钻探工艺技术 第四章 钢粒钻进.ppt

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1、第四章钢粒钻进第一节钢粒钻进原理第二节钢粒和钢粒钻头第三节钢粒钻进技术参数第一节钢粒钻进原理一、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——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，我国多年来被广泛应用。第一节钢粒钻进原理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

2、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。第一节钢粒钻进原理（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。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

3、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。第一节钢粒钻进原理实际工作中，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。第一节钢粒钻进原理二、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。

4、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。第一节钢粒钻进原理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。第一节钢粒钻进原理钻头在推动钢粒运动过程中，正循环冲洗液的冲力将钢粒向外环状间隙推送

5、。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。第一节钢粒钻进原理钻头的水口，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，回次初应大

6、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。第一节钢粒钻进原理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，弧形导砂面可以强制将钢粒纳入钻头的唇部。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，则又可以维持一个时期的正常钻进速度。第二

7、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#锰硅矾切制钢粒，经生产实践，效果较好。第二节钢粒和钢粒钻头（二）钢粒的规格和性能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4-3。2、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