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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