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第一章钻探史话1

第一节中国古代钻探史话1

一、中国古代盐井钻凿技术发展的三个阶段1

二、清代（1644—1910年）的深井记录15

三、中国古代钻探史话主要大事记16

第二节 近代金刚石钻探简史20

第三节新中国金刚石钻探发展概况30

一、中国硬至坚硬岩石用钻探磨料变革经历的四个阶段30

二、金刚石钻探发展的大事年表31

三、金刚石钻探的主要成就与收获33

参考文献38

第二章金刚石40

第一节金刚石的分类40

一、天然金刚石40

二、人造金刚石41

第二节金刚石的化学成分、晶形和性质42

一、金刚石的化学成分42

二、金刚石的晶形43

三、金刚石的性质44

第三节天然金刚石的品级和粒度52

一、天然金刚石的分级依据52

二、各国（公司）钻探用天然金刚石分级概况53

三、我国钻探用天然金刚石分级情况53

四、钻探用天然金刚石品级举例55

五、钻探用天然金刚石粒度57

第四节人造金刚石的品级与粒度60

一、人造金刚石品级60

二、人造金刚石粒度64

第五节钻探用聚晶和复合片68

一、聚晶烧结体68

二、金刚石复合片72

第六节 其它超硬材料77

第七节金刚石性能检测80

一、天然金刚石检验80

二、人造金刚石检验81

三、人造金刚石聚晶和复合片耐磨性检测81

第八节金刚石的预处理方法83

一、金刚石的整粒处理84

二、浑圆化处理84

三、抛光处理86

四、金属镀膜处理87

第九节人造金刚石的合成方法87

一、几种合成方法简介87

二、常用的单晶、聚晶和复合片的合成88

参考文献91

第三章金刚石钻头的设计92

第一节 金刚石钻头的唇部造型92

第二节金刚石钻头胎体性能与岩石物理力学性质的关系98

一、胎体硬度99

二、胎体抗冲蚀性99

三、胎体耐磨性109

四、胎体的热性能112

五、胎体的抗冲击韧性114

六、胎体的抗弯强度115

七、胎体的密度116

八、胎体对金刚石的包镶能力117

第三节金刚石钻头胎体中金刚石参数的设计118

一、金刚石在胎体中的浓度（密度）119

二、金刚石的粒度121

三、金刚石的质量124

四、金刚石的出刃125

五、金刚石在胎体上的排列126

六、金刚石在钻头保径层的排列130

第四节金刚石钻头的水路系统133

一、钻头的水力学参数133

二、钻头的水路设计137

参考文献144

第四章金刚石钻头146

第一节金刚石钻头分类146

一、按用途分类146

二、按金刚石镶嵌形式分类147

三、按金刚石磨料分类148

第二节地质（矿山）金刚石钻头系列品种148

一、我国地质（矿山）钻头品种代号148

二、单管金刚石钻头150

三、普通双管金刚石钻头151

四、绳索取心金刚石钻头159

五、底喷式金刚石钻头165

六、金刚石全面钻头167

七、水力反循环金刚石钻头168

八、新型金刚石切磨材料钻头170

九、经济钻头174

十、特种专用金刚石钻头175

第三节石油金刚石钻头178

一、石油金刚石全面钻头178

二、石油金刚石取心钻头180

第四节大直径工程地质金刚石钻头183

一、工程地质金刚石钻头系列183

二、大直径工程地质金刚石钻头品种183

第五节薄壁金刚石工程钻头188

一、薄壁金刚石钻头的用途188

二、薄壁金刚石钻头规格系列190

三、薄壁金刚石钻头及其连接190

参考文献196

第五章金刚石扩孔器197

第一节常规金刚石扩孔器198

一、按用途分类198

二、按磨料分类201

三、按镶嵌金刚石的方式分类201

四、按胎体形状分类202

第二节专用金刚石扩孔器205

一、大直径扩孔器205

二、特殊类型扩孔器205

第三节金刚石扩孔器的制造工艺及质量检验标准208

一、扩孔器的制造工艺208

二、扩孔器的质量检验标准210

第四节国外扩孔器系列211

一、公制系列标准211

二、美国DCDMA（金刚石岩心钻机制造商协会）标准212

三、苏联金刚石钻头和扩孔器213

参考文献216

第六章金刚石钻头制造工艺217

第一节金刚石钻头制造法217

一、金刚石钻头制造方法的分类217

二、金刚石钻头制造工艺流程220

三、各种金刚石钻头制造法的选择原则220

第二节金刚石钻头制造的原理与应用223

一、金刚石钻头制造的原理与特点223

二、钻头制造方法的合理选择232

第三节金刚石钻头的质量控制233

一、金刚石钻头质量控制的主要内容233

二、胎体与岩层适应性的控制236

三、钻头力学性能的控制241

四、钻头模具尺寸的控制246

第四节胎体性能测试与钻头成品检查248

一、胎体耐磨性测试248

二、胎体抗冲蚀性测试250

三、线膨胀系数测试251

四、胎体抗弯强度的测试252

五、胎体冲击韧性的测试253

六、胎体与钢体粘结牢度的扭力试验253

七、胎体密度检测254

八、金相检查255

九、钻头成品检查256

第五节金刚石的回收258

一、酸蚀法258

二、电解法260

参考文献261

第七章金刚石钻探设备263

第一节金刚石岩心钻机263

一、对金刚石岩心钻机性能的要求263

二、目前几种类型的金刚石钻机分析比较263

三、液压立轴式高速金刚石岩心钻机简介266

四、其它类型金刚石钻机简介313

五、国外部分液压立轴式金刚石岩心钻机326

六、国外部分全液压动力头金刚石岩心钻机326

第二节金刚石钻探用泥浆泵326

一、金刚石钻探对泥浆泵的要求326

二、国内金刚石钻探用的泥浆泵简介327

三、金刚石钻探用的泥浆泵简介327

四、金刚石钻探用泥浆泵的维护保养343

五、国外部分金刚石钻探用泥浆泵346

参考文献346

第八章金刚石钻探管材、钻具与附属工具347

第一节金刚石钻探管材规格系列及其螺纹347

一、金刚石钻探管材规格系列347

二、金刚石钻探管材螺纹347

第二节钻具354

一、钻杆354

二、岩心管362

三、套管362

四、金刚石岩心钻探钻具级配系列图示及综合表364

五、国外标准364

六、取心钻具370

第三节附属专用工具389

一、提引工具389

二、拧卸工具390

三、打捞工具392

四、其它专用工具393

参考文献394

第九章金刚石钻进原理与岩石可钻性分级395

第一节金刚石钻进的基本原理395

一、外载在压力接触面上的分布及岩石内部的应力状态395

二、岩石在外载作用下的变形特征399

三、金刚石的钻进原理400

第二节影响金刚石钻进效率的岩石性质及其测量402

一、岩石硬度及其测量403

二、岩石的单轴抗压强度406

三、岩石的弹性和塑性406

四、岩石的研磨性410

第三节金刚石钻进岩石可钻性分级412

一、综合分级法413

二、比功法429

三、切槽法430

参考文献431

第十章金刚石钻探工艺432

第一节钻进前的准备工作432

一、金刚石岩心钻探设备的配套432

二、金刚石钻机底座安装尺寸432

三、金刚石钻探对管材的要求432

四、合理选择钻具级配434

五、钻孔结构的选择原则436

第二节金刚石钻头的选择和使用437

一、选择金刚石钻头的原则437

二、合理使用金刚石钻头438

第三节金刚石钻进技术参数的选择443

一、钻压444

二、转速450

三、泵量452

第四节钻头磨损形态的分析与磨损的预防456

一、金刚石钻头的正常磨损456

二、金刚石钻头的非正常磨损458

三、正确的操作方法464

第五节金刚石钻进中钻具振动及其稳定措施465

一、钻柱振动的起因466

二、预防振动与稳定钻进的主要措施467

第六节钻探工程质量469

一、岩矿心的采取与整理469

二、钻孔弯曲度470

三、简易水文观测470

四、校正孔深470

五、原始报表471

六、封孔471

七、升降钻具守则471

参考文献472

第十一章金刚石绳索取心钻探473

第一节金刚石绳索取心钻探的发展与演进473

一、金刚石绳索取心钻探的发展473

二、金刚石绳索取心钻探的演进474

第二节 金刚石绳索取心钻具的功能475

第三节金刚石绳索取心钻具的结构477

一、绳索取心钻具双管总成477

二、绳索取心钻具打捞器总成478

三、绳索取心钻杆478

四、绳索取心金刚石钻头484

第四节 绳索取心钻具规格系列484

第五节金刚石绳索取心钻探工艺488

一、钻探准备工作488

二、绳索取心钻具的组装、检查与调整488

三、金刚石绳索取心钻进工艺参数489

四、绳索取心操作要领491

五、钻具的维护保养493

六、常见故障及排除方法494

第六节 不提钻换钻头钻具495

第七节附属设备及工具498

一、钻杆夹持器498

二、JSN-56拧管机499

三、绳索取心绞车501

四、提引器501

第八节国外绳索取心钻具503

一、美国长年公司绳索取心钻具503

二、日本利根公司绳索取心钻具508

三、比利时迪爱芒·博特公司绳索取心钻具508

四、苏联绳索取心钻具515

五、加拿大希斯-舍伍特公司超深孔用绳索取心钻具515

六、联邦德国陆壳超深孔绳索取心钻具515

第九节研究开发中的新型绳索取心钻具519

一、孔底马达驱动的绳索取心器519

二、螺杆钻定子回转的绳索取心器519

三、纳维钻驱动的绳索取心器519

四、涡轮钻驱动反循环绳索取心器522

五、涡轮钻驱动的绳索取心器522

六、螺杆钻和不提钻换钻头绳索取心“三合一”式的取心器522

参考文献522

第十二章金刚石液动锤钻探523

第一节金刚石液动锤钻探的实质和优点523

一、实质523

二、优点和提高钻速的主要原因526

三、金刚石液动锤钻探的适用岩层和条件528

第二节金刚石钻探用的各种液动锤529

一、双作用式液动锤529

（一）YS型无弹簧阀式双作用液动锤529

（二）SC型射流式液动锤533

（三）SX型射吸式液动锤538

二、正作用式液动锤541

（一）YZ系列正作用式液动锤543

（二）TK系列正作用式液动锤546

（三）ZF-56型液动锤549

（四）苏联Г-59（Г-76）型液动锤549

三、绳索取心式液动锤552

（一）SZC型系列绳索取心式液动锤552

（二）SSC型系列绳索取心式液动锤556

（三）TKS型系列和SZG-59型绳索取心式液动锤559

第三节液动锤钻探用的金刚石钻头561

一、关于高频冲击载荷下的金刚石561

二、液动锤钻探对金刚石钻头的要求562

第四节金刚石液动锤钻进工艺563

一、适应液动锤钻探的特殊要求563

二、配套的泥浆泵及钻机564

三、液动锤的钻进参数564

参考文献564

第十三章金刚石受控定向钻探565

第一节 概述565

第二节受控定向钻探的应用566

一、在固体矿产地质钻探中的应用566

二、在开发地热和水井钻探方面的应用568

三、其它工程方面的应用568

第三节定向钻孔的设计568

一、定向钻孔类型568

二、定向钻孔的空间要素569

三、受控定向钻孔设计的基本依据571

四、受控定向孔设计原则571

五、受控定向孔设计内容574

六、受控定向孔设计步骤及方法574

第四节造斜器及其造斜工具578

一、建造人工孔底578

二、偏心楔578

三、连续造斜器582

四、定向器具588

五、保直钻具598

第五节受控定向钻探的孔底动力机599

一、YL型小口径螺杆钻具结构601

二、YL型小口径螺杆钻具技术性能参数606

三、YL型螺杆钻具的工作特性607

四、与YL型螺杆钻具配套的造斜工具与器具608

五、YL型螺杆钻具的使用610

第六节与螺杆钻具配套的小口径定向仪612

一、DD-1型单点定向仪612

二、DG-38型单点定向仪614

三、DD-1和DG-38型单点定向仪的特点616

第七节受控定向钻孔用螺杆钻的钻探技术与施工工艺616

一、造斜工具的定向技术616

二、造斜工具角和安装角的确定617

三、造斜孔段和分支孔分支点的确定621

四、人工孔底及其建造622

五、螺杆钻受控定向孔钻进施工工艺623

第八节造斜金刚石钻头626

一、造斜钻头的工作状态与特点626

二、造斜金刚石钻头的结构627

参考文献632

第十四章钻孔弯曲和测量633

第一节钻孔的空间形态及几何三要素633

一、钻孔几何三要素及其它有关参数634

二、钻孔弯曲强度及总弯曲角635

第二节钻孔弯曲的基本规律638

一、钻孔在垂直平面内的弯曲规律638

二、钻孔方位偏斜的规律642

三、水平和向上钻孔的弯曲规律643

第三节钻孔顶角测量仪644

一、机械式刺孔记录顶角测量仪644

二、ИМА-Н4刺孔记录顶角仪646

三、МГРИ机械顶卡顶角测量仪648

第四节磁针式测斜仪649

一、机械顶卡型和液体凝固型磁针测斜仪649

（一）JXY-2型测斜仪649

（二）МИ-42型测斜仪657

（三）ОК-40У型通用测斜仪658

（四）DS-1型浮球式液体凝固型测斜仪659

二、电测记录型磁针测斜仪662

（一）JJX-3型测斜仪662

（二）JXX-1型测斜仪663

（三）УМИ-25型及МИ-30型测斜仪664

三、照相记录型磁针测斜仪666

（一）ZJX-74型单点照相测斜仪666

（二）R系列单点照相测斜仪669

（三）DT型和库斯特多点照相测斜仪671

（四）MT-1型多点照相测斜仪674

第五节磁力计孔内数据存储测斜仪675

第六节钻杆柱定向和连环测量测斜仪676

一、JXK-2型电测测斜仪676

二、АФИ-1型照相测斜仪680

三、克芮留斯电磁测斜仪682

四、МИА系列电磁测斜仪684

五、R-F DDI型反光测斜仪684

六、“数字方位Ⅱ”型加速度计测斜仪687

第七节陀螺测斜仪693

一、JXT系列陀螺测斜仪693

二、JDL-1型及JTL系列陀螺测斜仪697

三、GP14-0101-1型陀螺测斜仪700

四、KL系列照相陀螺测斜仪705

五、FG8-571型孔内自动记录陀螺测斜仪706

六、OMNI-DG76型四框架陀螺测斜仪708

七、速率陀螺测斜仪709

第八节金刚石钻探用随钻测斜仪712

一、ZS-1型和YS-1型随钻监测仪713

二、OWL-780型随钻测斜仪715

三、“数字方位Ⅰ”型随钻测斜仪716

四、GCT型连续导向陀螺测斜仪719

五、金刚石钻探随钻测斜仪器的展望720

参考文献723

第十五章金刚石钻探冲洗液725

第一节 概述725

第二节金刚石钻探冲洗液类型726

一、清水与乳状冲洗液726

（一）乳化剂726

（二）基础油728

（三）乳化油的配制728

（四）乳状液的破乳及其预防措施728

二、淡水泥浆（分散性水基冲洗液）730

（一）淡水泥浆的配制730

（二）淡水泥浆的侵污与处理732

三、不分散低固相冲洗液732

（一）聚合物性能及其选用732

（二）不分散低固相冲洗液的性能指标733

（三）不分散低固相冲洗液的配制与维护733

四、超低固相绳索取心钻探冲洗液734

（一）绳钻冲洗液的性能指标735

（二）低粘增效粉（LBM）泥浆735

五、无固相（无粘土）冲洗液739

（一）无固相冲洗液类型739

（二）无固相冲洗液的维护740

（三）无固相冲洗液的转化741

六、低密度冲洗介质（空气钻探）741

（一）空气钻探类型741

（二）泡沫钻进742

第三节钻孔漏失与堵漏744

一、漏失原因与通道744

二、漏失的判断与检测746

三、堵漏工艺747

（一）胶凝堵漏747

（二）水泥堵漏748

（三）化学浆液堵漏748

（四）干式堵漏材料及方法749

第四节金刚石钻探冲洗液材料751

一、冲洗液材料的分类751

（一）按化学性质分类751

（二）按作用分类752

二、粘土及其特性752

（一）粘土的吸附性能752

（二）粘土的水化作用754

（三）粘土颗粒悬浮的稳定性755

三、钻探用水756

四、无机处理剂757

（一）无机处理剂的作用原理757

（二）常用的无机处理剂758

五、有机处理剂761

（一）有机处理剂的作用原理761

（二）有机处理剂产品761

六、表面活性剂762

（一）表面活性剂的基本性能与作用766

（二）阴离子表面活性剂767

（三）非离子表面活性剂769

（四）阳离子和两性表面活性剂770

第五节金刚石钻探冲洗液的试验方法771

一、美国石油学会（API）标准771

二、造浆膨润土的评价试验方法772

三、聚丙烯酰胺浓度与水解度的测定774

四、乳状液性能测定方法776

五、泡沫试验方法778

六、页岩稳定性试验方法780

（一）膨胀性测试方法780

（二）分散性测试方法782

参考文献783

第十六章钻井液流变学784

第一节 符号意义与单位784

第二节流变方程786

一、牛顿流动786

二、非牛顿流动788

（一）宾汉模式789

（二）卡森模式790

（三）幂函数模式792

第三节视粘度及其计算795

第四节泥浆在孔内的流动及压力降计算797

一、在钻杆与环空内的层流797

二、在钻杆与环空内的紊流803

（一）范宁摩擦因数与范宁方程804

（二）环空流与管流压力降的计算808

三、环空压力降当量密度及其计算808

第五节压力平衡钻进809

一、压力平衡原理809

二、地层压力及其当量密度的确定810

三、压裂压力或压漏压力的确定812

四、环空外压力的确定813

五、压力平衡控制向题816

参考文献818

第十七章钻探参数仪表819

第一节应用钻参仪表的重要性819

一、保证设备运转工况正常819

二、调整钻进规程参数820

三、判断孔内情况821

第二节国产钻参仪表823

一、单参数仪表823

二、综合参数仪表835

三、多功能岩心定向仪841

第三节国外钻井参数仪表844

一、单参数地质钻探仪表844

二、《КУРС》型综合钻井参数仪表849

参考文献850

第十八章金刚石优化参数钻探851

第一节优化参数钻探的基本方法851

一、概述851

二、优化钻探参数的基本思路与方法852

第二节优化参数的算法概要及电算程序858

一、方差分析858

二、回归分析865

三、二次回归的通用旋转组合设计869

四、在回归方程基础上寻优的电算方法871

第三节优化参数钻进程序的应用实例873

一、运用单因素方差分析的实例873

二、运用双因素方差分析的实例875

附录（程序清单）887

参考文献907

第十九章金刚石钻探施工管理908

第一节矿区施工设计908

一、施工设计的依据908

二、施工设计的编写程序908

第二节作业计划909

一、作业计划的作用909

二、编制作业计划的原则910

三、确定作业组织910

四、作业计划的内容911

第三节施工准备及管理912

一、物质准备912

二、现场准备913

三、现场管理制度913

四、队管理制度914

第四节金刚石钻头与扩孔器的管理915

一、金刚石钻头与扩孔器的管理方法915

二、金刚石钻头与扩孔器管理制度917

第五节质量管理920

一、钻探工程质量920

二、用全面质量管理方法提高钻孔质量920

三、质量管理的常用工具922

第六节金刚石钻探的成本管理923

一、金刚石钻探成本核算923

二、金刚石钻头的成本核算924

三、金刚石钻头主要技术经济指标对成本的影响925

第七节电子计算机在金刚石钻探管理中的应用926

一、利用微型计算机实现钻探生产报表管理926

二、利用微型计算机实现钻孔技术档案管理工作928

三、金刚石钻头选择程序929

四、金刚石钻探生产管理数据库930

附录（程序清单）932

参考文献946