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岩土钻掘工艺学

【作者】：鄢泰宁
【出版时间】：2014-03
【字数】：633（千字）
【定价】：￥65（元）
【出版社】：中南大学出版社
【ISBN】：978-7-5487-1048-6
【页码】：（页）
【开本】：16开

第1章绪论 （1）
1.1 “岩土钻掘工艺学”课程的内容、地位和任务（1）
1.2 岩土钻掘工艺的渊源和发展概况（1）
第2章岩土性质及其破碎机理（10）
2.1 岩石的物理-力学性质（10）
2.1.1 岩石按黏结状态的分类（10）
2.1.2 岩石的密度与容重（11）
2.1.3 岩石的孔隙度（12）
2.1.4 岩石的各向异性（13）
2.1.5 岩石的强度（14）
2.1.6 岩石的硬度（16）
2.1.7 岩石的变形特征及其分类（17）
2.1.8 岩石的弹性、脆性和塑性（18）
2.2 土的物理-力学性质特征（19）
2.2.1 土的物理性质特征（19）
2.2.2 土的力学性质特征（20）
2.2.3 土的工程分类（21）
2.3 岩石的钻进特性（21）
2.3.1 岩石的研磨性及研磨性分级（21）
2.3.2 岩石的可钻性及可钻性分级（25）
2.3.3 岩石的坚固性系数及其分级（27）
2.3.4 岩石完整程度及裂隙性分级（28）
2.3.5 岩石的稳定性及稳定性分级（30）
2.4 岩石在外载作用下的破碎机理（30）
2.4.1 压模压入时岩石中的应力状态（30）
2.4.2 压模压入时的岩石破碎机理（32）
2.4.3 双向力共同作用下岩石中的应力分布（34）
2.4.4 双向力共同作用下的岩石破碎机理（35）
2.4.5 影响碎岩效果的因素（36）
2.5 本章知识在钻探工艺设计中的应用（36）
2.5.1 岩石性质是制定钻探工艺的依据（36）
2.5.2 根据岩石钻进特性选择钻进方法（37）
2.5.3 根据岩石钻进特性设计套管系列（37）
第3章钻杆柱与钻孔结构（39）
3.1 钻杆柱功能与组成（39）
3.1.1 钻杆柱的功用（39）
3.1.2 钻杆柱的材质（39）
3.1.3 地质岩心钻探用钻杆柱的代号（41）
3.1.4 钻杆柱的结构（41）
3.1.5 铝合金钻杆（44）
3.2 钻杆柱的工况（46）
3.2.1 钻杆柱的工作状态（46）
3.2.2 钻杆柱的受力（47）
3.2.3 钻杆柱的疲劳破坏（50）
3.3 套管柱与钻孔结构（50）
3.3.1 套管柱（50）
3.3.2 钻孔结构设计（51）
第4章回转钻进的孔底过程及钻头（54）
4.1 硬质合金钻进的孔底碎岩过程（54）
4.1.1 钻探用硬质合金（54）
4.1.2 硬质合金钻进的孔底碎岩过程（56）
4.1.3 硬质合金切削具的磨损（60）
4.2 硬质合金钻头（62）
4.2.1 取心式硬质合金钻头结构要素（62）
4.2.2 取心式硬质合金钻头（65）
4.2.3 硬质合金钻头选型表（67）
4.3 金刚石钻进的孔底碎岩过程（69）
4.3.1 钻探用金刚石（69）
4.3.2 金刚石钻进的孔底碎岩过程（71）
4.4 金刚石钻头和扩孔器（75）
4.4.1 表镶金刚石钻头（76）
4.4.2 孕镶金刚石钻头（78）
4.4.3 金刚石扩孔器（81）
4.4.4 金刚石钻头及扩孔器选型表（82）
4.4.5 金刚石钻头及扩孔器的制造（82）
4.5 PDC钻头及其孔底碎岩过程（84）
4.5.1 钻探用复合片（84）
4.5.2 PDC钻头的孔底碎岩过程（85）
4.5.3 PDC钻头（88）
4.6 钢粒钻头及其孔底碎岩过程（90）
4.6.1 钢粒及钢粒钻进用钻具（90）
4.6.2 钢粒钻进的孔底碎岩过程（91）
4.7 牙轮钻头及其孔底碎岩过程（92）
4.7.1 牙轮钻头的结构（92）
4.7.2 牙轮钻头的孔底碎岩过程（92）
4.7.3 牙轮钻头的分类法（96）
4.8 全面钻头（97）
4.8.1 硬质合金全面钻头（98）
4.8.2 金刚石全面钻头（102）
4.8.3 PDC全面钻头（104）
第5章回转钻进工艺 （105）
5.1 钻进效果指标及钻进规程参数间的关系（105）
5.1.1 钻进效果指标（105）
5.1.2 钻进规程（106）
5.1.3 钻进过程中各参数间的基本关系（107）
5.2 硬质合金钻进工艺（109）
5.2.1 钻头压力的选择（109）
5.2.2 钻头转速的选择（111）
5.2.3 冲洗液泵量及其性能的选择（111）
5.2.4 P、 n、 Q参数间的合理配合（112）
5.2.5 确定最优回次钻程时间的方法（112）
5.2.6 自磨式硬合金钻头的规程特点（114）
5.3 金刚石钻进工艺（114）
5.3.1 合理选择金刚石钻头（114）
5.3.2 金刚石钻进规程（115）
5.3.3 金刚石钻进的临界规程（119）
5.3.4 金刚石钻头的合理使用（121）
5.4 PDC钻进工艺（122）
5.4.1 PDC钻进规程参数（122）
5.4.2 PDC钻头的使用（122）
5.5 钢粒钻进工艺（125）
5.5.1 影响钢粒钻进效果的因素（125）
5.5.2 钢粒钻进的规程选择（125）
5.5.3 钻进规程合理性的判断（127）
5.6 牙轮钻进工艺（127）
5.6.1 牙轮钻头的选用（127）
5.6.2 牙轮钻头钻进工艺（129）
5.7 全面钻头钻进工艺（134）
5.7.1 硬质合金全面钻头的规程选择（135）
5.7.2 金刚石全面钻头的合理使用及规程选择（138）
5.8 涡轮与螺杆钻具钻进（139）
5.8.1 涡轮钻具（139）
5.8.2 涡轮钻具钻进的工艺特点（142）
5.8.3 螺杆钻具（144）
5.8.4 螺杆钻具钻进的工艺特点（146）
5.8.5 螺杆钻具与涡轮钻具的性能对比（147）
第6章冲击回转钻进与冲击、振动钻进 （149）
6.1 概述（149）
6.2 液动冲击器和气动潜孔锤（150）
6.2.1 液动冲击器的结构与工作原理（150）
6.2.2 气动潜孔锤的结构与工作原理（155）
6.3 冲击回转钻进用钻头（159）
6.3.1 液动冲击回转钻进用钻头（159）
6.3.2 气动潜孔锤钻头（162）
6.4 冲击回转钻进工艺（165）
6.4.1 冲击回转碎岩机理（165）
6.4.2 影响冲击回转碎岩效果的因素（166）
6.4.3 冲击回转钻进规程（167）
6.5 钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺（171）
6.5.1 钢丝绳冲击钻进工艺（171）
6.5.2 振动钻进工艺（174）
第7章钻孔取样技术与工艺 （177）
7.1 土样的采取（177）
7.1.1 原状土样的概念（177）
7.1.2 取土的方法（177）
7.1.3 取土器的基本技术参数（178）
7.1.4 取土器的类型和结构（180）
7.1.5 减少土样扰动的注意事项（181）
7.2 岩矿心采取（181）
7.2.1 岩矿心采取的基本要求（181）
7.2.2 影响岩矿心采取率与品质的因素（182）
7.2.3 关于岩心堵塞问题（183）
7.2.4 岩矿层取心难度分类（185）
7.3 提钻取心钻具及工艺（186）
7.3.1 卡取岩矿心的方法（186）
7.3.2 单层岩心管（188）
7.3.3 普通双层岩心管（189）
7.3.4 改进型双层岩心管（191）
7.3.5 孔底局部反循环取心工艺（193）
7.3.6 组合循环式强制取心单动双管（196）
7.4 绳索取心钻具及工艺（197）
7.4.1 绳索取心钻具及辅助工具（197）
7.4.2 绳索取心钻进工艺（203）
7.4.3 液动冲击回转绳索取心技术（205）
7.4.4 局部反循环绳索取心技术（210）
7.5 全孔反循环连续取心（样）工艺（211）
7.5.1 水力反循环连续取心（212）
7.5.2 气举反循环连续取样（215）
7.6 采集气体样品、岩屑和补取岩样（219）
7.6.1 采集气体样品（219）
7.6.2 采集岩粉（220）
7.6.3 补取岩样（221）
第8章地下坑道钻探 （223）
8.1 概述（223）
8.1.1 坑道钻探的意义与特点（223）
8.1.2 坑道钻探的类型（223）
8.2 坑道钻探设备与钻具（224）
8.2.1 坑道钻探设备的选择和安装（224）
8.2.2 坑道钻探用钻具（230）
8.3 坑道钻进工艺（235）
8.3.1 坑道钻进工艺参数（236）
8.3.2 坑道水平孔钻进工艺特点（236）
8.3.3 坑道定向钻进的工艺特点（238）
8.3.4 松软突出煤层钻进的排粉工艺（239）
第9章钻孔弯曲与测量 （241）
9.1 钻孔的空间状态要素（241）
9.2 钻孔弯曲的原因与规律（244）
9.2.1 钻孔弯曲的条件（244）
9.2.2 钻孔弯曲的原因及危害（244）
9.2.3 钻孔弯曲的规律（249）
9.3 钻孔弯曲的测量与仪器（251）
9.3.1 测量钻孔弯曲的原理（251）
9.3.2 测斜仪的分类与选用原则（254）
9.3.3 非磁性矿体用测斜仪（255）
9.3.4 磁性矿体用测斜仪（261）
9.4 钻孔测斜数据处理（266）
9.4.1 测斜误差的产生与消除（266）
9.4.2 基于测斜数据绘制钻孔轨迹（267）
9.4.3 建立矿区（施工区）孔斜规律数学模型（267）
9.5 钻孔弯曲的预防与纠正（268）
9.5.1 钻孔弯曲的预防（268）
9.5.2 钻孔弯曲的纠正（271）
第10章定向钻进工艺 （273）
10.1 定向钻进设计（273）
10.1.1 定向钻孔的分类（273）
10.1.2 定向钻进的设计原则与内容（274）
10.1.3 定向孔轴线基本参数的计算方法（275）
10.2 定向钻进造斜工具（276）
10.2.1 偏心楔（277）
10.2.2 连续造斜器（278）
10.2.3 辅助造斜工具（279）
10.2.4 造斜工具的特性对比（281）
10.3 定向钻进随钻测量仪器概述（282）
10.3.1 有缆MWD系统（282）
10.3.2 泥浆脉冲式MWD系统（282）
10.3.3 电磁波式MWD系统（285）
10.4 定向钻进施工工艺（286）
10.4.1 多孔底定向钻进工艺概述（286）
10.4.2 偏心楔定向钻进工艺（288）
10.4.3 连续造斜器定向钻进工艺（288）
10.4.4 螺杆钻具定向钻进工艺（289）
10.5 定向取心技术与工艺（291）
10.5.1 岩心定向方法（291）
10.5.2 定向取心钻具及其工作原理（292）
10.5.3 由定向岩心求解岩层产状（294）
第11章水文地质钻探与水井钻 （296）
11.1 水文地质孔和水井的钻进方法（296）
11.1.1 钻孔结构（296）
11.1.2 回转钻进工艺（300）
11.2 水井成井（306）
11.2.1 下过滤器（306）
11.2.2 止水与封闭（309）
11.2.3 洗井方法（311）
11.3 抽水试验（314）
11.3.1 抽水试验概述（314）
11.3.2 射流泵抽水（314）
11.3.3 潜水泵抽水（316）
11.3.4 空气压缩机抽水（316）
11.3.5 抽水时水位水量的测量（319）
第12章复杂地层钻进工艺及事故防治 （321）
12.1 复杂地层的分类（321）
12.1.1 复杂地层综合分类（321）
12.1.2 不稳定地层分类（323）
12.1.3 冲洗液漏失地层分类（323）
12.2 复杂地层钻进工艺（324）
12.2.1 力学不稳定地层钻进工艺（324）
12.2.2 遇水不稳定地层钻进工艺（327）
12.3 典型钻探事故的分类及处理原则（329）
12.3.1 典型事故分类（329）
12.3.2 防治钻探事故的原则（330）
12.3.3 处理钻探事故的常用方法（330）
12.4 处理钻探事故的常用工具（331）
12.4.1 打捞工具（331）
12.4.2 切割工具（335）
12.4.3 专用接头（337）
12.4.4 孔内振动器（338）
12.5 典型钻探事故的处理工艺（339）
12.5.1 孔壁塌陷与崩落（339）
12.5.2 钻具折断与脱落（340）
12.5.3 卡钻、埋钻、糊钻与烧钻事故（342）
12.5.4 套管事故与孔内落物（344）
12.5.5 钻孔漏失和涌水事故（345）
12.5.6 钻头事故与偏斜事故（346）
第13章封孔 （348）
13.1 封孔材料（348）
13.1.1 水泥封孔（348）
13.1.2 黏土封孔（349）
13.2 封孔工艺（350）
13.2.1 洗孔换浆（350）
13.2.2 下隔离塞（350）
13.2.3 孔内注浆方法（351）
第14章钻孔施工设计及钻探环境保护 （355）
14.1 钻孔施工组织设计（355）
14.1.1 单孔施工组织设计（355）
14.1.2 矿区施工组织设计（357）
14.2 钻探环境保护（360）
14.2.1 我国钻探环境保护的现状（360）
14.2.2 钻探环境保护的规范（361）
第15章坑探技术与工艺 （364）
15.1 勘探坑道的类型及用途（364）
15.1.1 勘探坑道的类型（364）
15.1.2 勘探坑道的用途（365）
15.2 坑探的基本工序及岩石分级（366）
15.2.1 坑探的基本工序（366）
15.2.2 岩土掘进工程中岩石的分级（366）
15.3 坑探用基本设备与机具（368）
15.3.1 凿岩设备（368）
15.3.2 凿岩机具（375）
15.3.3 通风设备（380）
15.3.4 排水设备（381）
15.3.5 装岩设备（381）
15.3.6 运输设备（384）
15.4 坑探施工工艺（385）
15.4.1 凿岩爆破（385）
15.4.2 巷道通风（390）
15.4.3 装岩运输（391）
15.4.4 坑道支护（392）
15.4.5 劳动和施工组织（392）
15.4.6 坑探技术的进步（393）
第16章槽探施工工艺 （394）
16.1 探槽的功能与规格（394）
16.2 探槽开挖方法（395）
16.2.1 手工挖掘（395）
16.2.2 机械挖掘（395）
16.2.3 爆破法挖掘（400）
参考文献（403）

随着社会进步和国民经济的繁荣，人类与赖以生存的地球资源、环境及以岩土地质体为基础的各类建筑物的关系越来越密切。“地质工程”下属的“勘查技术与工程”专业正是适应这一需求，以原传统学科“探矿工程”全部和“工程地质、水文地质”的一部分为依托（详见国家“普通高等学校本科专业目录（草案）”），相互交叉渗透发展起来的。它以现代钻（探）掘（进）技术为手段，以岩、土体为工作对象，服务于矿产资源的勘查、开发与技术管理，基础工程（含岩土加固、地质灾害治理）的勘查、设计、施工与管理和地质科学探测等领域。其中，科学探测涉及“上天”（月球钻探、火星钻探）、 “入地”（岩石圈超深钻探）、 “下海”（海底钻探取样）、 “登极”（极地钻探取样）的各个高技术领域，是人类科技进步必不可少的重要技术手段。本专业有两个方向与“石油钻井工程”、 “土木工程（岩土工程、地下建筑）”的部分内容相近。

《岩土钻掘工艺学》是“勘查技术与工程”专业本科生在教学实习后学习的第一门专业必修课教材，将为后续“岩土钻掘设备”、 “岩土钻掘泥浆工艺学”和“岩土施工工程学”课程和学生的课程设计及毕业设计（论文）打好专业知识基础。该教材也可作为“地质工程”相近学科和“钻井工程专业”本科生的辅修教材。还可作为在地质矿产、冶金、煤炭、油气钻采和岩土工程行业中从事相关工作技术人员和管理人员的培训参考书。

本教材的前身是2001年中国地质大学出版社出版的各校合编部级重点教材《岩土钻掘工程学》。该教材及其课程“岩土钻掘工程学”（包括电子教案、多媒体课件、试题库、实验指导书等）于2005年被评为国家精品课程。考虑到原教材毕竟已出版12年，而且是在当时国家教委“宽口径，大专业”指导思想下组织编写的，有些教师和读者反映原教材内容偏简练。按照2008年秋在长沙召开的“地矿教指会”关于配套教材内容划分的意见，这次改编在原有基础上删掉了钻塔、钻机和泵、泥浆护壁与堵漏等章节，适当弱化掘进方面的内容，并根据当前行业形势与技术进步增补与扩展了以下新内容：铝合金钻杆、 PDC钻头及其钻进工艺、涡轮与螺杆钻具及其钻进工艺、冲击回转绳索取心技术、反循环绳索取心技术、定向钻进工艺、水文地质钻探与水井钻工艺、复杂地层钻进工艺及事故防治、钻孔施工设计及钻探环境保护等，定名为《岩土钻掘工艺学》。新教材在编写的内容安排上力图反映岩土钻掘破碎原理，钻孔弯曲原理，施工过程最优化准则，现代钻探工艺原理及取样技术，岩土钻掘现场工程设计等内容，从近年来成熟的国内外教材和公认的专业技术成果中吸取营养，提炼出当代本科生所需的“三基”内容，注重培养学生分析工程问题和解决实际问题的能力，适应本专业毕业生今后面向矿产资源的探采结合和城乡建设、交通水利、油气钻采等行业的工作需要。

本教材由鄢泰宁教授主编，各章节的编写分工如下：第1章、第2章、第4章、第5章、第14章，由中国地质大学（武汉）鄢泰宁教授编写；第3章、第8章、第9章，由成都理工大学石永泉教授编写；第6章、第7章、第11章，由吉林大学陈宝义教授编写；第12章，由中南大学彭振斌教授编写；第13章，由中南大学张绍和教授编写；第10章由鄢泰宁教授和石永泉教授编写；第15章、第16章，由中国地质大学（武汉）吴立教授编写。为了尽量求得全书的风格统一，层次清晰，覆盖本专业拓宽后的知识领域并力求文字精练，主编在统稿过程中，对许多章节进行了内容上的删节、合并和文字上的修饰，并补充了较多反映本专业近年来技术进步的内容，还对各校来稿中所有不清晰和不规范的图件用电脑重新进行了绘图。

虽然早在2000年前我们的祖先就开始用原始的工具进行岩土钻掘施工，虽然探矿工程学科在我国诞生与发展已有60多年的历史，但是由于该学科的许多工艺过程发生在地下深处，所受到的影响因素非常复杂，加之专业技术不断更新，所以“岩土钻掘工艺学”作为一门应用性技术学科，其学科体系还处在不断完善与定型的过程中。学科内容中属于生产经验总结与定性分析的叙述性内容还占有较大比例，在新一轮教材的编写中这一特点也难以避免。该书的编者们均是长期从事本专业教学与科研的骨干教师，但是，毕竟他们的学术经历和实践体会存在着差异，因此在教材的编写中必然会反映出一些学术观点难以完全统一的现象。我们认为，这种情况对学科的发展并非坏事。希望使用该书的教师和广大技术人员提出自己的见解，以促进学科的发展和教材的进一步完善。

本教材在编写过程中，参考了原探矿工程专业和兄弟专业（石油钻井、地下建筑工程）的多本教材与教学参考书，翻译并引用了21世纪以来钻探技术强国俄罗斯出版的多本高校教材和乌克兰超硬材料研究所新出版的专著，参考了各参编学校近年来的研究生论文，得到了各参编学校有关院系领导和同行的支持与协助，得到了中国地质科学院勘探技术研究所、探矿工艺研究所、探矿工程研究所、西安煤炭科学研究院、安徽313地质队等单位的支持，在该书的编辑出版过程中，中南大学出版社给予了积极热情的帮助。在此，我们一并表示衷心的谢意。

经过近五年的组稿、统稿，五易其稿，在征得教育部高等学校地矿学科教学指导委员会地质工程专业规划教材编委会审查后，新教材《岩土钻掘工艺学》终于与广大师生及读者见面了。由于编者的水平有限，书中的缺点错误在所难免，恳请读者给予批评指正。

编者 2014年1月