Ⅰ巖心鉆探鉆具等

Ⅰ巖心鉆探鉆具等第1頁/共77頁

第2頁/共77頁鉆頭：鉆頭體內(nèi)有錐面，用以安裝巖心提斷器或投放卡料，以便卡斷巖芯。巖芯管：在鉆進時容納巖芯，同時也承受和傳遞鉆壓和扭力，帶動鉆頭工作；巖芯管的長度限制了回次進尺的長度。異徑接頭：是用來連接巖芯管和鉆桿柱的。它有銑刀接頭和三徑接頭兩種，銑刀式異徑接頭用于不需裝配取粉管時，其銑刀可用以破碎孔壁掉下來的巖塊，以防止卡鉆；三徑異徑接頭上有左旋螺紋，用以連接取粉管。第3頁/共77頁第4頁/共77頁二、

鉆桿柱與鉆桿（重點講鉆桿變化）1、鉆桿柱的作用與結(jié)構(gòu)在鉆探工作中，鉆桿柱從地表把鉆機的動作和動力傳遞給井底的鉆頭，鉆頭在井底破碎巖石、連續(xù)給進以及其他一切工作全取決于鉆桿柱的工作性能。鉆桿柱在傳動工作系統(tǒng)中是一個特殊的，細長比特大的、在井筒特定條件下工作的傳動桿件。同時它又是洗井液沖洗井底和冷卻鉆頭必需的液流通道。桿內(nèi)承受著高壓、桿外承受著磨損。雖然鉆桿柱在結(jié)構(gòu)上較為簡單，實際上它承受著復雜的外力，且處于失穩(wěn)狀態(tài)，工作負擔是十分沉重的。所以鉆桿柱是鉆探工作的一個關(guān)鍵組件和重要環(huán)節(jié)。實踐表明，鉆探的工作效率和安全生產(chǎn)都取決于鉆桿柱的可靠性。第5頁/共77頁

在某些特殊鉆進方法中，鉆桿柱還作為輸送巖芯或巖芯提取器的通道，或作為更換井底鉆頭的通道。因此，還要求鉆桿柱必須具有光滑而平整的內(nèi)孔。在許多情況下，鉆桿柱還起著輔助作用：投送卡取巖芯的卡料．輸送測斜儀器以及輸送堵漏材料等。鉆桿柱的連接與立根：第6頁/共77頁

圖2鉆探用鉆桿連接方式(a)－平接頭連接的鉆桿；(b)－鎖接頭連接的鉆桿；(c)－焊接鎖接頭連接的鉆桿1－鉆桿；2－平接頭或接箍；3－鎖接頭的錐體；4－鎖接頭的接手第7頁/共77頁

長期以來，鉆桿柱都是采用螺紋連接的方式。螺紋連接必須用公母螺扣對接，因而大大削弱了管壁，螺紋部分成為鉆桿柱中最薄弱的部位。雖然采取了加厚螺紋部位管壁等辦法，還是常在螺紋根部發(fā)生斷鉆桿的事故。采用繩索取芯鉆進方法后，提鉆與下鉆的次數(shù)大大減少，不僅降低了鉆桿柱的磨損，更重要的是減少連接螺紋的磨損，減少了斷鉆桿的事故發(fā)生。第8頁/共77頁鉆桿材質(zhì)——傳統(tǒng)、新型。結(jié)構(gòu)——加厚螺紋形式——扣高、螺距、齒形、頭數(shù)。加工質(zhì)量——熱處理、高精度、形位公差。合理使用——擰卸、潤滑。第9頁/共77頁第10頁/共77頁第11頁/共77頁1、鉆桿體采取兩頭鐓粗的型式，增加了螺紋的截面尺寸，抗拉、抗扭強度得到大幅提高。2、螺紋扣高有的設(shè)計為1mm或1.25mm，從根本上消除了鉆桿體深孔鉆進脫扣問題。螺紋扣高一方面消除了脫扣的發(fā)生，另一方面有效延長了鉆桿的使用壽命。3、對鉆桿接頭螺紋進行參數(shù)優(yōu)化，鉆桿及接頭螺紋均采用精密數(shù)控車床加工（高性能刀具），嚴格控制加工質(zhì)量。螺紋：最關(guān)鍵的參數(shù)拉、壓、扭、彎、磨損、腐蝕-------------最薄弱環(huán)節(jié)便于擰卸-------頻繁密封-----------沖洗液精度--------同軸度，形位公差老標準第12頁/共77頁鉆桿強度分析對比第13頁/共77頁某廠加強鉆桿技術(shù)參數(shù)第14頁/共77頁無錫鉆探工具廠繩索鉆桿鉆進深度S75：2009年

新疆有色地勘局

哈密黃山銅礦 1550米（S75A）

福建煤田121隊

曲靖煤田

1560米(S75A)

遼寧冶金402隊

鞍山鐵礦

2183米(CNH)

河北承德四隊

釩鐵礦

2011米(CNH)

安徽地礦325隊

渦陽鐵礦

1980米(CNH)S95：2009年

福建煤田121隊

曲靖煤田

1390米（S95A）

云南煤田143隊

云南昭通

1280米（S95A）

安徽地礦325隊

渦陽鐵礦

1480米（CHH）安徽地礦313隊

霍邱鐵礦

1250米（CHH）第15頁/共77頁2、鉆桿柱材質(zhì)與要求：常規(guī)的鉆桿是由不同成分的合金無縫鋼管制成。表2鉆桿鋼管的力學性能鋼級屈服點σS，MPa抗拉強度σP，MPa延伸率δS，%不小于DZ4040065014DZ5050070012DZ5555075012DZ6060078012DZ6565080012DZ7575085010第16頁/共77頁為了保證鉆桿質(zhì)量，扎制的鋼管必須經(jīng)正火和回火處理，或經(jīng)調(diào)質(zhì)處理；鐓厚鉆桿，車制連接螺紋；鉆桿接頭；連接螺紋的要求與標準；采用鋁合金鉆桿；加重鉆桿或鉆鋌。第17頁/共77頁

現(xiàn)在許多國家在地質(zhì)勘探鉆進中已經(jīng)采用鋁合金鉆桿。使用鋁合金鉆桿可以減小整個鉆桿柱的質(zhì)量，可以減小回轉(zhuǎn)鉆桿柱所消耗的功率，可以減小提升鉆桿柱消耗的功率，所以在同樣的條件下可以增大鉆機的可鉆深度，可以提高轉(zhuǎn)速而使機械鉆速提高到1.3～1.5倍,同樣可以減少升降鉆柱的時間。圖3俄羅斯用的鋁合金鉆桿(a)－平接頭連接的ЛБTH-54鉆桿1－平接頭；2－鉆桿；3－平接手；(b)－鎖接頭連接的ЛБTM-54鉆桿1－鎖接頭；2－鉆桿；3－鎖接箍第18頁/共77頁

加重鉆桿(或鉆鋌)在鉆進大口徑(例如93mm或更大)鉆孔時為了增大鉆壓和改善鉆桿柱工作狀態(tài)而采用。在鉆具組合中是在巖芯管與鉆桿之間接加重鉆桿。加接加重鉆桿可以增大鉆桿柱下面的重量和剛度，可在鉆頭上施加大而穩(wěn)定的鉆壓。加重鉆桿的總重量應(yīng)大于所需的鉆壓。帶有加重鉆桿的鉆桿柱工作比較平穩(wěn)，斷鉆的可能性減小，鉆孔彎曲度也減少，但增大鉆桿柱底部的重量在發(fā)生孔內(nèi)事故時處理起來比較困難。第19頁/共77頁三、鉆桿柱工作狀態(tài)（重點講下頁的圖）1、

工作特點：取芯回轉(zhuǎn)鉆進依靠鉆桿柱給孔底的鉆頭傳遞回轉(zhuǎn)運動和扭矩。同時傳送縱向給進和軸向鉆壓。鉆桿柱給孔底工作的鉆頭傳送所需鉆壓P0主要依賴于鉆桿柱自身的重量W，多余的部分由鉆機提拉而減壓；如果重量不足，則需鉆機補充而加壓。所以鉆機在向孔底隨時給進鉆具的同時，還須根據(jù)鉆桿柱重W和鉆頭所需的鉆壓P0，隨時進行調(diào)節(jié)和控制。第20頁/共77頁

圖9鉆桿柱在孔內(nèi)

圖10鉆桿柱

圖11鉆桿柱受力扭轉(zhuǎn)傳送狀態(tài)

在孔內(nèi)的波形彎曲

分析圖第21頁/共77頁

鉆桿柱由地表連續(xù)不斷地給孔底鉆頭傳送工作扭矩M0。由于鉆桿柱在孔內(nèi)作回轉(zhuǎn)運動，與孔壁發(fā)生多點接觸，從而產(chǎn)生摩擦扭矩M1。由于鉆桿柱在孔內(nèi)工作狀態(tài)和孔壁的實際狀況的差異，回轉(zhuǎn)摩擦阻力差別很大而使摩擦扭矩M1變化很大，往往大于鉆頭所需的扭矩M0。由于摩擦扭矩M1的變化和工作扭矩M0的變化而使鉆桿柱的回轉(zhuǎn)運動不穩(wěn)定，產(chǎn)生不同程度的扭振，影響鉆進工作。如上圖所示。第22頁/共77頁2、鉆桿柱彎曲：鉆桿柱在孔內(nèi)工作時，以一定的轉(zhuǎn)速作回轉(zhuǎn)運動。由于鉆桿柱自身的某些偏心和由自重失穩(wěn)而產(chǎn)生的某些彎曲，造成鉆桿柱有一定的質(zhì)量偏離回轉(zhuǎn)中心。這些偏心質(zhì)量在回轉(zhuǎn)運動中則產(chǎn)生離心力，更使鉆桿柱彎曲。與此同時，鉆桿柱上還有由于自重而產(chǎn)生的縱向壓力。在離心力和縱向力的作用下，使整個鉆桿柱在孔內(nèi)呈波形彎曲，其波峰壓向孔壁，在回轉(zhuǎn)運動中和向下給進中產(chǎn)生摩擦阻力，影響鉆進工作。如圖1.2—5所示。第23頁/共77頁

薩爾基索夫?qū)︺@桿柱在孔內(nèi)的彎曲狀態(tài)進行了研究并提出了計算半波長的理論。顯然，由于自重而產(chǎn)生的縱向力是隨著鉆桿柱向下延伸而逐漸增大的，因此，各部位的半波長L是不一樣的。在減壓鉆進中，部分自重由鉆機提拉而平衡，所以在鉆桿柱某點縱向力為零，稱零斷面或中和點（如圖1.2-5中O～O′表示）。零斷面以上的鉆桿柱受縱向拉力，零斷面以下的鉆桿柱受縱向壓力。從受力狀態(tài)可以看出；中和點以上越遠半波長越大；中和點以下越遠半波長越小，半波長越小表示鉆桿柱彎曲越嚴重。

第24頁/共77頁

薩爾基索夫研究鉆桿柱在孔內(nèi)彎曲狀態(tài)的問題時是設(shè)定鉆桿柱受外力(離心力和縱向力)所作的功等于鉆桿柱變形所儲存的位能。即：

U＝A

＋

A1

(1.2－l)

式中U

——

鉆桿柱變形位能；

A

——

離心力所作的功；

A1——

縱向力所作的功。第25頁/共77頁1、關(guān)于鉆桿柱變形能U：鉆桿柱彎曲變形所儲存的位能U可以計算如下：

（1.2－2）

式中M

——

斷面的彎矩；

dφ——

邊界斷面的轉(zhuǎn)角＝dx/ρ；

ρ——

該處的曲率半徑。通過變換得：

（1.2－5）第26頁/共77頁2、關(guān)于離心力所作的功A：離心力對鉆桿柱所作的功A可以根據(jù)離心力及其變化過程計算。dx長的鉆桿質(zhì)量為：

(g—

單位長度鉆桿的重量)

當鉆桿柱角速度為ω時，dx單元的離心力為：

(1.2—6)第27頁/共77頁

由于該離心力在達到平衡之前是隨y值的增大而增大的，所以該力所作的功為：

(1.2－7)

最后得：

kg·f·cm

(1.2－8)第28頁/共77頁

3、縱向力所作的功A1：縱向力所作的功：

最后得：

(1.2－10)

第29頁/共77頁

4、薩爾基索夫公式：根據(jù)U＝A+A1，則得：即：（1.2－11）

最后得計算半波長的公式：

（1.2－13）

第30頁/共77頁

薩爾基索夫公式是在完整的鉆孔中以理想的鉆桿柱在鉆孔中以鉆孔的軸線為中心而公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的，并呈平面彎曲狀態(tài)。實際上，由于鉆桿柱的縱向不均勻(特別是接頭部位)，不同心及存在初始彎曲和鉆孔孔徑不均勻等原因，鉆桿柱在孔內(nèi)的彎曲狀況是較復雜的。但薩爾基索夫公式表示了鉆桿柱在孔內(nèi)彎曲的基本狀態(tài)。在實際工作中，鉆桿柱除承受縱向力和離心力外還承受扭矩。扭矩使鉆桿柱成為不等距螺旋狀彎曲(孔底螺距最小，往上逐漸增大)，但是，相對而言，在一般情況下，扭矩對鉆桿柱彎曲狀態(tài)的影響不大。第31頁/共77頁

影響鉆桿柱變形穩(wěn)定性較大的因素是鉆桿柱由于離心力而彎曲的撓度是不斷增大的，即離心力越大，撓度越大，撓度越大，離心力也越大。在尚未達到與變形能平衡之前，鉆桿碰到孔壁并壓向孔壁而產(chǎn)生磨擦阻力，阻止鉆桿回轉(zhuǎn)。離心力由于轉(zhuǎn)速減小而大減，彎曲撓度因離心力減小而減小，而脫離孔壁，消除了磨擦阻力。從而轉(zhuǎn)速又復增大。這樣形成鉆桿柱在孔內(nèi)回轉(zhuǎn)運動中發(fā)生回轉(zhuǎn)的以及縱向的彈性振動，十分影響鉆進工作。第32頁/共77頁

在應(yīng)用薩爾基索夫公式計算鉆桿柱彎曲的半波長度時，會碰到不等徑的鉆桿柱問題，例如使用鉆鋌時，為了安全計，常常把零斷面選擇在鉆鋌部位(如圖1.2-8所示)。在此零斷面以上部分為不等徑鉆桿柱，如要計算出MN處的半波長?？衫卯斄裤@桿柱長度來求得當量坐標Zeq來計算：第33頁/共77頁

（1.2－14）

而式中qT

——

鉆鋌每米重量；

q0

——

鉆桿柱每米的重量。將Zeq值代入薩爾基索夫公式，則可求得不等徑鉆桿柱MN處的半波長。第34頁/共77頁

由于鉆桿接頭而影響鉆桿柱不等斷面問題，通?？捎靡恍拚禂?shù)計算：

(1.2－15)

式中q0

——

鉆桿單位長度的重量；

β——鉆桿接頭的加重系數(shù)，

β值常取1.3～1.41。用q表示單位鉆桿長度的重量，可計算用接頭連接的鉆桿柱彎曲的半波長度。

第35頁/共77頁5、鉆桿柱的彎曲應(yīng)力：鉆桿柱在孔內(nèi)發(fā)生彎曲，半波長越小，彎曲越嚴重，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力越大。其彎曲應(yīng)力可利用其彎曲變形來求得。鉆桿柱的彎曲曲線方程式為：最后得：kgf/cm2

(1.2－18)

第36頁/共77頁

由公式(1.2－18)可知，鉆桿柱的彎曲應(yīng)力與鉆桿直徑d和最大撓度f

成正比關(guān)系，而與半波長度l的平方成反比。所以半波長越小，彎曲應(yīng)力越嚴重。由薩爾基索夫公式知，半波長度又與ω(轉(zhuǎn)速)成反比，所以半波長受鉆桿柱轉(zhuǎn)速的影響比較大。高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生更大的離心力，加強了鉆桿柱的彎曲。第37頁/共77頁2.3.3鉆桿柱的彎曲狀態(tài)鉆桿柱在孔內(nèi)可能有兩種不同的旋轉(zhuǎn)方式，如圖1.2－9所示。①鉆桿柱象一根剛性的彎曲桿，圍繞O1公轉(zhuǎn)。在這種情況下，鉆桿產(chǎn)生一邊偏磨。②鉆桿象一根柔性軸，雖然彎曲，但圍繞自身中心O2自轉(zhuǎn)。此時鉆桿表面產(chǎn)生均勻磨損。

圖1.2-9第38頁/共77頁

從理論上講，如果鉆桿柱的剛度各方向是均勻一致的，那么鉆桿柱以何種方式旋轉(zhuǎn)就取決于外界阻力的大小。按照常規(guī)是以消耗能量最小的方式轉(zhuǎn)動。當鉆桿柱公轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的行程大，要消耗較多的能量以克服泥漿阻力和孔壁的磨擦阻力，特別是當鉆桿柱彎曲部分靠在孔壁上時，磨擦力更大。而當鉆桿柱自轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)經(jīng)過的行程小，克服泥漿阻力和孔壁的磨擦力所消耗的能量也較少。因此，一般認為彎曲的鉆桿柱主要以自轉(zhuǎn)方式旋轉(zhuǎn)，但也可能以公轉(zhuǎn)運動方式旋轉(zhuǎn)或者既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)兩者結(jié)合的運動方式旋轉(zhuǎn)。這是由于還有其他因素的影響，如鉆桿柱的剛度是否均勻，鉆孔壁是否規(guī)整，所用的技術(shù)參數(shù)是否恰當和一致以及孔徑是否規(guī)范，等等。第39頁/共77頁

假定鉆桿柱是各向剛度均勻而光滑的彈性管柱，由自重向孔底給鉆頭加壓而彎曲。并假定彎曲鉆桿柱是自轉(zhuǎn)運動的柔性管。在此情況下，彎曲鉆桿柱自轉(zhuǎn)這一論點是恰當?shù)摹Ｔ诖饲闆r下，彎曲鉆桿柱自轉(zhuǎn)這一論點是恰當?shù)?。魯賓斯基在此基礎(chǔ)上研究了鉆桿柱的孔底彎曲狀態(tài)以及它與孔斜的關(guān)系。在鉆桿柱自轉(zhuǎn)的情況下，離心力的總和等于零。對鉆桿柱的彎曲沒有影響。這時鉆桿柱的彎曲問題可簡化為不旋轉(zhuǎn)的，完全由縱向力作用的彎曲問題。值得提到的，自轉(zhuǎn)彎曲的鉆桿柱，在鉆桿柱內(nèi)產(chǎn)生嚴重的交變應(yīng)力，對鉆桿柱的工作壽命影響很大。第40頁/共77頁

在鉆進中，由于部分鉆桿柱的重量是作為鉆壓施加在鉆頭之上，使得下部鉆桿柱受壓縮。在鉆壓小和直孔的條件下，鉆桿柱也可能是直的。但當壓力達到某一臨界值時(參看圖1.2－10)，下部鉆桿柱失去直線穩(wěn)定狀態(tài)而發(fā)生彎曲，并且在某一點和孔壁接觸，稱為切點。鉆桿柱的中和點N1在切點T1的上方，這是第一次彎曲(如圖1.2－10中曲線I所示)。如果繼續(xù)加大鉆壓，則彎曲狀態(tài)又改變。切點逐漸下移，中和點上移(如圖l.2－10中曲線Ⅱ所示)。當鉆壓增大到新的臨界值時，鉆桿柱彎曲軸線呈現(xiàn)出第二個半波，出現(xiàn)第二個切點，這是鉆桿柱的第二次彎曲(如圖1.2—10中的曲線Ⅲ)。如果繼續(xù)加大鉆壓，則會出現(xiàn)鉆桿柱的第三次彎曲或更多次彎曲。

第41頁/共77頁

目前在石油轉(zhuǎn)盤鉆中，特別是牙輪鉆頭或刮刀鉆頭鉆進中，使用低轉(zhuǎn)速大鉆壓鉆進工藝規(guī)程，一般都超過常用鉆鋌的一次彎曲臨界值，下部鉆桿柱將發(fā)生彎曲。所以在石油鉆井或水井鉆進中，為了防止井斜和鉆鋌彎曲過甚，常常采用扶正措施。第42頁/共77頁

第43頁/共77頁

在孔底鉆桿柱彎曲狀態(tài)的研究中，魯賓斯基經(jīng)室內(nèi)模擬實驗和運用彈性理論的分析及計算(鉆桿柱在自轉(zhuǎn)的前提下，并假定鉆桿柱兩端為鉸支方式)，提出了如下孔底鉆桿柱受自重而彎曲狀態(tài)的分析。其受力狀態(tài)如圖1.2－11所示。圖中：

W1

——

提引器作用在鉆桿柱上端的拉力；

F1

——

立軸卡盤或轉(zhuǎn)盤卡瓦作用于鉆桿柱上端的水平力；

W2——

井底作用于鉆桿柱下端的向上垂直分力；

F2——

井底作用于鉆桿柱下端的水平分力；

F——

當鉆桿發(fā)生彎曲時，井壁作用于切點的水平分力；

Q

——

鉆桿柱的重力；

B

——

泥漿對鉆桿柱的浮力；

A1——

斷面MN上的橫向切力；

B2——

靜水壓力造成的壓力，它垂直于斷面正比于靜水壓力．但對縱向彎曲無影響。第44頁/共77頁

在上述設(shè)定條件的基礎(chǔ)上，研究了MN斷面以下的鉆桿柱段，使MN斷面上的內(nèi)應(yīng)力與作用的外力相乎衡。據(jù)此得出了彎曲鉆桿柱的以中和點為坐標原點的微分方程式：

（1.2－19）式中E——

鉆桿柱鋼材的彈性模量，E＝2.1×106

kgf／cm2；

J——

鉆桿柱橫斷面的軸慣性矩，cm4；

q——

單位長度鉆桿柱在泥漿中的重量，kg／cm。第45頁/共77頁

在求解式(1.2一19)微分方程中，可引用一個無因次量m。即：

cm(1.2－20)

這樣可使計算結(jié)果與具體的鉆桿柱、鉆鋌、泥漿類型無關(guān)。求解的結(jié)果為：鉆頭落于井底，鉆桿柱給鉆頭不斷加壓，當中和點到達鉆頭上方l.94m時，鉆桿柱發(fā)生一次彎曲；繼續(xù)加壓，當中和點到達鉆頭上方3.75m時，鉆桿柱發(fā)生二次彎曲。第46頁/共77頁

當鉆壓達到二次彎曲的臨界值時，雖然鉆桿柱彎曲有兩個半波形，但上面的半波與井壁尚未有接觸點，這是二次彎曲的前期，直到鉆壓增大到中和點位于鉆頭上4.22m時，上部的半波才與井壁接觸，鉆桿柱具有兩個切點，如圖1.2－10的曲線Ⅲ所示。這是二次彎曲的后期。

鉆桿柱下端發(fā)生彎曲后，處于失穩(wěn)狀態(tài)，必然與井壁相接觸。鉆桿柱下部的彎曲不僅對鉆桿柱造成嚴重的應(yīng)力，特別是鉆桿柱自轉(zhuǎn)而造成的疲勞破壞是十分嚴重的。同時，井底鉆桿柱因彎曲而傾斜，在自轉(zhuǎn)條件下，使鉆頭傾斜，則發(fā)生井斜。第47頁/共77頁

2.3.4回轉(zhuǎn)鉆桿柱的扭應(yīng)力

經(jīng)多方的試驗和研究，在巖芯鉆探中，鉆進垂直孔時，在正常鉆進的條件下，回轉(zhuǎn)鉆桿柱所需的功率為；

Nd

＝Nl

＋N2

＋N

3

(1.2—21)

式中Nd

—

鉆進功率；

N1

—空轉(zhuǎn)鉆桿柱的功率；

N2

—克服由于傳送鉆壓、鉆桿柱彎曲并與孔壁接觸而產(chǎn)生磨擦阻力時增加的功率；

N3

—鉆頭破碎巖石所需的功率(包括鉆頭與孔底的磨擦功率)。第48頁/共77頁2.3.4.1空轉(zhuǎn)鉆桿柱的功率N1

鉆桿柱空轉(zhuǎn)功率是指把全部鉆桿柱放入孔中，而上部懸掛、下端不觸孔底，以一定轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)鉆桿柱，所需的功率。對50mm鎖接箍連接的鉆桿柱鉆較大孔徑(≥93mm)時，其空轉(zhuǎn)功率為：

N1=(2.3n2+3.12×10-5n)·L0.68·k1·k2(1.2—22)式中n—

鉆桿柱轉(zhuǎn)速，r/s；

L—

鉆桿柱長度，m；

k1、k2

—

由于鉆孔彎曲而使空轉(zhuǎn)功率增加的系數(shù)。

第49頁/共77頁2.3.4.2磨擦增加的功率N2

由于鉆桿柱承受軸向壓力而使鉆桿柱彎曲與孔壁發(fā)生磨擦因而增加的功率，可由下式計算：

(1.2—28)

式中α——經(jīng)驗系數(shù)；

P——鉆頭上的軸向壓力，N；經(jīng)試驗，不論是用鉆鋌或用鉆桿的重量產(chǎn)生相同的孔底鉆壓時，兩者的功率相差甚小(當Z＝400～600m時，鉆鋌重400~1200kg時)。

n——鉆桿桂轉(zhuǎn)速，r／s。第50頁/共77頁2.3.4.3鉆頭破碎巖石所需功率N3

使用不同的鉆頭破碎巖石，所需功率不同。鉆頭破碎巖石的功率，常用下式計算：（a）(1.2—29)

式中Nb——破碎孔底單位面積消耗的功率；

F——孔底破碎巖石的面積，m2。

第51頁/共77頁

不同的鉆頭，破碎巖石時，Nb取值不同：①硬合金和金剛石鉆頭鉆進時——

Nb＝50×104～150×104W／m2

②鉆粒鉆進時——

Nb＝15×104W／m2③牙輪鉆頭鉆進時——

Nb＝150×104W／m2第52頁/共77頁

(b)

對刮刀式鉆頭

(1.2－30)

式中n——鉆頭轉(zhuǎn)速，r／s；

m——刮刀或翼片的數(shù)目；

h——鉆頭上一個翼片每轉(zhuǎn)切入深度，mm；，此處Vm為平均機械鉆速，m／s；

σC——巖石的抗壓強度，MPa。第53頁/共77頁

已知斷面扭矩則可根據(jù)材料力學算出該斷面的剪應(yīng)力值。通常在鉆桿柱的強度計算中采用第三強度理論計算其合成應(yīng)力，即如下式所示：

(1.2—31)

式中σp、σb—鉆桿柱某斷面上的拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力；

τ—鉆桿柱同一斷面的剪應(yīng)力。第54頁/共77頁2.3.5提升鉆桿柱的拉應(yīng)力

當開始把全部鉆桿柱從孔中提起時，鉆桿柱上端受有最大的拉應(yīng)力。該提升拉力的大小除了直接受鉆桿柱本身的重力外，還與鉆桿柱在提升時孔內(nèi)對它的各種阻力(主要是孔壁對鉆桿柱的磨擦阻力和洗井液對鉆桿柱的粘滯阻力)以及提升鉆桿柱在加速階段所增加的慣性力等。

(1.2—32)在垂直孔中提升鉆桿柱最大的拉力Q為：第55頁/共77頁2.3.5.1鉆桿柱本身的重力Q1

(1.2—33)式中α——由于接箍和管端加厚等對單位長度鉆桿重量的修正系數(shù)；

q0——平滑鉆桿單位長度的重量；

L——鉆桿柱的長度；

γm——沖洗液(泥漿)的比重；

γs——管材的比重。第56頁/共77頁2.3.5.2提升鉆桿柱時孔內(nèi)增加的阻力Q2

(1.2～34)

該力與鉆孔的彎曲狀態(tài)，孔壁間隙，孔壁巖石性質(zhì)及狀態(tài)，泥漿的性能，鉆桿柱本身的剛度及彎曲狀態(tài)等因素有關(guān)。條件復雜，難于精確計算，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場具體條件而測定。第57頁/共77頁2.3.5.3提升加速度的慣性力Q3

(1.2-35)式中α——提升加速度；

Vp——達到的最高提升速度；

t——加速延續(xù)的時間；

g——重力加速度。第58頁/共77頁

四、鉆具的基本結(jié)構(gòu)

1、普通金剛石鉆進鉆具：普通金剛石鉆進的鉆具見圖1.2-4所示。其鉆具結(jié)構(gòu)比石油鉆井的鉆具要簡單得多，它主要由鉆頭、擴孔器、巖芯管、鉆桿接頭以及扶正器組成。許多情況下，常常不使用扶正器，也不使用鉆鋌，導致鉆孔的彎曲比較嚴重；當然，繩索取芯鉆進就不可能使用扶正器。第59頁/共77頁

2、扶正器鉆具：（1）增斜組合鉆具：按照增斜能力的大小分為強、中、弱三種。結(jié)構(gòu)如圖5所示，配合尺寸見表3所列。在使用中要注意：鉆壓越大，增斜能力越大；L1越長，增斜能力越??；近鉆頭扶正器直徑減小，增斜能力也減小。使用時應(yīng)保持低轉(zhuǎn)速。類

型L1L2L3強增斜組合1.0~1.8－－中增斜組合1.0~1.818.0~27.0－弱增斜組合1.0~1.89.0~18.09.0表3增斜鉆具組合的配合尺寸第60頁/共77頁

圖5

增斜組合鉆具第61頁/共77頁（2）降斜鉆具組合：

按照降斜能力的大小分為強、弱兩種。結(jié)構(gòu)如圖6所示，配合尺寸見表4所列。在使用中要注意保持小鉆壓和較低轉(zhuǎn)速。對于強降斜組合來說，L1越長，則降斜能力越強，但不得與井壁有新的接觸點。

表4降斜鉆具組合的配合尺寸類

型L1L2強降斜組合9.0~27.0－弱降斜組合0.818.0~27.0第62頁/共77頁

圖6降斜組合鉆具第63頁/共77頁

（3）穩(wěn)斜鉆具組合：按照穩(wěn)斜能力的大小分為強、中、弱三種。結(jié)構(gòu)見圖7所示，配合尺寸見表5所列。在使用中要注意保持正常鉆壓和較高轉(zhuǎn)速。若需要更強的穩(wěn)斜組合，可使用雙扶正器串聯(lián)起來作為近鉆頭扶正器。

表5穩(wěn)斜鉆具組合的配合尺寸類

型L1L2L3L4L5

強穩(wěn)斜

組合0.8~1.24.5~6.09.09.09.0

中穩(wěn)斜

組合1.0~1.83.0~6.09.0~18.09.0~27.0

－

弱穩(wěn)斜

組合1.0~1.84.59.0

－

－第64頁/共77頁

圖7

穩(wěn)斜組合鉆具第65頁/共77頁五、套管

套管柱用以加固鉆孔的不穩(wěn)定孔壁，還可用來將一些地層與另一些地層隔離開。巖心鉆探中最常用的套管柱是將外表光滑的無縫套管用平接頭連接起來的。平接頭連接的無縫套管尺寸見表6和圖8(a)。圖8無縫套管(a)－平接頭連接的無縫套管；(b)－直接連接的套管第66頁/共77頁

套管外徑套管壁厚平接頭外徑平接頭內(nèi)徑鏜孔(旋孔)直徑外部鏜孔直徑外螺紋鏜孔長度全剖面內(nèi)外螺紋長度套管長度一米光滑套管的理論質(zhì)量(kg)一個平接頭的理論質(zhì)量(kg)44.03.544.034.040.538.840361500~45003.500.757.04.557.046.052.550.05.831.073.05.073.062.069.066.57.401.389.05.089.078.085.582.5

10.361.7108.05.0108.095.5103.5101.040561500~600012.702.4127.05.0127.0114.5122.5120.015.402.6146.05.0146.0134.0141.5139.017.392.8表6平接頭連接的無縫套管及套管平接頭的尺寸(mm)（老標準）第67頁/共77頁六、鉆具有關(guān)標準：國際標準ISO：InternationalOrganizationforStandardization或InternationalStandardOrganized。中國是ISO的正式成員，代表中國的組織為中國國家標準化管理委員會（Standardiza