岩土钻掘工程学第6章课件

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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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。2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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。2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023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DHD系列。W-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2/7/2023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2/7/2023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2/7/2023中国地质大学勘查教研室

第三节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——40Cr、45CrNi合金钢；取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚10~20mm，钻头体长度较长(140mm)；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒YG11C硬质合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。2/7/2023中国地质大学勘查教研室第三节冲击回转钻进用钻头

一、液动冲击回转钻进用钻头1.硬质合金钻头（1）普通大八角硬合金钻头可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm以增大通水面积，内、外出刃3mm，底出刃5mm，刃尖角90º~100º，适于钻进5～8级中硬岩石。

（2）长片状肋骨式硬合金钻头钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨厚4mm，外出刃1.5mm，内出刃1mm，底出刃5mm，冲击刃角110º。适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石。2/7/2023中国地质大学勘查教研室第三节冲击回转钻进用钻头

二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头多为全面钻头——整体式和分体式。根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型。切削刃形状——分为刃片型、柱齿型和片柱混装型。

1.柱齿1.1硬质合金柱齿

硬质合金牌号：K4012A，“K”表示矿产开采用，“40”表示半球形柱齿，“12”表示直径为12mm，“A”表示高度。半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相反。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。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室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。1.2金刚石加强柱齿有聚晶型和孕镶型——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，提高钻速降低钻进成本。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，在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层。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75%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。第三节冲击回转钻进用钻头2/7/2023中国地质大学勘查教研室第三节冲击回转钻进用钻头

2．潜孔锤柱齿钻头

用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。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20%时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后便不能使用。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

。近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边齿倾斜角近45°提高钻头寿命。

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。中凹型由于凸出的岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

一、冲击回转破岩机理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↑岩石脆性↑，裂隙发育↑，不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩石。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两者的特征。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-回转和回转-冲击两种碎岩形式。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室1.冲击-回转碎岩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。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

，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类。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。

第四节冲击回转钻进工艺2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺2.回转-冲击碎岩回转-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，液动冲击器即属此类。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

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。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺二、影响冲击回转碎岩效果的因素冲击能量对碎岩效果的影响

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。无论单次或多次冲击钻进，A和a的关系分成A＜A0—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；A0≤A≤Ac—过渡区

，比功a变化不大；A＞Ac—稳定区，比功a较小且变化不大

。对一般岩石，冲击能量Ac=10J/cm，破碎比功a有稳定值。2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

2.冲击间隔对碎岩效果的影响

两次冲击之间切削刃回转一个角度——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部剪崩或切削掉的最大间隔，称为“最优冲击间隔”，常用相邻两次冲击间的最优夹角β表示；最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径R和切削刃角α有关；随冲击功↑岩石的最优角β↑，花岗闪长岩，当A=6.1J/cm时，β

=5°；A=12.5J/cm时,β=7.5°。随岩石硬度↓最优角β↑，如A=6.1J/cm时大理岩β

=7.5°，花岗岩β

=5°。2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺3.冲击应力波对碎岩效果的影响冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎岩效果有重要影响。细长冲锤入射波幅值低作用时间长；短而粗冲锤入射波幅值高作用时间短。图中冲锤质量相同，但入射波形却不同。入射波形对碎岩的影响：缓和入射波比陡的凿入效率高，因凿入初不需很大的力，随刃具侵深增加，所需力也增大，故缓和波形与之匹配。改变入射波形状，除调整活塞的形状和断面积之外，还可以用调整撞击面的接触条件来达到。2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

三、冲击回转钻进规程参数

1、钻压钻压给岩石内部预应力，改善冲击能量的传递条件。但钻压↑

切削刃单位进尺磨损量↑，为↓刃磨损，钻压不能过大，但必须克服冲击器反弹力。硬合金液动冲击回转钻进：硬度不大弱研磨性岩石要充分发挥回转切削碎岩作用，应采用较大钻压。坚硬强研磨性岩石应发挥冲击碎岩的作用，钻压可相对小些。金刚石钻头以微切削与磨削为主，冲击为辅，故岩石越硬所需钻压越大，钻头口径↑钻压也应↑。风动潜孔锤全面钻头，冲击功大，钻压对碎岩的影响较小，据报导，其钻压为液动冲击的1/3就可获得较好的钻进效果。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

2、转速——风动和液动潜孔锤选择转速方法相同硬合金潜孔锤回转仅是为改变切削刃破岩的位置，若转速过慢，切削刃将打入先前的坑穴中使钻头回转受阻。若转速过快，会导致切削刃过早磨损。所以，转速是否合理将直接影响钻速和钻头寿命。合理转速主要据最优冲击间隔来确定。金刚石冲击回转钻进为充分发挥多刃切削研磨岩石，转速应尽量提高。如J-200型风动潜孔锤钻进，转速一般15~30r/min。而孕镶金刚石冲击回转应开高转速，一般500~700r/min。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

3、泵压和泵量冲洗流量不仅影响洗井质量，而且直接影响冲击器的工作性能（冲击功和冲击频率），从而影响钻进效率。液动冲击回转钻进中，一般随泵量增加，机械钻速也增加。因此，只要岩层允许，泵的能力足够，就应采用大泵量。泵压的规律：冲击器在0.5~0.6MPa开始工作，当1.8~2.0MPa时冲击器工作稳定，平均每百米增加0.2~0.3MPa，泵压相应增加。

2/7/2023中国地质大学勘查教研室风动潜孔锤钻进，因钻速快单位时间产生的岩屑多而重，故需比空气钻进大的风量才能使井底干净。潜孔锤本身也需一定风量才能正常工作。具体风量应根据潜孔锤对风量的要求和钻孔环状上返风速计算来定，选择其大者。潜孔锤工作风压要大于上、下配气室的压差，潜孔锤活塞才能作上下往复

运动。目前，国产潜孔锤：低压潜孔锤，所需风压是0.5~0.7MPa；高压潜孔

锤为0.8~1.1MPa。钻进时还需加上随钻孔加深带来的沿程压降(0.0015MPa/m)

和克服水位以下的水柱压力。

第四节冲击回转钻进工艺2/7/2023中国地质大学勘查教研室

一、钢丝绳冲击钻进工艺钢丝绳冲击钻进借助一定重量的钻头，在一定的高度内周期地冲击井底，使岩石破碎而获得进尺。在每次冲击之后，钻头在钢丝绳带动下，回转一定角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面。应用范围:(1)钻凿大直径水井；(2)钻凿露天矿山爆破孔；(3)用于钻进基础桩孔、连续墙钻孔、坝基处理孔以及其它工程孔；（4）钢丝绳冲击钻，只能钻进垂直孔。第五节钢丝绳冲击钻进与振动钻进工艺2/7/2023中国地质大学勘查教研室第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺1.钻具钻头、冲击钻杆、钢丝绳接头、捞砂筒1.1钻头与钻杆钢丝绳冲击钻头为使冲击力更集中施加于岩石。钻头底部带有各种刃角的切削刃。一般软岩取65~80°中硬90~110°硬岩110~120°。为减少孔内岩粉浆对钻头运动的阻力，增大冲击力，钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽。钻头形状有：一字形、工字形、十字形、马蹄形或圆形。目前普遍用

十字形带副刃的钻头.冲击钻杆为实心钻杆以增加自重

.2/7/2023中国地质大学勘查教研室第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进1.2钢丝绳接头钢丝绳接头使钻具在钢丝绳扭力作用下，让钻头每冲击一次自动回转一个角度。提升钻具时整个钻具因钢丝绳拉伸而转一个角度，钻具下放时活套脱离垫片，钢丝绳不受力而恢复扭紧，活套与垫片间产生滑动不会带动钻头转动。这样钻头每冲击一次转一个角度。

1.3抽筒又称掏砂筒，用于捞取孔内岩粉。其阀门有球形、半球形和平阀等形状。2/7/2023中国地质大学勘查教研室

2.钢丝绳冲击钻进规程2.1钻具重量——单位刃长上钻具重量取决于岩性：软岩层--200~300N/m；中硬岩层--350~400N/m；硬岩层--500~600N/m；极硬岩层--650~800N/m。2.2冲击高度——冲击运动时钻头提离孔底的高度改变钻机的曲柄和连杆的连接孔位，可改变冲击高度。由于钢丝绳弹性伸长，钻机压轮上下高度≠钻头冲击高度。悬距=压轮在最高点、钢丝绳静止、钻头距孔底的距离。冲击高度通常取0.6~1.1m，极硬岩层取小值，软岩取大值。悬距的最优值一般为3~4cm。

第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺2/7/2023中国地质大学勘查教研室2.3冲击次数冲击次数与冲击高度有关一般粘土层j=4.5~5m/s2；硬岩j=6~6.5；清洁孔底j=8.7。2.4岩粉密度若岩粉密度↓悬浮差孔底岩粉垫↑钻效↓，不同的岩性存在着最佳岩粉密度。岩石密度↑岩粉密度可越↑。操作中通过控制掏砂间隔和数量来调整岩粉密度，规程上规定“勤掏少掏”就是为了控制岩粉密度。

第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺冲击高度,m冲击次数,次/min1.1500.78580.48652/7/2023中国地质大学勘查教研室3.典型岩层的