岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进

结构：如图所示。
工作原理：冲锤活塞正冲程和反冲程
均由液体压力推动。
特点：结构较复杂。采用差动运动方式
，必须有既滑动又隔压的密封件，以使冲 击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位 设有"节流环"、"下阀"等元件，在与冲锤活 塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有" 呼吸道"。从理论上讲，该冲击器的液流功 率恢复较高。
静压力因为不可能达到压入破碎岩石的应力要求，所以， 它主要的作用是克服冲击反弹，保证冲击能量的传递。
回转扭矩所起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉，同时变 换切削具的冲击位置。
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◆在中硬、塑性的岩石中钻进，岩石破碎主要是 静压力和回转扭矩的结果。
在塑性岩石中钻进，因为冲击器的冲击能量大部分被岩 石塑性变形所吸收，所以，它不可能对岩石破碎起到主要 作用。
实验证明，同样是冲击破碎岩石，有预压条件比无预压条件的强度 要低的多。
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③ 岩石在动载作用下脆性增加，有利于裂隙发育 和脆性破碎；
实验证明，静载作用下不产生破碎坑穴的岩石，如孔隙性石灰岩，在 动载作用下产生了破碎坑穴，说明岩石脆性增加。
④ 切削具在动载作用时与岩石接触时间短，磨损 小。
这时静压力使切削具吃入岩石，回转扭矩使切削具剪切 岩石，冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆性增加的辅助 碎岩效果。
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◆两类不同岩石中的不同破碎机理，决定了采用 的工艺规程参数应当不同。
由于在两类岩石中三种外载荷各自发挥的作用不同， 决定了在两类岩石钻进中所用的规程参数不同。
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞自重同时 作用，故可获得较大的单次冲击功，冲击 器内部压力损失小，能量利用率高。但工 作弹簧的工作寿命只有40～100h。
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图7.2 反作用液动冲击器
1-工作弹簧； 2-外壳； 3-冲锤活塞； 4-铁砧
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③ 双作用液动冲击器
磨损量与摩擦功成正比，摩擦功与摩擦时间成正比，所以，摩擦时间 越长，磨损量越大。
⑤ 岩石在动载下强度、硬度和破碎比功都增加。
大量试验证明，岩石的动硬度高于静硬度。
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3. 冲击回转钻进碎岩过程
图(a)：静压回转钻进。
钻头在静压和回转两种外力作用下向 下螺旋钻进。
图(b)：冲击钻进。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转 钻进
2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理研究结论
① 冲击动载作用下岩石易产生大剪切破碎，这对 硬岩（特别是粗颗粒硬岩）效果更为明显；
实验证明，对同种岩石，冲击载荷破碎的坑穴远大于静压载荷破碎的 坑穴。这可用岩石的剪切强度只是抗压强度的1/6—1/12进行解释。
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
钻头在唯一冲击力作用下上下运动。
图(c)：冲击回转钻进。
钻头在静压力、回转扭矩和冲击力三 种外载共同作用下向下螺旋钻进。
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最优冲击夹角
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4.在不同岩石中的破碎机理
冲击回转钻进钻遇岩石性质不同时，静压力、回转扭矩和 冲击力三种外载荷在碎岩过程中发挥的作用不同。
◆在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲 击力的结果。
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③ 机械冲击器——利用某种机械运动使冲锤上下 运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等
将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料 强度的影响，寿命一直未能取得较大突破，故目前还未大 量进入生产使用。
④ 其它冲击器——如电磁、电机、涡轮等，未见 实用。
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7.2.2 常用液动冲击器结构及工作原理
液动冲击器
正作用
有阀式 无阀式
反作用 双作用 射流式
射吸式
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7.2.2.1 阀式液动冲击器
① 正作用液动冲击器
结构：如图所示。 工作原理：以液体压力推动冲锤 下行进行冲击，以弹簧作用力复 位。 特点：结构简单，技术成熟。冲 锤活塞向下作功时，可利用高压 室中巨大的水锤能量；但复位弹 簧的反作用力将抵消相当大的冲 击力。
在坚硬、脆性的岩石中钻进：要注重发挥冲击器的作 用，并且注意回转速度与冲击频率和冲击功的配合，将其 控制在两次冲击之间的夹角上。
在中硬、塑性的岩石中钻进: 对冲击频率和冲击功的要 求不高，主要是应将钻压加得足够，保证切削具吃入岩石 的深度足够。此时，对转速的控制就并不要求合理的冲击 夹角了。
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7.2 常用冲击器分类、结构及工作原理
7.2.1 冲击器分类
冲击回转钻进的纵向冲击动载是由安装在靠近钻头的专门的冲击 器产生的，根据冲击器的驱动方式，一般将冲击器分为以下几类：
① 液动冲击器——以高压液体（水或泥浆）为动力介质。 这类冲击器在我国岩心钻探中使用最多。
② 气动冲击器——以压缩空气为动力介质。这类冲击器习 惯称为“潜孔锤”，在全面钻进钻孔施工中使用最多，如 锚固孔施工。
特点：结构较简单，除活塞与冲锤外无
其他运动零件，也无弹簧、配水活阀等易 损零件，因而钻具工作可靠，使用寿命长 ；冲锤向下冲击砧子时，没有自由行程阶 段和弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击 器能量利用率高；能适用于高温高压条件 下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量 要求高，否则射流原件易堵塞。
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图7.1 正作用液动冲击器
1-外壳； 2-活阀座垫圈； 3-阀簧； 4-活阀； 5-冲锤活塞； 6-锤簧；
7-铁砧； 8-缓冲垫圈； 9-阀座
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② 反作用液动冲击器
结构：如图所示。
工作原理：利用高压液流的压力推动
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。
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图7.3 双作用液动冲击器 1-带孔的活阀座; 2-活阀; 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-砧子
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7.2.2.2 无阀式液动冲击器
① 射流式液动冲击器
结构：如图所示。
工作原理：由我国独创的采用双稳射
流元件作为控制机构、冲锤活塞正、反冲 程均由高压液体推动的新型钻具。