工程钻探:第一章钻探设备 钻探设备：从事钻探工作所使用的全套技术装备
1.钻探设备的组成：
动力机、钻机、冲洗泵、钻塔及其附属设备。
2. 在钻探工作中由于施工的目的、钻孔深度以及所遇到的地层不同，因而对机械的要求也不同。
钻探设备要满足下列要求：保证高效率，工艺过程连续，生产过程机械化、自动化程度高，操作安全、使用可靠、易于控制、调节和检修，安装、拆卸和运输性能良好。
一、钻机:（一）概述：
1:钻机是完成钻进施工的主机，它带动钻具和钻头向地层探部钻进，并通过钻机上的升降机完成起下钻具和套管、提取岩心、更换钻头等辅助工作。
钻机的作用：是实施钻具的回转和给予轴向压力，以破碎岩石加深钻孔，完成从孔内起下钻具或升降套管等工作。
2进行钻探工作时，钻探工艺要求钻机能完成的工序是：
①提供使钻杆柱及碎岩钻具 (钻头)回转的动力；
②具有能使钻杆柱及碎岩钻头继续前进的能力，以达到不断破碎岩石、连续钻进的目的；
③当钻头磨钝后、需要提取岩心及处理有关井内事宜时，钻机具有使钻杆柱及钻进工具提出孔口及再下入孔内继续下一个回次钻进的能力。
3.按钻进方法可把钻机分成四类：
1)冲击式钻机；钢丝绳冲击式、钻杆冲击式钻机；
2)回转式钻机：立轴式、转盘式
3)振动式钻机；
4)无循环钻机：
（二）回转式钻机及其基本组成:根据钻机回转器的结构形式，回转式钻机可分为立轴式、转盘式二大类。
1、立轴式回转岩心钻机及其组成 :钻机由回转机构、给进机构、升降机构、传动机构、操纵装置及机座等基本部分组成。由于钻机类型不同，有些钻机还可能配备有控制测量仪表或其他附属装置。
1）回转机构： 钻机的回转机构称为回转器，
回转器的功用：是传递动力，驱动钻具回转，使钻具以不同转速，实现钻头连续地破碎岩石，并且可按要求作正向及反向回转运动。
回转器是回转钻进的重要执行机构之一。因此，其结构与性能必需满足以下要求：
①回转器的转速和扭矩的性能应能适应钻进工艺孔内情况变化的要求。钻进过程中岩层性质变化很大，而且经常会遇到复杂地层。由于地质和工艺的需要，孔径也需变化；不同条件选用的钻进方法和钻进规程也不尽相同，因此钻头克取岩石的转速和扭矩也是需要经常变化的。②孔内如需要特殊钻进工艺时，要求回转器能反向回转，故要求回转器一般应具备有1～2个反向回转档。③回转器应有良好的导向作用，以便钻进时保证钻孔的钻进方向不会改变。④根据使用要求回转
器应能在一定范围内变更倾角，可钻
进不同方向的钻孔，以满足地质勘探工作的需要。回转器的通孔直径应能通过机上钻杆或粗径钻具的直径。⑤为了保证钻头的正常钻进和钻进质量的要求，回转器应做到回转运动平稳，震动摆动小。
2）给进机构 :给进机构是回转钻进的主要执行机构之一。其任务是：称量钻具重量；进行加压或减压钻进——调节和保持孔底钻头上的轴向压力和钻进速度；并根据钻头的钻进速度给进钻具，保证钻头连续不断地钻孔；平衡钻具重量；倒杆、提动和悬挂钻具；强力起拔钻具等。
给进机构，其性能应满足以下工艺要求：
①能根据地层性质、钻进方法、钻头类型和直径，无级调节轴心压力。调好的最优压力，在孔内情况变化之前，应能保持恒定不变。由于孔深与钻进条件的变化，给进机构要既有压又有减压钻进的能力。②能无级地调节钻进速度，最好能自动调节。给进速度应与不同钻进条件下的机械钻速相适应。钻进工艺要求给进机构不仅能带动钻具向下钻进，也要能向上提动。③有快速提升和一定的起重能力。孔内发生异常情况时，能将钻具迅速提离孔底；遇到卡钻时可强力起拔钻具当作千斤顶用。④应能准确迅速地反映孔内情况，以便及时掌握和分析孔内情况，调整钻进工艺或采取处理措施，因此要具有一定的观测装置，如孔底压力、进尺和钻速的观测仪表等。⑤要尽可能缩短辅助工序时间。如在不增加整机尺寸与重量的条件下，给进行程要长，倒杆速度要快，最好能不停车倒杆。
3）传动机构： 传动机构用于驱动钻机的动力机到钻机各工作机构的动力传递。任务是：传递与切断动力：变速与变矩，实现柔性传动和过载保护，分配动力与换向；改变运动形式，如将旋转运动转变为往复运动及驱动仪表等。
4）升降机构 :升降机构（卷扬机，或绞车）用于提下钻具、套管或其他东西。在某些条件下可利用升降机悬挂钻具，进行快速扫孔或采用主动钻杆进行减压钻进。处理孔内事故时，常利用升降机进行强力起拔，或完成其它特种工作。
5）操纵装置:操纵装置用于分配动力、调节钻机各工作机构的运动速度，改变工作机构的运动方向和形式。机械传动式钻机的操纵机构一般与有关的部件设置在一起，而液压传动的操纵机构多集中设置在一起成为独立的部件，称之为操纵台。
6）机座 :机座的作用是为钻机各部件提供安装空间和支撑，使各部件合理地组装成一部完整的机器。
2、转盘式回转钻机及其组成 :转盘式钻机与立轴式钻机的最本质区别在于回转器。转盘
式钻机回转器采用转盘带动钻具回转。与立轴回转器相比，转盘没有长的立轴
。由于转盘通孔直径较大，可允许较大直径的钻具通过。转盘能传递较大的扭矩，适用于大口径钻进。如SPJ—300转盘式(水井)钻机。(其它系统与立轴式相似)
3、钻机的技术参数:钻机的技术参数能综合反映钻机的经济、技术指标。某一时期钻机的技术参数也体现该时期机械科学技术水平、生产水平和钻探工艺水平。钻机的技术参数是选择钻机、使用钻机及评价钻机的重要依据。钻机的技术参数包括钻机的能力参数、各工作机构的工作参数，配备动力机的有关参数、钻机的重量及总体尺寸等。
1）选用、评价钻机的技术参数 :钻机的技术参数有3种：基本参数、主要参数和一般参数。
①基本参数:基本参数是反映钻机钻进能力最稳定的参数。至今岩心钻机仍以钻进深度为基本参数。
②主要参数:主要参数是反映钻机整体或部件的主要技术经济性能的参数，它取决于基本参数。主要有；回转器的转速、上顶力与钻进力、给进速度与行程、提升能力与提升速度、钻机的重量与外廓尺寸、动力机的功率和转速等参数。
③一般参数 :一般参数从属于基本参数和主要参数，如：钢丝绳直径、卷简直径等，反映次要技术参数。
2）选用、评价钻机的原则 :①钻进能力参数:包括钻进深度、钻杆直径、钻孔直径和钻孔倾角。它反映钻机的设计能力，说明了它的应用范围。
A 钻进深度：反映钻机的最大设计钻进深度.B 钻孔直径：包括开孔直径和终孔直径。它反映了钻机可能完成的孔身结构的直径系列。C 钻杆直径：钻杆直径的选择主要与孔深、孔径和转速有关。钻孔越深，孔径越大，所配用的钻杆直径越大。当孔径大，钻杆直径小时，钻杆在孔内易弯曲，造成工作条件恶化，不仅影响钻进速度和质量，也易引起孔内事故。因此钻杆直径与钻孔直径应有一个适当的比值。D 钻孔倾角：指钻机所能完成的钻孔角度范围。
②回转系统参数 :包括回转器的转速、立轴(或转盘)通孔直径与让开孔口形式。
③钻机给进系统参数 :A 立轴最大上顶力： 立轴最大上顶力又称最大起重量，正常钻进时。上顶力的作用是承受孔内钻具部分重量，维持减压钻进；
孔内发生事故时，进行强力起拔钻具，当千斤顶用。B 立轴最大给进力：立轴最大钻进力称立轴最大压力。最大给进力的大小主要是根据钻进时孔内钻头所需的最大轴向压力确定的。不同钻进方法钻进时，所需的轴向压力不同。 C 给进速度 ：是指携带钻具或不带钻具立辅向下的运动速度。 给进速度，必
需与钻进速度相适应。D 给进行程：为立轴可能上下运动的最大距离，以毫米为单位。钻机的立轴行程为300～600mm。若采
用主动钻杆钻进时，给进行程即是主动钻杆的有效长度，一般为3—5m.E 倒立轴速度：倒立轴的速度即指空立轴上升的速度，它的快慢将影响倒杆的辅助时间的多少。一般行程500～600mm，倒杆速度为3～4m／min，即倒一杆要7一10s左右。
④钻机升降系统参数 :包括升降机的最大起重量、提升速度 等。
⑤钻机的重量和动力机的功率:
4、钻探对钻机的要求 :① 具有适合钻进规程需要的转速和调节范围，以便有效的破碎岩石；
② 向钻头传递足够的轴心压力，并有适当的调节范围，以适应最优的钻压选择。
③ 能完成升降钻具工作，并能随钻具的变化而改变提升速度。
④ 具有可变换钻进角度的功能。
⑤ 具备处理孔内事故，纠斜的功能。
⑥ 工作平稳，重量轻，尺寸小，美观大方。
（二）冲击式钻机 :1、钢丝绳冲击钻机 :由于钢丝绳冲击钻机都是装在汽车或拖车上，设备轻便搬迁方便，操作与管理简单，钻进成本低。因此在水文水井钻、大口径工程施工项目中常用这种方法。它对于大砾石、漂石及脆性岩层特别有效。 钢丝绳冲击钻进是借助一定质量的钻头，在一定的高度内周期地冲击孔底，使岩石破碎而获取进尺。每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下回转一定的角度，从而使钻孔形成圆形断面。被破碎的岩屑与水混合形成岩粉浆，当岩粉达到一定浓度后，即停止冲击，利用掏砂筒将稠浆掏出，同时向孔内补充掖体。
二、冲洗泵（泥浆泵） :1、泵在钻探工作中的作用:(1)清除岩屑 ； 钻进过程中，钻头在孔底不断破碎岩石产生岩屑，泵使冲洗液循环，将岩屑携带至地面，保持孔底清洁，有利于钻头继续破碎岩石；(2) 冷却、润滑钻头和钻具；(3) 保护井壁：冲洗液增大内液柱压力，如冲洗液为泥浆时泥浆在孔壁上能形成薄层泥皮，冲洗液的压力平衡地压，从而保护井壁。(4)供给钻具能量 泵可将具有能量的液体输送给涡轮钻具、螺杆钻具、液动冲击钻具及其它水力冲击钻具提供动力介质驱动这些钻具破碎岩石。(5)输送特种物质 在某些特种工作中，加堵漏、封孔时，利用泵向孔内灌注特种物质——水泥浆或其它堵漏物质。(6)判断孔内情况 利用泵上的压力表所反映的泵压变化，及时了解孔内的一些情况。
2、泵的分类:泵的种类很多，一般按工作原理分为三大类：
A,叶轮泵：如离心泵（单级离心泵、多级离心泵、潜水泵、深井泵）、轴流泵、混流泵、漩涡泵等。依靠叶轮的旋转运动输送液
体。
B,容积泵：往复泵（柱塞泵、活塞泵）、回转泵（螺杆泵、齿轮泵）。依靠工作时的容积变化输送液体。C喷射泵：依靠液体的流动的能量输送液体。
3、
钻探用泵的类型及技术性能 :根据钻探工作对泵的要求，目前钻探主要采用往复泵。1）往复式泵的工作原理 :活塞在曲柄连杆的带动下，由左向右移动时，泵缸活塞左铡部分容积增大，压力降低，形成负压，水在外界大气压力作用下顶开吸水阀进入泵室，这一过程为吸水过程。当活塞由右向左运动时，泵缸活塞左侧部分容积减小，压力增大，顶开排水阀，水被排出，这一过程称为排水过程。形成了吸排水过程。 2）往复式泵的技术性能参数 :BW—250/40 B（泥浆泵）、W（卧式往复）、250（泵量 升/分）、40（泵压 公斤/厘米2）
3）往复式泵的主要优点 :① 能在冲洗液含有较高的固相含量及研磨性颗粒的条件下工作；② 能排送较大的泥浆中的颗粒；③ 容易使用与维护；④ 可靠性强；⑤ 可在较大的范围内调节泥浆压力及流量
三、钻塔及其附属设备:1、钻塔:钻塔的作用是提供足够的垂直高度，以供把钻杆下人孔内或从孔内提到地表。钻杆柱越长，钻杆越重，所需要的钻塔也越高越大。
1) 钻塔的类型 :a,四角钻塔 b,门字形钻塔 c,三角钻塔 d,A型钻塔 e,桅杆型钻塔
2) 钻塔对钻塔的基本要求:①应有足够的承载能力，保证满足正常及特殊情况下的起下钻具、套管的需要。在用升降系统进行强力起拔时，钻塔承受的负载不仅比正常提升时大得多，而且还会受到较大的冲击载荷，另外还受风力载荷作用。因此，钻塔要有足够大的竖向和水平承载能力；②应有足够的高度和有效空间。钻塔的高度应与钻孔的深度适应。钻孔越深，钻塔越高，立根的长度可加长，有利于减少起下钻的时间。钻塔内要有足够的空间摆放立根，同时要有足够的空间为方便、安全地生产提供保证；⑧钻塔的结构要合理，尽可能使钻塔轻便、易拆卸、好搬运
2、附属设备:卷扬机、滑轮组等。
四、岩心钻探钻具:1、岩心钻具的组成<一套回转岩心钻具是由钻头、岩心管、异径接头、钻杆柱、连接接头和水龙头等组成。 >
2、钻杆柱:1）钻杆柱的功用:①在钻探工作中，钻杆柱从地表把钻机的动作和动力传递给井底的钻头。钻杆柱在传动工作系统中是一个特殊的、细长比很大的、在井筒特定条件下工作的传动杆件。②同时它又是洗井液冲洗井底和冷却钻头必需的液流通道。③钻杆内受高压，表面承受着磨损。虽然钻杆柱在结构上看似较为简单，实际上，它承受着复杂的外力，且处于失
稳状态。④在某些特殊钻进方法中，钻杆柱还用作为输送岩心或岩心提取器的通道 。⑤在许多情况下，钻杆柱还起着辅助作用：投送卡取岩心的卡料，输送测斜仪器以及输送材料等。⑥钻杆柱是钻探工作的
一个关键组件和重要环节。实践表明，钻探的工作效率和安全生产都取决于钻杆柱的可靠性。
2）钻杆柱的材质要求 :常规的钻杆是由不同成分的合金无缝钢管制成，合金成分有Mn（锰）、MnSi（锰、硅）、MnB（锰、硼）、MnMo（锰、钼）、MnMoVB（锰、钼、钒、硼）等，并且限制S、P等有害成分不得大于0．04％，以保证所需的质量。为了确保钻杆质量，轧制的钢管必须经正火和回火处理或调质处理。由于钻杆柱在回转工作过程中，经常与孔壁接触，外表面磨损严重。为了提高其外表面的抗磨能力，常常对钻杆表层进行高频淬火。
3）钻杆使用的优化 :在孔内工作的钻杆柱经受着各种载荷、磨损和侵蚀。随着工作时间的增加，钻杆柱被磨损、折断和侵蚀，为了降低钻杆柱的消耗量和增长其使用期限，正确地管理和使用钻杆柱是十分必要的。由完成一个钻孔的过程来看，钻杆的工作随着钻孔延伸而不断加长。第一根钻杆从开始使用服务钻进整个钻孔；而最后加的一根钻杆却仅仅使用了一次就终孔了。这样对这一批钻杆来说，磨耗和损伤是很不一致的。在优化使用方式的选择中，我们常用钻孔钻进时间Td与钻杆使用寿命Ti之比(KT=Td／Ti)来辨别。一般说，在地质钻探中，钻杆的寿命要比钻孔钻进时间高许多倍，即KT <1但在个别情况，钻孔很深，岩层研磨性很高或地质技术条件复杂时，KT也可能接近于1。所以，最优使用方式的选择都是在 KT≤1的条件下进行的。①变换使用方式:为了使钻杆消耗均匀，在一个钻孔使用后；在钻第二个钻孔时，将立根使用的次序颠倒过来。这称为变换次序使用法。② 综合使用方式:在钻孔深度达一半后，提钻时把这些立根依次放于立根台上待用。而在继续钻后一半钻孔时，将其他未用的一半立根依次接到立根柱，下人孔中。在继续向深部钻进时，把原上部用过的钻杆按相反的顺序，接到立根柱上继续使用。