冲击回转钻进

冲击回转钻进第一页，共七十二页，2022年，8月28日第四章冲击回转钻进

定义：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。第二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室概述

冲击回转钻进的实现分两类：

一类是顶驱式，在钻杆顶部用风动、液动或电动机构等实现冲击，并同时回转钻杆；另一类是潜孔式，以液力、气力、电磁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。潜孔式具体实施方法：在回转钻进的钻具中增加一个具有一定冲击频率和冲击能量的冲击器（也称潜孔锤），在取心钻进时，冲击器一般安装在岩心管上端；在无岩心钻进时，则直接安装在钻头上。第三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室概述冲击回转钻进的优点：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；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，它既可钻进较软的岩层，又可钻进坚硬的岩层；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，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。

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第一节冲击器

冲击器是冲击回转钻进的关键部件。根据动力采用形式的不同，分以下三种：(1)液动冲击器：采用高压水或泥浆做为动力介质；(2)风动冲击器：又称风动“潜孔锤”，用压缩空气做为动力介质；(3)机械作用式冲击器：利用某种机械运动，使冲锤上下运动而产生冲击力。这些机械可以是电机、电磁装置，也可以是涡轮或特种机构(如牙嵌离合器)等。上述分类中，以液动、气动两种型式比较成熟，在地质勘探中又以液动冲击器使用比较广泛。第五页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

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。

第一节冲击器第六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器(一)阀式正作用液动冲击器其工作原理如右图所示：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；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，冲击铁砧7，冲击能量经铁砧一岩心管接头一岩心管等传至钻头，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。第七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器

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。

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第一节冲击器(二)阀式反作用液动冲击器

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，经弹簧释能而作功。1、工作原理如图:高压液流进入冲击器，由于水路封闭，当冲锤活塞上下端压力差超过超过工作弹簧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，当上行到上死点时，冲锤活塞利用自身质量和工作弹簧的弹力，使冲锤活塞急速向下运动而冲击铁砧；同时，由于冲锤活塞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，再次作用于冲锤活塞，使其上行，开始第二个工作周期。

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第一节冲击器2、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。第十页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器(三)阀式双作用液动冲击器它的冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动。1、工作原理如图：当钻具到达孔底时，由于钻具自重，使活接头f被压紧到外套上的g处，这时工作腔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的压力差，迫使其也向上移动；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，周而复始进行。

第十一页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第一节冲击器2、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。第十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第一节冲击器(四)射流式液动冲击器是采用双稳射流元件作为控制机构的一种液动冲击钻具。1、工作原理(见下页图)：水泵输出的高压水经钻杆柱输入射流元件①，从喷嘴喷出，产生附壁作用。若先附壁于右侧，高压液流则流人右输出通道C并进入缸体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，将冲击动能传给岩心管及钻头，完成一次冲击。在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(称为反馈信号液流)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。同时，当活塞上行时，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。上下缸的回水通过C、E输出道而返回到放空孔，经水接头及砧子内孔道流人岩心管，直达孔底，冲洗孔底后返回地表。

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第一节冲击器射流式液动冲击器工作原理见右图:2、其主要特点:(1)结构简单，零件少，易于操作；(2)无弹簧及配水活阀等零件，寿命较长；(3)能量利用率也较高；（4）工作时不易产生堵水现象，能较好地预防烧钻头及蹩泵等事故；（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.

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第一节冲击器(五)射吸式液动冲击器是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。工作原理如图:其主要特点:（1）该型冲击器结构简单、零件少、无易损弹簧，因此工作寿命较长。（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。

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第一节冲击器(六)其他型式的液动冲击器:1、绳索取心式液动冲击器是一种将绳索取心钻具同液动冲击钻进相结合的新型钻具和先进的钻进方法。这种方法不仅具有绳索取心钻进所具有的各种优点，同时，由于冲击载荷的作用，可以克服绳索取心钻进由于钻头唇部较厚，在一定钻压条件下钻头比压较小、在坚硬致密岩石中钻速较低的缺点。2、孔底反循环液动冲击器是一种既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具。第十六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器3、孔底可调式液动冲击器是一种可以根据所钻岩石的特性自动调节冲击功和冲击频率的冲击器，在钻进不同岩石时，都处于最优的工作状态。如钻进硬岩时，对孔底钻具所施加的轴心压力较小，从而使弹簧的压缩量也较小，而冲击行程相应增大，此时，冲击器产生的冲击功大而频率低，形成以冲击为主的冲击—回转钻进，有利于硬岩的破碎；当遇到软岩层时，对钻具所施加的轴心压力较大，冲击器产生的冲击功小，但频率较高，是以回转切削为主的冲击回转钻进，有利于软岩的破碎。第十七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器二、风动冲击器风动冲击器也称风动潜孔锤，是以压缩空气作为介质而工作的。同时，压缩空气也兼做洗孔介质，因此也具有空气钻进的一些特点。生产实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般要比液动冲击回转钻进高0.75—1．6倍，其主要原因是风动冲击器的单次冲击能量较大，且孔底冲洗效果较好。但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。分类:风动冲击器的种类主要分为有阀冲击器和无阀冲击器两大类,其中有阀式按排气方式的不同又分为旁侧排气和中心排气两种。第十八页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器有阀冲击器

这类冲击器的活塞上下运动是靠配气阀控制高压气体的流向来实现的。按排气方式的不同又分为旁侧排气和中心排气两种。气缸内的废气由冲击器两侧排出的称旁侧排气，而废气由钻头中孔排出的称中心排气。中心排气方式排除孔底岩粉的效果较好，能降低钻头磨耗和提高钻进效率，因此使用较广泛，但结构较复杂。目前使用最多的是J系列冲击器。J—200B冲击器的结构如图所示:

第十九页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第一节冲击器

冲击器工作时，进入缸体的压缩空气分成两路：一路吹排粉气路，即压气经阀座8、配气杆8’、活塞9的中心通道以及钻头23的中心孔，进入孔底并直接吹洗孔底岩粉；另一路是气缸工作气路。压气进入板状阀7的配气机构并借配气杆的配气实现活塞的往复运动。止逆塞20在停风时能防止钻孔中的含尘水流进入钻杆，不会影响冲击器工作及损坏机内零件。配气机构系由阀盖6、阀片7、阀座8及配气杆8等组成。配气原理可用返回行程和冲击行程两个阶段说明。

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第一节冲击器返回行程原理

返回行程开始时，阀片7及活塞9均处于如图所示位置。压气经阀片7后端面、阀盖6上的轴向孔与径向孔进入内外缸体间的环形腔Ⅱ，并至气缸前腔，推动活塞向上运动。此时，气缸上腔经活塞9及钻头23的中心孔与孔底相通，活塞9在气压作用下加速向上运动。当活塞9端面与配气杆8’开始配合时，上腔排气孔道被关闭并处于密封压缩状态，于是活塞开始做减速运动。当活塞杆端面越过衬套12上的间隙Ⅲ时，进入下腔的压气便经钻头中心孔排至孔底。活塞失去了动力，且在上腔背压作用下停止运动。与此同时，阀片7下侧压力逐渐升高，上侧则经前腔进气孔道Ⅱ、钻头中心孔与大气相通，在压差作用下，阀片迅速移向上侧，关闭了下腔进气路，开始了冲击行程的配气工作。

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第一节冲击器冲击行程的工作原理

冲击行程开始时，活塞9和阀片7均处于极上位置，压气阀经阀盖6和阀座8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12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，使上腔与大气相通，压力降低。当活塞冲击钻头尾部之后，阀片由于其上下压力差的作用，进行换向，使活塞重复返回行程的动作。第二十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第一节冲击器防空打机构及工作原理

冲击器工作时，来自活塞的冲击功能，通过钻头直接传至孔底岩石，缸体并不承受冲击载荷（即使潜孔锤处于悬吊状态）。为了防止空打，在结构上是用防空打孔I来实现的。潜孔锤处于悬吊状态,这时钻头23及活塞9均借自重向下滑行一段距离，则防空打孔I露出，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，使冲击器自行停止工作。第二十三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第一节冲击器无阀冲击器

这类冲击器未设置配气阀，其控制活塞往复运动的配气系统布置在活塞或气缸壁上，当活塞运动时，自动进行配气。

无阀冲击器的特点：

能够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。与有阀冲击器相比，压气消耗量可节省30％左右。该类冲击器零件少，结构简单且加工较方便。

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第二节冲击回转钻进用的钻头

一、冲击回转钻进用钻头的特点

1、冲击回转钻进时，钻头刚体要承受冲击荷载、轴向静载和回转转矩，因此钻头刚体材料的强度要高于回转钻进钻头，通常采40Cr、45CrNi合金钢；

2、作为取心用的冲击钻头，其壁厚较回转钻进取心钻头厚，一般液动冲击回转钻头壁厚为10～20mm，钻头体的长度较长(可达140mm)；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；

3、钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；

4、为了使钻头切削具能承受较大的冲击荷载，多采用YGl5硬合金切削具或采用粗粒的YGllC和二元硬质合金(加入0．5％的TaC)。切削具的形状多采用圆柱状、八角状、片状和球齿形状。切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。第二十五页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第二节冲击回转钻进用的钻头

二、冲击回转钻进用钻头的主要类型分为液动冲击回转钻头和风动冲击回转钻进用钻头.

（一）液动冲击回转钻头

1、取心式硬合金钻头（1）普通大八角硬合金钻头其结构有带肋骨和不带肋骨两种形式。肋骨厚3mm，可增大通水面积，内、外出刃皆为3mm，底出刃5mm，刃尖角90º~100º，适于钻进5～8级中硬岩石。

第二十六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第二节冲击回转钻进用的钻头

(2)长片状肋骨式硬合金钻头见右图1.钻头内肋骨与钻头体连成一体。当钻头直径为91mm时，外肋骨片厚度为4mm，外出刃1.5mm，内出刃lmm，底出刃5mm，冲击刃角110º。适用于低频大冲击功液动冲击器钻进中硬岩石。

(3)异形硬合金钻头见右图2.利用异形截面钻头体，以增大液流过水断面，减少流阻背压和岩心堵塞。对于直径为75mm的钻头，镶焊6粒硬质合金，内、外出刃各lmm，底出刃2.5～3mm，合金刃尖角90º一100º，适于在5～7级中硬岩石中使用。

第二十七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第二节冲击回转钻进用的钻头

2、取心金刚石钻头金刚石液动冲击回转钻进的主要特点是高频率、小冲击功，所配备的钻头主要是能适于钻进坚硬及打滑岩层。目前，我国在冲击回转钻进中仍沿用普通回转钻进用的金刚石钻头，但由于冲击回转钻进工艺不同于纯回转钻进，故在钻头结构上应有其特点。

(1)金刚石冲击回转钻进是以回转为主，冲击为辅，选择钻头类型时，表镶或孕镶钻头都可以用；

(2)由于在钻进中金刚石要承受较大的冲击动载，所以应选用强度较大的金刚石。金刚石在镶嵌前最好先进行圆粒化和金属镀层处理，以提高金刚石抗冲击和包镶能力，同时，也应提高胎体的强度和硬度；

(3)增大钻头水口和水槽的过水断面。第二十八页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

第二节冲击回转钻进用的钻头(二)风动冲击回转钻进用钻头

风动冲击钻进用的钻头，按用途分为取心和不取心的全面钻进钻头两种。按齿形可分为片齿钻头、柱齿钻头和柱片混镶钻头。

1、片齿钻头(见右图)

钻头齿为硬合金刃片。刃片在钻头唇部的布局的有十字型、X型和多刃型。十字型钻头刃片之间的夹角为90º,容易钻成五角形。X型头的刃尖角分别为105º

和75º,它容易保持钻孔的圆度。多刃片大口径钻头，根据直径大小其刃片数不同。钻头底部除保留中心通孔外，在各刃片间开喷射孔，以便使双壁钻杆环空中的压缩空气从喷射孔中喷出，使之能更有效地冷却钻头和清洗孔底岩粉。第二十九页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第二节冲击回转钻进用的钻头2．柱齿钻头

根据柱齿端部形状的不同，分为平头型和球齿型。根据柱齿全面钻头的端面形状又可分为柱齿平面钻头和柱齿凸(凹)面钻头。柱齿凸面钻头在钻进过程中有自行修磨的作用，故钻速较高，而凹面钻头钻进时，孔底部分岩石保持一段凸起，有导正钻进方向的作用。柱齿型取心钻头见右图。这种钻头唇面上镶五组球齿，唇面内部呈锥形，在内锥面上镶5个均布的球齿，唇面上有5个长方形喷射孔向孔底喷射压缩空气，以便冷却钻头和清洗孔底。第三十页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第二节冲击回转钻进用的钻头

3、柱片混镶钻头

这类钻头是一种全面钻进钻头。钻头周边镶焊刃片，中心凹处镶嵌柱齿。这是根据钻头中心碎岩量小而周边碎岩量大而设计的。此种钻头具有较高的径向抗磨能力，其缺点是制造工艺较为复杂。

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一、液动冲击回转钻进对钻探设备的要求

1、液动冲击回转钻进时，除需增加孔底液动冲击器外，其他设备在类型上与常规回转钻进基本相同，但对钻机、水泵的性能有一些特殊的要求，如：硬合金液动冲击回转钻进时，钻机应有低速档(转速30—50r／min)，而采用金刚石钻进时，则与回转钻进相同；

2、液动冲击回转钻进时，水泵不仅供应清洗孔底的冲洗液，而且是液动冲击器的动力能源。因此，水泵所提供的泵量、泵压应能满足冲击器的需要。

3、液动冲击回转钻进，泵压高且有脉动性变化，故应配备具有良好抗振性能的泵压表、稳压罐。高压胶管应选用钢丝编织的镶装高压胶管，耐压能力在8MPa以上，稳压罐的耐压能力在10MPa以上。

第三节冲击回转钻进设备及附属装置

第三十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第三节冲击回转钻进设备及附属装置

二、风动冲击回转钻进的主要设备及附属装置:

风动冲击回转钻进的主要设备除钻机、风动冲击器外，还有空气压缩机，附属装置有除尘器、泡沫混合器及注射器等。

1、钻机按钻进目的不同而有所区别

（1）钻进水井多采用长行程动力头钻机；

（2）钻进地质勘探孔时，为适应空气冲击器钻进的需要，多把立轴式钻机设计为低转速，有时也直接采用长行程无级变速的动力头式的复合钻机。

（3）在施工大口径工程钻时，常使用起重机式打桩机。第三十三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第三节冲击回转钻进设备及附属装置二、风动冲击回转钻进的主要设备及附属装置:

2、空压机为风动冲击器提供动力；清洗孔底。空压机的型式很多，在空气冲击回转钻进中普遍使用螺杆式空压机，因为它具有重量轻、噪音低、风量大、压力高、体积小的优点。目前，国内外的螺杆压缩机型号很多，最高风量达40m3／min，压力一般为2.4MPa。第三十四页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

一、冲击回转钻进破碎岩石原理

冲击回转钻进在钻头切削具上同时受到3种力的作用，即回转力、轴向静压力和冲击力。在这3种力的联合作用下，岩石以冲击剪切和回转切削方式破碎。首先是切削具在冲击载荷作用下形成破碎穴，在两次冲击破碎穴之间造成孔底局部岩脊，而后切削具在回转力的作用将已经产生了裂纹的岩脊切削下来。钻进不同性质的岩石，冲击碎岩和回转切削碎岩所起的作用是不相同的。

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1、在坚硬、脆性岩石中钻进时:

岩石破碎主要是冲击力作用的结果，钻具的回转只是移动切削具的位置，改变冲击点，在移动中将裂隙发育的岩脊切削掉，而轴向静载则是用来克服钻具在冲击时的反弹力，以改善钻具的工作性能。因而，在考虑其最佳转速时，主要是二次冲击间形成的岩脊应在钻头回转切削作用下，能有效地被切削掉。因此，对于坚硬、脆性的岩石，利用动载破碎岩石时，由于瞬时应力集中，轴向静载在孔底岩石上造成了预加应力，而在冲击的同时又作用有回转力，这就对欲破碎的岩石上增加了附加剪切作用，造成粗大颗粒岩体的分离，提高了碎岩效果。而且，这种效果将随岩石脆性的增大而更为显著。

第四节冲击回转钻进工艺第三十六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺2、对于中硬、塑性较大的岩石:

其破碎方式仍然是以回转切削为主，冲击作用是辅助性的。冲击作用在岩石中形成裂纹，为回转钻进切入岩石和切削岩石创造了十分有利的条件。因而，轴心压力是保证有效破碎岩石的主要参数，它关系到切入岩石的深度和产生体积破碎的程度。轴压的最大值则取决于切削具的强度。

3、对于塑性大的岩石:

冲击力的碎岩作用不大，大部分冲击能量为岩石的塑性变形所吸收，不能导致大的体积破碎和分离，而回转切削破岩作用处于主导地位。

第三十七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

冲击回转碎岩过程中，具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征，根据冲击碎岩和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转钻进分为冲击—回转碎岩和回转—冲击碎岩两种形式。

1、冲击—回转碎岩以冲击碎岩为主，回转力矩使切削具在静压的作用下沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰，这种方式要求冲击器具有低频率、大冲击功，风动冲击器即属次类。对于脆性岩石来说，利用这种方式碎岩，效果较好。第三十八页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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。它主要用于小口径钻进，液动冲击器即属此类。该方法之所以能破岩，主要是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，因而增加了破岩的效果。

第三十九页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺的优点:

冲击回转钻进钻头切削具的磨损总体上小于纯回转钻进。这是因为，在钻进硬—坚硬岩石时，碎岩以冲击作用为主，轴心压力相对较小，同时切削具与孔底岩石处于瞬间动接触状态，因此，磨损较小。此外，冲击回转钻进时，所采用的转速较低，切削具的磨损也较小。

第四十页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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1、冲击能量对碎岩效果的影响

评定碎岩效果的合理性：单位体积破碎能(碎岩比功)，表示碎岩的能量消耗水平。冲击能量A和碎岩比功α的α—A曲线分成三部分：A<A0是伤痕区，这时小的冲击能不足以使岩石产生破碎坑，且破碎下的岩粉很细，因而比功α很大；A0≤A≤AC为过渡区(阴影部分)，该区内测定的比功α变化不定；A﹥AC为稳定区，该区内比功α变化不大，且值较小。对于一般岩石，每厘米刃长上冲击能量若超过10J，即AC＝10J／cm，破碎比功α认为有稳定值。第四十一页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

在两次冲击之间，切削刃回转一个角度，这个角度称之为冲击间隔。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β表示。

β与冲击功、岩性、冲击齿圆弧半径R和切削刃角等有关。冲击功增加，岩石的最优角β增加。如花岗闪长岩，当A=6.1J/cm时，β＝5℃；A＝12.5J/cm时，βa＝7.5℃。

随着岩石硬度的降低，最优角β增大，如当A＝6.1J／cm时，大理岩β＝7.5℃，花岗岩β＝5℃。第四十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

冲击器所产生的冲击力以应力波的形式经砧子、岩心管、钻头传递给岩石。

不同的活塞形状和不同的撞击接触面，将产生不同的入射应力波形。一般：细长的冲锤形状，入射波的幅度低，作用时间长；短而粗的冲锤形状，入射波的幅度高，作用时间短。如右图所示，7种冲锤质量都相同，但不同形状的冲锤，其入射波形却不同。第四十三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

入射波形对碎岩的影响是：缓和的入射波形比陡的入射波形有较高的凿入效率，这是由于凿入起初不需要很大的力，随着刃具侵深增加，所需力也增大，故缓和的波形与之相匹配。

改变入射波的形状，除了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。第四十四页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺

三、冲击回转钻进规程的选择

液动与气动冲击回转钻进，钻进规程有很大差异。

(一)液动冲击回转钻进规程的选择

1、钻压冲击回转钻进时，有轴压和冲击荷载。不同岩石，钻压对钻速的影响不同，8级以下岩层，钻压增加机械钻速有所增加,8级以上岩层时则有所下降。轴压对平均回次钻进长度有影响。第四十五页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

硬合金液动冲击回转钻进时，为降低切削刃的磨损和增加回次长度，选用较低转速。若增大转速，则在冲击频率不变的情况下，两次冲击的间距增加，切削行程增大，切削具的磨损增大。影响转速选择的主要因素是岩石性质。硬岩或强研磨性岩石，碎岩主要靠冲击作用，冲击间距应较小，转速应降低；裂隙发育的岩层或软岩层。合理的转速应保证充分发挥切削碎岩的作用。钻进不同级别岩石合理转速如式：

金刚石冲击回转钻进时，为充分发挥多刃切削研磨岩石，转速应尽量提高。第四十六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

泵压和泵量是液动冲击回转钻进的重要参数，钻进中，冲洗液不仅是冷却钻头、清洗孔底，而且泵压和泵量直接影响冲击器的冲击频率和冲击功的大小。通常，泵量增大，冲击器的冲击频率和冲击功增大，孔内冲排粉干净，平均机械钻速增高。

液动冲击回转钻进对泵压也有一定要求。泵压除克服冲击器及管路上的阻力损失外，还应满足冲击器做功的需要，随着泵压的增高，冲击器的冲击频率和冲击功都相应增加。第四十七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室(二)气动冲击回转钻进规程选择

主要规程是钻进时的风量、风压、转速及孔底钻压。

1、风量与风压的选择

(1)风量选择

通常,风量越大，环隙气流上返速度越大，岩屑上返能力越强，钻进效率高。但风量过大会引起压力损失增大，冲刷孔壁加剧。一般携带岩屑上升的最佳速度大约在15—22m/s。总风量取决于钻进速度并与节流塞有关，钻进速度快，所需风量也大。节流塞分配风量，钻进时，根据环状间隙上返气流的状况和冲击器的工作情况，选择不同孔径的节流塞。风压不同，其耗风量也不同，当其处于不同海拔高度和不同温度条件下时，其风量应加以修正。

第四节冲击回转钻进工艺第四十八页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺(2)风压选择

风动冲击器钻进时，钻速与风压有密切关系。右图为4种不同型号的冲击器，在花岗岩中钻进时，钻速与风压的关系。

风压较高能提高钻速，但风压太大，管路中的损失也较大。因此，风压只能在适当的范围内选择。

孔内涌水时，风动冲击回转钻进的风压将有所不同，尤其是加接钻杆后，需要有足够的风压把孔内水柱抬起并喷出。这种现象称为“气喷”，把孔内涌水排出的最大风压称为“气喷峰值压力”，其大小决定于水柱的高度。一旦孔内涌水被压缩空气排出，此时风压即降到潜孔锤的工作风压。第四十九页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室第四节冲击回转钻进工艺2、钻压及转速的选择

(1)钻压的选择

钻压保持孔底钻头与岩石的紧密接触，一般为0.9kN/cm。钻压过大并不能增大钻速，反而可能增大钻头的磨损。

(2)钻头的回转速度

合理的转速应保证冲击刃(如球齿)在每冲击一次后能落在新的岩面上。若回转速度过慢，冲击刃将重复冲入先前的冲坑中，重复破碎，钻头不稳定，回转受阻，钻进效率下降。若钻头转速过快，钻进效率并不增加，反而会引起钻头齿的过快磨损。不同地层的合理转速为:

复盖层：40—60r／min；软岩层：30～50r／min；中硬岩层：20～40r／min；硬岩层：10～30r／min。第五十页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室

一、钢丝绳冲击钻进

(一）钢丝绳冲击钻进的原理借助于一定重量的钻头，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，回转一定的角度，从而使钻孔得到规则的圆形断面.

第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进第五十一页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14中国地质大学勘查教研室(二）钢丝绳冲击钻的特点和应用范围

1、特点:

(1)用冲击方法破碎岩石，特别是大卵砾石、漂石、裂隙硬岩等岩层，具有效率高、消耗功率低、成本低等优点。

(2)设备简单，移动方便，维修方便;(3)钢丝绳冲击钻，只能钻进垂直井孔。

2、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。

第五节钢丝绳冲击钻进及振动钻进第五十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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（三）钢丝绳冲击钻机一般由动力机、主轴、冲击机构、卷筒、桅杆和行走机构等部件组成。第五十三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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（四）钢丝绳冲击钻具钢丝绳冲击钻具主要有：钻头、冲击钻杆、钢丝绳接头捞砂筒.

第五十四页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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．钻头

冲击钻进的钻头是直接破碎岩石的钻具。冲击钻头底部带有各种刃角的切削刀，用它将冲击力传给岩石。钻头中部称钻头体，为了减少钻头在运动中岩粉浆对它的阻力，钻头体上开有流通岩粉浆的沟槽，以增大钻头的冲击力。第五十五页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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2．冲击钻杆

冲击钻杆是为加重钻头重量的实心钻杆。钻杆间的连接方式有两种：一是丝扣连接，另一种是法兰盘连接。

3．钢丝绳接头钢丝绳接头又称绳卡。它的作用是联接钢丝绳与钻具；并使钻具在钢丝绳扭力作用下，能在钻头冲击一次后自动回转一定的角度。第五十六页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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4．掏砂桶掏砂桶又称抽筒，主要作用是捞取井内的岩粉。也可用它来钻进砂质或粘土质等软地层。掏砂桶为一圆桶，上有提梁连接钢丝绳，下有活门抽取岩粉。

第五十七页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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(五)钢丝绳冲击钻进规程

冲击钻进规程是指在冲击钻进时，为了达到好的钻进效果，依据一定的理论和实践经验，对钻具及钻进工艺参数进行控制，这些人为可以控制的参数称之为冲击钻进规程。

冲击钻进规程主要包括：钻具重力（量）冲击高度冲击次数岩粉浆密度

第五十八页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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．钻具的重力（Q）钢丝绳冲击钻进是利用钻具在井中自由下落冲击而破碎岩石，因此，钻具重力直接影响着钻进效率。钻具重力的计算公式为：式中：L——钻头上的有效刃长，cm;

q0——单位钻头刃长的钻具相对重力，N/cm。相对重力q0值，可根据岩石的硬度来选择。实际制造钻具时，除根据岩石选择钻具的重量外，还要考虑钻具上泥浆的“通槽”和整个钻具的长度。第五十九页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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2．冲击高度（S）和悬距

冲击高度是指在冲击过程中，钻具被提离井底的高度。改变曲柄与连杆连接的位置，可得到不同的冲击高度。一般冲击高度范围在0.6~1.1m。压轮摆动高度不等于钻具在井内的冲击高度。钻进中，常采用控制放绳和留悬距的办法来控制。

第六十页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

2．冲击高度（S）和悬距

悬距是当压轮停止到上死点时，待钢丝绳静止后，钻头距井底的距离。

留悬距的目的：防止因钢丝绳松弛而造成钻具抖动、产生钻具丝扣脱扣等事故；防止钢丝绳载荷突然增大给钻机带来的损害。

钻进软岩，每次冲击切入岩石的深度较大，悬距可以少留或不留；硬岩因切入深度小，故应适当多留；悬距值还与井深有关，当钢丝绳越长，其弹性伸长量就越大。钻进硬岩选较大的冲击高度，钻进软岩选较低的冲击度。第六十一页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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3．冲击次数钢丝绳冲击钻进时，冲击机构往复一次所需时间和钻具冲击循环时间相吻合,即冲击次数和冲击高度必须互相匹配，此冲击次数才是合理的冲击次数。合理的冲击次数可按下式计算：

式中:n—冲击次数，次/min；S—冲击高度。

α1—下降角（从下死点转到上死点曲柄回转的角度）；

j—钻具在井内岩粉浆中下降的加速度；

第六十二页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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4．岩粉浆密度冲击钻进时，井内岩粉浆的密度过大，将影响钻具下降的加速度，从而影响冲击破碎岩石的效果；从另一方面看，井内有一定密度的岩粉浆，却有利于悬浮岩粉、岩屑。否则岩粉、岩屑就会滞留而沉积在井底，形成一层岩粉垫，使钻头不能直接冲击新鲜岩面，破碎岩石的效果不好。对于某种岩石，有最佳的岩粉浆密度，一般是岩石的比重越大，岩粉浆的最佳密度相应越高。钢丝绳冲击钻进各规程参数的配合关系见资料.

第六十三页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

二、振动钻进

(一）基本原理、特点及应用范围

1、振动钻进的基本原理:

振动钻进是在钻具的上部或下部安装一个振动器，振动器产生激振力，在激振力与钻具重力的共同作用下，推动钻具向下钻进的一种方法。

第六十四页，共七十二页，2022年，8月28日2023/3/14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

2、振动钻进的特点及应用范围

这种方法适用于砂性土、粘土、粉质粘土及淤泥质粘土等土层。在这些软岩层和松散岩层中钻进与取样都有很高的效率。由于这种钻进方法不使用泥浆，不污染岩样和地层，并且设备比较简单，因而，被广泛用于工程取样钻进及海底浅