金刚石岩心钻探工艺技术金刚石岩心钻探工艺技术中国地质大学（北京）中国地质大学（北京）工程技术学院工程技术学院工程技术学院工程技术学院地质超深钻探技术国家专业实验室地质超深钻探技术国家专业实验室地质超深钻探技术国家专业实验室地质超深钻探技术国家专业实验室刘宝林刘宝林刘宝林刘宝林 教授教授教授教授20102010年年年年3 3月月月月6 6日日日日关键环节关键环节钻探技术方案设计钻探技术方案设计钻探技术方案设计钻探技术方案设计安全（设备、孔内、人员）安全（设备、孔内、人员）安全（设备、孔内、人员）安全（设备、孔内、人员）钻进速度、回次长度钻进速度、回次长度钻进速度、回次长度钻进速度、回次长度钻井液技术钻井液技术钻井液技术钻井液技术钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻进工艺参数（钻压、转速、流量）钻头选型及使用钻头选型及使用钻头选型及使用钻头选型及使用操作经验、岗位责任操作经验、岗位责任操作经验、岗位责任操作经验、岗位责任认真学习并遵守认真学习并遵守认真学习并遵守认真学习并遵守xxxxxx钻探规程钻探规程钻探规程钻探规程人为人为事故事故地层地层设备设备熟悉钻机、泥浆泵、钻塔、绳取绞车熟悉钻机、泥浆泵、钻塔、绳取绞车等主要设备的性能、结构特点、工作等主要设备的性能、结构特点、工作原理原理仪器仪表配备齐全、正常仪器仪表配备齐全、正常定期检查维护（润滑油、温升、振动）定期检查维护（润滑油、温升、振动），严禁带病工作，严禁带病工作设备设备钻机钻机钻机钻机功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力功率配备、转速、扭矩、加压力、提升力泥浆泵泥浆泵泥浆泵泥浆泵功率、流量、泵压功率、流量、泵压功率、流量、泵压功率、流量、泵压钻塔钻塔钻塔钻塔额定载荷、最大载荷、高度等额定载荷、最大载荷、高度等额定载荷、最大载荷、高度等额定载荷、最大载荷、高度等绳取绞车绳取绞车绳取绞车绳取绞车提升速度、提升力提升速度、提升力提升速度、提升力提升速度、提升力仪器仪表仪器仪表仪器仪表仪器仪表钻压、泵压、电压、电流等钻压、泵压、电压、电流等钻压、泵压、电压、电流等钻压、泵压、电压、电流等（最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）（最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）（最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）（最好配备钻速、扭矩、流量、转速等）特别对深孔钻机，功率特别对深孔钻机，功率与孔深的匹配问题？与孔深的匹配问题？功率配备、功率消耗问题功率配备、功率消耗问题钻进过程中，总功率都消耗在哪？钻进过程中，总功率都消耗在哪？深孔钻机的动力机功率配备大，额定深孔钻机的动力机功率配备大，额定输出扭矩大，浅部钻进时，易造成钻输出扭矩大，浅部钻进时，易造成钻杆超负荷使用杆超负荷使用更换动力机更换动力机钻头克服水平摩阻力所需功率钻头克服水平摩阻力所需功率P1；钻具在循环泥浆中自转所消耗的功率钻具在循环泥浆中自转所消耗的功率P2；钻具反转时克服循环液阻力消耗的功率钻具反转时克服循环液阻力消耗的功率P3；钻具克服孔壁摩阻力消耗功率钻具克服孔壁摩阻力消耗功率P4；钻具纵向振动消耗的功率钻具纵向振动消耗的功率P5；钻具横向振动消耗功率及其他消耗功率钻具横向振动消耗功率及其他消耗功率P6。 钻头钻头- -岩石岩石钻机钻机RPMRPMWOBWOB冲洗液冲洗液地层情况地层情况井深井深 钻柱钻柱- -井眼井眼井斜井斜屈曲振动摩阻机械功率总功率消耗N= N1+N2+N3N1钻柱空转功率消耗钻柱空转功率消耗取决于钻井深度、钻柱结构参数、井斜状态、井身结构、取决于钻井深度、钻柱结构参数、井斜状态、井身结构、泥浆性能和转速等。通过理论计算或实际测量而比较容易泥浆性能和转速等。通过理论计算或实际测量而比较容易获得。获得。N2附加功率消耗附加功率消耗 施加钻压后（下部钻柱发生屈曲而接触井壁，产生摩施加钻压后（下部钻柱发生屈曲而接触井壁，产生摩擦阻力并引发各种振动）所造成的。主要由钻压、转速、擦阻力并引发各种振动）所造成的。主要由钻压、转速、钻具结构、泥浆性能和井壁状况等因素决定，特别是钻进钻具结构、泥浆性能和井壁状况等因素决定，特别是钻进规程参数和振动规程的强弱对其影响很大。理论计算或实规程参数和振动规程的强弱对其影响很大。理论计算或实际测量都有一定难度。际测量都有一定难度。N3井底钻头破碎岩石所消耗的功率井底钻头破碎岩石所消耗的功率主要取决于钻头性能和所钻地层的性质。主要取决于钻头性能和所钻地层的性质。实时优化决策NROP=（N-N1）/ROP=（N2+N3）/ROP代表了单位进尺所必须消耗的钻进能量（比能）代表了单位进尺所必须消耗的钻进能量（比能）代表了单位进尺所必须消耗的钻进能量（比能）代表了单位进尺所必须消耗的钻进能量（比能）在一定条件下，通过调节钻进规程参数、钻具组合或泥浆在一定条件下，通过调节钻进规程参数、钻具组合或泥浆在一定条件下，通过调节钻进规程参数、钻具组合或泥浆在一定条件下，通过调节钻进规程参数、钻具组合或泥浆性能，可以使性能，可以使性能，可以使性能，可以使N NROPROP达到极小值达到极小值达到极小值达到极小值获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和获得最好的钻进效果（钻进效率高、钻头寿命长、钻柱和井壁安全、井眼轨迹偏斜小）井壁安全、井眼轨迹偏斜小）井壁安全、井眼轨迹偏斜小）井壁安全、井眼轨迹偏斜小）钻头性能评价NBIT=N3/ROPN3-钻头与岩石之间的相互作用钻头与岩石之间的相互作用在某一时段，可以假设钻头的性能和泥浆在某一时段，可以假设钻头的性能和泥浆性能变化很小性能变化很小应取决于岩石性质和地层压力应取决于岩石性质和地层压力当钻遇高压层时当钻遇高压层时NBIT将明显减小将明显减小当钻头性能变坏时，当钻头性能变坏时，NBIT将呈增加趋势将呈增加趋势对钻柱和井壁安全进行评价N1 +N2N1 +N2基本上都消耗在钻柱基本上都消耗在钻柱基本上都消耗在钻柱基本上都消耗在钻柱- -井眼部分，对钻柱井眼部分，对钻柱井眼部分，对钻柱井眼部分，对钻柱和井壁构成危险和井壁构成危险和井壁构成危险和井壁构成危险在一定的条件下，在一定的条件下，在一定的条件下，在一定的条件下，N1 +N2N1 +N2应该存在一个临界值，应该存在一个临界值，应该存在一个临界值，应该存在一个临界值，保证钻柱和井壁的安全。保证钻柱和井壁的安全。保证钻柱和井壁的安全。保证钻柱和井壁的安全。根据根据根据根据N1N1可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、可以判断井下其它工况如井眼偏斜程度、泥浆润滑性能等。泥浆润滑性能等。泥浆润滑性能等。泥浆润滑性能等。钻杆、钻具钻杆、钻具钻杆性能（最大扭矩钻杆性能（最大扭矩厂家测试数据、经厂家测试数据、经验数据）验数据）钻杆弯曲、钻杆磨损钻杆弯曲、钻杆磨损丝扣油、护丝接头、拧卸操作（浮动、自丝扣油、护丝接头、拧卸操作（浮动、自由钳、上扣扭矩、密封性）由钳、上扣扭矩、密封性）钻具单动性、间隙调节、报信机构钻具单动性、间隙调节、报信机构卡簧匹配卡簧匹配钻杆的动扭矩（惯钻杆的动扭矩（惯性转矩）性转矩） 问题问题深孔中高速旋转的钻杆深孔中高速旋转的钻杆深孔中高速旋转的钻杆深孔中高速旋转的钻杆在遇到卡钻时，会产生在遇到卡钻时，会产生在遇到卡钻时，会产生在遇到卡钻时，会产生较大的动扭矩，造成钻较大的动扭矩，造成钻较大的动扭矩，造成钻较大的动扭矩，造成钻杆过载或折断。杆过载或折断。杆过载或折断。杆过载或折断。煤炭地质钻探规程煤炭地质钻探规程岩心钻探规程岩心钻探规程表表11 11 管材磨管材磨损和弯曲最大允和弯曲最大允许限度限度 单位位为毫米毫米钻进方法方法钻 杆杆岩岩 心心 管管直径直径单边磨磨损直径均匀磨直径均匀磨损任意每米任意每米长度度弯曲弯曲磨磨损为壁壁厚厚每米弯曲每米弯曲硬硬质合金合金钻进2233331/31/322金金刚石石钻进2233111/31/30.750.75绳索取心索取心钻进111.51.5111/31/30.75 900N/cm2xxx钻探规程钻探规程孕镶钻头单位压力为：孕镶钻头单位压力为：400800N/cm2最大比压最大比压 0.1m / s（Generally, cuttings should always have an upward velocity of 4 inch / sec） 通常冲洗液的上返速度：通常冲洗液的上返速度：金刚石双管钻进应为金刚石双管钻进应为0.4 m/s0.6m/s绳索取心钻进应为绳索取心钻进应为0.5 m/s1.5m/s表表14 14 金金刚石石钻进泵量参照表量参照表 （煤炭（煤炭钻探探规程）程） 单位位为升每分升每分钻头种类钻头种类钻钻 头头 规规 格格/mmB（59）N（75）H（95）双双 管管303045454040707060608080绳索取心索取心303050504040707060609090钻头规格格A AB BN N H H P PS S泵量量2525404030304545404060605050707060601001007070120120钻头规格格AWLAWLBWL BWL NWL NWL HWL HWL PWLPWLSWLSWL泵 量量253030404070709090110110130地质岩心钻探规程地质岩心钻探规程钻头选择与使用钻头选择与使用钻头的选择（胎体性能与岩性的匹配）钻头的选择（胎体性能与岩性的匹配）钻头的使用钻头的使用高效长寿（高胎体）高效长寿（高胎体）BAORTLONGYEAR软软硬硬表镶钻头表镶钻头孕镶钻头孕镶钻头BAORTLONGYEAR破碎破碎完整完整完整性完整性研磨性研磨性耐磨损耐磨损钻速快钻速快BAORTLONGYEARBAORTLONGYEARBAORTLONGYEARBAORTLONGYEAR外锥：流量过低、钻杆泄露外锥：流量过低、钻杆泄露内锥：钻速过快（切入量过大、钻内锥：钻速过快（切入量过大、钻压过大）压过大）外径磨损：流量过小、钻杆泄露、扩外径磨损：流量过小、钻杆泄露、扩孔器外径磨损、振动大（降低转速）孔器外径磨损、振动大（降低转速）过度磨损：切入量过大，减小钻压过度磨损：切入量过大，减小钻压和转速，更换硬胎体钻头和转速，更换硬胎体钻头钻头抛光：切入量过小，更换软胎体钻头抛光：切入量过小，更换软胎体钻头钻头胎块破裂：钻压过大、跑钻、干孔投放内胎块破裂：钻压过大、跑钻、干孔投放内管、管钳夹持器等、钻孔直径小（扩孔器管、管钳夹持器等、钻孔直径小（扩孔器磨损）磨损）烧钻：钻井液缺失（检查泥浆泵、钻杆密烧钻：钻井液缺失（检查泥浆泵、钻杆密封）、钻压过高、检查内管与钻头内台阶封）、钻压过高、检查内管与钻头内台阶间隙间隙BAORTLONGYEARSSTAGE3OutsideDiameterGaugeLoss外径磨损外径磨损Possible causes and solutions:Vibration - Lower the rotational speed.Lack of in-hole fluid circulation - Increase the pump rate.The bit is reaming an undersized drill hole - Check the gauge diameter of the reaming shell in use and replace if found to be undersized.可能原因、技术措施可能原因、技术措施:振动大振动大降低转速降低转速流量过低流量过低增加流量增加流量钻孔直径小（扫孔）钻孔直径小（扫孔）检查扩孔器外检查扩孔器外径径InsideDiameterGaugeLoss内径磨损内径磨损Possible causes and solutions:Possible causes and solutions:Overfeedingthebit-Reducethepenetrationrate.Overfeedingthebit-Reducethepenetrationrate.DamagefromdrillingintohighlyunconsolidatedDamagefromdrillingintohighlyunconsolidatedmaterial-Cementthedrillholeorchangetoahardermaterial-Cementthedrillholeorchangetoaharder(lowernumber)(lowernumber)DimatecDimatec“D-Series”or“HR-Series”“D-Series”or“HR-Series”matrixtype.matrixtype.Drillingoverlostcore-ExaminethecoretubeDrillingoverlostcore-Examinethecoretubecontents.contents.Lackoffluidcirculation-ChecktheinnertubelengthLackoffluidcirculation-Checktheinnertubelengthadjustmenttoensurethattherearenofluidrestrictionsadjustmenttoensurethattherearenofluidrestrictionswithinthecorebarrelassembly.Alsocheckthein-holewithinthecorebarrelassembly.Alsocheckthein-holecirculationpumprateandthedrillrodstringforleakscirculationpumprateandthedrillrodstringforleaks可能原因、技术措施可能原因、技术措施:切入量过大切入量过大切入量过大切入量过大 降低钻速降低钻速降低钻速降低钻速. .破碎地层破碎地层破碎地层破碎地层水泥固孔或更换硬胎体钻水泥固孔或更换硬胎体钻水泥固孔或更换硬胎体钻水泥固孔或更换硬胎体钻头头头头 残留岩心残留岩心残留岩心残留岩心检查取心钻具检查取心钻具检查取心钻具检查取心钻具冲洗不充分冲洗不充分冲洗不充分冲洗不充分检查内管长度（间隙）、检查内管长度（间隙）、检查内管长度（间隙）、检查内管长度（间隙）、泥浆泵、钻杆密封泥浆泵、钻杆密封泥浆泵、钻杆密封泥浆泵、钻杆密封CrackedWaterways胎块破裂胎块破裂原因原因:钻压过大钻压过大。An excessive bit load was applied.跑钻。跑钻。The bit, core barrel and drill rod string were accidentally dropped in the drill hole.干孔投放。干孔投放。The wireline inner tube assembly was accidentally allowed to free fall through the drill rod string in a dry hole. 夹坏。夹坏。The bit was accidentally crushed by the rod holder or foot clamp ConcaveFaceWear内锥内锥切入量过大。切入量过大。ThisThiswearpatternwearpatternfrequentlyresultsfrequentlyresultsfromtheuseofafromtheuseofapenetrationratethatpenetrationratethatistoohighfortheistoohighfortherotationalspeedrotationalspeedbeingusedbeingused(overfeeding).This(overfeeding).Thiswearpatternisalsowearpatternisalsocausedby“grindingcausedby“grindingcore”.core”.ConvexFaceWear外锥外锥Possible causes and solutions:冲洗不充分。冲洗不充分。Insufficient fluid circulation across the bit face - Check the circulation pump and drill rod string for leaks; increase the pump rate.在孔内反复投料研磨出刃在孔内反复投料研磨出刃更更换软胎体钻头。换软胎体钻头。Repeated in-hole “dry-stripping” in hard, non-abrasive formations - Change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type ExcessiveDiamondExposure过度出刃过度出刃切入量过大。切入量过大。The penetration rate is too high for the rotational speed in use (overfeeding) 降低钻速或增加转速。降低钻速或增加转速。 Reduce the penetration rate or increase the rotational speed.胎体太软。胎体太软。The matrix type is too soft for the ground conditions - Change to a harder (lower number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix typeGlazedBitFace抛光抛光 降低转速或减少流量。降低转速或减少流量。Try drilling with a slower rotational speed and/or a lower in-hole fluid circulation rate in an effort to cause the metal-bond matrix to abrade at a higher rate that will cause the diamond crystals to become exposed more readily.更换软胎体钻头。更换软胎体钻头。 If the bit face glazes repeatedly, change to a softer (higher number) Dimatec “D-Series” or “HR-Series” matrix type.BurntBitCrown烧钻烧钻断水。断水。The operational failure of the fluid circulation pump.钻杆、水龙头严重泄漏。钻杆、水龙头严重泄漏。Excessive circulation fluid leaks in the drill rod string, water swivel or hoses.内管与钻头间隙不合适。内管与钻头间隙不合适。Internal core barrel fluid restrictions resulting from the incorrect adjustment of the wireline inner tube assembly.水口堵塞。水口堵塞。One or more waterway canals on the bit crown are blocked by pebbles or other debris. FORDIAFORDIAFORDIASVULCANMercierDrilling,workingtheJamesBaysiteinNorthernQuebec,heldinformaldrillingtestswiththeVulcanbits.Intwoseparatetests,theVulcan16mmsignificantlyoutperformedthe380metresofferedbyadrillbit.Thefirstdrillerreached698metreswiththeVulcan16mm.Inasecondexceptionaltest,theVulcan16mmreached1012metres!12mm，380m16mm，698m16mm,1012mMATRIX WEAR PROFILE ANALYSISATLASCOPCOATLASCOPCOCraeliusATLASCOPCOSJETBIT国内金刚石钻头国内金刚石钻头表表4 4 人造金人造金刚石品石品级（煤炭地（煤炭地质钻探探规范）范）金金刚石品石品级代号代号强强 度度应用地用地层kN/cmkN/cm2 2N/N/粒粒特特级RTRT2202205050坚硬硬优质级RYRY18018022022040405050硬硬标准准级RBRB15015018018034344040中硬中硬注：注：强强度以度以8080目目单晶晶为标准；准；R-R-人造人造单晶；晶；T-T-特特级；Y-Y-优质级；B-B-标准准级。表表1212人造金刚石按单颗粒抗压强度分级标准人造金刚石按单颗粒抗压强度分级标准品种品种系列系列粒度（目）粒度（目）80/10080/10070/8070/8060/8060/8060/7060/7050/6050/6045/5045/5040/5040/5040/4540/4535/4035/40MBDMBD6 649.9849.9858.8058.8064.6864.6869.5869.5883.3283.3297.0297.02MBDMBD8 866.6466.6478.4078.4085.2685.2692.1292.12108.78108.78MBDMBD121299.9699.96117.6117.6128.38128.38139.16139.16158.76158.76SMDSMD98.0098.00105.84105.84125.44125.44147.98147.98161.70161.70174.44174.44205.80205.80SMDSMD2525116.2116.2126.42126.42148.96148.96176.40176.40192.08192.08207.76207.76246.00246.00SMDSMD3030140.14140.14151.99151.99179.34179.34210.70210.70230.30230.30248.92248.92SMDSMD4040163.66163.66177.38177.38208.74208.74245.98245.98单位为牛顿单位为牛顿地质岩心钻探规范地质岩心钻探规范表表13 金刚石钻头和扩孔器选用参考表金刚石钻头和扩孔器选用参考表（地质钻探）（地质钻探）硬 度软中硬硬坚硬可 钻 性1346791012研 磨 性弱弱中强弱中强弱中强孕镶钻头人造或天然金刚石（目）20-40*40-60*60-80*80-100*胎体硬度（HRC）0（10-20）*(20-30)*(30-35)*(35-40)* （40-45）*（45)*金刚石粒度的选择金刚石粒度的选择金刚石浓度的选择金刚石浓度的选择金刚石浓度金刚石浓度C-金刚石浓度（金刚石浓度（%）M-每个钻头实际使用的金刚石质量（克拉）每个钻头实际使用的金刚石质量（克拉）V-每个钻头工作层的体积（每个钻头工作层的体积（cm3）胎体硬度胎体硬度金刚石钻头的合理使用金刚石钻头的合理使用排序使用，与扩孔器及卡簧间要合理配合。扩孔器的外径排序使用，与扩孔器及卡簧间要合理配合。扩孔器的外径排序使用，与扩孔器及卡簧间要合理配合。扩孔器的外径排序使用，与扩孔器及卡簧间要合理配合。扩孔器的外径大大大大0.30.30.30.30.5mm0.5mm0.5mm0.5mm，卡簧的自由内径小，卡簧的自由内径小，卡簧的自由内径小，卡簧的自由内径小0.10.10.10.10.30.30.30.3（上回次岩心（上回次岩心（上回次岩心（上回次岩心测试）测试）测试）测试）新钻头新钻头新钻头新钻头 “初磨初磨初磨初磨” （轻压慢转、浅孔强研磨性地层预磨）（轻压慢转、浅孔强研磨性地层预磨）（轻压慢转、浅孔强研磨性地层预磨）（轻压慢转、浅孔强研磨性地层预磨）“五不扫五不扫五不扫五不扫”缩径、残留岩心、脱落岩心、掉块、探头石缩径、残留岩心、脱落岩心、掉块、探头石缩径、残留岩心、脱落岩心、掉块、探头石缩径、残留岩心、脱落岩心、掉块、探头石“三必提三必提三必提三必提”下钻受阻、岩心堵塞、钻速骤降下钻受阻、岩心堵塞、钻速骤降下钻受阻、岩心堵塞、钻速骤降下钻受阻、岩心堵塞、钻速骤降严禁使用有缺陷钻头严禁使用有缺陷钻头严禁使用有缺陷钻头严禁使用有缺陷钻头优化钻进参数，随时监视工况优化钻进参数，随时监视工况优化钻进参数，随时监视工况优化钻进参数，随时监视工况仔细如实填写使用卡片仔细如实填写使用卡片仔细如实填写使用卡片仔细如实填写使用卡片ThankYou