上宽为1530mm;下宽为圆周长的1413,以1/4最为常用。正循环钻进时，钻头的有效长度应大于150mm；而反循环钻进，钻头有效长度应大于100mm。其切口两边可加工成单弧形、双斜边、斜弧形、双弧形等。如图4-7.。生产实践表面以双弧形和双斜边水口导砂性能为最好。图4-7钢粒钻头水口形状(1)一双斜边水口(2)单弧形水口(3)一又弧形水口(4)斜弧形水口4.几种常见的钢粒钻头(1)普通钢粒钻头其构造为：长

15、450500mm,壁厚9llmm,水口上部宽20mm,下部宽为钻头外圆周长的1314水口高度为140l70mm,单弧形水口顺旋转方向的前面开成直的，另一边开成弧形；双弧形水口两边均为弧形。为便于卡取岩心，钻头内部上端应带有1：100的锥度，如图4-8所示。具体规格见表4-5。450500图4-8普通钢粒钻头表4-5DDiD2ddid2bR755762680.1266.40.1265.878200917378840.1482.40.1481.8951721109095103OJ4101.40.14100.81151611301101151220.16120.40.161191361571501301351410.16139.40.16130157153(2)双