6.冲击回转钻进

岩土钻凿工艺学第四章冲击回转钻进第一节概述概念冲击回转钻进是在钻头已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。岩土钻凿工艺学按产生冲击回转的机构分类顶驱式潜孔式在钻杆顶部用风动、液动或电动机构实现冲击，并同时回转钻杆冲击能通过钻杆传递，能量利用率低，钻进孔深受到限制以液力或气力驱动靠近孔底的冲击器，产生冲击载荷，同时由地面机构施加轴向压力和回转扭矩冲击能直接传给钻头，能量利用率高，可钻更深的孔，且钻孔速度快潜孔式机构比顶驱式机构的能量利用率高岩土钻凿工艺学顶驱式潜孔式岩土钻凿工艺学回转钻进钻压、回转扭矩及冲洗液均通过钻杆传递给钻头。在坚硬地层钻进速度较低。岩土钻凿工艺学顶驱式冲击回转钻进冲击能量从顶部由钻杆（钎杆）传递给钻头。该方法较简单，但对钻杆的损伤较大。岩土钻凿工艺学潜孔式冲击回转钻进冲击能量直接（或通过岩心管）作用于钻头。该方法冲击能的损失少，对钻杆的损伤少。岩土钻凿工艺学冲击回转钻进适用的地层冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的岩石中，钻进效果尤为突出。近几年来，冲击回转钻进不仅应用于硬质合金钻进，还应用于金刚石钻进及牙轮钻进，所以，它既可钻进较软的岩层，又可钻进坚硬的岩层。冲击回转钻进应用于小口径金刚石钻进，不仅可提高钻进效率和钻头寿命，而且还可克服裂隙地层的堵心，坚硬致密地层的打滑，及某些地层的孔斜等问题。同时，在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。岩土钻凿工艺学冲击回转钻进的优点1、钻进效率高硬质合金冲击回转钻进在5～7级，部分8级岩石中钻进，比普通硬质合金回转钻进效率高50～100％。小口径金刚石冲击回转钻进在8～10级完整岩石中钻进，比普通金刚石回转钻进方法高20～50％。在致密弱研磨性的“打滑”地层则可提高50～100％或更高。2、钻孔质量好冲击回转钻进方法，由于钻头破碎岩石的方式不同于回转钻进，所以使用的钻进规程，钻压小，转速低，同时进尺又快，故不易发生孔斜。岩土钻凿工艺学3、孔内事故少，回次进尺长，纯钻进时间利用率高由于在冲击回转钻进中钻压小，转速低，冲洗液量大，孔内干净，管材磨损少，从而就大大减少钻具折断，烧钻，埋钻，卡钻等孔内事故。另外，轻微的卡钻还可以利用冲击器的震击作用自行排除，故纯钻进时间可提高20～25%.4、钻探成本低液动冲击回转钻进由于效率高，材料消耗少，纯钻进时间利用率高，故钻探成本可下降15～20％。岩土钻凿工艺学冲击回转钻进的核心部件是冲击器（潜孔锤）。按驱动介质分类液动冲击器气动冲击器机械作用式冲击器油压冲击器电动冲击器岩土钻凿工艺学液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。尽管液动冲击器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钻探中采用。该冲击器置于岩心管（3～4.5m长）顶部，对于中硬以上的岩石，较之单纯的回转钻进具有明显优势，并且可与绳索取心和水力反循环连续取心相结合，已广泛应用于地质岩心钻探、水文水井钻探、工程施工钻井、石油钻井等领域。但由于其自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。岩土钻凿工艺学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。其冲击器紧连钻头（若取心也可连接一根岩心管），由于单次冲击功大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高2～3倍。近年来又出现了一些新的进展，如：用于反循环连续取心的贯通式气动冲击器；用潜孔锤偏心扩孔钻头进行跟管钻进；将3～8个单体潜孔锤组成集束式潜孔锤用于大口径钻进；利用潜孔锤解卡、起拔套管和用于泡沫钻进等。机械作用式冲击器是利用某种机械运动，在钻具回转时产生冲锤上下运动。这些机构可以是电机，电磁装置，也可以是涡轮或特种机构。岩土钻凿工艺学第二节液动冲击器液动冲击器有阀冲击器无阀冲击器正作用冲击器反作用冲击器双作用冲击器射流式冲击器射吸式冲击器岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学SYZX273液动锤岩土钻凿工艺学PercussiveDTHHammerforQuarrying,undergroundproductiondrilling,explorationandcivilengineeringapplications...岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学1,DTHbit2,Chuck3,BitRetainingKey4,Spring5,Stud6,Bushing7,Piston8,InnerCylinder9,WearSleeve10,ValveSeat11,ThrottlePlug12,ClackValve13,ValveChest14,DiscSpring15,AdjustableSpacer16,CheckValveSpring17,CheckValve18,Oring19,BackAdapter岩土钻凿工艺学MultiHammer岩土钻凿工艺学StepAugurHammermadebyChangShinInternationalCo.Ltd.,Korea岩土钻凿工艺学一、正作用冲击器它以液体压力推动冲锤下行进行冲击，而以弹簧力作用恢复其原位，故称之为正作用液动冲击器正作用液动冲击器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-阀座岩土钻凿工艺学正作用冲击器工作原理（分四个阶段）：1、闭阀启动加速运行阶段：冲锤活塞5在锤簧6的作用下处于上位，其中心孔被活阀4盖住，液流瞬间被阻，液压急剧增高而产生水锤（也称水击）效应。在液压作用下，冲锤活塞和活阀一同下行，压缩阀簧3和锤簧6；2、自由行程阶段：当活阀下行到一定位置时，活阀被阀座9限制，活阀停止运行并与冲锤活塞脱开，液流经冲锤活塞中心孔而流向孔底，液压下降，活阀在阀簧作用下返回原位；冲锤活塞在动能作用下利用惯性继续运行；3、冲击阶段：在冲锤冲程末了，冲锤冲击铁砧7，冲击能量经铁砧-岩心管接头-岩心管等传至钻头，4、回程阶段：冲击之后，冲锤活塞在锤簧力作用下弹回；再次与活阀接触，完成一个冲击周期。岩土钻凿工艺学正作用冲击器特点优点1、冲击器结构简单，技术成熟；2、冲锤活塞向下作功时，可利用高压室中巨大的水锤能量；缺点回动弹簧的反作用力将抵消相当大的冲击力。岩土钻凿工艺学二、反作用冲击器它是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，经弹簧释放能量而作功，推动冲锤下行，产生冲击。反作用液动冲击器1-工作弹簧；2-外壳；3-冲锤活塞；4-铁砧岩土钻凿工艺学反作用冲击器工作原理（1）高压液流进入冲击器对冲锤活塞3产生作用，当冲锤活塞上下端压力差超过工作弹簧1的压缩力和冲锤活塞本身的质量时，迫使冲锤活塞上行，并压缩工作弹簧储存能量；与此同时，铁砧4的水路被逐步打开，高压液流开始流向孔底，液压下降，冲锤活塞利用惯性继续上行。（2）当冲锤3上行到上死点时，冲锤下部的液流已畅通地流向孔底，工作室压力降低，由于冲锤活塞自身质量和工作弹簧释放储存能量，便驱动冲锤活塞急速向下运动而冲击铁砧；（3）产生冲击作用的同时，由于冲锤活塞3与铁砧4相接触而又封闭了液流通向孔底的通路，液压开始上升，当上升到一定值，再次作用于冲锤活塞，使其上行，开始第二个工作周期。岩土钻凿工艺学反作用冲击器特点优点1、冲击器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；2、冲击器内部压力损失小，能量利用率高。3、对冲洗液的适应能力较强。缺点要求有大刚度的弹簧，弹簧的工作寿命短，只有40～100小时。岩土钻凿工艺学三、双作用冲击器冲锤活塞的正冲程和反冲程均由液体压力推动－－双作用。整个结构中弹簧易损件很少（或者没有）。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-砧子岩土钻凿工艺学（1）当钻具到达孔底时，由于钻具自重作用，使活接头f被压紧到外套上的g处，这时冲击器内压力工作腔d处的液流，分别作用在活阀2和塔形冲锤活塞6上，由于活阀上下两端的压差，迫使活阀上移到最上位置；由于冲锤活塞上下两端面积不同而产生压力差，迫使其也向上移动；（2）当冲锤活塞上行到与活阀接合时，通道d1被关闭，冲锤活塞与活阀便一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座4限止，冲锤活塞与活阀分离，借助惯性作用继续下行，下行到s时，冲击砧子9；由于冲锤活塞中心通道被打开，液流又恢复循环，在液流压力作用下，活阀急剧上升，冲锤活塞也急剧上行，如此运行，周而复始进行。双作用冲击器工作原理岩土钻凿工艺学1、冲击器采用差动运动方式，故必须有既滑动又隔压的密封件；2、为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；3、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”；4、从理论上讲，该冲击器的液流功率恢复较高。双作用冲击器特点岩土钻凿工艺学四、射流式冲击器射流式冲击器是我国独创的一种采用双稳射流元件作为控制机构的新型钻具。1-上接头;2-射流元件;3-缸体;4-活塞;5-冲锤;6-外缸;7-砧子;8-花键套;9-下接头岩土钻凿工艺学射流的卷吸现象岩土钻凿工艺学射流的附壁及切换岩土钻凿工艺学射流元件各部位结构参数岩土钻凿工艺学射流单侧附壁时射流元件内部流场岩土钻凿工艺学射流元件（部分被冲蚀）岩土钻凿工艺学射流式冲击器工作原理1-射流元件;2-缸体;3-活塞;4-冲锤;5-砧子;6-岩心管;7-钻头;D、F-信号孔;C、E-输出道;A、B-放空孔岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学岩土钻凿工艺学射流式冲击器工作原理（1）高压液流从射流元件1的喷嘴喷出，产生附壁作用，假如先附壁于右侧，高压液流便由E输出，进入缸体2的上部，推动活塞3下行。此时，与活塞连接的冲锤4便冲击砧子5，冲击能量便经岩心管传至钻头7上，完成一次冲击作用。（2）活塞冲程末了，上缸液压升高，反馈讯号回到F控制孔，促使射流由E切换到C输出，液流经C进入缸体下缸，推动活塞上行，做返回动作。（3）回程末了，反馈讯号又回到D，将射流切换到开始位置，液流又从E输出，进入上缸，如此往返，实现冲击作用。上、下缸的回水，则通过E、C输出道而返到放空孔B、A，再经与放空孔连接的水路及砧子内的孔，流入岩心管。岩土钻凿工艺学射流式冲击器特点：1、射流冲击器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，使用寿命较长；2、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；3、能适用于高温高压条件下的深井作业；4、钻进中产生的高压水锤波比阀式小，钻具工作平稳。5、缺点：射流元件内部易发生冲蚀磨损，寿命短。岩土钻凿工艺学五、射吸式冲击器该冲击器系利用高压液流喷射时的卷吸作用，使活塞冲锤的上下腔产生交变压力差推动活塞往复运动。射吸式冲击器1-喷嘴;2-上腔;3-冲锤活塞;4-阀（活塞套）;5-冲锤;6-下腔;7-砧子岩土钻凿工艺学启动前，冲击器的冲锤活塞3及活塞套4均处于行程下限，液流通道畅通。启动时，工作液体从喷嘴1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；进入下腔的液流，由于通道扩大，流速减慢和砧子7节流孔的增压作用，使活塞下腔压力升高；于是，上、下腔形成压差，使冲锤活塞与活塞套同时上行。由于活塞套的质量较轻，运动速度较快，先抵达行程上限，随后冲锤活塞也抵达行程上限，至此回程结束。射吸式冲击器工作原理岩土钻凿工艺学冲程时,由于冲锤活塞顶部锥体与活塞套下端闭合,高速液流被迅速切断而产生水击，上腔压力猛增；与此同时，冲锤活塞下腔压力急剧下降，故上、下腔间压力差推动冲锤活塞和活塞套向下运动。活塞套抵达行程下限后，冲锤活塞因惯性继续向下运动，直至冲击砧子为止。此时，通道完全打开，液流畅通，活塞套与冲锤活塞又进入下一循环的回程，如此周而复始地产生冲击。岩土钻凿工艺学射吸式冲击器特点1、无弹簧装置，运动部件及易损零件少；2、结构很简单，便于操作使用；3、液流在腔体内畅通性较好；4、对密封性能要求较低；5、适于小口径钻进；岩土钻凿工