岩土钻掘工程试题答案

《岩土钻掘工程学》课程试题库1答案

一. 判断题（请选择正确的观点或方案）

1. A

2. A

3. A

4. A

5. B

6. B

7. A

8. B

9. B

10. A

11. B，C

12. C

13. C

14. B

15. B

16. B

17. B

18. B

19. B

20. A

20. B

21. B

22. A

24. A，B，D

25. C，E，F

26. B

二. 填空题

1. 三类。金属和非金属矿床赋存于岩 中，而煤和石油等可燃性矿产通常赋存于沉积岩 中。

2. 可把岩石分成三类：、和岩石 。

3.

4.

5. 弱研磨性。 由 管和处理事故的载体、绳索取心和反循环连续取心时岩心的通道 和 承担孔底动力机反扭矩的载体 。

6. 破碎塑性岩石时，其切入深度h0与轴向力Py成 正 比，而与切削具的刃角β、刃宽b、岩石的压入硬度Hy成 反 比。

7. ①

②岩层应选择铣齿牙轮钻头；

③

④

8.

9. 以为骨架，为粘结剂。 含钴量越高，则其硬度、耐磨性、抗弯强度、冲击韧性 WC颗粒越细，则其硬度、耐磨性；反之，则抗弯强度、韧性。

10. ① ，③ 质合金切削具在钻头体上的布置方式 ，⑤切削具在钻头体上的数目 ，⑥ 钻头的水口和水槽 。

11. 冲击-回转钻进特点是沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰 ，其适用范围 硬-坚硬岩石 ；回转-冲击钻进特点是 在一般硬质合金或金刚石回转钻进基础上增加高频低冲击功 ，其适用范围 中硬-硬岩石 。

12. “钻孔弯曲强度”的含义是

三. 论述题 （参考答案）

1. 岩石按其粘结状态可分为：坚固岩石、粘结性岩石、松散性岩石和流动性岩石。在钻探施工中：坚固岩石若无裂纹孔（井）壁稳定不必加固，而在强裂隙性岩石中必须加固与防漏；粘结性岩石在湿润状态下具有膨胀性，易造成孔（井）壁缩径；松散性岩石必须加固孔（井）壁，以防止坍塌；流动性岩石必须跟管钻进。

2. 岩石的力学性质是岩石在外载作用下才表现出来抵抗变形和破坏的能力。包括强度、硬度、弹性、脆性、塑性和研磨性等。岩石的强度——岩石在载荷作用下抵抗破坏的能力；岩石的硬度——反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力；岩石的弹性指标——弹性模数：弹性范围内应力与应变的比值，泊松比：弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值；岩石的塑性指标——塑性系数：岩石破碎前所消耗的总能量与弹性变形的能量之比；岩石的研磨性——岩石磨损工具的能力。

3. 岩石的孔隙度——岩石中孔隙体积与岩石总体积之比。岩石的孔隙性削弱了岩石的强度。

4. 岩石的各向异性表征岩石在不同的方向上力学性质的差异。强度——垂直于层理方向抗压强度最大，平行于层理最小，斜交方向介于两者之间；硬度——垂直于层理方向硬度最小，平行于层理最大；弹性模量——平行于层理最大，垂直于层理方向最小。在钻探工作中将导致孔斜。

5. 因为岩石硬度反映的是岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力。既岩石表面对另一物体局部压入或侵入时的阻力。所以它更接近于钻掘过程的实际情况。

6. 岩石的塑性系数K=（岩石破碎前所消耗的总能量/弹性变形的能量）。按岩石塑性系数可把岩石分为弹-脆性（K=1）、弹-塑性（K=2~6）和高塑性（K＞6）岩石。

7. 岩石的研磨性——岩石磨损工具的能力。影响因素：岩石颗粒硬度越大，胶结物粘结强度越低，岩石颗粒形状越尖锐、颗粒尺寸越大，岩石表面越粗糙（非均质和多矿物岩石），则研磨性越强；湿润和含水的岩石研磨性降低。不一定岩石的硬度越大其研磨性就一定强。例如：泥质石英砂岩其中的胶结物较软，压入

硬度并不大，钻进中较软的胶结物首先被破碎下来，石英颗粒出露使岩石表面变粗糙，从而增强了研磨能力。

8. 测定岩石硬度的常用方法：静压入法、冲击回弹法。其中前者模拟硬质合金和金刚石钻进，后者模拟牙轮钻进、冲击回转钻进。

9. 碎岩工具与岩石作用的三类主要方式：切削-剪切型——钻头碎岩刃具轴向力Py和切向力Px作用下，以速度vθ向前移动切削(剪切)岩石；冲击型——刃具给孔底岩石以直接的冲击动载；冲击-剪切型——钻头刃具上不仅作用有轴向力Py、切向力Px和回转速度vθ，还有冲锤或牙轮滚动对刃具的冲击速度vz。举例：切削-剪切型——硬质合金钻进；冲击型——钢丝绳冲击钻；冲击-剪切型——牙轮钻进、液动冲击-回转钻进。

10. 平底压头在外载作用下压入岩石

时，接触面下方岩石的等应力分布状态如图

所示，最大剪应力所在的第一危险极值带位

于压头边缘往中心下部发育（图中的0.333

应力线），第二危险极值带在z轴上，深度

约等于压头半径（图中的0.3应力线）。由

于最大剪应力点是压碎岩石的发源处，且平底圆柱形压头压

入时应力存在两个极值点，应引起重视。

11. 球状切削具压入岩石时，切削具和岩石产生弹性变

形，接触面中心的正应力最大，首先出现裂隙；随外载增加，

接触面增大，产生与原裂隙平行的新裂隙系；外载继续增大，

弹性变形总值下降，应力增大，裂隙深度增大；破碎过程与

平底压模类似，并形成aob主压力体和mca, bcn剪切体。

12. 轴向力和切向力共同作用时，在岩石接触面上，切向

力作用前方将产生压应力，而切向力后方则产生拉应力；在

半无限体内形成正应力区（Ⅰ）、拉应力区（Ⅱ）和过渡区

（Ⅲ）。压缩区Ⅰ随轴向力增加而扩大，随切向力的增加而

缩小；拉伸区Ⅱ则与上述情况相反。

13. 钻进速度与比压P的关系曲线可分

成三个区段：表面破碎——切削具与岩石的

接触压力远小于岩石硬度，切削具不能压入

岩石，岩石破碎是由接触摩擦功引起的。疲

劳破碎——轴向载荷增大，但小于岩石硬

度，多次加载使疲劳裂隙发育，众多裂隙交错，产生粗岩粒分离。体积破碎——切削具上的载荷继续增大，接触压力大于等于岩石硬度，切削具有效地切入岩石，分离出大块岩屑，破碎效果好。

14. 岩石可钻性的概念——表示钻进过程中岩石破碎的难易程度。衡量岩石可钻性的指标是机械钻速，单位m／h。虽然人们已研究了岩石的强度、硬度等力学性质，但强度表示岩石在载荷作用下整体抵抗破坏的能力，硬度反映岩石抵抗外部更硬物体压入（侵入）其表面的能力，弹性表示应力与应变的关系，研磨性表示岩石磨损工具的能力，都不能完全反映钻进的难易程度。岩石的可钻性分级对钻探生产非常重要，是合理选择钻进方法、钻头类型和结构、钻进规程参数的依据，也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的依据。

15. 岩石可钻性分级方法举例：力学性质指标法——据压入硬度值把岩石分成6类12级，据摆球的回弹次数把岩石分成12级。实际钻进速度法——在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以机械钻速作为岩石的可钻性级别。微钻法——采用模拟的微型孕镶金刚石钻头，按一定的规程，对岩心进行钻进试验。破碎比功法——用圆柱形压头作压入试验时，可通过压力与侵深曲线图求出破碎功，根据破碎比功法对岩石可钻性分成10个等级。（以上任选三种即可）

16. 切削具切入岩石并回转，在水平力Px作用下，压迫前面的岩石使发生塑性变形并不断地向自由面滑移——切削作用。在

切屑的裂隙尚未发展到全面断裂之前，下一切屑

又发生滑移。因此切屑是连续、平稳的，其切削

槽宽与切削具刃宽相同，岩屑将碎裂并被冲洗液

带至地表；在Py 和Px 共同作用下的切入比Py

单独作用下切入更容易，也切入的更深。

17. 在Py 和Px 共同作用下，弹塑性岩石的孔底碎岩特点：以跳跃式的剪切破碎为主（Px力的变化情况如图所式）。岩石破碎大体分三个阶段：① 切入岩石，岩石剪切破碎，前移碰撞刃前岩石。②刃前接触面很小，挤压力较大，小剪切破碎。继续前移产生若干次小剪切。③当刃前接触面较大时，前进受阻。继续挤压刃前岩石（部分被压成粉状）；同时，Px 力急剧增大，当达极限值时产生大的剪切破碎，然后Px力突然减小。切削具不断向前推进，重复着压碎、小剪切、大剪切的循环过程。

18. 硬质合金钻头的内、外出刃使钻头体与孔壁、岩心之间形成间隙，避免摩擦，提供循环冲洗通道。一般硬岩、钻速低，取小值；反之取大值。遇水膨胀的软地层，应加焊肋骨。底出刃保证切削具能顺利地切入岩石，并为冷却切削具和排除岩粉提供通道，阶梯式底出刃可增加切削具破碎岩石的自由面产生体积破碎。切削具的镶焊角有正斜镶、直镶、负斜镶三种方式。通常正斜镶在软岩中具有高钻速，而负斜镶适用于硬岩和非均质岩

层，最常用的是直镶。

19. 磨锐式钻头的瞬时钻速随切削具

磨钝而递减。什么时候起钻换钻头最好呢？

如果起钻太早，钻头还可以使用，如果起钻

太晚，钻速将太低。确定最佳回次钻程时间

的标准是回次钻速达最大值，这样经济效益

最好。理论已证明，当回次钻速最大时，其

值等于瞬时钻速，所以可用作图法来确定最优回次钻程时间（如图所示），用瞬时钻速vm和回次钻速vR两曲线的交点来确定t0。也可以根据现场钻参仪实时采集的数据，按不等式（vR/vm）＜Cm (Cm=1.1~1.2) 判断是否需要终止回次钻程。（以上两种方法答出一种即可）

20. 制造表镶金刚石钻头大都选用粒度为15~60粒/克拉的天然金刚石，其中粗粒~细粒分别用于中硬~坚硬岩层。

21. 孕镶金刚石钻头中金刚石在胎体中的含量用浓度表示，当金刚石的体积占胎体工作层体积1/4时浓度为100%，全部是金刚石则浓度为400%。岩石越坚硬致密，金刚石质量好，粒度细，浓度宜较低；唇面比压较大时可选较高的浓度。常用浓度70%~120%，过高了将影响胎体的包镶能力和钻速。

22. 以超顶为例（如图），牙轮与地层接触母

线上x点，由ωb引起的的速度Vb x呈直线分布，

oa段向前，ob段向后，vbo=0。由ωc引起的速度

vcx也呈直线分布方向向后，在b点vcb=0。速度

合成后，牙轮相对于岩石的滑动速度呈直线，与

ab线交于M点，vsM=0为纯滚动点，bM段向后

滑动，aM段向前滑动。滑动速度随超顶距c的增

大而增大。

23. 钢粒钻进的井底工作过程：圆柱形钢粒在

钻头轴向和回转力（联系力）作用下在孔底不断

翻滚，以动压入体积破碎方式和动疲劳破碎方式

破岩。圆柱形钢粒在孔底翻滚给岩石一个微动载

作用，产生跳跃式体积破碎。当钢粒逐渐被磨成

椭球形，众多钢粒的重复碾压使裂纹加深加密

——动疲劳破碎。往往新鲜的圆柱形钢粒以第一

种破岩方式为主，被磨圆的钢粒以第二种破岩方

式为主。

24. 在整个钢粒钻进回次钻程中泵量除了排

粉、冷却功能外，还在孔底钢粒的补给、分选中起主要作用。生产中水口将逐渐被磨短，钢粒被磨小，但水口处的流速将加快，使钻头处工作钢粒数量减少。因

此，在整个回次钻程中应分段逐次改小泵量，称为“改水”。

25. 机械钻速——单位时间内的钻探进尺数vm=H/t，其中t为纯钻进时间。回次钻速——从钻具下入钻孔到提出钻具的整个回次过程的单位时间进尺vR=HR/(t+t1)，其中t1为辅助作业时间，包括：起下钻、冲孔、扫孔、立轴倒杆、接长钻杆、卡取岩心、更换钻头等时间。最优规程——在一定地质条件和钻进方法下，为保证钻孔质量，获取最低钻进成本或最高钻速而选择的钻进参数搭配。

26. 在加压钻进状态下的孔底实际钻压=给进力(钻具质量+正的机械施加力)-(冲洗液浮力+孔内摩擦阻)。减压钻进状态下的孔底实际钻压=给进力(钻具质量+负的机械施加力)-(冲洗液浮力+孔内摩擦阻)。

27. 时间效应——岩石在切削具作用下，从发生弹性变形-形成剪切体-跳跃式吃入一定深度，需要一短暂时间。切削具要在岩面停留短暂时间Δt，使裂隙发育至自由面形成剪切体。如果转速超过临界值(n

＞n0) 切削具作用于岩面时间＜Δt，裂隙尚未发

育载荷便移走了，造成表面破碎。

28. 在钻速vm∝（P-W）式中W为门限钻压，

它是ab线在钻压轴上的截距（如图），相当于切

削具开始压入地层时的钻压，取决于岩层性质。

29. 与回转钻进相比，冲击回转钻进只要用

不大的冲击力，便可破碎坚硬岩石；在可钻性Ⅵ～Ⅷ级，部分

Ⅸ级的岩石中，钻进效果尤为突出。冲击回转钻进可不仅可

提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心”、“打滑”、“防斜”

等问题。

30. 以阀式正作用液动冲击器为例（如图）。阀式正作用

冲击器以液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位。冲锤5

在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住，液流瞬间被阻，

液压水锤使冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧和锤簧；活阀下

行时被阀座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液

压下降，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在惯性作用下冲击铁

砧7，冲击能量经铁砧→岩心管接头→钻头。

31. 压差式斜面蝶状阀片为圆形（如图），两面带

有斜面，靠阀片左右摆动实现阀体变位。压缩空气P

由风动冲击器上接头进入气室A，经开启的左侧气孔

沿B进入下气室，推动活塞上行。产生压差后，蝶状

阀片在压差作用下摆动变位，阀的右翼开启而左翼盖

严。于是压缩气体经开启的右侧气孔沿C向进入上气

室，推动活塞向下运动产生一次冲击作用。

32. 最优冲击间隔——两次冲击之间切削刃回转一个角度，使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大间隔，常用相邻两次冲击间的最优夹角β表示。反映了转速与冲击频率之间的关系，由此可确定P、、Q中的n。

33. 采用液动或风动冲击回转钻进时，对钻头的要求：因为承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚体材料强度要高于普通钻头，多采用圆柱状、八角状和球齿硬质合金切削具，且出刃量较大；取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，钻头体长度较长；钻头体多呈多边形，以增大通水、通气面积。

34. 钢丝绳冲击钻进借助一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底，使岩石破碎而获得进尺。在每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下回转一定角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面。应用范围：大直径水井、露天矿山爆破孔、基桩孔、连续墙钻孔及其它工程孔，只能钻进垂直孔。

35. 振动钻进借助偏心轮实现振动钻进，广泛用于工程取样及海底浅层取样钻进等方面。钻具只有轻微振动钻头没有进尺，超过“起始频率”后钻具开始切入岩层，随着频率的提高钻速也增加。超过起始振幅A0后钻速增加，A0随频率、钻具断面尺寸和地层条件而变化。增大偏心矩，在坚实土层中钻效提高。为提高回次钻速存在着最优回次长度。

36. 岩心采取率——在回次钻进中实际取出的岩心长度与实际进尺的比值。影响岩矿心采取率与品质的自然因素：钻进坚硬、致密、完整的岩矿时，采心率高，能保持其原生结构。钻进松散、破碎、节理发育的岩矿时岩矿心的采取率低（甚至取不上岩矿心），原生结构也遭到破坏；钻进强研磨性地层，钻进效率低，岩矿心受外力作用时间长，影响岩矿心采取的品级和采取率。人为因素：钻进方法选择不合理，钻具结构选用不合理，钻进规程选择不当，操作方法不正确。

37. 普通单管钻具是

最简单的取心钻具。适用于结构致密完整的岩石。单动

双管设置内管容纳岩心，冲洗液从二管之间流动，避免对岩心的直接冲刷。内管设置单动、缓冲装置，钻进时不随外管转动，避免了钻具转动对岩心的不良影响。在钻具中设置隔水和分流装置，能获得较高的取心质量。适用于松散、破碎、节理发育的难取心地层。

38. 反循环钻进时，冲洗液在孔底的流动方向与传统

钻进工艺相反。由于孔底冲洗液的流动方向与岩矿心进

入岩心管的方向一致，所以有利于岩心进入，不易受到

冲蚀，从而对提高岩矿心采取率和质量有好处。

39. 喷射式孔底反循环钻具在一般钻具上增设了喷

嘴、混合室、喉管、扩散管、分水接头等元件。高压冲

洗液沿钻杆进入喷嘴4，高速射入扩散管5并形成负压区。

在压差作用下，岩心管8中液体被吸到喷射器与高速液

流混合，进行能量传递和交换后流入喉管13；再经扩散

管和出水孔11或弯管排出，一部分沿钻杆外环返回地面；

一部分在负压下流向孔底，冲洗孔底。从而形成孔底反

循环。

40. 绳索取心钻具（示意图在试卷中应给出）极大地

减少了起下钻具的时间，增加纯钻进时间，总的钻效高，

且这种趋势随孔深的增大而增大。岩心堵塞后能即时报

警，岩心采取率高，地质效果好。钻杆与孔壁间隙小，

钻头寿命比普通钻头寿命高。降低钻探成本。缺点：钻

杆的内径大而管壁薄，钻头壁较厚，碎岩功耗较大，绳

索取心配套设备一次性投资较大。

(1) 捞矛机构由捞矛头2和回收管4等组成。取心时

下放打捞器，打捞钩抓住捞矛头，向上提升回收管使弹

卡收拢，从而把内管总成提升上来。

(2) 弹卡定位机构：内管总成在钻杆内下放时弹卡外张，一旦到达外管的弹卡室可防止内管向上串动。内管总成轴承上部与外管一起旋转，以免弹卡磨损。

(3) 悬挂机构：内管总成下降到外管弹卡室时，悬挂环座在座环上，使内管总成下端卡簧座51与钻头52内台阶2~4mm的间隙，保证内管单动。

第39题

(4) 到位报信机构：当内管总成的悬挂

环坐落在外管中的座环上，把冲洗液通道堵

塞，泵压明显升高，表明内管总成已达预定

位置。此时阀堵打开，泵压恢复正常，可正

常钻进。

(5) 岩心堵塞报警机构：当岩心堵塞或

装满内管时，内管上顶压缩碟簧，使滑套向

上移动将通水孔堵塞，泵压升高，告诫操作

者应停止钻进，捞取岩心 。

(6) 安全脱卡机构：把壁上开有斜口的

脱卡筒套入钢丝绳投入孔内，靠自重下降，

撞击并罩住打捞钩尾部，迫使其向内收缩，

端部张开，从而使打捞器与内管总成脱离。

41. ⑴孔底局部反循环：①无泵反循环：

关泵，利用孔内的静水柱压力和上下提动钻

具在孔底形成局部反循环钻进。②喷射式孔

底反循环：不必频繁提动钻具，而是利用射

流泵工作原理形成孔底反循环。

⑵全孔反循环：气举反循环、泵吸反循

环、泵压反循环。全孔反循环冲洗液经双管

水龙头进入双管内外管环隙，到达孔底分

流，大部分进入内管向上流动把岩心及岩屑

带出，小部分冲洗液从钻杆外环上返稳定孔壁和润滑钻具。

适用条件：⑴孔底局部反循环：岩层破碎、难取心的孔段，但要求上部孔段孔壁较完整；⑵全孔反循环：适用的地层范围广，易于穿过坍、漏、破碎等复杂地层，但在坚硬地层中优越性不明显。

42. 地质成果危害：歪曲矿体产状、打丢矿体，影响对矿体、构造的判断和储量计算的精确程度。钻探施工危害：钻具在孔内弯曲变形严重，摩擦阻力增加，磨损加剧，钻杆折断事故增多，升降钻具困难，功耗增加和钻进速度下降。工程质量危害：水井钻探中深井泵无法下入或过早损坏，钻孔桩施工引起桩基倾斜，第40题

影响桩基承载力。

43. 顶角θ——钻孔轨迹某点切线与铅垂

线之间的夹角。方位角（α）——钻孔轨迹某

点切线在水平面上的投影与真北方向夹角，按

顺时针方向计。孔深——孔口到钻孔轨迹上某

点的钻孔轴线长度。垂深——孔口到钻孔轨迹

上某点的Z坐标长度。

44. 计算公式 第43题

45. 当钻孔轴线以锐角（大于临界角）穿越软—硬

—软互层时，由于软、硬部分抗破碎阻力的不同，使

钻孔朝着垂直于层面的方向弯曲。从硬岩进入软岩时，

则钻具轴线有偏离层面法线方向的趋势。但由于上方

孔壁较硬，限制了钻具偏倒，结果基本保持着原来的

方向。

46. 陀螺的自身转轴及内、外环转轴垂直正交于陀螺重心，陀螺具有三个方向的自由度。在无摩擦的情况下，三自由度高速旋转的陀螺在空间的方向保持不变，这个特性称作陀螺仪的定轴性。外框架转轴上有干扰力矩时，内框架转轴进动，使陀螺轴发生倾斜称为陀螺的进动性，因此要进行水平修正；而内框架转轴上有干扰力矩时，外框架转轴转动，使陀螺轴产生漂移，因此要进行漂移量修正。

47. 均角全距法对

测斜数据进行处理计算

的思路：把每一段测斜间

距的两组测斜数据的平

均值作为该孔段的顶角

和方位角值（如图）

，并

把它们代入第44题的公式中进行钻孔轨迹计算。

四. 综合应用题

该类题型主要检测学生综合应用本课程“三基”内容的能力，因此暂不给出标准答案，只要学生回答分析得有道理，可以自圆其说，就可以给分。如果学生的回答中有奇思妙想，而且将来在工程上可能实现，则应给高分。