硬地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法

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1、地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法引言：在地层取芯中不同岩石理化特性有很大差异。从宏观到微观通过研究岩石的理化特征，以及相应的钻进手段对对岩石钻进的影响对岩石钻进时钻进效率进行分析，做到高效钻进。本文主要讨论的是硬地层取芯中的诸多问题。首先我们探讨岩石的可钻性。对不同岩石的理化性质进行逐步分析。然后介绍目前常见的取芯钻进方式，在不同岩石和不同钻进方式之间建立对应关系，对不同岩是做到对症下药逐个击破。钻进效率最优。最后，会讨论一些钻进时的辅助手段，从另一个侧面提高钻进效率做到百尺竿头更进一步。岩层的钻进方法钻进方法的分类方法很多，有的根据钻进目的分类，有的根据碎岩方式分类，还有的根据冲洗介质的种

2、类以及循环方式分类。根据钻进目的可分为地质钻进、石油钻进、水进钻进、工程施工钻进等。根据机械碎岩方式可分为回转钻进、冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进等。在回转钻进中，根据所用的钻头不同又可分为金刚石钻进、硬质合金钻进、牙轮钻进以及钢粒钻进等岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。主要有变形特性、强度特性和表面特性。 变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、

3、抗压强度。有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2）倍。测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。岩石磨损钻头的能力。回转钻进中钻头碎岩刃具与岩石作用的主要方式冲击钻进切削具碎岩机理在硬岩层中静压入一回转切削破碎岩石，钻进速度较慢，冲击破碎岩石从经济学的角度看

4、具有很大吸引力。根据以上的岩石破碎机制我们可以看出，虽然在硬地层取芯中冲击会钻钻进的效率远高于纯回转钻进，但目前常见的小颗粒岩层取芯中主要采用的是回转钻进。因为冲击回转钻进需要的设备较大较为复杂，因此在小颗粒小空间回转取芯中多采用纯回转取芯。当然如果在取芯设备上有一定突破，在硬地层取芯中冲击回转钻进还是有很多值得探索的价值的。因此我们在钻头选择上本次讨论以纯回转钻进中常用的金刚石钻头进行分析。岩石可钻性岩石的可钻进性是钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标。岩石可钻性是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数，衡量钻进速度和实行定额管理的主要依据。分级在一定的技术工艺条件下，岩石按被钻

5、头破碎的难易程度的分级。根据钻进方法的不同，岩石可钻性分别有岩心钻探的岩石可钻性、手动回转钻进的岩石可钻性、螺旋钻进的岩石可钻性、钢丝绳冲击钻进的岩石可钻性、冲击振动钻进的岩石可钻性和石油钻井的岩石可钻性等。中国冶金工程钻探采用岩心钻探的岩石可钻性。岩心钻探的岩石可钻性分为12级。为1958年中国地质部颁布的岩石十二级分级表，此表是以对于在规定的设备、工具和技术规程的条件下进行实际钻进所获得的大量资料的统计分析为定级基础的。随着对岩石物理力学性质的深入研究、测试技术方法和仪器的进步、钻探设备和工艺技术的发展，为适应金刚石钻探工艺应用的需要，并使岩石可钻性分级更趋科学、准确、合理，1984年中国

6、地质矿产部颁布了金刚石岩心钻探岩石可钻性分级表。该分级表采用了以岩石压入硬度为主，同时考虑摆球回弹次数、塑性系数、微钻速度和声波穿透速度等的综合分级法，将岩石仍分为12级，列为以压入硬度、摆球硬度和统计效率为指标的(表2)、以微钻速度为指标的(表3)和以声波穿透速度为指标的分级表。实际应用时互相参照，使岩石可钻性定级更符合实际情况。分类为使用方便，常把13级称为“软岩石”；46级称为“中硬岩石”；79级称为“硬岩石”；1012级称为“坚硬岩石”。岩石的可钻性，是指钻进时岩石抵抗压力和破碎的能力；也表示进尺效率的高低。因此，岩石的可钻性是岩石各种特性的综合，是衡量岩石钻进难易程度的主要指标。一般

7、用单位时间的进尺数来表示可钻性的高低。按照这个分级方法，常把岩石的可钻性，划分为十二个等级。由于各种岩石具有不同的物理力学性质,对钻进速度有不同的影响。在实际钻进过程中，在一定的技术条件下，测定出的各种岩石的钻进速度，通称为岩石的可钻性，也就是岩石被钻头破碎的难易程度。岩心钻探时岩石的可钻性分级如下：一级：松散土松软疏散的-代表性岩石为：次生黄土、次生红土、松软不含碎石及角砾的砂土、硅藻土、不含植物根的泥炭质腐殖层。（可钻性：7.50 m/h， 一次提钻长度：2.80 m/次 ）二级：较软松散岩较松软疏散的-代表性岩石为：黄土层、红土层、松软的泥炭层、含10%-20%砾石、碎石的黏土质和砂土质

8、、松软的高岭土类、含植物根的腐殖层。（可钻性：4.00 m/h， 一次提钻长度：2.40 m/次 ）三级：软岩软的-代表性岩石为：强风化页岩、板岩、千枚岩和片岩，轻微胶结的砂层，含20%砾石、碎石的砂土，含20%礓结石的黄土层，石膏质土层，泥灰岩，滑石片岩、贝壳石灰岩、褐煤、烟煤。（可钻性：2.45 m/h， 一次提钻长度：2.00 m/次 ）四级：稍软岩稍软的-代表性岩石为：页岩、砂质页岩、油页岩、炭质页岩、钙质页岩、砂页岩互层，较致密的泥灰岩、泥质砂岩。块状石灰岩、白云岩、强风化的橄榄岩、纯橄榄岩、蛇纹岩和磷灰岩、中等硬度煤层、岩盐、结晶石膏、高岭土层、火山泥灰岩、冻结的含水砂层。（可钻性

9、：1.60 m/h， 一次提钻长度：1.70 m/次 ）五级：稍硬岩稍硬的-代表性岩石为：卵石、碎石及砾石层、崩级层、泥质板岩，绢云母绿泥石板岩、千枚岩和片岩、细粒结晶灰岩、大理石、较松软的砂岩、蛇纹岩、纯橄榄岩、风化的角闪石斑岩和粗面岩、硬烟煤、无烟煤、冻结的粗粒砂、砾层、冻土层。（可钻性：1.15 m/h， 一次提钻长度：1.50 m/次 ）六级-七级：中硬岩中等硬度的-代表性岩石为：绿泥石、云母、绢云母板岩、千枚岩、片岩、轻微硅化的灰岩、方解石、绿帘石、钙质胶结的砾岩，长石砂岩、石英砂岩、石英粗面岩、角闪石斑岩。透辉石岩、辉长岩、冻结的砾石层。（可钻性：0.82 m/h， 一次提钻长度：

10、1.30 m/次 ）石英、角闪石、云母、赤铁矿化板岩、千枚岩、片岩，微硅化的板岩、千枚岩、片岩、长石石英砂岩、石英二长岩，微片岩化的钠长石斑岩，粗面岩，角闪石斑岩，砾石、碎石层，微风化的粗粒花岗岩、正长岩、斑岩、辉长岩及其他火成岩，硅质灰岩，燧石灰岩等。（可钻性：0.57 m/h， 一次提钻长度：1.10 m/次 ）八级-九级:硬岩硬岩-代表性岩石为:硅化绢云母板岩、千枚岩、片岩、片麻岩、绿帘石岩，含石英的碳酸岩石，含石英重晶石岩石，含磁铁矿和赤铁矿的石英岩，钙质胶结的砾岩，玄武岩，辉绿岩，安山岩，辉石岩，石英安山斑岩，中粒结晶的钠长斑岩和角闪石斑岩，细粒硅质胶结的石英砂岩和长石砂岩，含大块燧

11、石灰岩，轻微风化的花岗岩、花岗片麻岩、伟晶岩、闪长岩、辉长岩等。（可钻性：0.38 m/h， 一次提钻长度：0.85 m/次 ）高硅化的板岩、千枚岩、灰岩、砂岩；粗粒的花岗岩、花岗闪长岩、花岗片麻岩、正长岩、辉长岩、粗面岩；微风化的：石英粗面岩、伟晶花岗岩、灰岩、硅化的凝灰岩、角页岩化凝灰岩、细粒石英岩、石英质磷灰岩、伟晶岩。（可钻性：0.25 m/h， 一次提钻长度：0.65 m/次 ）十级-十一级：坚硬岩坚硬岩-代表性岩石为：细粒的花岗岩，花岗闪长岩，花岗片麻岩，流纹岩，微晶花岗岩，石英粗面岩，石英钠长斑岩，坚硬的石英伟晶岩，燧石岩。（可钻性：0.15 m/h， 一次提钻长度：0.50 m