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钻探工程概论复习题
一、简答题 每题10分
1. 根据岩石的变形特性，图示说明岩石的三种类型。
弹脆性岩石（花岗岩、石英岩、碧石铁质岩）在压头压入时仅产生弹性变形，至A点最大载荷为Pmax处便突然完成脆性破碎，压头瞬时压入，破碎穴的深度为h ［图 (a) ］。这时破碎穴面积明显大于压头的端面面积，即h/δ＞5。
弹塑性岩石（大理岩、石灰岩、砂岩）在压头压入时首先产生弹性变形，然后塑性变形。至B点载荷达Pmax时才突然发生脆性破碎［图 (b) ］。这时破碎穴面积也大于压头的端面面积，而h/δ=2.5～5，即小于第一类岩石。
高塑性（粘土、盐岩）和高孔隙性岩石（泡沫岩、孔隙石灰岩）区别于前二类，当压头压入时，在压头周围几乎不形成圆锥形破碎穴，也不会在压入作用下产生脆性破碎［图 (c)］，h/δ=1。
2. 什么是岩石破碎的体积破碎？
体积破碎 切削具上的载荷继续增加，接触压力大于或等于岩石硬度，切削具可有效地切入岩石，结果是：切削具在孔底移动时不断克服岩石的结构强度，切下岩屑，这种变形破坏方式称为体积破碎，这个区称为体积破碎区。体积破碎时，会分离出大块岩石，破碎效果好。
3. 什么是岩石的各向异性？对钻进有哪些影响？
沉积岩在平行于和垂直于层理面方向上的岩石物理力学性质具有明显差异，即各向异性。 岩石的强度具有明显的各向异性。垂直于层理方向的抗压强度最大，平行于层理的抗压强度最小，在与层理斜交方向上的抗压强度介于两者之间。
（2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间 可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来实施定向钻进。
（2）造岩矿物的颗粒越细，岩石越致密，岩石的弹性模量越大。岩石的弹性模量也具有各向异性，平行于层理方向的弹性模量大于垂直于层理方向的弹性模量。
沉积岩在平行于和垂直于层理面方向上的岩石物理力学性质具有明显差异，即各向异性。
4. 影响岩石硬度的因素有哪些？
（1）岩石中石英及其他坚硬矿物或碎屑含量愈多，胶结物的硬度越大，岩石的颗粒越细，结构越致密，则岩石的硬度越大。而孔隙度高，密度低，裂隙发育的岩石硬度将会降低。 （2）岩石的硬度具有明显的各向异性。但层理对岩石硬度的影响正好与对岩石强度的影响相反。垂直于层理方向的硬度值最小，平行于层理的硬度最大，两者之间 可相差1.05～1.8倍。岩石硬度的各向异性可以很好地解释钻孔弯曲的原因和规律，并可利用这一现象来
实施定向钻进。
（3）在各向均匀压缩的条件下，岩石的硬度增加。在常压下硬度越低的岩石，随着围压增大，其硬度值增长越快。
（4）一般而言，随着加载速度增加，将导致岩石的塑性系数降低，硬度增加。但当冲击速度小于10m/s时，硬度变化不大。加载速度对低强度、高塑性及多孔隙岩石硬度的影响更显著。
5. 钻探技术的基本构成是什么？
岩石与钻头；井眼轨道设计与控制；钻井液；优选参数钻井；油气井压力预测与控制；固井与完井；特殊复杂井钻井技术。
6. 简述硬质合金钻头的碎岩机理（文字与简图） 利用镶焊在钻头体上的硬质合金切削具，作为破碎岩石的工具，这种钻进方法通称为硬质合金钻进。显然，它是以破碎岩石的切削研磨材料而命名的。这类命名方式还有：金刚石钻进、钢粒钻进等。
硬质合金是一种坚硬材料，前面已经讨论过。但在实际使用中，硬质合金钻进只适用于钻进中等硬度以下的地层，即可钻性1 ～7 级和部分8 级地层。若在更为坚硬的岩层中钻进，则切削效果很差，切削具磨损很快或易折断而迅速失去钻进能力。当前，软的和中硬以下的地层，尤其是土层的钻孔工作，主要靠硬质合金钻进。 钻头上切削具切入岩石的必要条件是：切削具与岩石接触面上的单位压力必须大于（或最小等于） 岩石的抗压入硬度，即：py/s0>=Hr 式中Py ——单个切削具上的轴向压力； S0 ——切削具与岩石的接触面积； Hr ——岩石的抗压入硬度。
Py ≥S0Hr 是切削具切入岩土的必要条件。否则，切削具在井底就不能切入岩土，碎岩过程只能是切削具对岩土的表面磨蚀，碎岩效果很差。因此，在硬质合金钻进中，必须有足以使切削具切入岩石的轴向压力。
7. 金刚石钻头有哪些主要类型？
1. 按照金刚石包镶形式分类
表镶钻头。将颗粒较大的金刚石（15～100粒/克拉）镶在胎体表面。要求每颗金刚石镶嵌牢固，钻头的内外侧面均有保径金刚石。每颗金刚石有1/3～1/4出露在胎体表面。此类钻头用于中硬至坚硬比较完整的岩石。
孕镶钻头。将细粒和碎粒金刚石（15～400粒/克拉）或更细粉状金刚石与胎体金属粉混合
在一起，烧结在钻头上，用以钻进坚硬与较破碎的体层。胎体高度一般为8～10mm，其中金刚石孕镶层高度为3.5～4mm。钻进过程中，随着胎体磨耗而金刚石不断出露并逐渐磨耗。孕镶钻头硬度分为特软、软、中软、中硬、硬与特硬六种。胎体硬度范围为HRC15～60 2.按照钻头用途分类按钻头用途可分为取心钻头、不取心钻头、套管钻头（无内出刃）、特殊钻头（如扩张钻头、锥形钻头）等。
3.按照金刚石成因分类
按金刚石成因可分为天然金刚石钻头和人造金刚石钻头。
8. 地质岩心钻探与油气井钻探的主要区别在哪里？ 深度、底层情况、工艺要求（取心否） 9. 空气钻进技术有哪些优点？
钻进效率高： 空气钻进效率比一般钻进法约提高9 —11 倍。其原因是：孔底岩石减掉了钻孔内的液柱静压力， 有助于岩石最大限度地释放残余应力，使孔底岩石处于一种负压效应状态，借助切削具的碎岩作用， 岩屑呈“爆炸” 形式崩离岩体，从而提高了钻进效率。另外压缩空气以高速吹洗孔底、孔内干净， 几乎完全没有重复破碎，故在硬岩和深孔时， 钻进效率更为显著。
钻头寿命长： 空气钻进钻头寿命长，除上面提到的因素外， 还有一重要因素， 即当压缩空气经过钻头时，由于压力骤然降低， 在此大量吸收热量，有利于冷却钻头， 防止烧钻，并为切削具创造有利的工作环境。与一般钻进方法相比，钻头寿命可提高十倍以上。
能取得正确的地质资料：空气钻进以空气为循环介质，它不污染岩石和孔壁这不仅对洗井、抽水等工作有益，而且可以获取正确的水文地质资料。
空气钻进不用水：这在干旱缺水地区其优越性更为显著，同时可以避免因漏水而带来的堵漏问题和冲洗液、岩粉等对含水层堵塞的影响。 10. 什么是钻孔结构（也称井身结构）？
钻孔结构是指钻孔由开孔至终孔，钻孔剖面中各孔段的深度和口径的变化情况。一般来说，换径次数越多、钻孔结构越复杂；换径次数越少，钻孔结构越简单。在可能情况下，应使钻孔结构尽量简单 11. 套管在钻探工程中起什么作用？
钻探地质套管是供地质部门进行岩心钻探使用的钢管。套管又是钻探和钻井工作中下人钻孔内,用以保护孔壁封闭孔身的钢管。它的主要功用是防止孔壁坍塌,隔离地层,封闭涌水或漏水层、油气层。在开采井中,套管又是流体、气体生产的通道,例如水井、油气井、地热井、溶解类矿产的开采钻井等,都必须下入生产套管。地质钻探孔内的套管外径小,一般下入的套管也较浅,在钻探任务完成后要将套管起拔出来,可以继续使用。石油天然气下入的表层套管、技术套管和油层套管,在下入井内之后,都需要注水泥将套管与井壁固结起来,封闭死管外的环状间隙,套管就无法取出。即使无工业油气流的探井,下入了套管也一样丢弃在井内。供水井下入的套管称为井管,强度要求不高,井浅时可不用无缝钢管,用铸铁管。 12. 钻探设备包括哪些主要内容？
通常，主要类型的钻探设备均由钻机、钻塔－桅杆、泥浆泵等三部分构成 当然，对于一些大型钻探设备来讲，划分得可能会更细一点，如石油钻机就号称8大件：井架、天车、游动滑车、大钩、水龙头、绞车、转盘、泥浆泵。
我们现在以岩心钻探设备为例，简单介绍有关钻探设备设计的有关知识。 13. 什么是正循环钻进？什么是反循环钻进？反循环的形式有多少种？
反循环钻进与传统的正循环钻进相反，冲洗液自供水池，经过井口和钻杆与孔壁环状间隙，以自流方式流到孔底，然后携带岩粉通过钻杆内孔返回井口，并经过水接头和排渣管排到供水池，经沉淀澄清后重新流入孔内。
反循环钻进按照产生冲洗液上升流动的方式不同，可分为地表喷射反循环，泵吸反循环和气举反循环三种方式。
14. 钻进参数主要有哪些？各自起到什么作用？
钻压必须保证切削具切入岩石，以体积碎岩方式进行钻进。然后，依不同岩石性质（其中主要是岩石的压入硬度研磨性和抗剪强度），并考虑到钻进过程中工作刃的磨钝状况，充分发挥锋利刃的作用，力求达到最高的平均机械钻速（纯钻进效率） 和最大的钻头进尺来确定钻压值。
一般说来，岩石可钻性级别越低， 转速越大， 机械钻速越高，则所用的泵量应越大；孔径越大，所用的泵量也越大。
冲洗液量应保证把岩屑颗粒带出地表。 15. 影响地层可钻性的因素有哪些？
岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力。它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺 技术措施有关，
二、综述题 每题25分。
1. 钻探工程在国民经济建设中能够发挥哪些作用？
2. 泥浆在钻探工程中的重要作用是什么？
钻进过程中，用液体或气体的连续循环把孔内的岩屑冲洗或吹洗出来，称为钻孔冲洗。冲洗用的介质，不论是液体还是气体习惯上都被叫做冲洗液或钻井液(drilling fluid)
悬浮和携带岩屑及加重剂；
平衡地层压力和井壁侧压力，稳定井壁，防止井喷、井漏和井塌等事故的发生； 传递水功率，帮助和破碎岩石； 冷却和润滑钻头及钻具； 为井下钻具提供动力；
部分地支承钻柱和套管的重量； 从钻井液中获得所钻地层的地质资料 即冷却、排粉、润滑、支撑 3．为什么说上天难、入地更难？
4．钻探工程中体现了哪些现代工业技术进步？