【正文】 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 五點(diǎn)法鉆速試驗(yàn)的步驟如下： （ 1）根據(jù)本地區(qū)允許使用的鉆壓和轉(zhuǎn)速范圍，確定試驗(yàn)采 用的最高鉆壓 Pmax、最低鉆壓 Pmin、最高轉(zhuǎn)速 nmax和最低轉(zhuǎn)速 nmin， 同時(shí)，選取近似平均值的鉆壓 P0和轉(zhuǎn)速 。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 （三）鉆進(jìn)方程中有關(guān)參數(shù)的確定 門限鉆壓 W和轉(zhuǎn)速指數(shù) λ的確定 求門限鉆壓 W和轉(zhuǎn)速指數(shù) λ的 基本方法是五點(diǎn)法鉆速試驗(yàn) ， 試驗(yàn)條件為： （ 1）試驗(yàn)中沖洗液性能不變，水力參數(shù)恒定，且維持在本 地區(qū)通用水平上，以保證試驗(yàn)中 CH 和 CP 不變，避免水力因素 對(duì) W值的影響。 這些參數(shù)需 要根據(jù)實(shí)際鉆進(jìn)資料分析確定。 Af—— 地層研磨性系數(shù) ， 待確定 。 Q1和 Q2—— 轉(zhuǎn)速影響系數(shù) ， 與鉆頭類型有關(guān) ， 可查表獲得 。 式中的 W、 K、 λ、 C2，在巖性、鉆頭類型、沖洗液和水力參數(shù) 一定時(shí)，是固定不變的常量，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和鉆頭資料確定。由于理論模型的數(shù) 學(xué)推導(dǎo)比較煩瑣，本節(jié)側(cè)重介紹優(yōu)化鉆井的基本思想和優(yōu)化方法。 最大水功率或最大射流沖擊力是通過(guò)優(yōu)化選擇噴嘴直徑 實(shí)現(xiàn)的。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 （二）正確確定規(guī)程參數(shù)的適用范圍 沖洗液量的確定 沖洗液量的確定應(yīng)保證攜帶巖粉在環(huán)空的最低上返流速 va 和實(shí)現(xiàn)鉆頭處最大的水功率 Na或射流沖擊力 Fa 。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 （二）正確確定規(guī)程參數(shù)的適用范圍 鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)牙齒壽命的影響 牙輪鉆頭齒的損壞主要表現(xiàn)為 牙齒的磨損 （銑齒鉆頭） 或 折斷 （鑲齒鉆頭），其原因除了巖石的硬度以外，主要是 牙輪鉆進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)沖擊，沖擊強(qiáng)度與鉆壓、轉(zhuǎn)速有關(guān)。一般滑動(dòng)軸承鉆頭的轉(zhuǎn)速在 35— 65r／ min范圍內(nèi)（與軸承直徑大小有關(guān)）。 一般常用最佳范圍為 — kN / cm。 轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響 實(shí)際鉆進(jìn)表明：在鑲齒鉆頭常用的 35— 55r／ min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)， 鉆速和轉(zhuǎn)速接近線性關(guān)系。 現(xiàn)行牙輪鉆頭已形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格系列，各廠家生產(chǎn)的鉆 頭均有推薦的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)，實(shí)際使用時(shí)應(yīng)正確確定其適用 范圍。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第五節(jié) 牙輪鉆進(jìn)工藝 一、鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) （一）規(guī)程參數(shù)匹配一般原則 在松軟的高塑性地層中鉆進(jìn)時(shí)，采用較高轉(zhuǎn)速、較大 沖洗液量配以適當(dāng)?shù)你@壓，可以達(dá)到較高的鉆進(jìn)效率。麻痕高度基本上與水口齊平或略低于水口，則為砂量正 常，送水合適。說(shuō)明沖洗液量過(guò)小，鉆頭外周 與巖粉和孔壁磨損所至。說(shuō)明沖洗液量過(guò)大，鉆頭 底面內(nèi)周沒(méi)有鋼粒，直接與巖心摩擦。 （ 2）鉆頭底唇面光滑明亮、沒(méi)有麻 痕，說(shuō)明鉆頭下面沒(méi)有鋼粒，鉆頭與 巖石直接接觸。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （四）鋼粒鉆進(jìn)的沖洗液量 影響沖洗液量的因素 （ 4）鉆壓和轉(zhuǎn)速的影響： 如圖 416 所示，隨著鉆壓的提高，沖洗液量增 加；隨著轉(zhuǎn)速的提高，沖洗液量適當(dāng) 減小。連續(xù)投砂法，孔底砂 量基本不變，但沖洗液量也應(yīng)隨著鉆頭水口變小而逐漸減小沖洗 液量。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （四）鋼粒鉆進(jìn)的沖洗液量 沖洗液量確定 Q = q0D （ L/ min） 式中： D—— 鋼粒鉆頭直徑 ， cm； q0—— 單位直徑的泵量 ， 清水時(shí) q0=3～ 5L/min˙cm， 泥漿時(shí) q0=～ 3L/min˙cm。唇面下缺少 或沒(méi)有工作鋼粒，鉆頭直接接觸到巖石，鉆進(jìn)就無(wú)法進(jìn)行。容易造成卡鉆或埋鉆事故。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （四）鋼粒鉆進(jìn)的沖洗液量 鋼粒鉆進(jìn)的沖洗液量存在最優(yōu)值 （ 1）鋼粒鉆進(jìn)沖洗液作用： 在鋼粒鉆進(jìn)中，沖洗液流不僅 起著排除巖粉和冷卻鉆具的作用，還起著分選、更新鋼粒和唇 面下合理布砂的作用。 （ 2）轉(zhuǎn)速受孔深限制。擴(kuò)大孔壁、磨細(xì) 巖心，使鉆孔彎曲增大、巖心采取率降低、鉆進(jìn)效率降低。 轉(zhuǎn)速過(guò)大的危害 （ 1）過(guò)大的動(dòng)載會(huì)使鋼粒提前破碎損耗； （ 2）離心力增大，可能使鋼粒拋離鉆頭的底唇，使唇底的工 作鋼粒減少，鉆進(jìn)速度反而降低（尚有爭(zhēng)議）。 )(4 22 dDkpP ?? ?工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （三）鋼粒鉆進(jìn)的轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速與巖石破碎的關(guān)系 轉(zhuǎn)速大小決定鋼粒在孔底滾動(dòng)的速度和克取巖石的頻率。 ① 巖石愈硬，鋼粒強(qiáng)度和耐磨性愈低， 則所需的 pmax壓力也較低； ② 轉(zhuǎn)速越快，鋼粒在孔底翻滾的脈動(dòng)頻 率越高， pmax值下降。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （二）鋼粒鉆進(jìn)的鉆壓 鋼粒鉆進(jìn)中鉆壓的作用 （ 1）是孔底破碎巖石的必要條件，并影響碎巖方式； （ 2）是鉆頭牽動(dòng)鋼粒聯(lián)系力的主要依據(jù)。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （一）投砂方法及投砂量 連續(xù)投砂法 （ 1）投砂方法 ：在鉆進(jìn)過(guò)程中連續(xù)不斷地（或小組份接連 不斷地）向孔內(nèi)供給鉆粒，以補(bǔ)充鉆進(jìn)中的消耗。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 （一）投砂方法及投砂量 結(jié)合投砂法（分批投砂法） （ 1）投砂方法： 這種投砂法是在回次開始前，先投入所需鋼 粒的 50~60%，鉆進(jìn)一定的時(shí)間后再?gòu)你@桿內(nèi)分別補(bǔ)投 1— 2次。圖中表示投砂量對(duì)各鉆進(jìn) 指標(biāo)的影響?？梢詮目卓谥苯油度?，也 可以在下鉆到底時(shí)，從鉆桿內(nèi)孔投入。 鋼粒鉆進(jìn)的投砂方法 一 般 有三種 方法 ：一次投砂法、結(jié)合投砂法、連續(xù)投砂法。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第四節(jié) 鋼粒鉆進(jìn)工藝 一、鋼粒鉆進(jìn)的規(guī)程 鋼粒鉆進(jìn)規(guī)程：投砂方法及投砂量、鉆壓，轉(zhuǎn)速、沖洗液等 。 （ 2）鉆進(jìn)中的胎體溫度和鉆頭非正常磨耗是重要的孔內(nèi)工況 指標(biāo)，但不便于測(cè)量。n 值 基本是個(gè)常數(shù)；鉆壓 P和轉(zhuǎn)速 n兩個(gè)參數(shù)之間存在著明顯的交互影 響，必須同時(shí)考慮它們的取值；進(jìn)入臨界規(guī)程的主要表現(xiàn)是胎體 溫度急劇升高，鉆頭嚴(yán)重磨耗，雖然此時(shí)鉆速也很高，但可能導(dǎo) 致燒鉆。曲線 Ⅱ 的磨耗量要比曲線 Ⅰ 高 3倍，可 能是生產(chǎn)條件下的孔內(nèi)動(dòng)載使金剛 石強(qiáng)度和胎體硬度降低。n）間的關(guān)系曲線。由表 58的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)泵量泵量增大一倍時(shí)，胎 體溫度和功率消耗雖有某種程度的降低，但并不能使鉆進(jìn)過(guò) 程從臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)化為正常規(guī)程。n 臨界值，功率消耗、機(jī)械鉆速激增。 功耗 、 機(jī)械鉆速與鉆進(jìn)規(guī)程的關(guān)系 臨界規(guī)程時(shí)，功率消耗、機(jī)械鉆速與胎 體溫度升高的趨勢(shì)完全一致。圖 58中斜線 部分為 P 對(duì)于具體的巖石而言 ， P 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 三、金剛石鉆進(jìn)的臨界規(guī)程 胎體溫度與鉆壓 P和轉(zhuǎn)速 n的關(guān)系 表 56是孕鑲鉆頭鉆進(jìn)花崗巖時(shí)，胎體溫度和 P、 n之間的關(guān)系。 在臨界規(guī)程下，鉆頭胎體溫升將急劇上升，功率 消耗劇增，鉆頭磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)燒鉆。 表鑲鉆頭 的出刃較大，排粉和冷卻條件較好，故 可選用較小的泵量。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 （三）沖洗液泵量 具體選擇沖洗液量時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素： （ 1）巖層性質(zhì)： 鉆進(jìn)堅(jiān)硬致密的巖層時(shí)，單位時(shí)間產(chǎn)生的 巖粉量少，選擇下限泵量；鉆進(jìn)強(qiáng)研磨性巖層時(shí)，摩擦功較大， 需要較大泵量冷卻，但應(yīng)合理選擇，防止攜帶巖粉粒在高速液 流沖蝕胎體，導(dǎo)致金剛石顆粒過(guò)早脫落。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 （三）沖洗液泵量 泵量對(duì)鉆速的影響 圖 1038是鉆進(jìn)粉砂巖和花崗巖時(shí)，泵 量對(duì)鉆速的影響 （ 1）隨著泵量的增加，鉆速增加，到一 定程度時(shí)，鉆速趨于穩(wěn)定； （ 2）隨著泵量的增加，金剛石磨損量減 小，到一定程度時(shí)，磨損量趨于穩(wěn)定； （ 3）在泵量較小的情況下，隨著泵量的 減小，鉆速急劇減小，磨損量急劇增大。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 二、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) （三）沖洗液泵量 金剛石鉆進(jìn)對(duì)沖洗液量的特殊要求 （ 3）鉆孔環(huán)狀間隙小，約 2— 3mm，水力損失大，故金剛石 鉆進(jìn)時(shí)， 沖洗液循環(huán)應(yīng)具有較高的泵壓。 （ 2）金剛石熱穩(wěn)定性差，溫度過(guò)高將導(dǎo)致金剛石石墨化， 胎體變形，機(jī)械性能降低（高轉(zhuǎn)速缺水 1~2min就可 “ 燒鉆 ” ）。 推薦的線速度為 ～ 3m/s。 推薦的線 速度為 1～ 2m/s。 （ 3）轉(zhuǎn)速與切削具磨損之間的關(guān)系比 較復(fù)雜，存在一個(gè)最優(yōu)合理值，即在一 定的轉(zhuǎn)速下，切削具的磨損量最小，鉆速適中，鉆頭進(jìn)尺最佳。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 轉(zhuǎn)速與機(jī)械鉆速、鉆頭磨損間的關(guān)系 （ 2）不同鉆壓條件下，轉(zhuǎn)速與鉆速的 變化規(guī)律如圖 10— 36。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 二、金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) （二）轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速與機(jī)械鉆速 、 鉆頭磨損間 的關(guān)系 （ 1）金剛石鉆頭與硬質(zhì)合金鉆頭不 同，金剛石出刃小，是以多刃切削、研 磨破碎巖石，要獲得較好的鉆進(jìn)效率， 主要靠提高單位時(shí)間內(nèi)的切削巖石的次 數(shù)。 鉆孔彎曲 、 泵壓的脈動(dòng)和巖性不均質(zhì)造 成 鉆具振動(dòng) ， 使孔底實(shí)際的瞬時(shí)動(dòng)載可能是地表儀表指示鉆壓的 0～ 3倍 。 在磨合階段應(yīng)使用低鉆壓 、 低轉(zhuǎn)速 ， 使鉆頭唇面形狀與孔底及巖心根部逐漸相吻合 。 鉆頭直徑大 、 壁厚 、 巖石接觸面積大時(shí) ， 宜 選用上限鉆壓 。 軟 巖層或破碎 、 非均質(zhì)巖層宜選下限鉆壓； （ 2） 金剛石 。 中硬巖石取 4～ 5 N/mm2； 堅(jiān)硬巖石或金剛石質(zhì)量高取 6～ 7 N/mm2。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 表鑲金剛石鉆頭的鉆壓 P 根據(jù)巖石硬度 、 金剛石的抗壓強(qiáng)度確定鉆壓： 鉆壓 P 應(yīng)使每粒 工作金剛石與巖石接觸應(yīng)力大于巖石的抗壓入硬度 σ C ,小于金剛 石的強(qiáng)度 σ D 。 過(guò)大的鉆壓使金剛石耗量急劇增大 ， 并導(dǎo)致鉆速下降 ， 因此 ， 鉆壓值應(yīng)選 擇在圖中的最優(yōu)區(qū)內(nèi) 。 工程鉆探與取樣技術(shù) 2022/6/4 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)勘查與基礎(chǔ)工程系 第三節(jié) 金剛石鉆進(jìn)工藝 二 、 金剛石鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù) （ 一 ） 鉆壓 金剛石鉆進(jìn) ， 根據(jù)鉆壓的不同 ， 同 樣分三個(gè)破碎階段：表面研磨破碎 、 疲勞破碎 、 體積破碎 。 影響鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的因素： 巖層性質(zhì) 、 鉆頭類型等 。 （ 7） 巖層軟 ， 排粉多 ， 選用 復(fù)合片鉆頭或聚晶鉆頭 ， 易沖蝕 的巖礦層取心 ，