1、 第一章第一章 鉆孔施工鉆孔施工過(guò)程與巖石過(guò)程與巖石物理力學(xué)性質(zhì)物理力學(xué)性質(zhì) 第一節(jié)、第一節(jié)、鉆孔施工過(guò)程鉆孔施工過(guò)程 第二節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)第二節(jié)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì) 第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí)第三節(jié)、巖石可鉆性及其分級(jí) 第四節(jié)、第四節(jié)、鉆孔結(jié)構(gòu)鉆孔結(jié)構(gòu)云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 鉆孔施工鉆孔施工過(guò)程過(guò)程 以巖心鉆探為例說(shuō)明基本鉆探工藝過(guò)程。一一、鉆前準(zhǔn)備鉆前準(zhǔn)備 平整場(chǎng)地；鉆場(chǎng)布置；修筑地基；基臺(tái)安裝；挖好循環(huán)系統(tǒng)，安裝鉆塔、鉆機(jī)、泵和動(dòng)力機(jī)；驗(yàn)收。 1 1、平整場(chǎng)地、平整場(chǎng)地 要求地面平整、有足夠的面積、地表土層有一定的抗壓強(qiáng)度、填方面積小于總面積的四分之一

2、、易排水。 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 2 2、鉆場(chǎng)布置、鉆場(chǎng)布置 鉆場(chǎng)的作用：安裝鉆塔、鉆探設(shè)備、循環(huán)系統(tǒng)等； 鉆場(chǎng)的大小：隨鉆孔深度增加而增大。 3 3、修筑地基、修筑地基 淺槽地基：適宜較堅(jiān)實(shí)的地面； 臥枕地基：適宜較松軟的地面； 深坑地基：適宜做鉆機(jī)、內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)。 4 4、基臺(tái)安裝、基臺(tái)安裝 材料：用枕木或型鋼做成井字形排列，并用螺栓連接構(gòu)成； 要求：周正、水平、穩(wěn)固； 形式：合組基臺(tái)、分組基臺(tái)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院5 5、安裝鉆探設(shè)備、安裝鉆探設(shè)備 鉆塔的安裝 整體安裝法：適宜“A”型鉆塔和三角鉆塔； 分節(jié)安裝法：適宜四角鉆塔。 鉆機(jī)的安裝 要求周

3、正、水平、穩(wěn)固；鉆機(jī)立軸必須與天車中心、孔口中心在一條直線上。6 6、循環(huán)系統(tǒng)的布置、循環(huán)系統(tǒng)的布置 組成：水源箱、沉淀池和循環(huán)槽。 作用：凈化沖洗液。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院二二、鉆進(jìn)過(guò)程鉆進(jìn)過(guò)程 鉆孔從開(kāi)孔鉆進(jìn)到終孔的施工過(guò)程叫鉆進(jìn)過(guò)程。 鉆進(jìn)時(shí)，由動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)鉆機(jī)回轉(zhuǎn)，由鉆桿、巖心管、鉆頭組成鉆柱，并由鉆機(jī)提供軸向壓力和扭矩。從而使鉆頭上的切削具克取巖石實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)。 按設(shè)計(jì)的方向開(kāi)孔，在孔口固定孔口管； 根據(jù)所鉆巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、鉆頭直徑、鉆頭類型和孔深選擇合理的規(guī)程參數(shù)，一邊沖洗鉆孔，一邊通過(guò)給進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆柱給鉆頭加軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度；云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)

4、院 鉆頭在孔底鉆出一個(gè)環(huán)形空間，并形成巖心，隨著鉆孔加深巖心將充滿巖心管； 清潔孔底、冷卻鉆頭切削具后，攜帶巖屑的沖洗液上返流出孔口，并在沉淀槽、沉淀池中清除掉巖屑后，清潔的液體再流回泥漿池，如此循環(huán)； 把鉆具提至地表，從巖心管內(nèi)取出巖心。重新配好鉆具，再下放至孔內(nèi)繼續(xù)鉆進(jìn)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院三、終孔三、終孔 指鉆孔從停止鉆進(jìn)到設(shè)備拆卸完為止所進(jìn)行的全部工作。包括鉆孔彎曲測(cè)量、測(cè)水位、抽水試驗(yàn)、封孔、起套管、拆卸設(shè)備等。 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 第第二二節(jié)節(jié) 巖石的巖石的物理物理力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì) 巖石的力學(xué)性質(zhì)是巖石在外力作用下表現(xiàn)出來(lái)的特性。主要有變形

5、特性、強(qiáng)度特性和表面特性。 變形特性變形特性：彈性、塑性和脆性。 強(qiáng)度特性強(qiáng)度特性：抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。 表面特性表面特性：硬度和研磨性。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 彈性彈性：巖石受到外力后產(chǎn)生變形，外力取消后仍恢復(fù)到原來(lái)的形狀。 塑性塑性：巖石受到外力后改變形狀而不產(chǎn)生斷裂的性質(zhì)。 脆性脆性：巖石在外力作用下，不產(chǎn)生變形而直接破壞的性質(zhì)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院1 1、巖石巖石在靜載壓模壓入時(shí)的形變曲線在靜載壓模壓入時(shí)的形變曲線脆性破壞（石英巖）脆性破壞（石英巖）塑脆性破壞（大理巖）塑脆性破壞（大理巖）塑性破壞塑性破壞 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云

6、南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院圖圖2 巖石的形變曲線巖石的形變曲線 細(xì)粒組織巖石的彈性模數(shù)大于粗粒的。 巖石在被水或石油浸濕后，其彈性模數(shù)顯著下降；而塑性增加。 巖石的孔隙度增加，則巖石的彈性模數(shù)降低；而塑性增加。 巖石隨加載速度增大，塑性降低。巖石由塑性體轉(zhuǎn)為脆性體。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 3 3、巖石的變形特性對(duì)鉆進(jìn)的影響、巖石的變形特性對(duì)鉆進(jìn)的影響 彈性彈性：彈性大的巖石除消耗部分功率于彈性變形外，還會(huì)使鉆具彈動(dòng)。如石英等“打滑”地層。 塑性塑性：塑性大的巖層易產(chǎn)生縮徑、糊鉆。如粘土層。 脆性脆性：脆性大的巖層采心困難、易掉塊、坍塌等。如滑石、煙煤。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源

7、職業(yè)學(xué)院二二、強(qiáng)度、強(qiáng)度特特性性 1 1、巖石巖石的的強(qiáng)度強(qiáng)度 巖石在載荷作用下變形到一定程度就發(fā)生破壞。破壞前巖石單位面積上所能承受的最大載荷。 2 2、強(qiáng)度分類、強(qiáng)度分類 抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院3 3、影響巖石強(qiáng)度的因素影響巖石強(qiáng)度的因素 巖石的礦物成分巖石的礦物成分：隨造巖礦物的強(qiáng)度和含量而變化； 礦物顆粒的尺寸礦物顆粒的尺寸：細(xì)粒巖石的抗壓強(qiáng)度大于粗粒巖石的抗壓強(qiáng)度； 巖石的容重和孔隙度巖石的容重和孔隙度：孔隙度增加，容重降低，則巖石的強(qiáng)度降低； 巖石的層理巖石的層理：巖石強(qiáng)度具有明顯的方向性。即垂直斜交

8、平行； 云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 受力條件受力條件：抗沖擊強(qiáng)度抗拉抗彎抗剪抗壓； 應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)：巖石在雙向或多向應(yīng)力狀態(tài)下，其抗壓強(qiáng)度比單向應(yīng)力狀態(tài)下要高出許多； 載荷速度載荷速度：巖石強(qiáng)度隨加載速度增加而增大； 巖樣的線性尺寸巖樣的線性尺寸：隨巖樣的線性尺寸增大，巖石的強(qiáng)度降低； 介質(zhì)的影響介質(zhì)的影響：巖石的強(qiáng)度隨液體量的增加而降低。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 圖圖3 3 巖石巖石單軸抗壓試驗(yàn)單軸抗壓試驗(yàn) 1 1巖樣；巖樣； 2 2球座；球座； 3 3鋼墊板鋼墊板4 4、巖石強(qiáng)度的測(cè)定、巖石強(qiáng)度的測(cè)定云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 圖圖4 4 巖石

9、巖石單軸拉伸試驗(yàn)單軸拉伸試驗(yàn) 1 1巖樣；巖樣； 2 2夾頭；夾頭； 圖圖中尺寸單位：中尺寸單位：cmcm云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 圖圖5 5 剪切試驗(yàn)剪切試驗(yàn) 1 1巖樣；巖樣； 2 2上下剪切模具；上下剪切模具； 3 3模套；模套； 4 4斜鍥塊；斜鍥塊； 5 5上下墊板；上下墊板； 6 6鋼滾子鋼滾子云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 5 5、巖石強(qiáng)度與鉆進(jìn)碎巖的關(guān)系、巖石強(qiáng)度與鉆進(jìn)碎巖的關(guān)系 隨著巖石強(qiáng)度值的升高，破碎巖石的效果降低，鉆進(jìn)速度下降； 隨著孔深的增加巖石的致密程度升高，巖石的強(qiáng)度升高破碎巖石的效果也降低，鉆速下降。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)

10、學(xué)院三三、表面特性、表面特性1 1、巖石的硬度巖石的硬度 概念：巖石表面對(duì)工具壓入的反抗特性。 硬度與強(qiáng)度的區(qū)別：巖石抗壓強(qiáng)度是巖石整塊抗破碎的能力；而硬度則是巖石表面局部抵抗破碎的能力。 硬度與強(qiáng)度的關(guān)系： 巖石抗壓入硬度為單向抗壓強(qiáng)度的（1+2）倍。測(cè)定壓入硬度實(shí)際上是使巖樣產(chǎn)生局部破碎，而這種局部破碎是在多向受壓狀態(tài)下進(jìn)行的。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 影響巖石硬度的因素 影響巖石硬度的因素和影響巖石強(qiáng)度的因素相似。即巖石的礦物成分、 礦物顆粒的尺寸、巖石的容重和孔隙度、巖石的層理、受力條件、應(yīng)力狀態(tài)、載荷速度、巖樣的線性尺寸、介質(zhì)等均有影響。但層理對(duì)硬度的影響正好與強(qiáng)度相

11、反。即：垂直層理方向的硬度最小；而平行層理方向的硬度最大。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 巖石硬度的測(cè)量 莫氏硬度：用十種礦物為代表，后一種可在前一種礦物上擦痕，硬度依次增高。 莫氏硬度表莫氏硬度表硬度等級(jí)硬度等級(jí)12345678910典型礦物滑石石膏方解石螢石磷灰石正長(zhǎng)石石英黃玉剛玉金剛石云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 顯維硬度：如洛氏硬度；指甲指甲鐵刀鐵刀鋼刀鋼刀玻璃玻璃鋸條鋸條銼刀銼刀硬合金硬合金 2.53.555.5679云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 巖石硬度與鉆進(jìn)碎巖的關(guān)系巖石硬度與鉆進(jìn)碎巖的關(guān)系 巖石硬度越高，則鉆速越低。2 2、巖石的研磨性巖石的研

12、磨性 概念：巖石對(duì)工具的磨損能力稱之。 影響巖石研磨性的因素 礦物的硬度越大，顆粒越粗，則巖石的研磨性越強(qiáng)； 在軸向壓力未達(dá)到巖石的壓入硬度前，動(dòng)摩擦系數(shù)值隨壓力值增加而增大； 相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)，隨速度的增加動(dòng)摩擦系數(shù)增大； 干摩擦系數(shù)大于濕摩擦系數(shù)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 巖石研磨性的測(cè)量 研磨法：利用一定形狀的金屬桿或環(huán)與巖石作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，然后測(cè)出巖石的研磨性。 鉆孔法：在與實(shí)際鉆進(jìn)相似的條件下測(cè)出巖石的研磨性。 巖石研磨性對(duì)鉆進(jìn)的影響 研磨性越強(qiáng)，對(duì)切削具磨損越嚴(yán)重。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院第第三三節(jié)節(jié) 巖石可鉆性及其分級(jí)巖石可鉆性及其分級(jí)一、巖石可鉆性

13、一、巖石可鉆性 在一定的技術(shù)條件下，鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的難易程度。二、影響巖石可鉆性的因素二、影響巖石可鉆性的因素 巖石可鉆性是個(gè)多變量的函數(shù)。它不僅受控于巖石的性質(zhì)，而且與外界技術(shù)條件和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系。 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)巖石的物理力學(xué)性質(zhì)：強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、脆性、研磨性等。 破碎巖石的技術(shù)條件破碎巖石的技術(shù)條件：鉆進(jìn)方法、鉆進(jìn)參數(shù)、鉆探設(shè)備等。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院三、衡量指標(biāo)三、衡量指標(biāo) 在相同技術(shù)條件下，鉆進(jìn)時(shí)的機(jī)械速度作為巖石可鉆性指標(biāo)。四、巖石可鉆性分級(jí)在鉆探生產(chǎn)中的作用四、巖石可鉆性分級(jí)在鉆探生產(chǎn)中的作用 是合理選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)及鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的依據(jù)

14、； 是制訂鉆探生產(chǎn)定額和編制鉆探生產(chǎn)計(jì)劃的基礎(chǔ)； 是對(duì)生產(chǎn)機(jī)臺(tái)評(píng)定的客觀依據(jù)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 第四節(jié)第四節(jié) 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、什么是鉆孔結(jié)構(gòu)？一、什么是鉆孔結(jié)構(gòu)？ 鉆孔由開(kāi)孔至終孔，鉆孔剖面中各孔段的深度和口徑的變化叫做鉆孔結(jié)構(gòu)。二、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)二、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù) 鉆孔的用途和目的； 地層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)； 鉆孔的設(shè)計(jì)深度； 必需的終孔直徑； 鉆進(jìn)方法、鉆探設(shè)備參數(shù)。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院13011091鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖三、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容三、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1、確定各種巖層的鉆進(jìn)方法、確定各種巖層

15、的鉆進(jìn)方法 主要依據(jù)地層的地質(zhì)條件、鉆孔深度、鉆孔直徑等確定。2、確定鉆孔直徑、確定鉆孔直徑 包括終孔直徑、開(kāi)孔直徑和中間變徑。 影響終孔直徑的因素：鉆進(jìn)方法、不同礦種允許的最小巖礦心直徑、鉆孔用途、鉆機(jī)動(dòng)力機(jī)容量、孔內(nèi)測(cè)井儀的規(guī)格等。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 3 3、確定套管層次、下放深度和套管直徑、確定套管層次、下放深度和套管直徑 鉆進(jìn)松散的沙礫石層、流沙層、泥漿護(hù)孔無(wú)效時(shí)； 穿過(guò)較厚的破碎帶、坍塌掉塊嚴(yán)重時(shí)； 接近地面的表土層、風(fēng)化層； 遇到含水構(gòu)造與大裂隙貫通，嚴(yán)重涌水或漏失時(shí)。 四、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法四、鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法 以終孔直徑作為擬定鉆孔結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)照理想柱

16、狀圖并考慮換徑次數(shù)，自下而上地?cái)M定出鉆孔各孔段直徑和開(kāi)孔直徑。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院1、簡(jiǎn)述鉆探生產(chǎn)的工藝過(guò)程。2、簡(jiǎn)述巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)鉆進(jìn)的影響。3、簡(jiǎn)述巖石可鉆性分級(jí)在鉆探生產(chǎn)中的作用。4、簡(jiǎn)述鉆孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院 第第四四節(jié)節(jié) 鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式鉆頭碎巖刃具與巖石作用的主要方式 一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)一、平底圓柱形壓頭壓入時(shí)巖石的應(yīng)力狀態(tài)( )222rPpa ar2Ppa圖圖1.134 平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布平底圓柱壓頭壓力面上的壓力分布圖圖1.136 球形壓頭壓力面上的壓力分球形壓頭壓力

17、面上的壓力分布布圖圖1.137 平底壓頭壓入時(shí)沿平底壓頭壓入時(shí)沿 對(duì)稱軸的應(yīng)力分布對(duì)稱軸的應(yīng)力分布圖215 軸向力作用時(shí)巖石 內(nèi)的應(yīng)力分布圖216 軸向力和切向力共同作用時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布 （a）等應(yīng)力線圖；（b）應(yīng)力狀態(tài)特征 壓應(yīng)力區(qū)；拉應(yīng)力區(qū)；過(guò)渡區(qū) 在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，破碎巖石工具以軸向和切向載荷作用于巖石上。彈性力學(xué)研究表明：只有軸向力單獨(dú)作用于壓頭時(shí)，彈性半無(wú)限體內(nèi)等應(yīng)力線分布是均勻的、對(duì)稱的（如圖215）。而軸向力和切向力共同作用時(shí)，等應(yīng)力線分布則是非均勻的、不對(duì)稱的（如圖216）。在接觸面上，切向力作用的前方將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而切應(yīng)力作用的后方則產(chǎn)生拉應(yīng)力，在半無(wú)線體內(nèi)（如圖216(b)所

18、示），形成正應(yīng)力區(qū)（）、拉應(yīng)力區(qū)（）和過(guò)渡區(qū)（） 。由此可以推知，在兩向載荷作用下，碎巖工具對(duì)巖石的作用具有以下的特點(diǎn)： 1. 軸向力和切向力共同作用時(shí)，可視為碎巖工具對(duì)孔底巖石表面以某一角度施加作用力。巖石破碎效果將由此作用力的數(shù)值和方向來(lái)決定。軸向力和切向力之間存在最優(yōu)比值，或者說(shuō)有最優(yōu)的作用力方向。這一方向?qū)τ诓煌膸r石可能是不同的。所以鉆進(jìn)不同巖石時(shí)，軸向壓力和回轉(zhuǎn)速度應(yīng)用一個(gè)合理的配合關(guān)系。 2. 軸向力與切向力共同作用時(shí)，碎巖工具下方巖石中產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力狀態(tài)。壓縮區(qū)隨軸向力增加而擴(kuò)大，隨切向力的增加而縮小；拉伸區(qū)則與上述情況相反；過(guò)渡區(qū)內(nèi)既有正應(yīng)力的作用，又有拉應(yīng)力的作用。 3. 當(dāng)巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，在其他條件相同的情況下，巖石將在作用力比較小的時(shí)，在拉應(yīng)力區(qū)開(kāi)始破碎。 一、巖石的變形破碎方式一、巖石的變形破碎方式圖圖1.145 破碎功與破碎產(chǎn)物粉碎度的