第五章 冲击回转钻进

• 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：
• 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。
• 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。
第五章 冲击回转钻进
第一节 概述 第二节 液动冲击器结构及作用原理 第三节 风动冲击器 第四节 冲击回转钻进设备及钻头 第五节 冲击回转钻进规程 第六节 冲击回转钻进的操作及注意事项
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。
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。
• 用此冲击器进行冲击回转钻进，除需配备耐高压 胶管和稳压器外，可基本上利用现有的常规钻探 设备和钻具级配，在易斜地层采用硬质合金冲击 回转钻进时，可将常规钻机附加减速装置，使转 速降低至20～40r/min时，能更好地发挥其防斜功 能和减轻管材磨损，有利于降低钻探成本和预防 孔内事故。在现有泥浆泵(如BW–250/50和BW– 250型)的能力下，钻进孔深可达450m，如采用压 力更高的泵，其钻孔深度还可增加。
• 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。 所以称为冲击回转钻进。
• 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。
• 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。
• 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。
• (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பைடு நூலகம்果。
• (一)可用不同的磨料来钻进中硬、以及坚硬岩层 • (二)可钻进裂隙发育及“打滑”岩层 • (三)钻孔孔径及钻进孔深均可满足地质钻探的一 般要求 (三)钻孔孔径及钻进孔深均可满足地质钻探的一般要求 • (四)可钻进定向钻孔及采用绳索取心钻进 • (五)可进行取心钻进或无岩心钻进 • (六)用于反循环及各种工程勘察施工 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。取心钻进或无岩心钻进
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 • (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 5-2所示。
• ―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。
• 1、结构及工作原理 • (1)结构：冲击器结构简单，由27个零件组成(参见图5-3)。 • (2)工作原理(见图5-4)：当钻具11未接触孔底时，钻具11 悬吊在六方套10上。冲洗液经减耗阀接头通水孔a、活阀4 内孔，活塞冲锤7内孔、下砧9(即联动接头)，岩心管及钻 头畅流至孔底，并由钻具与孔壁之间的间隙返回地面。此 时冲击器处于悬吊状态，不工作。 • 当钻具11下降至孔底时，六方套10与钻具11的间隙被压 紧而消除。使活塞冲锤7相对上升与阀4底面接触，切断水 路而产生水锤，推动减耗阀2向上移动，打开主通水孔b， 使冲洗液大量进入活阀区，推动阀4活塞冲锤7同步下行。 并压缩阀簧5及锤簧8，此时，冲击器处于启动状态。
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。
• 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。
• 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。
• (三)ZF一56型液动冲击器 • 现以ZF一56型液动冲击器为例说明其结构、工作 原理及应用特点。 • ZF—56型液动冲击器属于活阀式正作用液动冲击 器。它结构简单、启动容易、调试方便、工作稳 定可靠。在Ⅵ级以上岩层中，用于Φ56mm口径的 金刚石或硬质合金的冲击回转钻进中，均可不同 程序的提高钻进效率，增长回次进尺，减轻岩心 堵塞及孔斜率。特别是用于“打滑”地层钻进时 效果更为显著。是实现小口径多工艺钻进的良好 机具。
• 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。
• ―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“正作用” 类型的液动冲击器。
• 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。
• (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。