岩土钻掘工程专业设计.docx

岩土钻掘专业课程设计

湖北XX铁矿钻探工程设计

作者姓名：毛大平

学 号： 200903040525

专 业： 勘查技术与工程（岩土钻掘）

设计日期： 2013年1月8日 星期二

42

目 录
第1章 前言 1
1.1 专业设计的目的意义 1
1.2专业设计内容要点 1
1.3工区概况 1
1.3.1 施工地区 1
1.3.2 探区自然经济及地理概况 1
1.3.3 钻孔目的 1
1.3.4 钻孔要求 1
第2章 钻孔结构 2
2.1钻孔结构设计要素 2
2.2确定钻孔结构的原则 2
2.3钻孔结构的确定 2
第3章 钻探设备和器材 3
3.1钻机的选择 3
3.2泥浆泵的选择 4
3.2.1 泥浆泵的流量 4
3.2.2泥浆泵的工作压力 5
3.3供水泵的选择 6
3.3.1供水方式的确定 6
3.3.2供水泵的选定 6
3.4动力机的选择 7
3.5钻塔的选择 7
3.5.1塔高的选择 8
3.5.2钻塔负荷量的计算及校核 8
3.5.3滑车装置的选择 9
3.5.4 钢丝绳的选择 9
3.5.5钻塔工作绳数 9
3.5.6天车荷载的计算与钻塔的校核 10
3.6附属设备 10
3.6.1水龙头 10
3.6.2吸水管和高压送水管 11
3.6.3绷绳 11
3.6.4提引器 12
3.6.5拧管机 12
3.6.6泥浆搅拌机 13
3.6.7照明发电机 13
3.6.8蓄电瓶 13
3.6.9其它附属材料 14
第4章 机场布置 15
4.1修筑场地 15
4.2建筑基台 15
4.3基台木的布置 16
4.3.1基台木的规格 16
4.3.2台木的布置 16
4.4钻塔及机械设备的安装 17
4.4.1钻塔的安装 17
4.4.2机械设备的安装 17
4.4.3.循环系统安装 17
4.5钻机场的布置 17
第5章 钻进方法 19
5.1钻头的选择 19
5.1.1.硬质合金钻头的选择 19
5.1.2.金刚石钻头的选择 20
5.2钻进规程参数的确定 21
第6章 钻孔冲洗液与护壁 24
6.1冲洗液的功用 24
6.2冲洗液选择及配制 24
6.3冲洗液性能测试的仪器 25
6.4护壁堵漏 25
6.5冲洗液的管理 25
第7章 岩矿芯采取 26
7.1 岩矿芯采取要求 26
7.2岩矿芯采取方法 26
7.3岩矿芯取芯操作要求 27
第8章 钻孔偏斜与测量 28
8.1 钻孔偏斜的原因 28
8.2钻孔偏斜的预防 28
8.3钻孔偏斜的测量 29
8.4钻孔偏斜的矫正 30
第9章 简易水文观测及封孔 32
9.1简易水文观测 32
9.1.1 观测内容 32
9.1.2 观测工具和方法 32
9.1.3观测操作注意事项 32
9.2封孔 33
9.2.1封孔的目的 33
9.2.2填封段的确定 33
9.2.3封孔材料的选择及浆液的配置、灌注 33
9.2.4封孔质量的检查 33
第10章 经济预算与施工计划 34
10.1成本预算 34
10.2钻探取费 35
10.3施工计划 36
第11章 组织管理及安全技术 37
11.1施工现场组织机构 37
11.2施工过程的进度管理措施 38
11.3安全生产措施 39
11.4文明施工与环境保护措施 39
总结 40
参考文献 41
附1：钻孔结构柱状图 42
附2：钻孔地质钻探技术指示书 43

第1章 前言
1.1 专业设计的目的意义
通过本次专业设计，初步训练运用岩土钻掘工程理论解决实际生产问题的能力，较全面地整合以往所学专业知识，达到学以致用的目的，为今后的生产实习与毕业设计打好基础。
1.2专业设计内容要点
专业设计的主要内容包括钻探设备的选择与布置安装、钻进方法及工艺参数、钻孔冲洗液与护壁堵漏、岩矿芯采取措施、防斜纠斜方法以及钻探经济成本、施工组织管理与安全措施的编制。针对设计中所选择的设备、方法、参数均要做到有据可依且论据充分。
1.3工区概况
1.3.1 施工地区
施工地区：湖北xx铁矿。
1.3.2 探区自然经济及地理概况
山区，交通不便，需修简易公路3km。无电源，距孔位300m处有溪流，高差130m，施工期最大风力1.5kpa。
1.3.3 钻孔目的
钻孔目的：求C级储量。
1.3.4 钻孔要求
终孔直径 ≥59mm，岩心采取率>65％，矿心采取率＞85％，坡积层可不取心，顶角允许偏差2°/100m。作简易水文观测，按规范封孔。
第2章 钻孔结构
2.1钻孔结构设计要素
钻孔结构是指开孔至终孔孔身直径的变化和相应孔径对应段的孔身长度。钻孔结构包括钻孔深度、钻孔直径、换径次数三要素。钻孔结构的复杂程度取决于地层岩性和钻探技术水品，结构越复杂，钻进效率越低，成本越高，孔内事故出现的次数越多。
2.2确定钻孔结构的原则
以终孔直径做为拟定钻孔结构的标准，对照理想岩层剖面自下而上拟定各段的口径和开孔直径。在保证钻孔质量和安全钻进的前提下，尽可能地采用泥浆护孔从而减少或不下套管和少换径，最大限度地简化钻孔结构，以提高钻进效率。
2.3钻孔结构的确定
钻孔设计指示书中已要求终孔直径为59mm。地质剖面为：0m至15m主要以坡积层为主；从15m至305m为灰岩，岩石裂隙、溶洞发育，严重漏失，可钻性为6级；305m至380m为较完整的大理岩，可钻性为7级；380m至450m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；450m至530m为可钻性为7级的较完整的闪长岩；530m至680m为矽卡岩、磁铁矿，局部硬、脆、碎，研磨性弱，可钻性为8级岩；680m至700m为较完整的大理岩，可钻性为8级。
分析地质剖面得：钻孔结构为：0m～15m用φ91mm开孔，下入φ89mm孔口套管；从15m至305m换用φ75mm钻头，并下入φ73mm套管；从305m开始换用φ59mm钻头；配置性能优良的泥浆进行钻进，采取有效的防斜纠斜措施，一径到底。钻孔结构图见附1。
第3章 钻探设备和器材
3.1钻机的选择
钻机是钻探中最主要的设备，选择钻机的依据是钻孔结构和钻进方法。由于此地层较硬，为提高钻进效率，缩短工期，减少钻井成本，则可初选金刚石钻进，据此为了满足金刚石钻进所需的较高转速，必须选用具有多个高速档位的钻机，又由于钻进深度700m，终孔直径为59mm，开孔直径为91mm，所以选择地质系统液压立轴式岩心钻机XY-4型岩心钻机。其解体性能良好。其参数见表3-1，外形如图3-1所示。
表3-1 液压立轴式岩心钻机XY-4技术参数表
钻进深度（ｍ）
850 950
钻杆直径（㎜）
50 55
钻孔直径（㎜）
150
钻孔倾角（0）
0-360
回
转
器
通孔直径（㎜）
68
转
速
正（r/min）
101,187, 267, 311, 388, 547, 819, 1191
反（r/min）
83, 251
给
进
机
构
型式
液压双缸
上顶力（KN）
80
给进力（KN）
60
给进行程（㎜）
600

升
降
机
型式
行星式带水冷
最大提升力（kn）
30
提升速度（ｍ/ｓ）
0.82 1.51 2.16 3.13
卷筒直径（㎜）
285
钢绳直径（㎜）
16
容绳量（ｍ）
90
移动液压缸行程（㎜）
400
动
力
机
型式
495
功率（KW）
36.75
转速（ｒ/min）
2000
液
压
缸
型式
BC-32/80
工作压力
8
流量（l/min）
32
外型尺寸（㎜）
2640×110×1750
生产单位
黄海机械厂

图3-1 XY-4型钻机
3.2泥浆泵的选择
泥浆泵的作用是把泥浆从泥浆池中泵送到钻杆内，使冲洗液在钻孔内形成循环，以便排出岩粉和冷却钻头，在钻进过程中起重要作用。
3.2.1 泥浆泵的流量
流量即是泵量，它的确定是与钻进方法相适应，以保证有效的排出岩粉和冷却钻头为前提。冲洗液量的确定可用公式：
Q=βFV=βπ4(D2-d2)V
式中：Q——冲洗液量——m3/s
β——上返流速不均匀系数——β=1.1～1.3
F——最大上返环状空间过流断面面积—— m2
D——由最大钻头外径决定的孔径或最大套管内径—— m
d——钻杆外径—— m
V——冲洗液上返流速—— m/s
在算出各孔段所需泵量后，选其中最大值作为选定泥浆泵的依据。各孔段所需泵量见后面钻进参数。
3.2.2泥浆泵的工作压力
泥浆的工作压力不是钻进规程参数之一，但冲洗液要在孔内循环管道中流动就必须克服各种留着阻力。泥浆泵工作压力的大小反映了泥浆流动的畅通程度。该孔深度不大，循环阻力也较小，常用的泵一般都能满足要求。
根据上面所述，选用国内往复式泥浆泵BW-250型，技术参数见表3-2，外形见图3-2。 图3-2 BW-250型往复式泥浆泵
表3-2 BW-250型往复式泥浆泵技术参数
类型
卧式三缸单作用活塞泵
变量方式
变速箱四级变速和更换两级缸套
流量级数
8
流量(l/min)
35；60；96；166；52；90；145；250
额定排出压力（MPa）
7；7；6；4；6；6；4.5；2.5
吸入高度（ｍ）
2.5
输入功率（KW）
15
输入轴转速
500
缸径（㎜）
80；65
活塞行程（㎜）
100
活塞往复次数（次/分）
42；72；116；200
吸水管直径（㎜）
75
排水管直径（㎜）
50
重量（kn）
5（配柴油机）
外形尺寸
1100×995×650
生产厂
衡阳探矿机械厂

3.3供水泵的选择
3.3.1供水方式的确定
据任务书得知，水源距钻孔孔位高差达300m，从经济合理性和用水需求综合考虑，建立二级泵站满足用水要求。一级泵站建在水源处，在旁边挖一蓄水池，将水用水管引入蓄水池，再用水泵向二级泵站供水。二级泵站建立在半山空地处，与一级泵站高差为150m利用原地的一天然土坑加以修理后，作为蓄水池。
3.3.2供水泵的选定
在各个泵站和机场都有蓄水池，故流量要求不是很大。只需考虑扬程问题。
供水泵的扬程表示供水泵能将水在垂直方向上抬升的高度。计算式为：
H=Z+△H
式中：Z——相邻泵站的高度差；
△H——相邻泵站间整个送水管路的阻力损失的总和，用水柱高度表示。
假设一两级泵站间管路总长约600m，两个泵站间平均为300m，整个送水管路采用112''普通输水管水管，内径按38mm计算。初选BW-250型泥浆泵，流量按最小计算，即Q=35L/min。则管路流速为：
v=QA=35×10-3×16014×3.14×0.0382m/s=0.5m/s
查钻探手册得每百m长管路水头损失为1.2m水柱，1000m总水头损失为
△H=10x1.2=12m
所以，H=Z+△H=500+12=512m
BW-250型泥浆泵的额定排出压力最大为7MPa，即是700m水柱，在使用时需用7MPa或6MPa的排出压力的档位才能满足要求。
泵的技术参数见表3-3，外形见图3-3。 图3-3 BW-250型往复式泥浆泵
表3-3 BW-250型泥浆泵技术参数表
类型
卧式三缸单作用活塞泵
变量方式
变速箱四级变速和曲柄两级变速
流量级数
8
流量(l/min)
35 60 96 166 52 90 145 250
额定排出压力（MPa）
7 7 6 4 6 6 4.5 2.5
吸入高度（ｍ）
2.5
输入功率（KW）
15
输入轴转速
500
缸径（㎜）
80
活塞行程（㎜）
100
活塞往复次数（次/分）
42 72 116 200
吸水管直径（㎜）
75
排水管直径（㎜）
50
重量（kn）
5.00（不含动力机）
外形尺寸
1100×995×650（不含动力机）
生产厂
衡阳探矿机械厂
3.4动力机的选择
钻探设备的流动性大，钻机场又是相对独立的生产单位。因此动力机械要求使用和维护方便、经济、单位功率重量小，便于搬迁。该矿区无电源，故全部采用柴油机。钻机、泥浆泵使用的柴油机都是在购买时已配好的，其余动力机根据现场情况进行配备，具体类型、数量见表3-4。
表3-4 动力机种类、数量
类型
数量(台)
用途
功率（kw）
Y225S-4 495型柴油机
1
钻机用
36.75
290型柴油机
4
泵用
15
Z2-32型柴油机
1
发电机用
1.7
3.5钻塔的选择
钻塔是钻探施工中用于悬挂滑车系统进行起、下钻具和套管的设备。它的类型和结构应根据孔深、钻孔倾角、大钩载荷及搬迁的方便程度等综合选用。
3.5.1塔高的选择
钻塔的高度取决于钻孔深度和起下钻时的立根长度。钻孔越深，立根应越长，钻塔就应越高。钻塔在吊起立根时，顶部应有一定的安全距离，所以初步确定钻塔高为：
H=K∙L=1.3×13.5=16.875m
式中：H——钻塔高度；m
L——立根长度(m)。 施工用的钻杆单根长度为4.5m，三根单根构成一根立根，为13.5m；
K——安全高度系数。与起、下钻工具尺寸和提钻安全高度有关，一般可取1.25～1.4，立根短，提升速度快时，取大值，此处取1.3。
查设计钻探手册，选择四角管子钻塔，依据本钻孔为直孔以及钻孔深度，初选塔SG18，其性能参数详见表3-5。
表3-5 SG18钻塔性能参数表
名义高度（m）
18
钻孔深度（m）
600—1000
立根长度（m）
13.5
底层尺寸（m2）
4.5x4.5
顶层尺寸（m2）
1.2x1.2
层数（曾）
11
重量（kg）
3800
有效负荷（kn）
550
结构特点
预加拉力交叉柔性复杆系
3.5.2钻塔负荷量的计算及校核
①提钻具时的大钩载荷：
Qdg=kαqL1-r1r2sinθ=2×1.05×700×7×1-1.058.0sin90°=85kN
式中：Qdg——大钩载荷；
q——每m钻杆柱的质量，内加厚φ50钻杆为7kg/m；
L——钻杆柱的长度；
r1——冲洗液比重，根据后面所配泥浆的密度，大约平均值为1.05g/cm3；
r2——钻杆钢材比重，8.0g/cm3；
ａ——接头重量修正系数，由于采用接头连接ａ=1.05；
θ——钻孔倾角；
K——卡阻系数，K=1.5～2，浅孔取小值，深孔取大值，此处取2。
②提套管时大钩载荷
当下入套管时，提升的只是套管自身的重量，数值是比较小的。
当钻孔完毕，要拔出孔内套管时，由于套管与地层有摩擦阻力，此时的提升力比下套管时大的多，所以按拔套管时的力计算。
Qdg=k1αqLsinθ=2×1.05×11.54×305×sin90°=74KN
取①、②结果的大值作为大钩载荷，即是Qdg=85KN。经校核钻塔满足要求。
3.5.3滑车装置的选择
地质系统使用的滑动滑车已经表转化，有单轮、双轮和三轮三种结构。根据大钩载荷，孔深可选择单轮游动滑车，负荷能力100KN。用死绳端的滑车系统时，载荷对称。
3.5.4 钢丝绳的选择
由于用XY—4钻机，所以钢绳的直径已经确定，用17.5mm的钢绳.
3.5.5钻塔工作绳数
滑车系统的工作绳数就是系在游动滑车上的钢索根数，由大钩载荷与升降机提升能力（PJ）确定。
m=QdgPjη滑
而m与滑车系统的效率关系见表3-7。
表3-7 m与滑车系统的效率关系
m
1
2
3
4
5
6
η
0.97～0.96
0.95～0.93
0.92～0.90
0.90～0.88
0.87～0.85
0.85～0.82
先假设滑车系统效率η=1，那么
m=QdgPjη滑=8530×1=2.8
由m=2.8，查得η=0.95，带回去有：
m=QdgPjη滑=8530×0.92=3.01
m值应是整数,并且只能比所算的值大，不能比它小，故取m=3。
3.5.6天车荷载的计算与钻塔的校核
理论初步计算需要双根钢绳就能满足提升需要。在实际中，当安装成无死绳的滑车系统时，天车载荷为：
Q0=Qdg1+1mη滑=45×1+12×0.95=69kN
当安装成有死绳的滑车系统时。这种系统将对钻塔产生不对称载荷，此时天车载荷为：
Q0=Qdg1+2mη滑=45×1+22×0.95=92kN
钻塔天车额定载荷是150KN，通过以上的计算得出钻孔施工中对天车产生的载荷最大值是92KN，小于钻塔天车额定载荷，所以钻塔不会超负荷工作，即SG18钻塔是满足要求的。
3.6附属设备
3.6.1水龙头
水龙头装在主动钻杆的上端，并有弯接头与泥浆泵的高压胶管相连，将高压冲洗液输送到钻杆内。在钻进过程中，主动钻杆在转盘的带动下与钻杆一起转动，但高压胶管不能转动。因此，水龙头必须有旋转部分。为了避免钻井液漏失，必须有密封装置。
3.6.2吸水管和高压送水管
吸水管一端连接在泥浆泵吸水管接头上，另一端连接滤水器，放在泥浆池内。送水管连接在泥浆泵排水管接头与水龙头之间，向钻杆内输送钻井液。泥浆泵具有一定的排出压力，送水管要能承受住此压力。在此选用高压胶管送水，直径与BW-250型泥浆泵相配，选为32mm，管壁夹有多层帆布和钢丝，吸水管直径50mm。
3.6.3绷绳
绷绳是用来加固钻塔，保持在风载和其他水平载荷作用下的稳定。一般要求钻塔每根塔脚各设一根，系于塔高3/4处。然而，每个钻塔都设计的有自己的绷绳安装位置，所以绷绳安装在本身设计的位置上，且相邻两根绳间的夹角为90°，四绳对称布置，每根绳上都要安装拉紧器，以利绷紧绷绳。除此之外，要在地下打入具有足够承受能力的锚桩，将绳的下端系于锚桩。
迎风面上风力作用点离地面高度为h：
h=13HB+2bB+b=7.26
式中：
B——钻塔的最低层宽度（m）；
b——钻塔的顶部宽度（m）；
H——钻塔的高度（m）。
如要钻塔的稳定，风载的倾倒力必须小于钻塔的稳定力矩：
稳定力QM=38KN
稳定力矩为：
QM∙B2=38×4.52=85.5KN∙m
风载倾倒力矩为：
PW∙h=p∙s∙h=p∙sn∙kf∙h=1.5×103×12×18×1.2+4.5×1×7.26=558.65 KN∙m
式中：
PW——风载，PW = ps；
p——单位面积上的风载，即风压1.5KPa；
s——钻塔承风面积，s=sn·kf；
sn——由钻塔外围廓围起的平面在垂直于风向的平面上的投影面积；
kf——挡风系数，有塔围取1，无塔围取0.15～0.20，此处取1。
因为PW∙h>QM∙B2 ，所以必须用绷绳加固钻塔。
计算绷绳拉力：
QM∙B2+T∙C1=PW∙h∙η
图3-4 绷绳受力分析
式中：C1=C·sinα (α为绷绳与地面间的夹角，45°)
η=1.5～2，储备系数。
r是绷绳在拉力平面上的夹角，如图3-4所示。
T1=T2sinγ=PW∙h∙η-QMB22Csinαsinγ

C=18+4.5-4.5-1.22=20.85m

经过图上分析得γ=60°
T1=558650×1.8-855002×20.85×sin45°sin60°=17828N
选择绷绳规格见表3-8。
表3-8 绷绳规格
直径
钢丝总断面积
参考重量
钢丝绳公称抗拉强度 MPa
钢丝绳
钢丝
1700
mm
mm2
Kg/100m
钢丝破断拉力总和N≥
钢丝绳规格：绳6X37股（1+6+12+18），纤维芯
8.7
0.4
27.88
26.21
47300
3.6.4提引器
采用普通提引器，其结构简单，体积小，重量轻，容易制造。它是使用最多的一种提引器，但必须有人在塔上摘挂提引器。
3.6.5拧管机
拧管机是使用立轴式钻机时，配置在孔口拧卸钻具的机具。由于使用的是Φ50钻杆，选用的拧管机型号和技术参数见下表3-9。
表3-9 拧管机技术参数
拧管机类型
动力机
减速器类型
最大扭矩N•m)
转速（r/min）
钻杆直径（mm）
通孔直径（mm）
外形尺寸（mm）
重量（kg）
液压式NY-1型
液压马达
两极圆柱齿轮
油缸卸扣6530
70，200
42，50，60
135
590×380×352
95
3.6.6泥浆搅拌机
岩心钻探一般采用0.5—1.0 m3的泥浆搅拌机，选用的搅拌机类型见表3-10。
表3-10 泥浆搅拌机性能参数
类型
规格（m3）
机轴转（r/min）
搅桶有效容（m3）
搅拌泥浆能（m3/h）
JW-1
1
60
1
1～2
3.6.7照明发电机
此孔没有电源，动力机采用柴油机时，应考虑供照明用的发电机。由于只是供机场照明用，功率不需要很大。选用的发电机类型见表3-11.
表3-11 发电机性能参数
类型
额定功率（kW）
额定电压（V）
额定电流（A）
额定转速（r/min）
效率（%）
单机重量（kg）
Z2-32
1.7
230
7.4
1450
78
76
3.6.8蓄电瓶
钻机上的柴油机不仅质量大，而且启动阻力很大，根本无法用手动式启动，必须配备专门的电启动装置。因此每台钻机要准备两个启动用铅酸蓄电瓶，以交换轮流使用。
3.6.9其它附属材料
除了上述的附属设备外，还必须准备好φ73mm的套管、套管公锥、扩孔器、自由钳、处理孔内事故的工具等其它相关材料、设备，见表3-12.。
表3-12 设备、管材一览表
序号
名称
型号
单位
数量
备注
(一) 钻探设备、机具
1
钻机
XY-4
台/套
1
黄海机械厂
2
钻塔
SG18
付
1

5
泥浆泵
BW-250
台
1
衡阳探矿机械厂
6
供水泵
BW-250
台
2
衡阳探矿机械厂
7
拧管机
NY-1
台
1
重庆探矿机械厂
8
泥浆搅拌机
JW-1
套
1

9
照明发电机
Z2-23
台
1

(二)管材
1
钻 杆
Φ50×6.5
根
120
钻 杆
2
套 管
Φ89×4.5
根
4

3
套 管
Φ73×4.5
根
68

4
岩心管
Φ57×3.75
根
2
备用
5
取粉管
Φ57×1.5
根
2
备用
6
钻杆锁接头
Φ57
付
100
外径尺寸放大
7
其他所需工具若干

第4章 机场布置
4.1修筑场地
钻探机场是钻进施工活动的场所，主要用于安装钻塔，钻探设备，设置冲洗液循环槽、沉淀池等循环系统，以及放置必要的管材物资等，必要时还安置工人们的生活营地。机场的修建应根据地质设计的要求（孔位、孔深、方位、倾角）和施工安全、方便、节约的原则进行。
钻孔为直孔无需定向，平机场时要考虑使钻塔的一角或无门的一侧迎着施工期间的主要方向（如果了解钻区长年的风向情况）。一般地，机场地盘应比基台每边大出1～2米。机场场地必须平坦坚实，稳固，适用，保证在其上布置的基台和安装的钻塔及机械设备不会发生陷塌、溜方歪斜，在整个施工期间自始至终都能安全顺利进行，据任务书，选择浅槽基础作为机场场地基础，示意图如图4-1所示。 1-基台木 2-基台枕
钻机的地盘面积见表4-1。 图4-1 浅槽地基示意图
表4-1 钻机的地盘面积
钻机类型
地盘面积
总面积(M2)
长X宽（m）
XY-4
143
13X11
4.2建筑基台
安装钻探设备的基台是在修筑完毕的地基上用数根基台木，根据所用钻探设备的类型，按一定的规格和形式排列，分上下两层交错并用螺栓连接而成。下层为横枕，上层为顺枕，横顺枕的主要交错处，一定要成直角并用螺栓连接固定。钻塔、钻机的地脚螺栓也应连接在横顺枕的交接点上 ，如图4-2所示。
图 4-2横顺枕交错连接图
4.3基台木的布置
4.3.1基台木的规格
机台木的长度应比钻塔底边长0.5米，数量为9根（8长1短），断面尺寸与钻进孔深有关。
设计孔深700米，因此选用XY-4型钻机配用的断面尺寸200x200（mm）。横枕长11.3+0.5=11.8米，顺枕长5.0+0.5=5.5米。
4.3.2台木的布置
布置基台木时，必须先了解所安装的钻机机座上地脚螺栓孔间的距离以及立轴中心（垂直位置时）与机座前排孔间的距离，方可确定钻机得安放位置（斜孔时需进行计算）。然后再机台上钻好相应位置的固定钻孔。以便把钻机与基台螺栓固定在一起。XY-4钻机机座螺栓孔的位置尺寸见表4-2，基台木的连接方式如图4-1所示，基台木的布置如图4-3所示。
表4-2 XY-4钻机机座螺栓孔的位置尺寸
机座前排螺栓孔中心连线到立轴中心的垂直距离
260mm
机座左右两排螺孔间的距离
1000mm
主动圆锥齿轮中心至机座底部的垂直高度
1100mm
图4-3 基台木布置图
4.4钻塔及机械设备的安装
4.4.1钻塔的安装
钻塔的安装常有分层和整体安装法两种。此次采用的是四脚管子钻塔，高度大，质量重，必须采用分层安装法，即用人力自下而上的逐层安装。
4.4.2机械设备的安装
安装设备时必须注意下列问题：
（1）设备安装好后，必须达到周正水平，稳固的要求。
（2）钻机立轴中心线与天车前轮缘、孔口中心线必须在一条直线上。
（3）固定钻机底座和连接机台木的螺杆必须符合规格，并应带垫片和防松螺帽拧紧，以防松动和避免拧紧螺丝而损坏机台木。
（4）各设备的安装位置应方便操作和确保工作的安全。
4.4.3.循环系统安装
循环系统包括水源箱（池）、循环槽、沉淀池，系统的规格应根据孔深，岩层性质，冲洗液携带岩屑的能力合理确定。为了充分的沉淀岩屑，循环槽尽量长，但该孔位地层多为灰岩和其它较坚硬的岩石，产生的岩屑不多，综合机场的布置确定循环系统为：一个沉淀池，规格为1×1×1m3；一个水源池，规格为2×2×1m3；循环槽按实地情况合理布置。布置示意图见图4-4。
槽的端面尺寸不得太小，否则流速过大，起不了沉淀的作用。槽尺寸设计为高200mm，宽250mm.孔口--沉淀池--水源池的坡度是1/100，以保证循环畅通。系统布置在离左后塔脚1米并靠近泥浆泵的地方。沉淀池中上下交错安装挡板，循环槽中可以适当放些筛网或树枝，起到过滤岩屑的作用。还要防止外来水进入循环系统，在冬季需防寒，以免冰冻或影响泥浆性能，并随时清理沉淀池、循环槽内的岩屑，布置示意图如如4-6所示。
图4-4 循环系统布置示意图
4.5钻机场的布置
机场的布置必须合理紧凑，材料的堆放不得影响到起下钻操作，尽量整洁美观。机场布置见图4-5。
图4-5 钻机机场布置图

第5章 钻进方法
钻进方法的确定应根据岩石的可钻性、研磨性、硬度、完整程度等因素综合确定。钻进软的及中硬以下的岩层时，碎岩机理以切削碎岩为主，可以用回转方法配合硬合金钻进。对于硬及坚硬的地层，尤其是脆性大、易打滑的地层，碎岩机理以压碎、剪切为主，可以采用金刚石回转冲击钻进。
根据钻孔的底层条件（详见表5-1）以及钻孔结构，选用传统回转钻进方法。选择硬质合金钻进与金刚石钻进相结合的钻进方法：在0~15米段用φ91mm硬质合金钻头钻进，在15米以下选用φ75mm，φ59mm的金刚石钻头钻进至终孔700m处。
表5-1 地层岩石性质表
孔深（米）
柱状剖面
可钻性等级
研磨性
压入硬度（Mpa）
完整程度
0~15
坡积层
3
低
20~75
松散
15~305
灰岩
6
较高
360
裂隙溶洞发育，严重漏失
305~380
大理岩
7
极低
95~130
较完整
380~450
矽卡岩、磁铁矿
8
中下
400~500
局部硬脆碎，研磨性弱
450~530
闪长岩
7
高
410
较完整
530~680
矽卡岩、磁铁矿
8
中下
400~500
局部硬脆碎，研磨性弱
680~700
大理岩
8
极低
95~130
较完整
5.1钻头的选择
5.1.1.硬质合金钻头的选择
此钻孔0~15米坡积层粘土，可钻性为3级，故选用螺旋肋骨式合金钻头。此型钻头采用K572型号硬质合金。钻头外侧有三块与钻头底唇面水平呈450角的螺旋肋骨，材料为35号钢。螺旋肋骨之作用在于能使冲洗液成螺旋状上升，加速孔底岩粉上升速度，保证孔底清洁，减少孔内阻力，从而提高钻进速度。在使用此型钻头时，为使钻进平稳，避免钻孔弯曲，必须采用较钻头体直径大一级的岩芯管或特制较大一级直径的岩芯管接头。
此类钻头经试用证明在Ⅱ~Ⅳ级松软地层中钻进能力能大大提高效率。一般钻速达12m/h，除去倒杆时间的纯机械钻速可达25~40m/ h，最高达54m/h。其结构示意图如图5-1所示，有关参数见表5-2。

图5-1 螺旋肋骨钻头结构示意图

表5-2 钻头有关的参数
钻头直径（mm）
D
D1
d
L
肋骨数
硬质合金数量
93/57
91
75
61
8
3
9
5.1.2.金刚石钻头的选择
金刚石钻头分为表镶和孕镶金刚石钻头，根据地层的岩性特征选择钻头，其钻孔15米以下底层部分硬、脆、碎的岩性特征、可钻性等级为6~8级，选用孕镶金刚石钻头。对孕镶金刚石钻头而言，因为它的金刚石出刃非常小，故它的主水路不是钻头唇面与孔底间隙，而是水口。用于冷却与排粉的水流主要通过水口与水槽。因此，孕镶钻头往往设计成多水口、小水口，这样对于防止烧钻有利，孕镶金刚石钻头结构示意图如图5-2，有关参数见表5-3。
图5-2 孕镶金刚石钻头结构示意图

表5-3 孕镶金刚石钻头的有关参数
钻头直径（mm）
*金刚石的粒度（目）
胎体硬度（HRC）
金刚石的浓度（%）
75
60
45
100
59
80
55
100
注：*所选金刚石为人造金刚石，400%浓度制。
5.2钻进规程参数的确定
硬质合金钻进段：0～15m为坡积层冲击碎石粘土，透水性较强，采用轻压、慢转、小泵量钻进。
1.钻压（P）
P=p×m（经验公式）
式中：
P——每颗切削具上应有的压力，根据地层选用0.6KN/颗；
m——钻头唇面上的切削具的数目取9颗。
P＝0.6×9＝5.4 KN
2.转速（n）
V＝3.14×Dn/60
n＝60×V3.14×D
式中：
D——钻头平均直径（m），取0.091m；
V——钻头的线速度（m/s），取1.2m/s。
n=252～336 r/min
根据XY-4型钻机的转速，取267 r/min
3.冲洗液量（Q）
Q=βFV=βπ4(D2-d2)V
式中：
β——径不规则引起的上返速度不均匀系数，取1.1；
D——钻孔直径,91mm；
d——钻杆外径，50mm；
V——外环空间的上返速度，取0.3m/s。
Q＝123 L/min
根据BW-250型钻机的流量，取145 L/min
金刚石钻进段：15～700m，主要为灰岩、大理岩、矽卡岩、磁铁矿、闪长岩，采用孕镶金刚石钻头。
1.钻压（W）
W=F·q (KN)
式中：
F——钻头实际工作唇面面积；
q——单位低唇面面积上允许的压力，中硬岩石：0.4～0.5 KN/cm2,坚硬岩石：0.6～0.7 KN/cm2
φ75mm W=6～ 10KN

φ59mm W=4.5～ 8.5KN
2.转速（n）
n＝60×V3.14×D

孕镶金刚石钻头线速度推荐值为1.5～3m/s。
n=382～971 r/min
根据XY-4型钻机的钻速，取819 r/min
3.冲洗液泵量（Q）
Q=6vF
式中：
V——环间的上返速度，金刚石钻进要求v=0.3～0.5m/s，选v=0.4 m/s;
F——钻孔的环空面积。
Q=39L/min
根据BW-250型钻机的流量，取35、60L/min ，直径为75mm的金刚石钻头冲洗液推荐值为40～60L/min；直径为59mm的金刚石钻头钻进所需泵量的推荐值：30～45 L/min。
综上所诉，该孔钻进方法可见表5-4。

表5-4 钻进方法一览表
层数
钻进方法
钻头类型
钻压
转速
冲洗液量
0～15米
硬质合金
φ91mm螺旋肋骨式 合金钻头
5.4KN
267r/min
145L/min
15～305米
金刚石钻进
Φ75mm孕镶金刚石钻头
6～10KN
819r/min
145L/min
305～700米
金刚石钻进
φ59mm孕镶金刚石钻头
4.5～8.5KN
819r/min
38L/min

第6章 钻孔冲洗液与护壁
6.1冲洗液的功用
（1）清洗孔底，悬浮和携带岩粉。
（2）冷却钻头，提高钻头的使用寿命。
（3）润滑钻头和钻具，减弱钻具振动。
（4）形成泥皮，保护孔壁。
（5）输送岩芯。
（6）传递动力的工作介质。
6.2冲洗液选择及配制
由于0~15米是切孔段不深，是坡积层松散粘土，为硬质合金钻进，因此可以选择清水钻进，矿化度较高的或其他矿化质多的清水要做适当处理。
15~700米是中硬、较硬的局部脆、碎的,裂隙、溶洞发育且严重漏失地层，由于金刚石破碎的粒级<10um，破碎粒级就会做布朗运动，除去无固相就是当务之急；同时金刚石钻进需高转速，故需用不分散低固相泥浆。其作用机理是：保持钻井液中的粒子具有合理的粒度，使泥饼致密；提高粘土颗粒的水化程度；提高滤液粘度，降低滤失量，降低孔壁掉块的发生。其配料有：膨润土、水、纯碱、CMC（降滤失剂）、PHPA（选择性絮凝剂）、等。其配料用量及性能如表6-1中：
表6-1 冲洗液配方表
配方
性能
材料名称
加量
项目
指标
钠土
3~5%
密度/g.cm-3
1.05
漏斗粘度/s
18
纯碱
7%
初切力（dyn/cm2）
20
终切