钻探工艺学

用将已经产生了裂纹的岩脊切削下来）

1、 在坚硬、脆性岩石中钻进时，岩石破碎主要是冲击力作用的结果，钻具的回转只是移动

切削具的位置，改变冲击点，在移动中将裂隙发育的岩脊切削掉，而轴向载荷则是用来克服钻具在冲击时的反弹力，以改善钻具的工作性能。对于坚硬、脆性的岩石来说，利用动载破碎岩石时，由于瞬时应力集中，轴向载荷在孔底岩石上造成了预加盈利，而在冲击的同时又作用有回转力，这就对破碎的岩石上增加了附加剪切作用，造成粗大颗粒岩体的分离，提高了碎岩效果。而且这种效果将随岩石脆性的增大而更为显著。 2、 对于中硬、塑性较大的岩石，其破碎方式仍然是以回转切削为主，冲击作用是辅助性的。

冲击作用在岩石中形成裂纹，为回转钻进切入岩石和切削岩石创造了十分有力的条件。对于塑性大的岩石来说，冲击力的碎岩作用效果不大，回转切削破岩作用处于主导地位。

21、说明阀式正作用、反作用、双作用冲击器和射流式、射吸式冲击器的工作原理 阀式正作用

1、液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位——“正作用” 。

2、冲锤在簧作用下处上位，中孔被活阀盖住，液流瞬间被阻，液压增大产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧和锤簧；活阀下行时被阀座限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压降低，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧，冲击能量经铁砧→岩心管接头→钻头。

3、冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触 阀式反作用

1、利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能量，经弹簧释能作功。 2、高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差超过弹簧的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧的水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。

3、同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。 阀式双作用

1、冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。

2、钻具自重使活接头压紧到外套处，工作腔的液流分别作用在活阀和塔形冲锤上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；

3、冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行时，活阀被支撑座限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到时，冲击砧子；

4、由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。 射流式

1、双稳射流元件控制的液动冲击钻具。 2、高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。

3、若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。 4、在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信号)进入D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由C切换到E输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向上。

5、活塞上行时，反馈信号又回到F，射流又切换到右输出通道。如此反复循环，实现冲锤

的冲击动作。 射吸式

利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲锤反复运动。

22、简述冲击回转钻进用钻头有何特点

1、冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚体材料强度要高于普通钻头——40Cr、45CrNi合金钢；

5、 取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚10~20mm，钻头体长度较长(140mm)；而

气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式； 3、钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积； 4、为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒YG11C硬质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。

4、 切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。

5、

23、冲击回转钻进为什么能提高在硬岩中的钻进效率？它对钻探质量将产生什么影响？ 实践表明，破碎坚硬岩石时，冲击钻进比回转钻进更为有效。这是由于冲击钻进使岩石产生剪切破碎，而岩石的剪切强度只相当于抗压强度的1/6~1/12.此外在冲击载荷作用下，岩石表面可产生瞬时接触应力，尽管岩石的动硬度比静硬度大，但在动应力作用下，岩石易产生裂纹，并且随冲击速度的提高，岩石的脆性将增大，有利于岩石中裂纹的发育。因此用不大的冲击力，便可以达到破碎坚硬岩石的效果，既提高了在硬岩中的钻进效率。

24、试述冲击回转钻进的优点及碎岩机理

1、与常规回转钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以达到破碎坚硬岩石的效果。

2、 冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的岩石中，

钻进效果尤为突出。

3、冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石钻进及牙轮钻进。 4、冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心” 、“打滑”、“防斜”等问题。

5、在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。

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用将已经产生了裂纹的岩脊切削下来。

第十三章

25、何为岩心采取率？钻进中影响岩心采取率质量的因素主要有哪些？

岩心的采取率是指在回次钻进过程中，实际取出的岩心长度与实际钻进进尺的比值。 1. 自然因素

地质因素主要有岩石的强度、硬度、完整度、胶结性、研磨性和易溶度等。 2. 人为因素

钻进方法选择不合理 钻具结构选用不合理

钻进规程不当 操作方法不正确

26、分析说明提高岩矿心采取质量的方法和途径 （1）限制钻进过程中破会因素作用的时间 （2）保全岩心管内的破碎岩矿心

（3）防止钻进过程中破会因素的作用或减弱其烈度

27、单层岩心管钻具常用的取心方法有哪些？各方法的适用条件是什么？ 1.卡料卡取法

适于硬、中硬、完整岩矿层硬合金和钢粒钻进。 2. 卡簧卡取法

适于硬和中硬、岩心完整、直径均匀岩矿层的金刚石钻进，取心方便可靠，但对岩心直径与卡簧的配合精度要求较高。 3.干钻卡取法

适用于硬合金钻软或粘性岩层。 4.沉淀卡取法

适用软、脆、碎的岩层反循环钻进。常与干钻法结合使用。 5.楔断器卡取法

适用于大直径和岩石比较坚硬、完整的岩矿层钻进。

28、试述双层岩心管钻具的结构类型与特点 双管钻具结构特点

? 为减弱机械力对岩心破坏，钻具中设置避振缓冲装置. ? 为减轻对岩心冲刷作用，钻具中设置隔水和分流装置. ? 为防止或缓解岩矿心互磨，双管钻具中增加减磨防磨装置.

? 为防止岩矿心污染，设置隔浆活塞、压入式内管钻头、密封装置等. ? 为防止岩矿心脱落，设置爪簧、压卡装置、隔水球阀等. ?

29、什么是反循环钻进？其对提高岩心采取率质量有何作用？

反循环钻进是携带岩屑的钻探冲洗介质经钻杆内孔从钻孔内返回地面的钻进方法 作用：1、无需提钻减少了辅助时间，钻效高。

2、岩心采取率达95％以上，取心质量好。

3、岩粉及时被排出孔底干净，减少孔底重复破碎大幅度提高时效，延长钻头寿命。 4、易于穿过坍、漏、破碎等复杂地层。

5、单位成本低。相同地层条件下，反循环连续取心钻进的成本，仅为普通取心钻进的1/5~1/3。

30、建立冲洗液孔底反循环地方法有几种？并简要说明其特点及使用条件 1、无泵反循环钻具

在钻进中关水泵利用孔内的静水柱压力和上下提动钻具在孔底形成局部反循环冲洗孔底钻进。这种方法钻进效率非常低，不适合深孔和金刚石钻进。 2、喷射式钻具 （1）、喷射式孔底反循环钻具（喷反钻具）不必频繁提动钻具，而是利用射流泵工作原理形成孔底反循环。

（2）、喷反钻具是在一般钻具上增设喷反元件，喷反元件由喷嘴、混合室、喉管、扩散管、分水接头等组成

喷射式钻具可配备硬质合金钻头和金刚石钻头，钻进产生大量岩粉的软的和中硬的岩矿层时，不用喷射式钻具。 3、 封隔式孔底反循环钻具

通过人工阻隔，使冲洗液在孔底形成反循环。

适用采集软的和中硬的、甚至硬的岩矿样品；当孔壁比较稳定和光滑时，采用弹性胶囊封隔装置；钻进含粘土夹层和松散沉积物的软弱岩矿层时，采用另一种封隔式钻具。 4、空气升液式孔底反循环钻具

适合在易溶岩矿层以及在裂隙发育冲洗液强烈漏失的条件下取样

31、喷射式反循环钻具的喷反元件包括哪几个功能结构部分？各部分分别起什么作用？ 喷反元件由喷嘴、混合室、喉管、扩散管、分水接头等组成

工作原理：高压冲洗液沿钻杆进入喷4，高速3~15m/s射入扩散管。喷嘴与扩散管周围的液体被射流带走一部分而形成负压区。在压差作用下，下部岩心管中液体被抽吸到喷射器里，高速液流和吸入的液体在混合室内混合，进行能量传递和交换后流入喉管；再经扩散管和出水孔或弯管排出。排出的冲洗液一部分沿钻杆外环返回地面；一部分在负压下流向孔底，冲洗孔底。改变冲洗液量或调节喷射器元件参数，就能控制孔底反循环冲洗的强弱。 32、无泵钻进原理特点及适应的地层 原理：在钻进中关水泵利用孔内的静水柱压力和上下提动钻具在孔底形成局部反循环冲洗孔底钻进。

这种方法钻进效率非常低，不适合深孔和金刚石钻进。 33、何谓绳索取心钻进？其有何优缺点？

绳索取心钻进：绳索取心钻进是指在钻进过程中，当岩心充满岩心管后，不需提钻取岩心，而是以钻杆内孔为通道，借助于绳索和专用打捞工具，把钻进过程中贮存于内岩心管中的岩心提升到孔外的取心钻进方法。 一、优 点 1、钻进效率高 2、地质效果好 3、钻头寿命长

4、有利于复杂地层钻进、孔内安全和便于测斜工作 5、减轻劳动强度 6、降低钻探成本 二、缺 点

钻杆的内径大而管壁薄，连接强度要求高。钻头壁较厚，切削孔底岩石的面积较大，因此，钻进时碎岩功率消耗较大。