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1、钻掘工程学 Exploration Engineering,Percussion&rotary-table drilling,第六章 冲击回转钻进,授 课 内 容,冲击回转钻进的工具,概述,冲击回转钻进工艺,冲击回转钻进,要求,要求：了解冲击回转钻进的特点，适用性，主要冲击器的类型，冲击回转钻头，熟悉冲击回转钻进的工艺特点。,要求,重点内容：熟悉冲击回转钻进的特点及适用性,明白其效率高的主要原因。熟悉液动冲击器的主要作用形式及用于冲击回转钻进的各类钻头的特点。掌握冲击回转钻进的规程特点，参数选择的要领及值域。,冲击回转钻进,1.概述,一、概念,第一节概述,冲击回转钻进在钻头已经承受一定静载荷的
2、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。,冲击回转钻进,红旗渠工地,在早期人工锤击凿岩基础上发展起来的,孔内钻具结构在一般回转钻进钻具基础上，加一个冲击器。在取心钻进中，冲击器安装在岩心管上端；在无岩心钻进时，直接安装在钻头上方。,发展为两类：顶驱式在钻杆顶部用风动、液动或电动机实现冲击，用钻杆传递能量，深孔受限；潜孔式，以液力或气力驱动靠近孔底的冲击器，同时由地面机构施加轴向压力和回转扭矩，钻孔更快更深。,1.概述,一、概念,第一节概述,冲击回转钻进,一、概念,二、冲击钻进的特点,1.概述,设备简单，重量小,钻液不循环，省水,钻头碎岩是不连续的，磨损慢但钻效也低,钻头以自由落
3、体碎岩，能有效破碎坚硬岩石，仅能钻垂直孔；提起钻具才需动力，故在设备功率相同时，冲击钻进可钻凿较大直径孔,第一节概述,钻进时，钻头在受到一定的钻压和回转力矩的同时，还受到冲击器以一定频率的冲击能量，钻头在孔底以冲击剪切和回转切削共同作用，破碎岩石。冲击回转钻进所需钻压减小，钻头转速降低，不但能提高钻进效率，而且降低钻头的磨损。,冲击回转钻进,一、概念,1.概述,第一节概述,二、冲击钻进的特点,主要用于：,大直径供水井，维修条件不高的地方,冲击回转钻进,水文及工程地质勘察孔,露天矿井爆破孔,桩基孔等,一、概念,1.概述,第一节概述,二、冲击钻进的特点,适用岩层及范围:,硬合金冲击回转钻进最适用于
4、粗粒、不均质的岩层。在6-8级、部分9级岩层中钻进效果尤佳。具良好的防斜能力。,可用于硬质合金钻进、金刚石及牙轮钻头钻进，适用范围宽，但在不同岩性需采用频率不同的冲击器,冲击回转钻进,*优点:,钻进效率高在5-7级、部分8级硬岩中钻效可提高50%-100%；在金刚石冲击回转钻进中对8-10级岩石效率可提高20%-50%，对致密、弱研磨岩层可有效防止“打滑”，效率可提高50%-100%,钻孔质量好，采用钻压和转速较小且能取得较高的机械钻速，有效防止孔斜,孔内事故少，回次进尺长，纯钻进时间提高了20%25%,成本降低约15%20%,液动冲击回转钻进的岩心表面状态,2.钻进工具,碎岩和取样排粉工具,
5、钻头,冲击钻杆,钢丝绳接头,捞砂筒,取样器,起下套管工具,打捞工具,辅助工具,规程参数：包括钻具重力、冲击高度和悬距、冲击次数、岩粉密度,钻具,第二节冲击钻进的工具,冲击回转钻进,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,液动冲击器高压水泥浆,气动冲击器(气动潜孔锤)用压缩空气作动力介质,机械作用式冲击器电机、电磁、牙嵌离合器,阀式,无阀式,正作用,反作用,双作用,射流式,吸收式,冲击器动力方式分类：,冲击回转钻进,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,1、阀式液动冲击器,（1）正作用液动冲击器：液动冲击器冲击锤下行进行冲击，用弹簧恢复其原位。,冲程,回程,冲击回转钻进,1外壳
6、,活阀坐垫圈,4活阀,3阀簧,5冲锤活塞,6锤簧,7铁砧,8缓冲垫圈,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,1、阀式液动冲击器,（2）反作用液动冲击器：用高压液流压力动冲锤活塞上行，并压缩工作弹簧储存能量，经弹簧释能而作功。,冲程,回程,冲击回转钻进,2外壳,4铁砧,缓冲垫圈,1工作弹簧,3冲锤活塞,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,1、阀式液动冲击器,（3）双作用液动冲击器：冲锤活塞的正反冲程均由液体压力推动。,冲击回转钻进,2活塞,7导向密封件,8节流环,9铁砧,缓冲垫圈,6塔形冲锤活塞,5导向密封件,4支撑座,1带孔的活塞阀,f活接头,g外
7、套,3外套,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,1、阀式正作用液动冲击器,2、无阀式射吸液动冲击器,SX-54III型射吸式冲击器：利用高压液流喷射时的卷吸作用，使阀与活塞、冲锤的上下腔产生交变压力差，从而推动冲锤活塞往复运动。阀与活塞的回程和冲程均由液压推动。,冲击回转钻进,启动前，冲击器的阀与冲锤活塞均处行程下限，液流通道畅通。启动时，工作液体从喷嘴喷出，高速射流的卷吸作用将活塞上腔介质抽往下腔，上腔迅速降压；进入下腔液流，由于通道扩大，流速减慢和冲击器砧子里节流孔的增压作用，使活塞下腔压力升高。于是，上、下腔形成压力差，使位于行程下限的阀与活塞同时上行；由于阀的质
8、量较轻，运动速度快，先行到达行程上限，随后活塞也抵达行程上限，至此回程结束。,回程：,冲程,当活塞上升到上限时，与活塞连成一体的冲锤顶部锥体与阀结合，高速液流被迅速切断而产生水击，上腔压力猛增；与此同时，活塞下腔的压力急剧下降。故上下腔间压力差推动活塞迅速向下运动，阀抵达行程后，活塞因惯性继续向下运动直至冲击砧子为止。此时，阀门完全打开，液流畅通，阀与活塞又进入下一循环的回程。,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,二、冲击回转钻进钻头,冲击回转钻进钻头受力条件比较复杂，除了承受与回转钻进相同的载荷外，纵向振击的载荷比回转的更大。因此，必须根据冲击回转钻进特点，设计出有特
9、色的、适当的、性能好的钻头。,冲击回转钻进,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,二、冲击回转钻进钻头,液动冲击回转硬质合金钻头有以下特点：,（1）钻头刚体选用优质钢材，壁厚，长度较大，常采用40Cr、45CrNi合金钢；只有小冲击功的情况下，采用50号、40号钢。（2）选用抗冲击性较强的合金。（3）刃角较大，采用八角柱状不对称切削具较多。,冲击回转钻进,一、冲击器及其工作原理,2.钻进工具,第二节冲击钻进的工具,二、冲击回转钻进钻头,（4）底出刃较普通回转钻头大，一般为35mm，出刃多为平底形，阶梯状出刃钻头用于中硬或硬岩层。（5）液路通道断面较大，有利于冷却和减少背压
10、，水口形式多采用三角形和半圆形。,冲击回转钻进,冲击回转硬质合金钻头结构,大八角肋骨硬质合金钻头,长方片状肋骨式硬质合金钻头,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,破碎坚硬岩石时，冲击钻进过程中的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，使岩石产生裂纹，裂纹的发育使岩石剪崩。在软、塑性岩石中，因岩石吸收大量的冲击能，冲击难以产生剪崩的效果。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,冲击回转钻进时，钻头上的切削具受到三种力的作用，即回转力、轴向静压力和冲击力。在三种力的共同作用下，切削具以冲击剪切和回转切削两种方
11、式破碎岩石。在两次冲击之间造成孔底局部岩脊，而回转的切削具则将这已经产生了裂纹的岩脊从孔底岩体上切削下来，如下图所示：,冲击回转钻进,在不同性质的岩石中钻进，处于主导地位的破岩方式不同：,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,（1）在硬的、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲击力的结果，钻具的回转仅起移动冲击点位置、切削岩脊的作用；而轴向静载荷则是用来克服钻具在冲击时的反弹力，对孔底岩石造成预加应力。轴向静载荷与回转力对岩石产生了附加剪切作用，有利于破岩。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,（2
12、）对于中硬、塑性较大的岩石，其破碎方式以回转切削为主，冲击作用是辅助的。冲击作用对岩石造成裂隙，为回转钻进的切入和切削岩石创造十分有利的条件。,（3）对塑性大的岩石来说，冲击力破岩作用不大，钻头切削具的磨损主要发生在回转过程中。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,表征冲击器产生和施加给岩石以动载作用的特性指标：,冲击功决定于冲锤重量和冲击速度冲击速度冲击频率-冲锤单位时间内的冲击次数。,冲击回转钻进,冲击间距：在冲击回转钻进中，切削具两次冲击之间的移动距离。,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲
13、击回转钻进的机理,三、冲击参数,随着冲击功的增大，岩石破碎穴的宽度和深度增加，因而钻进效率提高。增加冲力功主要依靠增加锤重量和冲击速度。冲击功的增加可以提高钻速，但单位体积破碎功不一定降低；冲击功的增加，还受切削具的质量、冲击器性能以及水泵的能力等因素限制。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,随着冲击速度的增加，岩石的塑性系数下降，硬度和屈服极限上升，破碎比功增加。,岩石的脆性增大，有利裂纹发育和脆性破碎，钻速增加。,冲击回转钻进,对于一定岩层，存在一个最优冲击间距；合理选择冲击间距，即转速与冲击频率之间合理配合，直接影
14、响破岩效果和钻头使用寿命。,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,式中 S切削具的冲击间距，mm；n钻头回转速度，r/min；D钻头的平均直径，mm；N冲击器的冲击频率，Hz。,冲击间距、冲击频率与转速之间的关系如下：,n=60NS/D,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,四、冲击回转钻进规程,1、钻压,液压冲击回转钻进加在钻头上的压力有两个方面的作用：（1）在岩石中造成一定的预应力；（2）克服冲击器所产生的反弹力。,对于不同硬度的岩石来说，岩石越软，钻压的影响越小；
15、岩石越硬，钻压的影响越大,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,1、钻压,四、冲击回转钻进规程,2、转速,（1）冲击回转钻进的转速相对较小；,（2）转速的选择主要考虑冲击间距，岩石越硬，其抗破碎阻力越大，越容易崩刃和磨损切削具，冲击间距应小一些。这样才能使孔底的岩石形成连续性的破碎，达到提高钻进效率，减少磨损、崩刃的目的。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,1、钻压,四、冲击回转钻进规程,2、转速,（3）各种岩石都有最优的冲击间距，必须在施工中累积资料
16、。前苏联对于911级岩石，最优冲击间距为58mm；对于78级岩石，最优冲击间距取814mm。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,1、钻压,四、冲击回转钻进规程,2、转速,3、泵量与泵压,（1）对于液动冲击钻进，泵量不仅影响到洗井的质量，而且影响到冲击器冲击功和冲击频率，从而影响到钻进的效果。（2）冲击回转钻进中，泵量增大，冲击器的冲击功就增大，因此，水泵要正常工作，应尽量满足冲击器工作时的泵量要求。（3）泵量的选择要考虑管路与接头处的泄露损失。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲
17、击回转钻进的机理,三、冲击参数,1、钻压,四、冲击回转钻进规程,2、转速,3、泵量与泵压,（4）泵压除克服冲击器及管路上的阻力损失外，还应满足冲击器作功的需要。（5）随着泵压的增大，冲击器的冲击频率和冲击功都相应的增加。（6）一般情况下，冲击器在0.50.6MP时开始工作，在达到1.82MP时冲击器的工作稳定。,冲击回转钻进,一、冲击钻进机理,3.钻进工艺,第三节冲击回转钻进工艺,二、冲击回转钻进的机理,三、冲击参数,1、钻压,四、冲击回转钻进规程,2、转速,3、泵量与泵压,随着孔深的增加，由于液流阻力和泄露等引起的压力损失，平均每百米增加0.20.3MP。钻进参数推荐值如下表所示：,冲击回转钻进,复习参考题,（1）说明冲击回转钻进效率高的主要原因及适用性。（2）简要说明液动冲击器的主要作用形式及用于冲击回转钻进的各类钻头的特点。（3）说明冲击回转钻进的规程特点，参数选择的要领及值域。,
