岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进PPT课件
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图(b)：冲击钻进。
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。
最优冲击夹角
6 2020/11/24
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。
9 2020/11/24
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。
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。
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。
8 2020/11/24
◆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。
④ 切削具在动载作用时与岩石接触时间短，磨损 小。
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。
5 2020/11/24
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
13
2020/11/24
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。
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
钢粒、硬合金和金刚石钻进中，也会因各种原因产生振动，但未主 动施加冲击外载，所以是纯粹的回转钻进。
3 2020/11/24
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。
◆在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲 击力的结果。
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。
7 2020/11/24
◆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。
10 2020/11/24
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。
11 2020/11/24
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
Βιβλιοθήκη Baidu
12 2020/11/24
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。
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。
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
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
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。
4 2020/11/24
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。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进
1 冲击回转钻进工艺原理 2 常用冲击器分类、结构及工作原理 3 冲击回转钻进用钻头 4 冲击回转钻进规程 5 冲击回转钻进应用范围
1 2020/11/24
●最早的雏形为手持钎杆人工锤击凿岩，嗣后发展为在回转 钻进基础上增加冲击器，形成以纵向冲击和回转切削共同破 碎岩石的钻进方法。
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。
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。
2 2020/11/24
1 冲击回转钻进工艺原理
1. 定义：
冲击回转钻进是钻头在静压作用下进行回转，同时施加 纵向冲击动载，从而形成以回转切削和纵向冲击相结合的碎 岩钻进方法。
一些冲击钻进（如钢绳冲击钻进）中虽然有孔内钻具或钻头的回转 ，但未主动施加回转外载荷，只是变换冲击位置。所以将其划分为纯粹 的冲击钻进。
●目前有两大类冲击回转钻进机构：顶驱式和潜孔式。
●潜孔式冲击回转钻进的核心器具是冲击器，根据驱动介质 类型可分为液动冲击器、气动冲击器、机械冲击器等。
●液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。1887年就获得 专利，但实际到20世纪50年代，前苏联和中国才开始研究并 在地质取心钻探中广泛采用。
●气动冲击器也称为风动潜孔锤，是用压缩空气作为驱动介 质，多用于全面钻进。
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。
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。
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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。
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。
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。
8 2020/11/24
◆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。
④ 切削具在动载作用时与岩石接触时间短，磨损 小。
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。
5 2020/11/24
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。
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
钢粒、硬合金和金刚石钻进中，也会因各种原因产生振动，但未主 动施加冲击外载，所以是纯粹的回转钻进。
3 2020/11/24
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。
◆在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲 击力的结果。
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。
7 2020/11/24
◆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。
10 2020/11/24
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。
11 2020/11/24
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
Βιβλιοθήκη Baidu
12 2020/11/24
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。
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。
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
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
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。
4 2020/11/24
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。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进
1 冲击回转钻进工艺原理 2 常用冲击器分类、结构及工作原理 3 冲击回转钻进用钻头 4 冲击回转钻进规程 5 冲击回转钻进应用范围
1 2020/11/24
●最早的雏形为手持钎杆人工锤击凿岩，嗣后发展为在回转 钻进基础上增加冲击器，形成以纵向冲击和回转切削共同破 碎岩石的钻进方法。
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。
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。
2 2020/11/24
1 冲击回转钻进工艺原理
1. 定义：
冲击回转钻进是钻头在静压作用下进行回转，同时施加 纵向冲击动载，从而形成以回转切削和纵向冲击相结合的碎 岩钻进方法。
一些冲击钻进（如钢绳冲击钻进）中虽然有孔内钻具或钻头的回转 ，但未主动施加回转外载荷，只是变换冲击位置。所以将其划分为纯粹 的冲击钻进。
●目前有两大类冲击回转钻进机构：顶驱式和潜孔式。
●潜孔式冲击回转钻进的核心器具是冲击器，根据驱动介质 类型可分为液动冲击器、气动冲击器、机械冲击器等。
●液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。1887年就获得 专利，但实际到20世纪50年代，前苏联和中国才开始研究并 在地质取心钻探中广泛采用。
●气动冲击器也称为风动潜孔锤，是用压缩空气作为驱动介 质，多用于全面钻进。