国家精品课程岩土钻掘工程学第6章__冲击回转钻进与

岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室第六章冲击回转钻进与冲击、振动钻进1、概述；2、液体和气动冲击器；3、冲击回转钻进用钻头;4、冲击回转钻进工艺;5、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺.国家精品课程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。与常规回转钻进法相比，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以达到破碎坚硬岩石的效果。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。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。冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心”、“打滑”、“防斜”等问题。在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。第一节概述岩土钻掘工程学国家精品课程岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分为液动冲击器和气动冲击器。液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯回转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合。广泛用于地质钻探、水文水井、工程施工、石油钻井等领域。但由于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。气动冲击器(风动潜孔锤)以压缩空气驱动。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。近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤用于大口径钻进、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从埋线杆孔2.3m——油气井1000m以上。第一节概述岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室第二节液动和气动冲击器一、液动冲击器液动冲击器根据结构不同可分为:阀式液动冲击器又可分为:(1)正作用阀式液动冲击器;(2)反作用阀式液动冲击器;(3)双作用阀式液动冲击器.无阀式液动冲击器又可分为:(1)射流式液动冲击器;(2)射吸式液动冲击器。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.阀式液动冲击器1.1正作用冲击器液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位—“正作用”。冲锤5在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住，液流瞬间被阻，液压↑产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧3和锤簧；活阀下行时被阀座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压↓，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7，冲击能量经铁砧→岩心管接头→钻头。冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室其主要特点：(1)正作用冲击器结构简单，性能稳定，调试容易。(2)冲击器中弹簧的反作用要消耗一部分能量，抵消了很大一部分高压液流所产生的冲击力。(3)弹簧在1500次／min或更高的循环压缩、伸张下，容易损坏。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.2反作用冲击器利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能量，经弹簧释能作功。高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。同时，由于冲锤与铁砧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使其上行，开始第二个工作周期。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室反作用冲击器的主要特点：(1)对冲洗液的适应能力较强；(2)可获得较大的单次冲击功；(3)冲击器内部的压力损失较小，效率较高。该类冲击器的主要缺点是需要刚度较大的弹簧，工作寿命只有40~lOO小时。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.3双作用冲击器冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9；由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室其主要特点：（1）双作用液动冲击器的液流能利用率较大；（2）结构比较复杂，部分零件磨损较快等缺点。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室2.无阀冲击器2.1射流式冲击器双稳射流元件控制的液动冲击钻具。高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信号)进入D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由C切换到E输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向上。活塞上行时，反馈信号又回到F，射流又切换到右输出通道。如此反复循环，实现冲锤的冲击动作。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室主要特点:1)结构简单易操作；2)无弹簧及配水活阀等零件，寿命较长；3)能量利用率较高；4）工作时不易堵水较好预防烧钻及蹩泵等事故；5）钻进中产生的高压水锤波比阀式冲击器小，钻具工作较平稳，能减少水泵、冲击器及高压管路等零件损坏.第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室2.2射吸式液动冲击器利用液流高速喷射时产生的卷吸作用及阀与冲锤间压力与位移的综合反馈关系，通过阀与冲锤、活塞上腔与下腔液流压力差的正负交换而使冲锤反复运动。主要特点:第二节液动和气动冲击器（1）结构简单、零件少、无易损弹簧，工作寿命较长。（2）输出输入技术参数范围较宽，能在高频状态下稳定冲击，耐背压特性好。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室3.其他型式的液动冲击器:3.1绳索取心式液动冲击器不仅具有绳索取心钻进的各种优点，同时冲击载荷可克服绳索取心钻进钻头唇部较厚，钻头比压较小在坚硬致密岩石中钻速较低的缺点。3.2孔底反循环液动冲击器既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室二、风动冲击器也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也兼做冲洗介质，因此也具有空气钻进的一些特点。实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转钻进高0.75~1.6倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较大，且孔底冲洗效果较好。使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料消耗较大，设备也较复杂。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.有阀冲击器1.1压差式斜面蝶状阀配气装置所谓压差式是以风动冲击器活塞运动方向的前方增压，后方减压所造成的压力差来实现阀的变位，从而达到配气的目的。第二节液动和气动冲击器图.斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座。蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右摆动实现阀体变位。压缩空气P由风动冲击器上接头进入气室A，经开启的左侧气孔沿B进入下气室，推动活塞上行。产生压差后，蝶状阀片在压差作用下摆动变位，阀的右翼开启而左翼盖严。于是压缩气体经开启的右侧气孔沿C向进入上气室，推动活塞向下运动产生一次冲击作用。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室如果活塞串联使用时，C1孔道的压气去下一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功。压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中心孔流入孔底，冲洗岩粉。活塞向下冲击又产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循环工作。压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国英格索兰公司制造的DHD系列风动冲击器上。该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工较困难。第二节液动和气动冲击器图.斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座。岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.2防空打机构及工作原理潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接传至孔底岩石，缸体不承受冲击载荷。即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷（即所谓空打）。用防空打孔Ⅰ来实现这一功能。当潜孔锤处于悬吊状态时，钻头23及活塞9均借助于自重向下滑行一段距离，则防空打孔Ⅰ露出，于是来自配气机构的压气被引入缸体，并经活塞中心孔道及钻头孔道流入孔底，使潜孔锤自行停止工作。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室1.3配气机构及工作原理(1)返回行程工作返回行程→阀片7,活塞9处于下限→压气经阀片7后面、阀盖6上的轴向与径向孔进入环形腔Ⅱ→至气缸前腔，推动活塞向上运动。气缸上腔经活塞9及钻头23的中心孔与孔底相通→压气使活塞9加速向上运动。当活塞9端面与配气杆22配合时，上腔排气孔关闭→处于压缩状态→活塞做减速运动。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室活塞杆端面越过衬套12上的沟槽Ⅲ时，下腔压气经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片7迅速上移关闭下腔气路，开始冲击行程的配气工作。(2)冲击行程工作原理冲击行程开始→活塞和阀片均处于极上位置→压气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔→推动活塞高速向下运动冲击钻头。当活塞行至衬套的花键槽被关闭时→下腔压力开始上升→活塞上端中心孔离开配气杆→上腔通大气压力降低，工作行程结束。活塞冲击钻头尾部后→阀片因其上、下压差作用→换向→活塞重复返回行程动作。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室2.无阀潜孔锤潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸壁上，活塞运动时自动配气。利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了动力气的消耗；取消了复杂的配气机构，代之以简单的配气气路，气道路程短，气压损失小。主要有国产W系列和国外DHDW-200型的工作原理：压缩空气经上接头1、止逆塞4进入进气座7下腔，然后气体分成两路：一路经进气座7的中心孔道和节流塞10进入活塞11和钻头16的中心孔道至孔底冷却钻头和清除岩粉；第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室另一路气进入外缸9和内缸8间的环形腔(活塞运动进气室)→推动活塞上下运动。进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气槽进入下缸，活塞开始向上运动→上移关闭进气气路→活塞靠气体膨胀运行，当下缸与排气孔相通时→活塞靠惯性运行.无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯性滑行三阶段。活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上缸→经历冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶段，不同的是各阶段运行长度不同，冲程要保证有足够的进气长度，使活塞获得较大的速度，而具有较大的冲击能。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8/10中国地质大学勘查教研室3.油气钻井用的气动潜孔锤空气锤提离井底时，压缩空气从公接头流到钻头清理井眼，并没有激发活塞。当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头接头被压紧到空气锤内部密封舱上。活塞的一个通气口(流体通过活塞的流道之一)对准控制杆的一个窗口，压缩空气→活塞底部空间→推动活塞向上运动。在活塞上行中，没有空气通过钻头流到孔底。实际上吹洗岩屑的工作暂停了。第二节液动和气动冲击器岩土钻掘工程学国家精品课程2019/8