岩土钻掘工程学[2].ppt

岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第六章第六章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进冲击回转钻进与冲击、振动钻进1 1、概述；、概述；2 2、液体和气动冲击器；、液体和气动冲击器；3 3、冲击回转钻进用钻头、冲击回转钻进用钻头; ;4 4、冲击回转钻进工艺、冲击回转钻进工艺; ;5 5、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺. . 国家精品课程8/14/2024岩土钻掘工程学[2]q冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法与常规回转与常规回转钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以达钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以达到破碎坚硬岩石的效果到破碎坚硬岩石的效果q冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性ⅥⅥ～～ⅧⅧ级，部分级，部分ⅨⅨ级的岩石中，钻进效果尤为突出级的岩石中，钻进效果尤为突出q冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石钻冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石钻进及牙轮钻进。

进及牙轮钻进q冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决““堵心堵心” ” 、、“打滑打滑”、、““防斜防斜””等问题q在岩土工程的大口径施工中也有用武之地在岩土工程的大口径施工中也有用武之地 第一节第一节 概述概述岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分为液动冲击器和气动冲击器为液动冲击器和气动冲击器 u液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯回液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯回转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合广泛用于地质转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合广泛用于地质钻探、水文水井、工程施工钻探、水文水井、工程施工 、石油钻井等领域但由于自、石油钻井等领域但由于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器u气动冲击器气动冲击器(风动潜孔锤风动潜孔锤) 以压缩空气驱动。

由于单次冲击以压缩空气驱动由于单次冲击功大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高功大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高2~3倍近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤用近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤用于大口径钻进于大口径钻进 、潜孔锤解卡、起拔套管等钻孔深度从埋、潜孔锤解卡、起拔套管等钻孔深度从埋线杆孔线杆孔2.3m——油气井油气井1000m以上 第一节第一节 概述概述8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器一一、液动冲击器、液动冲击器 液动冲击器根据结构不同可分为液动冲击器根据结构不同可分为: :u阀式液动冲击器阀式液动冲击器 又可分为又可分为: : (1) (1) 正作用阀式液动冲击器正作用阀式液动冲击器; ; (2) (2) 反作用阀式液动冲击器反作用阀式液动冲击器; ; (3) (3) 双作用阀式液动冲击器双作用阀式液动冲击器. .u无阀式液动冲击器无阀式液动冲击器 又可分为又可分为: : (1)(1) 射流式液动冲击器射流式液动冲击器; ; (2) (2) 射吸式液动冲击器。

射吸式液动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.1.阀式液动冲击器阀式液动冲击器1.1 1.1 正作用冲击器正作用冲击器u液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位——“正正作用作用” u冲锤冲锤5 5在簧在簧6 6作用下处上位，中孔被活阀作用下处上位，中孔被活阀4 4盖住，盖住，液流瞬间被阻，液压液流瞬间被阻，液压↑↑产生水锤冲锤和活阀产生水锤冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧一同下行，压缩阀簧3 3和锤簧；活阀下行时被阀和锤簧；活阀下行时被阀座座9 9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压液压↓↓，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7 7，冲击能，冲击能量经铁砧量经铁砧→→岩心管接头岩心管接头→→钻头u冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u 其主要特点主要特点：(1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调试容易。

(2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能量，抵消了很大一部分高压液流所产生的冲击力3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、伸张下，容易损坏 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 1.2 反作用冲击器反作用冲击器o利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能量，经弹簧释能作功量，经弹簧释能作功o高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差超过弹簧超过弹簧1 1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4 4的的水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。

质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧o同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值再次作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u反作用冲击器的主要特点主要特点： (1)对冲洗液的适应能力较强；(2)可获得较大的单次冲击功；(3)冲击器内部的压力损失较小，效率较高 该类冲击器的主要缺点是需要刚度较大的弹簧，工作寿命只有40~lOO小时 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.3 双作用冲击器双作用冲击器u冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动u钻具自重使活接头钻具自重使活接头f压紧到外套压紧到外套g处，工作腔处，工作腔d的液流分别作用在活阀的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤和塔形冲锤6上，由上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；u冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1被被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h时，时，活阀被支撑座活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离，借助限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到惯性继续下行到s时，冲击砧子时，冲击砧子9；；u由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。

而复始第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u其主要特点主要特点：（1）双作用液动冲击器的液流能利用率较大；（2）结构比较复杂，部分零件磨损较快等缺点第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.无阀冲击器无阀冲击器2.1 2.1 射流式冲击器射流式冲击器u双稳射流元件控制的液动冲击钻具双稳射流元件控制的液动冲击钻具u高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用u若先附于右壁，高压液流则流入通道若先附于右壁，高压液流则流入通道C C并进入缸体上并进入缸体上部，推活塞下行，冲锤冲击砧部，推活塞下行，冲锤冲击砧u在在C C输出高压水的同时，有一小股高压液流输出高压水的同时，有一小股高压液流( (反馈信反馈信号号) )进入进入D D控制孔在活塞行程末了时，反馈信号很控制孔在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由强，促使射流由C C切换到切换到E E输出，高压液流由左通道输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向上。

输出，进入下腔，推动活塞向上u活塞上行时，反馈信号又回到活塞上行时，反馈信号又回到F F，，射流又切换到右输射流又切换到右输出通道如此反复循环，实现冲锤的冲击动作如此反复循环，实现冲锤的冲击动作 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u主要特点主要特点:1)结构简单易操作；2)无弹簧及配水活阀等零件，寿命较长；3)能量利用率较高；4）工作时不易堵水较好预防烧钻及蹩泵等事故；5）钻进中产生的高压水锤波比阀式冲击器小，钻具工作较平稳，能减少水泵、冲击器及高压管路等零件损坏. 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.2 2.2 射吸式液动冲击器射吸式液动冲击器u利利用用液液流流高高速速喷喷射射时时产产生生的的卷卷吸吸作作用用及及阀阀与与冲冲锤锤间间压压力力与与位位移移的的综综合合反反馈馈关关系系，，通通过过阀阀与与冲冲锤锤、、活活塞塞上上腔腔与与下下腔腔液液流流压压力力差差的的正正负负交交换换而而使使冲冲锤反复运动。

锤反复运动u主要特点主要特点: :第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器（（1 1）结构简单、零件少、）结构简单、零件少、无易损弹簧，工作寿无易损弹簧，工作寿命较长2 2）输出输入技术参数范）输出输入技术参数范围较宽，能在高频状围较宽，能在高频状态下稳定冲击，耐背态下稳定冲击，耐背压特性好压特性好8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.3.其他型式的液动冲击器其他型式的液动冲击器: :3.1 绳索取心式液动冲击器绳索取心式液动冲击器p不仅具有绳索取心钻进的各种优点，同时冲击载荷可克服绳索取心钻进不仅具有绳索取心钻进的各种优点，同时冲击载荷可克服绳索取心钻进钻头唇部较厚，钻头比压较小在坚硬致密岩石中钻速较低的缺点钻头唇部较厚，钻头比压较小在坚硬致密岩石中钻速较低的缺点 3.2 孔底反循环液动冲击器孔底反循环液动冲击器p既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程二二、风动冲击器、风动冲击器o也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也兼做冲洗介质，因此也具有空气钻进的一些特点。

兼做冲洗介质，因此也具有空气钻进的一些特点o实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转钻进高钻进高0.75~1.6倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较大，且孔底冲洗效果较好大，且孔底冲洗效果较好o使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料消耗较大，设备也较复杂消耗较大，设备也较复杂 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1. 有阀冲击器1.1 压差式斜面蝶状阀配气装置o所谓压差式是以风动冲击器活塞运动方向的前方增压，后方减压所造成所谓压差式是以风动冲击器活塞运动方向的前方增压，后方减压所造成的压力差来实现阀的变位，的压力差来实现阀的变位，从从而达到配气的目的而达到配气的目的第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器图 . 斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座o蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右摆动实现阀体变位。

摆动实现阀体变位o压缩空气压缩空气P P由风动冲击器上接头进入气室由风动冲击器上接头进入气室A A，经，经开启的左侧气孔沿开启的左侧气孔沿B B进入下气室，推动活塞上行进入下气室，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，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的右侧气孔沿C C向进入上气室，推动活塞向下运动向进入上气室，推动活塞向下运动产生一次冲击作用产生一次冲击作用8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o如果活塞串联使用时，如果活塞串联使用时，C1C1孔道的压气去下孔道的压气去下一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中心孔流入孔底，冲洗岩粉活塞向下冲击又心孔流入孔底，冲洗岩粉活塞向下冲击又产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循环工作o 压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国英格索兰公司制造的英格索兰公司制造的DHDDHD系列风动冲击器上。

系列风动冲击器上该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工较困难 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器图 . 斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 1.2 防空打机构及工作原理防空打机构及工作原理l潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接传至孔底岩石，缸体不承受冲击载荷传至孔底岩石，缸体不承受冲击载荷l即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷（即所谓空打）即所谓空打）l用防空打孔用防空打孔ⅠⅠ来实现这一功能当潜孔锤处来实现这一功能当潜孔锤处于悬吊状态时，钻头于悬吊状态时，钻头23及活塞及活塞9均借助于自均借助于自重向下滑行一段距离，则防空打孔重向下滑行一段距离，则防空打孔ⅠⅠ露露 出，出，于是来自配气机构的压气被引入缸体，并于是来自配气机构的压气被引入缸体，并经活塞中心孔道及钻头孔道流入孔底，使经活塞中心孔道及钻头孔道流入孔底，使潜孔锤自行停止工作。

潜孔锤自行停止工作 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.3 1.3 配气机构及工作原理配气机构及工作原理(1) 返回行程工作返回行程工作l返回行程返回行程→→阀片阀片7,活塞活塞9处于下限处于下限→→压气经阀压气经阀片片7后面、阀盖后面、阀盖6上的轴向与径向孔进入环形上的轴向与径向孔进入环形腔腔Ⅱ→Ⅱ→至气缸前腔，推动活塞向上运至气缸前腔，推动活塞向上运 动l气缸上腔经活塞气缸上腔经活塞9及钻头及钻头23的中心孔与孔底的中心孔与孔底相通相通→→压气使活塞压气使活塞9加速向上运加速向上运 动l当活塞当活塞9端面与配气杆端面与配气杆22配合时，上腔排气配合时，上腔排气孔关闭孔关闭→→处于压缩状态处于压缩状态→→活塞做减速运动活塞做减速运动第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程l活塞杆端面越过衬套活塞杆端面越过衬套12上的沟槽上的沟槽ⅢⅢ时，下腔压气时，下腔压气经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片7 7迅速上迅速上移关闭下腔气路，开始冲击行程的配气工作。

移关闭下腔气路，开始冲击行程的配气工作 (2) 冲击行程工作原理冲击行程工作原理u冲击行程开始冲击行程开始→→活塞和阀片均处于极上位置活塞和阀片均处于极上位置→→压压气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔→→推动活推动活塞高速向下运动冲击钻头塞高速向下运动冲击钻头u当活塞行至衬套的花键槽被关闭时当活塞行至衬套的花键槽被关闭时→→下腔压力开下腔压力开始上升始上升→→活塞上端中心孔离开配气杆活塞上端中心孔离开配气杆→→上腔通大上腔通大气压力降低，工作行程结束气压力降低，工作行程结束u活塞冲击钻头尾部后活塞冲击钻头尾部后→→阀片因其上、下压差作用阀片因其上、下压差作用→→换向换向→→活塞重复返回行程动作活塞重复返回行程动作 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2. 无阀潜孔锤无阀潜孔锤o潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸壁上，活塞运动时自动配气壁上，活塞运动时自动配气o利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了动力气的消耗；取消动力气的消耗；取消 了复杂的配气机构，代之以简单了复杂的配气机构，代之以简单的配气气路，气道路程短，气压损失小。

主要有的配气气路，气道路程短，气压损失小主要有 国产国产W系列和国外系列和国外DHD系列W-200型的工作原理：型的工作原理：o压缩空气经上接头压缩空气经上接头1、止逆塞、止逆塞4进入进气座进入进气座7下腔下腔 ，然，然后气体分成两路：一路经进气座后气体分成两路：一路经进气座7的中心孔道和节流塞的中心孔道和节流塞10进入活塞进入活塞11和钻头和钻头16的中心孔道的中心孔道至孔底冷却钻头和至孔底冷却钻头和清除岩粉；清除岩粉；第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o另一路气进入外缸另一路气进入外缸9和内缸和内缸8间的环形腔间的环形腔( (活塞运动进活塞运动进气室气室)→)→推动活塞上下运动推动活塞上下运动o进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气 槽进入槽进入下缸，活塞开始向上运动下缸，活塞开始向上运动→→上移关闭进气气路上移关闭进气气路→→活活塞靠气体膨胀运行塞靠气体膨胀运行 ，当下缸与排气孔相通时，当下缸与排气孔相通时→→活塞活塞靠惯性运行靠惯性运行. .无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯性滑行三阶段。

性滑行三阶段o活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上缸缸→→经历冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶经历冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶段，不同的是各阶段运行长度不同，冲程要保证有段，不同的是各阶段运行长度不同，冲程要保证有足够的进气长度，使活塞获得较大的速度，而具有足够的进气长度，使活塞获得较大的速度，而具有较大的冲击能较大的冲击能 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3. 油气钻井用的气动潜孔锤o空气锤提离井底时，压缩空气从公接头流空气锤提离井底时，压缩空气从公接头流到钻头清理井眼，并没有激发活塞到钻头清理井眼，并没有激发活塞o当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头接头被压紧到空气锤内部密封舱上活塞接头被压紧到空气锤内部密封舱上活塞的一个通气口的一个通气口( (流体通过活塞的流道之一流体通过活塞的流道之一) )对准控制杆的一个窗口，压缩空气对准控制杆的一个窗口，压缩空气→→活塞活塞底部空间底部空间→→推动活塞向上运动。

推动活塞向上运动o在活塞上行中，没有空气通过钻头流到孔在活塞上行中，没有空气通过钻头流到孔底实际上吹洗岩屑的工作暂停了实际上吹洗岩屑的工作暂停了 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口对准了控制杆的一个窗口，压缩空气对准了控制杆的一个窗口，压缩空气→→活塞活塞上方空间上方空间→→迫使活塞向下运动迫使活塞向下运动→→活塞撞击钻活塞撞击钻头接头上方头接头上方o同时，控制杆的底阀打开，钻柱内部的空气同时，控制杆的底阀打开，钻柱内部的空气通过控制杆、钻头接头以及钻头喷嘴吹向孔通过控制杆、钻头接头以及钻头喷嘴吹向孔底带走岩屑底带走岩屑o钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大大提高这种轮流的冲击，使得空气锤能够大提高这种轮流的冲击，使得空气锤能够以较低的钻压钻进以较低的钻压钻进 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 0、冲击回转钻进用钻头的特点、冲击回转钻进用钻头的特点q冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚体材料强度要高于普通钻头刚体材料强度要高于普通钻头——40Cr、、45CrNi合金钢；合金钢；q取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚10~20mm，，钻头体长度较长钻头体长度较长(140mm)；；而气动冲击回转钻头壁厚更大或而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；多采用全面钻进型式；q钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；q为使钻头切削具承受大冲载，多采用为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒或粗粒YG11C硬硬质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。

质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状q切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 一一、液动、液动冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头1.硬质合金钻头硬质合金钻头（（1）普通大八角硬合金钻头）普通大八角硬合金钻头o可带肋骨或不带肋骨肋骨厚可带肋骨或不带肋骨肋骨厚3mm以增大通水以增大通水面积，内、外出刃面积，内、外出刃3mm，，底出刃底出刃5mm，，刃尖角刃尖角90º~100º，，o适于钻进适于钻进5～～8级中硬岩石级中硬岩石 （（2）长片状肋骨式硬合金钻头）长片状肋骨式硬合金钻头o钻头内肋骨与钢体成一体外肋骨厚钻头内肋骨与钢体成一体外肋骨厚4mm，，外外出刃出刃1.5mm，，内出刃内出刃1mm，，底出刃底出刃5mm，，冲击冲击刃角刃角110ºo适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头（（3 3）异形硬合金钻头）异形硬合金钻头o利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流阻背压和岩心堵塞。

阻背压和岩心堵塞o镶焊镶焊6粒硬质合金，内、外出刃各粒硬质合金，内、外出刃各1mm，底出，底出刃刃2.5~3mm，合金刃尖角，合金刃尖角90º~100º，，o适于在适于在5~7级中硬岩石中使用级中硬岩石中使用 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2. 金刚石钻头金刚石钻头 o液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬“打滑打滑”地层常用高频低冲击功的液动冲击器结构特点：地层常用高频低冲击功的液动冲击器结构特点：(1) 首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；(2) 选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；(3) 因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，可选可选70~80目金刚石，金刚石浓度目金刚石，金刚石浓度75%左右；左右；(4) 要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬-硬硬胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；(5) 由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设副水口，加长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径。

副水口，加长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头o多为全面钻头多为全面钻头————整体式和分体式整体式和分体式o根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型o切削刃形状切削刃形状————分为刃片型、柱齿型和片柱混装型分为刃片型、柱齿型和片柱混装型 1. 柱齿柱齿1.1 硬质合金柱齿硬质合金柱齿 o硬质合金牌号：硬质合金牌号：K4012A，，“K” 表示矿产开采用，表示矿产开采用，“40”表示半表示半球形柱齿，球形柱齿，“12”表示直径为表示直径为12mm，，“A”表示高度表示高度o半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相反o钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬或坚硬、性脆的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿。

或坚硬、性脆的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨损严重，最好的办法是采用金刚石加强柱齿损严重，最好的办法是采用金刚石加强柱齿1.2 金刚石加强柱齿金刚石加强柱齿o有聚晶型和孕镶型有聚晶型和孕镶型——将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，利用硬质合金良好的冲击韧性可延长钻头寿命，提高钻速利用硬质合金良好的冲击韧性可延长钻头寿命，提高钻速降低钻进成本降低钻进成本o聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成为克服金刚聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成为克服金刚石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，弹性模量不同，石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，弹性模量不同，在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层o孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成 ，金刚石含量为，金刚石含量为75%左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金基体牢固连接。

基体牢固连接 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2 2．．潜孔锤潜孔锤柱齿钻头柱齿钻头 o用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿o钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速稳定；柱齿损坏稳定；柱齿损坏20%时钻头仍可继续工作，而时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后便不能使用刃片型钻头崩角后便不能使用o可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头图中可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头图中J-200型四翼钻头宜用在中硬及中硬以下岩石型四翼钻头宜用在中硬及中硬以下岩石 近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边齿倾斜角近齿倾斜角近45°°提高钻头寿命提高钻头寿命 o可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等圆弧型和中凸型钻速较高中凹型由于凸出的圆弧型和中凸型钻速较高中凹型由于凸出的岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。

岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 一、冲击回转破岩机理一、冲击回转破岩机理q冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，岩石产生裂纹冲击速度岩石产生裂纹冲击速度↑↑岩石脆性岩石脆性↑↑，裂隙发育，裂隙发育↑↑，不大的冲击能（数十焦，不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩石耳）就可破碎极坚硬的岩石q钻头上同时作用轴向静载钻头上同时作用轴向静载、、冲击力和回冲击力和回转力矩转力矩刃具具有冲击碎岩和回转碎岩刃具具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征两者的特征q根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转钻进分为冲击冲击回转钻进分为冲击- -回转和回转回转和回转-冲冲击两种碎岩形式击两种碎岩形式 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1. 1. 冲击冲击- -回转碎岩回转碎岩u主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具的反弹力，改善冲击能的传递。

的反弹力，改善冲击能的传递u回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰拟订最佳回转速度时石脊峰拟订最佳回转速度时 ，应能够将中间凸起的扇形，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎岩脊剪碎u冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类u利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒岩体的剥离随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著岩体的剥离随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著 第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺2. 2. 回转回转- -冲击碎岩冲击碎岩u回转回转- -冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的硬质合金钻头或金刚石钻头上主要用于小口径钻进，液硬质合金钻头或金刚石钻头上主要用于小口径钻进，液动冲击器即属此类。

动冲击器即属此类u破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被 迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向的静压迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向的静压和回转切削，增加了破岩的效果和回转切削，增加了破岩的效果 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺二、影响冲击回转碎岩效果的因素二、影响冲击回转碎岩效果的因素1.1.冲击能量对碎岩效果的影响冲击能量对碎岩效果的影响 2.2.并非冲击器的冲击能量越大越好评定并非冲击器的冲击能量越大越好评定碎岩效果还必须考虑碎岩比功无论单碎岩效果还必须考虑碎岩比功无论单次或多次冲击钻进，次或多次冲击钻进，A和和a的关系分成的关系分成uA＜＜A0—伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，因而比功很大；因而比功很大；uA0≤≤A≤≤Ac——过渡区过渡区 ，比功，比功a变化不大；变化不大；uA＞＞Ac——稳定区，比功稳定区，比功a较小且变化不大较小且变化不大 。

对一般岩石，冲对一般岩石，冲击能量击能量Ac=10J/cm，，破碎比功破碎比功a有稳定值有稳定值8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 2. 冲击间隔对碎岩效果的影响冲击间隔对碎岩效果的影响 u两次冲击之间切削刃回转一个角度两次冲击之间切削刃回转一个角度——称为冲击间隔反映称为冲击间隔反映了转速与冲击频率之间的关系，使两次冲击间的岩脊能被全了转速与冲击频率之间的关系，使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大间隔，称为部剪崩或切削掉的最大间隔，称为“最优冲击间隔最优冲击间隔”，常用相，常用相邻两次冲击间的最优夹角邻两次冲击间的最优夹角β表示；表示；u最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径R和切和切削刃角削刃角α有关；有关；u随冲击功随冲击功↑岩石的最优角岩石的最优角β↑，，花岗闪长岩，当花岗闪长岩，当A=6.1J/cm时，时，β =5 °；；A=12.5J/cm时时, β =7.5°u随岩石硬度随岩石硬度↓最优角最优角β↑，如，如A=6.1J/cm时大理岩时大理岩β =7.5°，，花岗花岗岩岩β =5°。

8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺3. 冲击应力波对碎岩效果的影响u冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎岩效果有重要影响岩效果有重要影响u细长冲锤入射波幅值低作用时间长；短细长冲锤入射波幅值低作用时间长；短而粗冲锤入射波幅值高作用时间短图而粗冲锤入射波幅值高作用时间短图中冲锤质量相同，但入射波形却不同中冲锤质量相同，但入射波形却不同u入射波形对碎岩的影响：缓和入射波比陡的凿入效率高，因入射波形对碎岩的影响：缓和入射波比陡的凿入效率高，因凿入初不需很大的力，随刃具侵深增加，所需力也增大，故凿入初不需很大的力，随刃具侵深增加，所需力也增大，故缓和波形与之匹配缓和波形与之匹配u改变入射波形状，除调整活塞的形状和断面积之外，还可以改变入射波形状，除调整活塞的形状和断面积之外，还可以用调整撞击面的接触条件来达到用调整撞击面的接触条件来达到 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 三、冲击回转钻进规程参数三、冲击回转钻进规程参数 1、钻压钻压q钻压给岩石内部预应力，改善冲击能量的传递条件。

但钻压钻压给岩石内部预应力，改善冲击能量的传递条件但钻压↑ 切削刃单位进尺磨损量切削刃单位进尺磨损量↑，为，为↓刃磨损，钻压不能过大，但必刃磨损，钻压不能过大，但必须克服冲击器反弹力须克服冲击器反弹力q硬合金液动冲击回转钻进：硬度不大弱研磨性岩石要充分发挥硬合金液动冲击回转钻进：硬度不大弱研磨性岩石要充分发挥回转切削碎岩作用，应采用较大钻压坚硬强研磨性岩石应回转切削碎岩作用，应采用较大钻压坚硬强研磨性岩石应发挥冲击碎岩的作用，钻压可相对小些发挥冲击碎岩的作用，钻压可相对小些q金刚石钻头以微切削与磨削为主，冲击为辅，故岩石越硬所需金刚石钻头以微切削与磨削为主，冲击为辅，故岩石越硬所需钻压越大，钻头口径钻压越大，钻头口径↑ 钻压也应钻压也应↑ q风动潜孔锤全面钻头，冲击功大，钻压对碎岩的影响较小，据风动潜孔锤全面钻头，冲击功大，钻压对碎岩的影响较小，据报导，其钻压为液动冲击的报导，其钻压为液动冲击的1/3就可获得较好的钻进效果就可获得较好的钻进效果 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 2、转速转速——风动和液动潜孔锤选择转速方法相同q硬合金潜孔锤回转仅是为改变切削刃破岩的位置，若转速过硬合金潜孔锤回转仅是为改变切削刃破岩的位置，若转速过慢，切削刃将打入先前的坑穴中使钻头回转受阻。

若转速过慢，切削刃将打入先前的坑穴中使钻头回转受阻若转速过快，会导致切削刃过早磨损所以，转速是否合理将直接影快，会导致切削刃过早磨损所以，转速是否合理将直接影响钻速和钻头寿命合理转速主要据最优冲击间隔来确定响钻速和钻头寿命合理转速主要据最优冲击间隔来确定o金刚石冲击回转钻进为充分发挥多刃切削研磨岩石，转速应金刚石冲击回转钻进为充分发挥多刃切削研磨岩石，转速应尽量提高尽量提高o如如J-200型风动潜孔锤钻进，转速一般型风动潜孔锤钻进，转速一般15~30r/min而孕镶金而孕镶金刚石冲击回转应开高转速，一般刚石冲击回转应开高转速，一般500~700r/min 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 3 3、泵压和泵量、泵压和泵量q冲洗流量不仅影响洗井质量，而且直接影响冲击器的工作性冲洗流量不仅影响洗井质量，而且直接影响冲击器的工作性能（冲击功和冲击频率），从而影响钻进效率能（冲击功和冲击频率），从而影响钻进效率q液动冲击回转钻进中，一般随泵量增加，机械钻速也增加液动冲击回转钻进中，一般随泵量增加，机械钻速也增加。

因此，只要岩层允许，泵的能力足够，就应采用大泵量因此，只要岩层允许，泵的能力足够，就应采用大泵量q泵压的规律：冲击器在泵压的规律：冲击器在0. .5~0. .6MPa开始工作，当开始工作，当1. .8~2. .0 MPa时冲击器工作稳定，平均每百米增加时冲击器工作稳定，平均每百米增加0. .2~0. .3MPa，，泵泵压相应增加压相应增加 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程q风动潜孔锤钻进，因钻速快单位时间产生的岩屑多而重，故风动潜孔锤钻进，因钻速快单位时间产生的岩屑多而重，故需比空气钻进大的风量才能使井底干净需比空气钻进大的风量才能使井底干净q潜孔锤本身也需一定风量才能正常工作具体风量应根据潜潜孔锤本身也需一定风量才能正常工作具体风量应根据潜孔锤对风量的要求和钻孔环状上返风速计算来定，选择其大孔锤对风量的要求和钻孔环状上返风速计算来定，选择其大者q潜孔锤工作风压要大于上、下配气室的压差，潜孔锤活塞才潜孔锤工作风压要大于上、下配气室的压差，潜孔锤活塞才能作上下往复能作上下往复 运动目前，国产潜孔锤：低压潜孔锤，所需运动。

目前，国产潜孔锤：低压潜孔锤，所需风压是风压是0. .5~0. .7MPa；；高压潜孔高压潜孔 锤为锤为0. .8~1. .1MPaq钻进时还需加上随钻孔加深带来的沿程压降钻进时还需加上随钻孔加深带来的沿程压降( (0. .0015MPa/m) ) 和克服水位以下的水柱压力和克服水位以下的水柱压力 第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 一、钢丝绳冲击钻进工艺一、钢丝绳冲击钻进工艺u钢丝绳冲击钻进借助一定重量的钻头，在一定的高度内周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，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则的圆形断面u应用范围应用范围:(1) :(1) 钻凿大直径水井；钻凿大直径水井；(2) (2) 钻凿露天矿山爆破钻凿露天矿山爆破孔；孔；(3) (3) 用于钻进基础桩孔、连续墙钻孔、坝基处理孔以用于钻进基础桩孔、连续墙钻孔、坝基处理孔以及其它工程孔；（及其它工程孔；（4 4）钢丝绳冲击钻，只能钻进垂直孔。

钢丝绳冲击钻，只能钻进垂直孔第五节第五节 钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺1.钻具钻具 钻头钻头、冲击钻杆冲击钻杆、钢丝绳接头、捞砂筒钢丝绳接头、捞砂筒1.1 钻头与钻杆钻头与钻杆q钢丝绳冲击钻头为使冲击力更集中施加于岩石钢丝绳冲击钻头为使冲击力更集中施加于岩石钻头底部带有各种刃角的切削刃一般软岩取钻头底部带有各种刃角的切削刃一般软岩取65~80°中硬中硬90~11 0°硬岩硬岩110~120°q为减少孔内岩粉浆对钻头运动的阻力，增大冲为减少孔内岩粉浆对钻头运动的阻力，增大冲击力，钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽击力，钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽q钻头形状有：一字形、工字形、十字形、马蹄钻头形状有：一字形、工字形、十字形、马蹄形或圆形目前普遍用形或圆形目前普遍用 十字形带副刃的钻头十字形带副刃的钻头. q冲击钻杆为实心钻杆以增加自重冲击钻杆为实心钻杆以增加自重 .8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进钢丝绳冲击钻进及振动钻进1.2 钢丝绳接头钢丝绳接头q钢丝绳接头使钻具在钢丝绳扭力作用下，钢丝绳接头使钻具在钢丝绳扭力作用下，让钻头每冲击一次自动回转一个角度。

让钻头每冲击一次自动回转一个角度q提升钻具时整个钻具因钢丝绳拉伸而转提升钻具时整个钻具因钢丝绳拉伸而转一个角度，钻具下放时活套脱离垫片，一个角度，钻具下放时活套脱离垫片，钢丝绳不受力而恢复扭紧，活套与垫片钢丝绳不受力而恢复扭紧，活套与垫片间产生滑动不会带动钻头转动这样钻间产生滑动不会带动钻头转动这样钻头每冲击一次转一个角度头每冲击一次转一个角度 1.3 抽筒抽筒q又称掏砂筒，用于捞取孔内岩粉其阀又称掏砂筒，用于捞取孔内岩粉其阀门有球形、半球形和平阀等形状门有球形、半球形和平阀等形状8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 2.钢丝绳冲击钻进规程钢丝绳冲击钻进规程2.1 钻具重量钻具重量——单位刃长上钻具重量取决于岩性：单位刃长上钻具重量取决于岩性：q软岩层软岩层--200~300N/m；中硬岩层；中硬岩层--350~400N/m；；q硬岩层硬岩层--500~600N/m；极硬岩层；极硬岩层--650~800N/m 2.2 冲击高度冲击高度——冲击运动时钻头提离孔底的高度冲击运动时钻头提离孔底的高度q改变钻机的曲柄和连杆的连接孔位，可改变冲击高度。

由改变钻机的曲柄和连杆的连接孔位，可改变冲击高度由于钢丝绳弹性伸长，钻机压轮上下高度于钢丝绳弹性伸长，钻机压轮上下高度≠钻头冲击高度钻头冲击高度q悬距悬距=压轮在最高点、钢丝绳静止、钻头距孔底的距离压轮在最高点、钢丝绳静止、钻头距孔底的距离q冲击高度通常取冲击高度通常取0. .6~1. .1m，极硬岩层取小值，软岩取大值极硬岩层取小值，软岩取大值悬距的最优值一般为悬距的最优值一般为3~4cm 第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.3 冲击次数冲击次数q冲击次数与冲击高度有关冲击次数与冲击高度有关q一般粘土层一般粘土层 j=4.5~5m/s2；硬岩；硬岩 j=6~6.5；清洁孔底；清洁孔底 j=8. .72.4 2.4 岩粉密度岩粉密度q若岩粉密度若岩粉密度↓悬浮差孔底岩粉垫悬浮差孔底岩粉垫↑钻效钻效↓，不同的岩性存在着，不同的岩性存在着最佳岩粉密度岩石密度最佳岩粉密度岩石密度↑岩粉密度可越岩粉密度可越↑q操作中通过控制掏砂间隔和数量来调整岩粉密度，规程上规操作中通过控制掏砂间隔和数量来调整岩粉密度，规程上规定定“勤掏少掏勤掏少掏”就是为了控制岩粉密度。

就是为了控制岩粉密度 第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺冲击高度冲击高度, m冲击次数冲击次数, 次次/min1.1500.78580.48658/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3. 3. 典型岩层的冲击钻进工艺典型岩层的冲击钻进工艺(1) 含大卵石、大漂石的地层用其他钻进方法不易奏效，用冲击含大卵石、大漂石的地层用其他钻进方法不易奏效，用冲击钻进时宜取大冲击高度，低冲击次数，并适当加大钻具质钻进时宜取大冲击高度，低冲击次数，并适当加大钻具质量，采用大刃角防止钻头磨损过快，注意防止卡钻量，采用大刃角防止钻头磨损过快，注意防止卡钻(2) 粘土层易造成糊钻，钻速不是主要问题，重要的是防止事故，粘土层易造成糊钻，钻速不是主要问题，重要的是防止事故，勤掏浆并及时回灌密度小的泥浆勤掏浆并及时回灌密度小的泥浆 (3) 砂层主要问题是保护孔壁，应采用优质泥浆压孔钻进，薄砂砂层主要问题是保护孔壁，应采用优质泥浆压孔钻进，薄砂层可投入粘土球来护壁，于厚砂层则只能跟管钻进层可投入粘土球来护壁，于厚砂层则只能跟管钻进。

(4) 脆性的石灰岩地层很适合用冲击钻进，钻具质量不必很大，脆性的石灰岩地层很适合用冲击钻进，钻具质量不必很大，钻头底刃要用硬材料补强，使用优质泥浆，勤掏少掏，在钻头底刃要用硬材料补强，使用优质泥浆，勤掏少掏，在有溶洞的地段注意防斜有溶洞的地段注意防斜 第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺二、振动钻进工艺二、振动钻进工艺0 0、振动钻进的特点及应用范围、振动钻进的特点及应用范围 u适用于砂性土、粘土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层在软适用于砂性土、粘土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层在软岩层和松散岩层中钻进与取样都有很高的效率岩层和松散岩层中钻进与取样都有很高的效率u由于不使用泥浆，不污染岩样和地层设备简单，被广泛用于由于不使用泥浆，不污染岩样和地层设备简单，被广泛用于工程取样钻进及海底浅层取样钻进等方面工程取样钻进及海底浅层取样钻进等方面u也广泛用于桩基工程施工，如振动沉管灌注桩施工等。

振动也广泛用于桩基工程施工，如振动沉管灌注桩施工等振动钻进中，还可借助于振动器的振动下套管、起拔套管、处理钻进中，还可借助于振动器的振动下套管、起拔套管、处理卡钻事故等卡钻事故等 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程影响钻效的工艺因素：振动频率、振幅、偏心力矩和回次长度影响钻效的工艺因素：振动频率、振幅、偏心力矩和回次长度1. 1. 振动频率振动频率u振动器频率很低时，钻具只有轻微振动钻头没有进尺当超振动器频率很低时，钻具只有轻微振动钻头没有进尺当超过某一频率值时钻具的振幅也随之加大，钻具与岩层间产生过某一频率值时钻具的振幅也随之加大，钻具与岩层间产生相对滑移并开始切入岩层中相对滑移并开始切入岩层中————称为称为““起始频率起始频率””u随着频率的提高钻速也增加，频率进一步提高时，钻具的振随着频率的提高钻速也增加，频率进一步提高时，钻具的振幅达到幅达到““极限振幅极限振幅””（（A A∞∞），）， 第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进钢丝绳冲击钻进及振动钻进 2 2、振幅、振幅q只有当振幅超过某个值时钻头才能切入土层，此时的振幅叫只有当振幅超过某个值时钻头才能切入土层，此时的振幅叫做做““起始振幅起始振幅A A0 0””。

q振幅超过振幅超过A A0 0后，钻速随振幅成线性后，钻速随振幅成线性↑↑起始振幅起始振幅A A0 0不是定值，不是定值，随频率、钻具断面尺寸和地层条件而变化随频率、钻具断面尺寸和地层条件而变化A A0 0与频率的关系与频率的关系如下正常钻进一般选如下正常钻进一般选A A等于等于3~5倍的倍的A A0 0 8/14/2024岩土钻掘工程学[2]岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第五节第五节 钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺3 3、偏心力矩、偏心力矩q增大偏心矩，在坚实土层中钻效增大偏心矩，在坚实土层中钻效↑↑但偏心力矩过大，会使上但偏心力矩过大，会使上部钻杆变形部钻杆变形4 4、回次长度、回次长度q钻进中取样管钻进中取样管完全装满后才结完全装满后才结束回次是不合理束回次是不合理的为提高回次的为提高回次钻速存在着最优回次长度钻速存在着最优回次长度8/14/2024岩土钻掘工程学[2]。