第06章 冲击回转钻进

3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二三一、、冲冲冲击击击回参钻转数进钻机进理的机理
①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。
②增加冲力功主要依靠增加锤重量和冲击速度。
③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
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二一、、冲冲击击回钻转进钻机进理的机理
（ 2）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。
一、冲击器及其工作原理
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。
1工作弹簧 2外壳
3冲锤活塞
冲程 回程
4铁砧
冲击回转钻进
缓冲垫圈
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
一、冲击器及其工作原理
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
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二三一、、冲冲冲击击击回参钻转数进钻机进理的机理
④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。
⑤岩石的脆性增大，有利裂纹发育和脆性破碎， 钻速增加。
⑥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，直接影响破岩效果和钻头使用寿命。
（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。
• 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%
金刚
液
石钻
动
头
冲
击
回
转
钻
进
的
岩
心
表
面
状
态
冲击回转钻进
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
钻头
钻具
碎岩和取样排粉工具
起下套管工具 打捞工具 辅助工具
冲击回转钻进
1.概述
第一节 概述
二一、、冲概击念钻进的特点
①钻设进备时简，单钻，头重量在小受到一定的钻压和回 转②力钻矩液的不循同环时，，省还水受到冲击器以一定频 率③的钻冲头击碎岩能是量不，连钻续头的，在磨孔损底慢以但冲钻效击也剪低切 和回转切削共同作用，破碎岩石。冲击 回④转钻钻头进以自所由需落钻体压碎减岩，小能，有钻效头破转碎坚速硬降岩低， 不磨石设备，但损功仅能。率能提钻相高垂同钻直时孔，进；冲效提击率起钻，钻进而具可才钻且需凿降动较低力大钻，直头故径在孔的
冲击回转钻进
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
二一、、冲冲击击回器转及钻进其钻工头作原理
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
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二一、、冲冲击击回钻转进钻机进理的机理
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：
第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
123、、泵转钻量速压与泵压
（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。
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
12、、转钻速压
（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。
• 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
*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810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%
g外套
f活接头
1带孔的活塞阀
2活塞 3外套 4支撑座
5导向密封件 6塔形冲锤活塞
7导向密封件 8节流环
9铁砧
冲击回转钻进
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
一、冲击器及其工作原理
21、、阀无式阀正式作射用吸液液动动冲冲击击器器
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
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具 二一、、冲冲击击回器转及钻进其钻工头作原理
（4）底出刃较普通回转钻头大，一般为 3~5mm，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，水口形式多采用三角形和半圆 形。
冲 击 回 转 硬 质 合 金 钻 头 结 构 大八角肋骨硬
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第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
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；岩石越硬，钻压的影响越大
冲击回转钻进
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二三一、、冲冲冲击击击回参钻转数进钻机进理的机理
⑦冲击间距、冲击频率与转速之间的关系如下：
n = 60NS/πD
式中 S——切削具的冲击间距，mm； nFra Baidu bibliotek—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。
冲击回转钻进
冲击回转钻进
1.概述
第一节 概述 二一、、冲概击念钻进的特点
主要用于：
• 大直径供水井，维修条件不高的地方 • 水文及工程地质勘察孔 • 露天矿井爆破孔 • 桩基孔等
冲击回转钻进
1.概述
第一节 概述 二一、、冲概击念钻进的特点
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。
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二三一、、冲冲冲击击击回参钻转数进钻机进理的机理
表征冲击器产生和施加给岩石以动载作用的特性指 标： ①冲击功－决定于冲锤重量和冲击速度
②冲击速度
③冲击频率-冲锤单位时间内的冲击次数。 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。
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：
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二一、、冲冲击击回钻转进钻机进理的机理
（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。
回程：
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 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。
冲击回转钻进
8缓冲垫圈
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
一、冲击器及其工作原理
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
1外壳 活阀坐垫圈 3阀簧 4活阀 5冲锤活塞 6锤簧
7铁砧
冲击回转钻进
缓冲垫圈
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
12、、转钻速压
（3）各种岩石都有最优的冲击间距， 必须在施工中累积资料。前苏联对于 9~11级岩石，最优冲击间距为5~8mm； 对于7~8级岩石，最优冲击间距取 8~14mm。
冲击回转钻进
3.钻进工艺
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。
质合金钻头
长方片状肋骨式 硬质合金钻头
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一、冲击钻进机理
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。
在早期人工锤击凿岩基础上发展起来的
1.概述
红 旗 渠 工 地
冲击回转钻进
1.概述
第一节 概述
一、概念
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。
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。
钻掘工程学
Exploration Engineering
第六章 冲击回转钻进
Percussion & rotary-table drilling
授课内容
概述 冲击回转钻进的工具 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。
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
123、、泵转钻量速压与泵压
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 0.2~0.3MP。钻进参数推荐值如下表所示：
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。
冲击钻杆 钢丝绳接头 捞砂筒 取样器
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
冲击回转钻进
2.钻进工具
第二节 冲击钻进的工具
冲 击 器 动 力 方 式 分 类：
液动冲击器 －高压水泥浆
正作用 阀式 反作用
双作用 无阀式 射流式
吸收式
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
冲击回转钻进
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
第一节 概述
一、概念 冲击回转钻
进－在钻头已 经承受一定静 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。
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二三四、冲冲击击回钻参转进数钻机进理规的机程理
123、、泵转钻量速压与泵压
（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0.5~0.6MP时开 始工作，在达到1.8~2MP时冲击器的工作稳 定。