钻探工艺学

第一章

1、 岩石性质包括哪几类？试分别说明

（1） 岩石的强度：岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力

（2） 岩石的硬度：岩石抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力

（3） 岩石的弹性和塑性：外力作用于岩石时，岩石发生变形，若撤除外力后岩石的外形

和尺寸完全恢复原状，则这种变形成为弹性变形；若撤除外力后岩石的外形和尺寸不能完全恢复原状而产生残留变形，则称为塑性变形。

（4） 岩石的研磨性：岩石磨损钻头的能力。

2、 试分析说明岩石的强度和硬度的关系

岩石硬度是岩石表面的局部对另一物体压入时的阻力，而岩石硬度是岩石整体破碎时的阻力，因此不能把岩石的单轴抗压强度作为岩石硬度的指标。根据理论分析，岩石抗压入硬度为单轴抗压强度的（1+2π）倍。实验表明，岩石压入硬度与单轴抗压强度之比大约在5~20倍之间

3、何谓岩石的研磨性？影响岩石研磨性的因素有哪些？ 岩石磨损钻头的能力称为岩石的研磨性

影响岩石研磨性的因素有摩擦力、滑动速度和摩擦时间。

4、何谓岩石的可钻性？划分岩石的可钻性有何意义？ 岩石的可钻性是表示钻进过程中岩石破碎的难易程度 意义：它是决定钻进效率的基本因素。岩石可钻性及按岩石可钻性分级对钻探实际生产来说非常重要。它是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制定钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。

5、试列出确定岩石可钻性的几种方法，并评述其优缺点 （1）金刚石钻进岩石可钻性分级法 （2）按岩石研磨硬度和抗剪强度分级 （3）按联合指标分级 （4）微钻速度法 （5）碎岩比功法

第二章

6、碎岩工具与岩石相互作用的主要方法有几种？硬质合金钻进、冲击回转钻进、牙轮钻进分属哪类？

（1）切削—剪切型 （2）冲击型

(3) 冲击—剪切型

7、岩石在外载作用下的破碎变形方式有几种？ （1）岩石的表面研磨（表面破碎） （2）疲劳破碎 （3）体积破碎

第九章

8、简述硬质合金切削具在塑性和脆性岩石中的碎岩过程 （一）塑性岩石的碎岩情况

1、 切入岩石的过程

在切削具和岩石接触面的压强达到或超过岩石的压入硬度时，在轴向力作用下，由于切削具后斜面的作用，使切削具的刃尖并非垂直切入岩石，而是沿着与垂线成一定角度的方向切入岩石

2、 回转切削过程

切削具切入岩石并回转时，在水平力作用下，压迫其前面的岩石，使之发生塑性变形并不断地向自由面滑移，称为切削作用。在切屑的裂隙尚未发展到全段面断裂之前，下一部分切屑又发生滑移。因此，其切屑应该是连续的、平稳的，其切削槽宽与切削具刃宽是相同的。

（二）脆性岩石的碎岩情况 1、切入岩石的过程

在切削具和岩石接触面的压强达到或超过岩石的压入硬度时，在轴向力作用下，切削具切入岩石。此时岩石发生脆性剪切，破碎的岩屑向自由面崩出 3、 回转切削过程

当切削具在水平力作用下前进时，首先将刃尖前的岩石剪切掉，称为大剪切，于是水平力突然降落下来。当切削具继续前进时，在切削具刃尖前不断发生小体积剪切，崩落出小体积的岩屑。经过不断的小体积剪切后，切削具刃前与岩石接触的面积不断增大，直至又达到全高接触时，又发生一次大剪切。因此在脆性岩石中回转切削过程是由数个小剪切和一个大剪切所组成的不断循环的过程

9、试述硬质合金的基本组成、力学性质及变化规律

（1）钻探用的钨—钴合金：主要是碳化钨（WC）—钴(Co)系硬质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂，用粉末冶金方法制成。

（2）硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500℃的温度下也基本保持不变，在1000℃时仍有很高的硬度。

（3）随着合金中含钴量增加，相对密度下降，硬度、耐磨性降低，而抗弯强度、冲击韧性增高；WC的颗粒越细，硬度越大、耐磨性越强；反之，则抗弯强度、韧性增强。

10、如何确定硬质合金的出刃和镶焊角

（1）镶焊在钻头体上的切削具必须突出钻头体一定的量，此突出部分称为切削具的出刃，切削具出刃有：内出刃、外出刃和底出刃。

（2）切削具前面与垂直于钻头唇面方向之间的夹角为镶悍角

11、在中硬中等研磨性地层采用硬质合金钻进时，选择或设计钻头时应如何考虑？

自磨式硬合金钻头可用于钻进硬而研磨性大的可钻性5～8级及部分9级岩石，但这种切削具因断面较小而抗折断能力较差，为此需要用钢片或其它易磨金属把切削具支撑或包裹起来以增强其抗弯能力

12、试述硬质合金钻进中钻速与转速的关系，并说明确定硬质合金钻进规程中的基本原则

硬质合金钻进软岩，可以认为机械钻速v与转速n是成正比的；在中硬以上岩层中钻进时，机械钻速v与转速呈抛物线关系。曲线最高点的是最优转速，此时的机械钻速最高。 基本原则：1、钻压的确定 2、转速的确定 3、泵量的确定

4、各钻进参数间的配合关系 5、最优回次钻程时间的确定

第十章

13、试述金刚石单晶、聚晶和复合片钻进的适用范围，并简要说明原因

1、金刚石单晶：强度高、耐磨性好，在硬-坚硬地层中钻进能取得良好的效果；但由于其粒度小，在软-中硬地层中难以取得较高的钻速，且由于出刃量小，容易发生糊钻事故。 2、金刚石聚晶：高温稳定性好，强度较高，耐磨性好，能直接合成所需的形状，所以，在中硬地层中能取得较好的钻进效果，但由于其强度较单晶小，所以不适用于大部分硬-坚硬的岩层钻进。

3、金刚石复合片：综合了金刚石的耐磨性和硬质合金的抗冲击韧 性，且在钻进中金刚石层保持了锐利的切削角，所以，在软-中硬 地层能取得较好的效果。

14、如何确定金刚石钻进的钻进规程？

金刚石钻进规程参数包括：钻压、转速、冲洗液量

1、 钻压：具体选择钻压时，可根据岩石硬度、金刚石的抗压强度和钻头的类型等因素确定 2、 转速：① 在中硬至硬、中等研磨性的完整岩层中，一般可采用较高转速； ② 在坚硬致密的岩层中，主要靠钻压破碎岩石，宜采用较低转速； ③ 在复杂地层中钻进，宜采用较低转速

3、 冲洗液泵量：金刚石钻进冲洗液泵量Q一般是根据液流上返速度来确定的

Q = 6 vF (L/min)

15、试分析金刚石钻进规程确定的基本依据 1、钻压：

（1）根据转速，确定每转切深；

（2）根据金刚石浓度和切深，计算出参加金刚石的颗粒数目； （3）计算出金刚石与岩石接触的面积；

（4）根据岩石的压入硬度，算出所需要的理论压力 2、转速：

（1）表镶金刚石钻头的线速度表镶金刚石钻头所用的金刚石粒度较大，出刃量也较 大，允许有较大的切入量，所以转速应低于孕镶钻头。推荐的线速度为1～2m/s。

（2）孕镶金刚石钻头的线速度孕镶金刚石钻头的金刚石粒度很小，出刃量微小，主要靠高转速来获取钻进效率。推荐的线速度为1.5～3m/s。 3、金刚石钻进对冲洗液量的特殊要求

（1）金刚石钻头唇面排粉漫流间隙小，极易形成岩屑重复破碎、岩粉堵塞，使孔底排粉和冷却条件恶化，故对钻头水口和冲洗液水力学提出了特殊要求。

（2）金刚石热稳定性差，温度过高将导致金刚石石墨化，胎体变形，机械性能降低（高转速缺水1~2min就可“烧钻”）。故冲洗液应具有较好的冷却效果。

（3）钻孔环状间隙小，约2—3mm，水力损失大，故金刚石钻进时，冲洗液循环应具有较高的泵压。

（4）孕镶钻头钻进，岩粉较细，加之孔底需有一定的岩屑帮助金刚石自磨出刃，故泵量相对较小（冷却作用的泵量较小，每厘米钻头直径只需0.2~0.3L/min就能达到较好的冷却效果）。

16、试述金刚石钻头的胎体与所钻的岩石有何关系

金刚石钻头胎体用于包裹金刚石，并与钻头钢体牢固连接。

孕镶钻头钻进时，胎体的磨损速度应适当超前于金刚石的磨损速度，使金刚石不断出刃。如果胎体不磨损或磨损极慢，则金刚石出刃甚小，发挥不了多刃微切削作用，钻速很低。反之，如果胎体磨损太快，则造成金刚石过早的崩刃或脱粒，从而失去钻进能力、钻头寿命缩短。合适的胎体耐磨性应能使唇面金刚石正常出刃，且在每粒金刚石的后面形成蝌蚪状支撑

17、试分析孕镶金刚石钻头在正常规程和临界规程钻进时，都会有什么现象发生

1、在正常规程下，如在某些地层中，钻头金刚石耗量大而进尺少；在另一些地层中，钻头的钻速很低，甚至出现钻头“打滑”不进尺的情况；一种钻头在这个地区钻效很高，而在另一个地区却效果很差。

2、在临界规程下，钻头胎体温升将急剧上升，功率消耗剧增，钻头磨损严重，甚至出现烧钻现象。

第十一章

18、牙轮的布置有几种方案？各有何特点？ 1、不超顶，无滑动式布置 牙轮轴线、主锥母线交于钻头中心线，主锥不超顶。牙轮在孔底的运动属于纯滚动，无滑动。牙轮的齿圈不与相邻齿圈相啮合，确定齿宽时不受相邻牙轮齿圈的限制，适用于钻硬地层的钻头。

3、 超顶不移轴式布置

牙轮轴线交于钻头轴线，但主锥超顶。牙轮在孔底有滑动。由于超顶可使各牙轮的牙齿相互啮合，因而牙轮可以自洗，有助于消除泥色现象，适用于软及中硬地层的钻头。 4、 超顶、移轴

牙轮轴相对于钻头径向片状一个角度，即牙轮轴线偏移，且主锥有超顶，牙轮可自洗，又由于移轴，使牙轮产生轴向滑动，适用于软及中硬地层的钻头。

第十二章

19、何为冲击回转钻进？在钻进过程中一般如何实现冲击回转钻进？

1、冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。

2、具体实施：在回转钻进的钻具中增加一个具有一定冲击频率和冲击能量的冲击器，在取心钻进时，冲击器安装在岩心管上端，在无岩心钻进时则直接安装在钻头之上。

20、结合冲击回转钻的碎岩机理，说明在不同岩性条件下冲击回钻钻进破碎岩石的特点 （碎岩机理：冲击回转钻进在钻头切削具上受到三种力的作用，即回转力、轴向静压力和冲击力。在三种力的作用下，岩石以冲击剪切和回转切削方式破碎，首先是切削具在冲击载荷作用下形成破碎穴，在两次冲击破碎穴之间造成孔底局部岩脊，继之是切削具在回转力的作