国家精品课程：岩土钻掘工程学第6章冲击回转钻进与.ppt

岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程国家精品课程：岩土钻掘工程学第6章冲击回转钻进与 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望q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。到破碎坚硬岩石的效果。q冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性级，部分级，部分级的岩石中，钻进效果尤为突出。级的岩石中，钻进效果尤为突出。q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。进及牙轮钻进。q冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心堵心”、“打滑打滑”、“防斜防斜”等问题。等问题。q在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。第一节第一节 概述概述岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 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。为液动冲击器和气动冲击器。u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、工程施工钻探、水文水井、工程施工、石油钻井等领域。但由于自、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。身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。u气动冲击器气动冲击器(风动潜孔锤风动潜孔锤)以压缩空气驱动。由于单次冲击以压缩空气驱动。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功大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高23倍。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于大口径钻进、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从埋、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从埋线杆孔线杆孔2.3m油气井油气井1000m以上。以上。第一节第一节 概述概述11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器一一、液动冲击器、液动冲击器 液动冲击器根据结构不同可分为液动冲击器根据结构不同可分为:u阀式液动冲击器阀式液动冲击器 又可分为又可分为:(1)(1)正作用阀式液动冲击器正作用阀式液动冲击器;(2)(2)反作用阀式液动冲击器反作用阀式液动冲击器;(3)(3)双作用阀式液动冲击器双作用阀式液动冲击器.u无阀式液动冲击器无阀式液动冲击器 又可分为又可分为:(1)(1)射流式液动冲击器射流式液动冲击器;(2)(2)射吸式液动冲击器。射吸式液动冲击器。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.1.阀式液动冲击器阀式液动冲击器1.1 1.1 正作用冲击器正作用冲击器u液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位“正正作用作用”。u冲锤冲锤5 5在簧在簧6 6作用下处上位，中孔被活阀作用下处上位，中孔被活阀4 4盖住，盖住，液流瞬间被阻，液压液流瞬间被阻，液压产生水锤。冲锤和活阀产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧一同下行，压缩阀簧3 3和锤簧；活阀下行时被阀和锤簧；活阀下行时被阀座座9 9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压液压，活阀在阀簧作用下返位；冲锤在动能，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，冲击铁砧作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7 7，冲击能，冲击能量经铁砧量经铁砧岩心管接头岩心管接头钻头。钻头。u冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u 其主要特点主要特点：(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。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 1.2 反作用冲击器反作用冲击器o利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能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。量，经弹簧释能作功。o高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差超过弹簧超过弹簧1 1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤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，铁砧上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4 4的的水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，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。质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。o同时，由于冲锤与铁砧相接触而又封闭了液流通向同时，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。作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u反作用冲击器的主要特点主要特点：(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40lOO小时。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.3 双作用冲击器双作用冲击器u冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。u钻具自重使活接头钻具自重使活接头f压紧到外套压紧到外套g处，工作腔处，工作腔d的液流分别作用在活阀的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤和塔形冲锤6上，由上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；u冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移冲锤活塞上、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，通道动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1被被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h时，时，活阀被支撑座活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离，借助限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到惯性继续下行到s时，冲击砧子时，冲击砧子9；u由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在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，周液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。而复始。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u其主要特点主要特点：（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。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.无阀冲击器无阀冲击器2.1 2.1 射流式冲击器射流式冲击器u双稳射流元件控制的液动冲击钻具。双稳射流元件控制的液动冲击钻具。u高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。u若先附于右壁，高压液流则流入通道若先附于右壁，高压液流则流入通道C C并进入缸体上并进入缸体上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。部，推活塞下行，冲锤冲击砧。u在在C C输出高压水的同时，有一小股高压液流输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信反馈信号号)进入进入D D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由强，促使射流由C C切换到切换到E E输出，高压液流由左通道输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向上。输出，进入下腔，推动活塞向上。u活塞上行时，反馈信号又回到活塞上行时，反馈信号又回到F F，射流又切换到右输，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。出通道。如此反复循环，实现冲锤的冲击动作。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程u主要特点主要特点: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.第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.2 2.2 射吸式液动冲击器射吸式液动冲击器u利利用用液液流流高高速速喷喷射射时时产产生生的的卷卷吸吸作作用用及及阀阀与与冲冲锤锤间间压压力力与与位位移移的的综综合合反反馈馈关关系系，通通过过阀阀与与冲冲锤锤、活活塞塞上上腔腔与与下下腔腔液液流流压压力力差差的的正正负负交交换换而而使使冲冲锤反复运动。锤反复运动。u主要特点主要特点:第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器（1 1）结构简单、零件少、）结构简单、零件少、无易损弹簧，工作寿无易损弹簧，工作寿命较长。命较长。（2 2）输出输入技术参数范）输出输入技术参数范围较宽，能在高频状围较宽，能在高频状态下稳定冲击，耐背态下稳定冲击，耐背压特性好。压特性好。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.3.其他型式的液动冲击器其他型式的液动冲击器:3.1 绳索取心式液动冲击器绳索取心式液动冲击器p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。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孔底反循环液动冲击器p既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程二二、风动冲击器、风动冲击器o也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也也称风动潜孔锤，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。兼做冲洗介质，因此也具有空气钻进的一些特点。o实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转钻进高钻进高0.751.6倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较倍，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。大，且孔底冲洗效果较好。o使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料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。消耗较大，设备也较复杂。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.有阀冲击器1.1 压差式斜面蝶状阀配气装置o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。的压力差来实现阀的变位，从而达到配气的目的。第二节第二节 液动和气动冲击器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。o蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右摆动实现阀体变位。摆动实现阀体变位。o压缩空气压缩空气P P由风动冲击器上接头进入气室由风动冲击器上接头进入气室A A，经，经开启的左侧气孔沿开启的左侧气孔沿B B进入下气室，推动活塞上行。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，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的右侧气孔沿C C向进入上气室，推动活塞向下运动向进入上气室，推动活塞向下运动产生一次冲击作用。产生一次冲击作用。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o如果活塞串联使用时，如果活塞串联使用时，C1C1孔道的压气去下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。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，开始第二个循产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循环工作。环工作。o 压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国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英格索兰公司制造的DHDDHD系列风动冲击器上。系列风动冲击器上。该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工较困难。较困难。第二节第二节 液动和气动冲击器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。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.2 1.2 防空打机构及工作原理防空打机构及工作原理l潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接潜孔锤工作时，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。传至孔底岩石，缸体不承受冲击载荷。l即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷（即所谓空打）。（即所谓空打）。l用防空打孔用防空打孔来实现这一功能。当潜孔锤处来实现这一功能。当潜孔锤处于悬吊状态时，钻头于悬吊状态时，钻头23及活塞及活塞9均借助于自均借助于自重向下滑行一段距离，则防空打孔重向下滑行一段距离，则防空打孔露露 出，出，于是来自配气机构的压气被引入缸体，并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。潜孔锤自行停止工作。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.3 1.3 配气机构及工作原理配气机构及工作原理(1)返回行程工作返回行程工作l返回行程返回行程阀片阀片7,活塞活塞9处于下限处于下限压气经阀压气经阀片片7后面、阀盖后面、阀盖6上的轴向与径向孔进入环形上的轴向与径向孔进入环形腔腔至气缸前腔，推动活塞向上运至气缸前腔，推动活塞向上运 动。动。l气缸上腔经活塞气缸上腔经活塞9及钻头及钻头23的中心孔与孔底的中心孔与孔底相通相通压气使活塞压气使活塞9加速向上运加速向上运 动。动。l当活塞当活塞9端面与配气杆端面与配气杆22配合时，上腔排气配合时，上腔排气孔关闭孔关闭处于压缩状态处于压缩状态活塞做减速运动。活塞做减速运动。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程l活塞杆端面越过衬套活塞杆端面越过衬套12上的沟槽上的沟槽时，下腔压气时，下腔压气经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片7 7迅速上迅速上移关闭下腔气路，开始冲击行程的配气工作。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工作原理u冲击行程开始冲击行程开始活塞和阀片均处于极上位置活塞和阀片均处于极上位置压压气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔推动活推动活塞高速向下运动冲击钻头。塞高速向下运动冲击钻头。u当活塞行至衬套的花键槽被关闭时当活塞行至衬套的花键槽被关闭时下腔压力开下腔压力开始上升始上升活塞上端中心孔离开配气杆活塞上端中心孔离开配气杆上腔通大上腔通大气压力降低，工作行程结束。气压力降低，工作行程结束。u活塞冲击钻头尾部后活塞冲击钻头尾部后阀片因其上、下压差作用阀片因其上、下压差作用换向换向活塞重复返回行程动作。活塞重复返回行程动作。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程2.无阀潜孔锤无阀潜孔锤o潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸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。壁上，活塞运动时自动配气。o利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了动力气的消耗；取消动力气的消耗；取消 了复杂的配气机构，代之以简单了复杂的配气机构，代之以简单的配气气路，气道路程短，气压损失小。主要有的配气气路，气道路程短，气压损失小。主要有 国产国产W系列和国外系列和国外DHD系列。系列。W-200型的工作原理：型的工作原理：o压缩空气经上接头压缩空气经上接头1、止逆塞、止逆塞4进入进气座进入进气座7下腔下腔，然，然后气体分成两路：一路经进气座后气体分成两路：一路经进气座7的中心孔道和节流塞的中心孔道和节流塞10进入活塞进入活塞11和钻头和钻头16的中心孔道的中心孔道至孔底冷却钻头和至孔底冷却钻头和清除岩粉；清除岩粉；第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o另一路气进入外缸另一路气进入外缸9和内缸和内缸8间的环形腔间的环形腔(活塞运动进活塞运动进气室气室)推动活塞上下运动。推动活塞上下运动。o进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气 槽进入槽进入下缸，活塞开始向上运动下缸，活塞开始向上运动上移关闭进气气路上移关闭进气气路活活塞靠气体膨胀运行塞靠气体膨胀运行，当下缸与排气孔相通时，当下缸与排气孔相通时活塞活塞靠惯性运行靠惯性运行.无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯性滑行三阶段。性滑行三阶段。o活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上缸缸经历冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶经历冲程进气、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。较大的冲击能。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程3.油气钻井用的气动潜孔锤o空气锤提离井底时，压缩空气从公接头流空气锤提离井底时，压缩空气从公接头流到钻头清理井眼，并没有激发活塞。到钻头清理井眼，并没有激发活塞。o当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头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。活塞接头被压紧到空气锤内部密封舱上。活塞的一个通气口的一个通气口(流体通过活塞的流道之一流体通过活塞的流道之一)对准控制杆的一个窗口，压缩空气对准控制杆的一个窗口，压缩空气活塞活塞底部空间底部空间推动活塞向上运动。推动活塞向上运动。o在活塞上行中，没有空气通过钻头流到孔在活塞上行中，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。底。实际上吹洗岩屑的工作暂停了。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口对准了控制杆的一个窗口，压缩空气对准了控制杆的一个窗口，压缩空气活塞活塞上方空间上方空间迫使活塞向下运动迫使活塞向下运动活塞撞击钻活塞撞击钻头接头上方。头接头上方。o同时，控制杆的底阀打开，钻柱内部的空气同时，控制杆的底阀打开，钻柱内部的空气通过控制杆、钻头接头以及钻头喷嘴吹向孔通过控制杆、钻头接头以及钻头喷嘴吹向孔底带走岩屑。底带走岩屑。o钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大大提高。这种轮流的冲击，使得空气锤能够大提高。这种轮流的冲击，使得空气锤能够以较低的钻压钻进。以较低的钻压钻进。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 0、冲击回转钻进用钻头的特点、冲击回转钻进用钻头的特点q冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚体材料强度要高于普通钻头刚体材料强度要高于普通钻头40Cr、45CrNi合金钢；合金钢；q取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚1020mm，钻头体长度较长钻头体长度较长(140mm)；而气动冲击回转钻头壁厚更大或；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；多采用全面钻进型式；q钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；q为使钻头切削具承受大冲载，多采用为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒或粗粒YG11C硬硬质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。q切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 一一、液动、液动冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头1.硬质合金钻头硬质合金钻头（1）普通大八角硬合金钻头）普通大八角硬合金钻头o可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm以增大通水以增大通水面积，内、外出刃面积，内、外出刃3mm，底出刃，底出刃5mm，刃尖角，刃尖角90100，o适于钻进适于钻进58级中硬岩石。级中硬岩石。（2）长片状肋骨式硬合金钻头）长片状肋骨式硬合金钻头o钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨厚钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨厚4mm，外，外出刃出刃1.5mm，内出刃，内出刃1mm，底出刃，底出刃5mm，冲击，冲击刃角刃角110。o适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石。适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头（3 3）异形硬合金钻头）异形硬合金钻头o利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流阻背压和岩心堵塞。阻背压和岩心堵塞。o镶焊镶焊6粒硬质合金，内、外出刃各粒硬质合金，内、外出刃各1mm，底出，底出刃刃2.53mm，合金刃尖角，合金刃尖角90100，o适于在适于在57级中硬岩石中使用。级中硬岩石中使用。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2.金刚石钻头金刚石钻头 o液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬“打滑打滑”地层常用高频低冲击功的液动冲击器。结构特点：地层常用高频低冲击功的液动冲击器。结构特点：(1)首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；(2)选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；(3)因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，可选可选7080目金刚石，金刚石浓度目金刚石，金刚石浓度75%左右；左右；(4)要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬-硬硬胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；(5)由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设副水口，加长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径。副水口，加长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头o多为全面钻头多为全面钻头整体式和分体式。整体式和分体式。o根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型。根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型。o切削刃形状切削刃形状分为刃片型、柱齿型和片柱混装型。分为刃片型、柱齿型和片柱混装型。1.柱齿柱齿1.1 硬质合金柱齿硬质合金柱齿 o硬质合金牌号：硬质合金牌号：K4012A，“K”表示矿产开采用，表示矿产开采用，“40”表示半表示半球形柱齿，球形柱齿，“12”表示直径为表示直径为12mm，“A”表示高度。表示高度。o半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相反。反。o钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬或坚硬、性脆的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿。或坚硬、性脆的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程o硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨损严重，最好的办法是采用金刚石加强柱齿。损严重，最好的办法是采用金刚石加强柱齿。1.2 金刚石加强柱齿金刚石加强柱齿o有聚晶型和孕镶型有聚晶型和孕镶型将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，利用硬质合金良好的冲击韧性。可延长钻头寿命，提高钻速利用硬质合金良好的冲击韧性。可延长钻头寿命，提高钻速降低钻进成本。降低钻进成本。o聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成。为克服金刚聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成。为克服金刚石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，弹性模量不同，石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，弹性模量不同，在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层。在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层。o孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成，金刚石含量为，金刚石含量为75%左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金基体牢固连接。基体牢固连接。第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2 2潜孔锤潜孔锤柱齿钻头柱齿钻头 o用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。o钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速稳定；柱齿损坏稳定；柱齿损坏20%时钻头仍可继续工作，而时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后便不能使用。刃片型钻头崩角后便不能使用。o可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头。图中可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头。图中J-200型四翼钻头宜用在中硬及中硬以下岩石型四翼钻头宜用在中硬及中硬以下岩石。近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边齿倾斜角近齿倾斜角近45提高钻头寿命。提高钻头寿命。o可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等。可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等。圆弧型和中凸型钻速较高。中凹型由于凸出的圆弧型和中凸型钻速较高。中凹型由于凸出的岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 一、冲击回转破岩机理一、冲击回转破岩机理q冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，岩石产生裂纹。冲击速度岩石产生裂纹。冲击速度岩石脆性岩石脆性，裂隙发育，裂隙发育，不大的冲击能（数十焦，不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩石。耳）就可破碎极坚硬的岩石。q钻头上同时作用轴向静载、冲击力和回钻头上同时作用轴向静载、冲击力和回转力矩。刃具具有冲击碎岩和回转碎岩转力矩。刃具具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征。两者的特征。q根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转钻进分为冲击冲击回转钻进分为冲击-回转和回转回转和回转-冲冲击两种碎岩形式。击两种碎岩形式。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程1.1.冲击冲击-回转碎岩回转碎岩u主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具的反弹力，改善冲击能的传递。的反弹力，改善冲击能的传递。u回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰。拟订最佳回转速度时石脊峰。拟订最佳回转速度时，应能够将中间凸起的扇形，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。岩脊剪碎。u冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类。冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类。u利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒岩体的剥离。随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著。岩体的剥离。随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著。第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺2.2.回转回转-冲击碎岩冲击碎岩u回转回转-冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的硬质合金钻头或金刚石钻头上。主要用于小口径钻进，液硬质合金钻头或金刚石钻头上。主要用于小口径钻进，液动冲击器即属此类。动冲击器即属此类。u破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被 迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向的静压迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向的静压和回转切削，增加了破岩的效果。和回转切削，增加了破岩的效果。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺二、影响冲击回转碎岩效果的因素二、影响冲击回转碎岩效果的因素1.1.冲击能量对碎岩效果的影响冲击能量对碎岩效果的影响 2.2.并非冲击器的冲击能量越大越好。评定并非冲击器的冲击能量越大越好。评定碎岩效果还必须考虑碎岩比功。无论单碎岩效果还必须考虑碎岩比功。无论单次或多次冲击钻进，次或多次冲击钻进，A和和a的关系分成的关系分成uAA0伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，因而比功很大；因而比功很大；uA0AAc过渡区过渡区，比功，比功a变化不大；变化不大；uAAc稳定区，比功稳定区，比功a较小且变化不大较小且变化不大。对一般岩石，冲。对一般岩石，冲击能量击能量Ac=10J/cm，破碎比功，破碎比功a有稳定值。有稳定值。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 2.冲击间隔对碎岩效果的影响冲击间隔对碎岩效果的影响 u两次冲击之间切削刃回转一个角度两次冲击之间切削刃回转一个角度称为冲击间隔。反映称为冲击间隔。反映了转速与冲击频率之间的关系，使两次冲击间的岩脊能被全了转速与冲击频率之间的关系，使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大间隔，称为部剪崩或切削掉的最大间隔，称为“最优冲击间隔最优冲击间隔”，常用相，常用相邻两次冲击间的最优夹角邻两次冲击间的最优夹角表示；表示；u最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径R和切和切削刃角削刃角有关；有关；u随冲击功随冲击功岩石的最优角岩石的最优角，花岗闪长岩，当，花岗闪长岩，当A=6.1J/cm时，时，=5；A=12.5J/cm时时,=7.5。u随岩石硬度随岩石硬度最优角最优角，如，如A=6.1J/cm时大理岩时大理岩=7.5，花岗，花岗岩岩=5。11/19/2022中国地质大学勘查教研室岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学岩土钻掘工程学国家精品课程第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺3.冲击应力波对碎岩效果的影响u冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎岩效果有重要影响。岩效果有重要影响。u细长冲锤入射波幅值低作