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.340 北京科技大学学报 第30卷 数之间以及钻进参数与地层特征参数之间的相关性 转换可获得系统的动能，动能随孔深的变化如图1， 并不高13，可；在钻进过程中，钻进参数不仅与钻机 0 形式及钻进方式有关，还与钻头形式、钻头直径、冲 洗、排碴状态及其钻杆联接方式等有关，可见，基于 低动能区 钻进参数对地层的定量识别需要满足严格的、可比 的工作条件，即钻机/具形式、钻进方式及钴头规格 过渡区 -20 必须相同，因此，从钻进能量的角度来分析钻进参 数变化的综合特征，可消除不可比因素产生的限制. 25 高动能区 凿碎比功的概念早在20世纪60年代就已提 _30 出[8]，作为岩石可钻性指标已在岩石可钻性分级中 -350040030120160202.402.80320360400 得到广泛使用[9，凿碎比功是基于冲击破碎钻进方 动能J 式进行的实验指标，对旋转钻进并不适用，而室内模 图1钻具动能随钻孔深度的变化曲线 拟实验又具有很大的局限性10]，因此研究旋转钻进 Fig-1 Variation in kinetic of the drilling string with borehole depth 的钻进比功具有非常重要的意义，在此前的研究 中，已基于钻进过程监测系统的监测数据，对金刚石 1.2钻具有效轴力功随孔深的变化 钻进系统在风化花岗岩地层中的动能、轴力功、黏滞 有效轴压力来自钻机的加压一调压系统，在数 能耗、钻进总能量及钻进比功进行了分析，研究表 值上等于钻具系统的重量与下向轴压力之和，再与 明，金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响 上向调压力之差.其作用是使钻头在钻进过程中与 应关系，在全风化及强风化花岗岩地层中，旋转钻进 孔底岩石紧密接触，为钴头旋转破碎岩石提供必要 比功值明显低于冲击凿碎比功，在微风化的坚硬与 条件，有效轴力功随孔深的变化如图2. 极坚硬岩石中，旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎 0 比功，本文在上述相同的实验条件下，对充填土风 化花岗岩地层的钻孔监测数据进行分析，从能量的 角度进一步检验了这一结论的正确性 -15 1 金刚石钻进能量随钻孔深度的变化 -20 本次研究仍基于钻孔过程监测系统(drilling -25 process monitoring system,DPM)),勘探场址为香 -30 港某充填土风化花岗岩地层，该地层由上覆充填土、 -3500.010.010020.020030.030.040040.050.05 全风化至微风化花岗岩组成，风化等级为V一Ⅱ级， 有效轴力功」 各层厚度不一，其中，充填土的厚度为0~7.10m 图2钻具有效轴力功随钻孔深度的变化曲线 实验钻探机为R一20型液压回转式钻机，垂直下向 Fig.2 Variation in effective thrust force energy with borehole depth 钻孔，岩芯钻进采用直径115mm金刚石钻头和 T2-101双筒岩芯套管，岩芯直径为84mm,钻杆线 1.3黏滞能随孔深的变化 质量为6.0kgm.钻孔的终孔深度为完整基岩以 黏滞能是指钻进过程中，排碴液（钻进液）与孔 下10m,钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采 内钻具之间的黏滞阻力所消耗的摩阻能量，该能耗 用DPM系统进行实时监测，文中以某典型钻孔为 与岩石破碎无关，黏滞阻力包括两部分：其一为绕 例进行分析· 钻杆轴心同轴旋转所产生的摩阻；另一部分为钻具 1.1钻具动能随孔深的变化 向下推进过程中，液体沿钻孔轴相对向上运动而产 钴具系统由钻杆、钻杆联接部件、取样器及钻头 生的下向摩阻，由于钻进过程中钴具的推进速率通 构成。在钻机钻进过程中，钻机液压马达变速箱输 常很小，所以沿轴向产生的黏滞摩阻可以忽略不计， 出轴所输出的动能，由输出轴联接器传递给钻具系 根据能量守恒与转化原理，黏滞能通过黏滞摩 统，从而使钻具系统产生旋转运动，钴具系统在有 阻使排碴液产生与钻杆的同轴转动，因此在数值上 效轴压力的作用下通过旋转破碎岩石，采用DPM 等于液体旋转运动的动能，黏滞能随孔深的变化如 系统的监测数据（钻具系统的质量与转速），经计算 图3.数之间以及钻进参数与地层特征参数之间的相关性 并不高［135］；在钻进过程中钻进参数不仅与钻机 形式及钻进方式有关还与钻头形式、钻头直径、冲 洗、排碴状态及其钻杆联接方式等有关．可见基于 钻进参数对地层的定量识别需要满足严格的、可比 的工作条件即钻机／具形式、钻进方式及钻头规格 必须相同．因此从钻进能量的角度来分析钻进参 数变化的综合特征可消除不可比因素产生的限制． 凿碎比功的概念早在20世纪60年代就已提 出［8］作为岩石可钻性指标已在岩石可钻性分级中 得到广泛使用［9］．凿碎比功是基于冲击破碎钻进方 式进行的实验指标对旋转钻进并不适用而室内模 拟实验又具有很大的局限性［10］因此研究旋转钻进 的钻进比功具有非常重要的意义．在此前的研究 中已基于钻进过程监测系统的监测数据对金刚石 钻进系统在风化花岗岩地层中的动能、轴力功、黏滞 能耗、钻进总能量及钻进比功进行了分析．研究表 明金刚石钻进能量与岩石风化程度具有很好的响 应关系在全风化及强风化花岗岩地层中旋转钻进 比功值明显低于冲击凿碎比功在微风化的坚硬与 极坚硬岩石中旋转钻进比功则明显高于冲击凿碎 比功．本文在上述相同的实验条件下对充填土风 化花岗岩地层的钻孔监测数据进行分析从能量的 角度进一步检验了这一结论的正确性． 1 金刚石钻进能量随钻孔深度的变化 本次研究仍基于钻孔过程监测系统（drilling process monitoring systemDPM） ［3］勘探场址为香 港某充填土风化花岗岩地层该地层由上覆充填土、 全风化至微风化花岗岩组成风化等级为Ⅴ－Ⅱ级 各层厚度不一．其中充填土的厚度为0～7∙10m． 实验钻探机为 R－20型液压回转式钻机垂直下向 钻孔岩芯钻进采用直径115mm 金刚石钻头和 T2－101双筒岩芯套管岩芯直径为84mm钻杆线 质量为6∙0kg·m －1．钻孔的终孔深度为完整基岩以 下10m．钻孔过程中的压力、转速和位移等参数采 用 DPM 系统进行实时监测．文中以某典型钻孔为 例进行分析． 1∙1 钻具动能随孔深的变化 钻具系统由钻杆、钻杆联接部件、取样器及钻头 构成．在钻机钻进过程中钻机液压马达变速箱输 出轴所输出的动能由输出轴联接器传递给钻具系 统从而使钻具系统产生旋转运动．钻具系统在有 效轴压力的作用下通过旋转破碎岩石．采用 DPM 系统的监测数据（钻具系统的质量与转速）经计算 转换可获得系统的动能动能随孔深的变化如图1． 图1 钻具动能随钻孔深度的变化曲线 Fig．1 Variation in kinetic of the drilling string with borehole depth 1∙2 钻具有效轴力功随孔深的变化 有效轴压力来自钻机的加压－调压系统在数 值上等于钻具系统的重量与下向轴压力之和再与 上向调压力之差．其作用是使钻头在钻进过程中与 孔底岩石紧密接触为钻头旋转破碎岩石提供必要 条件．有效轴力功随孔深的变化如图2． 图2 钻具有效轴力功随钻孔深度的变化曲线 Fig．2 Variation in effective thrust force energy with borehole depth 1∙3 黏滞能随孔深的变化 黏滞能是指钻进过程中排碴液（钻进液）与孔 内钻具之间的黏滞阻力所消耗的摩阻能量该能耗 与岩石破碎无关．黏滞阻力包括两部分：其一为绕 钻杆轴心同轴旋转所产生的摩阻；另一部分为钻具 向下推进过程中液体沿钻孔轴相对向上运动而产 生的下向摩阻．由于钻进过程中钻具的推进速率通 常很小所以沿轴向产生的黏滞摩阻可以忽略不计． 根据能量守恒与转化原理黏滞能通过黏滞摩 阻使排碴液产生与钻杆的同轴转动因此在数值上 等于液体旋转运动的动能．黏滞能随孔深的变化如 图3． ·340· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷