冲击回转钻进.doc

精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第五章 冲击回转钻进第一节 概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法．以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法近几十年来．钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理．研制成功了冲击回转钻进技术一、 冲击回转钻进的实质冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进它是在地面以动力带动全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力如图51所示所以称为冲击回转钻进图51冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图a–回转钻进；b–冲击钻进；c–冲击回转钻进P静–轴向力；M–回转力；P冲–冲击力根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高3～5倍。

又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力2)切削刃的磨损减少在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：①冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；②体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中很容易达到体积破碎；③钻速快，切削具的相对磨损就减少3)在冲击时岩石上还加有一定的轴向压力，改善了冲击能量的传递条件，增大了冲击效果4)由于连续高频地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中裂隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石5)在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果二、 冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进的应用已有上百年的历史。

早在19世纪60年代就有人进行了潜孔式冲击器的试制工作早期在法国研制过低频液动冲击器后来，在原苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作20世纪30年代发展了风动潜孔锤到50、60年代获得了较为广泛的应用20世纪40年代，原苏联葛莫夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用液动冲击器50年代美国的艾莫雷研制了活阀式及反作用冲击器，到后期，就出现了种类繁多的冲击器各类冲击器一直发展到现在，都取得了较大的发展原苏联在1961年开始成批生产Г一3A型冲击器，1962年开始大力推广冲击回转钻进方法到1963年已有30个队用此法钻进此后新冲击器不断出现，1964年生产了使用泥浆的Г—5A型冲击器；1965年生产ГМЛ一2小水量冲击器；1970年生产Г—7型小口径冲击器；1973年出现了КТСГ一76型小口径冲击器和ГB—5型高频冲击器，开始推广金刚石冲击回转钻进；1975年到1976年成批生产口径最小的KTCГ一59型、频率更高的ГB一6型冲击器，与此同时，研制了用于各类地层的钻头和辅助设备和工具例如，在Г一7和Г一9的基础上改进的KГCГ—7—76和KTCГ一9—59型冲击器，并带有专用的碎岩和辅助工具，它在金属矿中可钻孔深达800～1200m。

在60年代中，原苏联将液动冲击回转钻进方法用于常规口径的硬质合金钻进和钢粒钻进中70年代，原苏联则将这种钻进方法应用到小口径金刚石和硬质合金钻进中这样便进一步扩大了液动冲击回转钻进方法的使用范围据初步统计，到1980年已累计进尺1000×104以上原苏联采用液动冲击同转钻进定向钻孔已试验成功；并根据液动冲击器的作用原理，设计制造出可以处理孔内卡钻事故的冲击振动器；同时为了进一步提高钻进效率，并研制出ГC—50型用于绳索取心钻进的液动冲击器装置此外，还大力发展了气动冲击回转钻进方法美国、法国、南非等国家也发展了冲击回转钻进方法，并已将气动冲击回转钻进视为现代各类岩土钻凿施工中快速而经济的方法这些国家将该技术作为“多工艺综合钻进方法”的一部分，研制成功各类冲击器；如美国的英格索尔—兰德(Ingersoll—Rand)公司的I—R系列；法国的A·S·S系列等，可与空气循环介质钻进、绳索钻进等配套使用我国自1958年开始研制冲击回转钻具，许多单位在研制冲击器和冲击回转取心钻进方面进行了许多工作，但后来研究中断从1970年又开始进行研制，经多年反复实践，现已研制成功多种液动冲击器冲击器的结构逐步趋于完善，并初步摸索出有关设备配套，管材规格，机械加工要求、钻头结构类型、钻进操作技术工艺及测试冲击器性能等方面的经验。

原地矿部在“七五”期间，对冲击回转钻进技术进行了全面的推广工作，取得了良好的效果到1987年，据不完全统计，地矿、冶金、核工业三部仅液动冲击回转钻进累计进尺已达130×104m其中，金刚石冲击回转钻进比重较大，已达60%左右，其余为硬质合金钻进到1993年，我国在气动、气液混合、大口径工程钻探、绳索取心、贯通式反循环连续取心等方面的冲击器研制与使用，都取得了可喜的进展，在某些方面的研究成果，显示了我国的特色和同际领先水平三、 冲击器的种类目前国内外所用的冲击器，按其动力方式可分为下列四种：(一)气动式冲击器以压缩空气作为动力工作介质，驱动气动冲击器的冲锤产生冲击作用二)液动式冲击器以高压液流(清水、泥浆或其它类型冲洗液)作为动力工作介质，推动液动冲击器中的冲锤产生冲击作用三)液气混合式冲击器以高压液流为主，必要时辅以压缩空气，用两种动力工作介质共同驱动冲击器的冲锤产生冲击作用；当前，在地质钻探中，采用气动式和液动式的冲击器较多，采用液气混合式的较少机械式冲击器因其工作性能尚不能满足钻进要求，还处于研究试验阶段液动式冲击器又可分为“正作用”、“反作用”和“双作用”三种类型四、 冲击回转钻的应用范围冲击回转钻进除可以提高钻速外，又因所需轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故少，材料消耗低，因此，是当前一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。

特别是在中等硬度以上的岩石中，其效率更为显著由于液动冲击器的类型不断增多，结构不断完善，性能不断提高，磨料、钻头的品种不断发展，以及相应的设备和辅助工具逐步配套，使冲击回转钻的应用范围愈加广泛：(一)可用不同的磨料来钻进中硬、以及坚硬岩层从当前国内外应用情况来看，以硬质合金为磨料时最适用于钻进粗颗粒不均质的岩层，尤其是钻进可钻性为5～8级岩层时，效果更为突出在硬岩层和坚硬岩层中，聚晶金刚石冲击回转钻进，均取得了较好的钻进效果据国内外使用结果，金刚石冲击回转钻进与金刚石回转钻进相比，机械钻速提高了25%～100%，回次进尺长度提高了10%～100%，而且所钻进的岩层愈硬，则提高的程度也愈显著如在可钻性为9～10级的矽化灰岩中，机械钻速可提高30%左右，而在可钻性为12级的铁质碧玉岩中，则提高102%我国河北某队在可钻性为10级的石英岩中钻进时，金刚石冲击回转钻进的小时效率比金刚石回转钻进提高了107%二)可钻进裂隙发育及“打滑”岩层应用金刚石冲击回转钻进方法，可钻进裂隙比较发育的岩层及容易磨光金刚石的岩层(即所谓“打滑”岩层)由于某种原因，不能开高转速进行金刚石回转钻进(如孔内漏水)的地层以及极易产生钻孔强烈弯曲地层中，应用冲击回转钻进，都取得了较好的效果。

三)钻孔孔径及钻进孔深均可满足地质钻探的一般要求目前采用液动冲击回转钻进方法所施工的钻孔直径，由50mm直到130mm，可根据需要进行选择钻进孔深可达800～1000m四)可钻进定向钻孔及采用绳索取心钻进近年来，国内外采用液动冲击回转钻进方法来钻进定向孔以及进行绳索取心钻进，都取得了十分满意的效果到1990年，我国已开发了三个系列品种的绳索取心式冲击器，并用于金刚石的绳索取心钻进“打滑”岩层、硬脆碎易堵的岩层，提高了钻进效率及回次进尺长度五)可进行取心钻进或无岩心钻进冲击回转钻进方法不仅可用于取心钻进，也可进行无岩心钻进采用无岩心冲击回转钻进时，可更进一步提高钻进效率六)用于反循环及各种工程勘察施工目前，各种贯通式及非贯通式液、气动冲击器已广泛用于水力反循环连续取心钻进、气举反循环连续取心钻进中，并在岩心勘探、工程勘察施中得到应用冲击回转钻进方法虽然应用日益广泛，但尚须进一步完善和提高应当进一步研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究、没计新型的冲击器；研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器等；研究冲击器的设计和计算方法；设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机；研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订合理的钻进工艺参数。

第二节 液动冲击器结构及作用原理一、“正作用”类型液动冲击器图 52 正作用冲击器结构原理示意图1–外管；2–活阀座；3–活阀弹簧；4–活阀；5–活塞冲锤；6–冲锤弹簧；7–铁砧；8–缓冲垫圈(一)“正作用”类型液动冲击器原理“正作用”冲击器是以高压液流推动活塞冲锤下行而进行冲击，而并借助弹簧力量使其恢复到原来位置如图 52所示在冲击器外管1中装有活塞冲锤5，它悬座在冲锤弹簧6上，迫使活塞顶端始终与活阀4相接触，以封闭活塞冲锤5的中间水路活阀4支撑在活阀弹簧3上，并能在导向器中上下移动但它的移动范围并不大，向下作用时，受到活阀座2的限制；向上作用时受到缓冲垫圈8的限制铁砧7与岩心管、钻头相连接，组成一套粗径钻具正作用”液动冲击器的工作过程如下：高压液流流向活塞冲锤5的顶部后，由于活阀4封闭着活塞冲锤5的中间水路而截断了液流通道当不断流入的高压液流达到一定能量时，便推动活塞冲锤5向下运动，使其碰撞铁砧7产生一次冲击在活塞冲锤5向下运动进行冲击的过程中，同时，也压缩冲锤弹簧6，使它逐步储存能量；活阀4由于受到活阀座2的限制，在活塞冲锤5下行后便互相脱开(不再接触，失去封闭作用)液流开始沿活塞冲锤5的中间水路流向孔底；活塞冲锤产生冲击作用后，因其顶部压力降低，冲锤弹簧6将所储存的能最释放出来，把活塞冲锤推回到原来的位置处。

活塞冲锤5上行至上死点与活阀4接触后，其中间水路又被封闭，再次截断高压液流，第二个周期便开始以此反复进行便形成连续性的冲击二)“正作用”液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，“正作用”冲击器具有下列特点：1、可利用高压室中的巨大水锤能量做功；2、液流在冲击器腔体内的流动水路较通畅；3、液流的功率恢复较高；4、结构简单，便于使用和维修；5、冲击器的工作性能比较稳定可靠6、便于缩小直径正作用”液动冲击器存在的主要问题是：当活塞冲锤5向下运动进行冲击时，冲锤弹簧6的反作用力对其冲击力的抵消较大尽管如此，由于它的有效作用力还是相当可观的，而且结构也比较简单，所以目前仍把它作为继续研究应用的主要类别之一我国研制的ZF系列、TK系列、YZ系列及原苏联的Г、ГB系列冲击器，均属“。