钻探工艺课件第5章 冲击回转钻进

第五章冲击回转钻进第一节概述第二节液动冲击器结构及作用原理第三节风动冲击器第四节冲击回转钻进设备及钻头第五节冲击回转钻进规程第六节冲击回转钻进的操作及注意事项第一节概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法，以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法。近几十年来，钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理，研制成功了冲击回转钻进技术。冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法。冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率。在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进。它是在地面以动力带动全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击。此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力。所以称为冲击回转钻进。根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高3～5倍。又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多。又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高。冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力。(2)切削刃的磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：①冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；②体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中很容易达到体积破碎；③钻速快，切削具的相对磨损就减少。(3)在冲击时岩石上还加有一定的轴向压力，改善了冲击能量的传递条件，增大了冲击效果。(4)由于连续高频地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中裂隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。(5)在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。二、冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进的应用已有上百年的历史。早在19世纪60年代就有人进行了潜孔式冲击器的试制工作。早期在法国研制过低频液动冲击器。后来，在原苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。20世纪30年代发展了风动潜孔锤。到50、60年代获得了较为广泛的应用。20世纪40年代，原苏联葛莫夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用液动冲击器。50年代美国的艾莫雷研制了活阀式及反作用冲击器，到后期，就出现了种类繁多的冲击器。各类冲击器一直发展到现在，都取得了较大的发展。原苏联在1961年开始成批生产Г一3A型冲击器，1962年开始大力推广冲击回转钻进方法。到1963年已有30个队用此法钻进。此后新冲击器不断出现，1964年生产了使用泥浆的Г—5A型冲击器；1965年生产ГМЛ一2小水量冲击器；1970年生产Г—7型小口径冲击器；1973年出现了КТСГ一76型小口径冲击器和ГB—5型高频冲击器，开始推广金刚石冲击回转钻进；1975年到1976年成批生产口径最小的KTCГ一59型、频率更高的ГB一6型冲击器，与此同时，研制了用于各类地层的钻头和辅助设备和工具。例如，在Г一7和Г一9的基础上改进的KГCГ—7—76和KTCГ一9—59型冲击器，并带有专用的碎岩和辅助工具，它在金属矿中可钻孔深达800～1200m。在60年代中，原苏联将液动冲击回转钻进方法用于常规口径的硬质合金钻进和钢粒钻进中。70年代，原苏联则将这种钻进方法应用到小口径金刚石和硬质合金钻进中。这样便进一步扩大了液动冲击回转钻进方法的使用范围。据初步统计，到1980年已累计进尺1000×104以上。原苏联采用液动冲击同转钻进定向钻孔已试验成功；并根据液动冲击器的作用原理，设计制造出可以处理孔内卡钻事故的冲击振动器；同时为了进一步提高钻进效率，并研制出ГC—50型用于绳索取心钻进的液动冲击器装置。此外，还大力发展了气动冲击回转钻进方法。美国、法国、南非等国家也发展了冲击回转钻进方法，并已将气动冲击回转钻进视为现代各类岩土钻凿施工中快速而经济的方法。这些国家将该技术作为“多工艺综合钻进方法”的一部分，研制成功各类冲击器；如美国的英格索尔—兰德(Ingersoll—Rand)公司的I—R系列；法国的A·S·S系列等，可与空气循环介质钻进、绳索钻进等配套使用。我国自1958年开始研制冲击回转钻具，许多单位在研制冲击器和冲击回转取心钻进方面进行了许多工作，但后来研究中断。从1970年又开始进行研制，经多年反复实践，现已研制成功多种液动冲击器。冲击器的结构逐步趋于完善，并初步摸索出有关设备配套，管材规格，机械加工要求、钻头结构类型、钻进操作技术工艺及测试冲击器性能等方面的经验。原地矿部在“七五”期间，对冲击回转钻进技术进行了全面的推广工作，取得了良好的效果。到1987年，据不完全统计，地矿、冶金、核工业三部仅液动冲击回转钻进累计进尺已达130×104m。其中，金刚石冲击回转钻进比重较大，已达60%左右，其余为硬质合金钻进。到1993年，我国在气动、气液混合、大口径工程钻探、绳索取心、贯通式反循环连续取心等方面的冲击器研制与使用，都取得了可喜的进展，在某些方面的研究成果，显示了我国的特色和同际领先水平。三、冲击器的种类目前国内外所用的冲击器，按其动力方式可分为下列四种：(一)气动式冲击器以压缩空气作为动力工作介质，驱动气动冲击器的冲锤产生冲击作用。(二)液动式冲击器以高压液流(清水、泥浆或其它类型冲洗液)作为动力工作介质，推动液动冲击器中的冲锤产生冲击作用。(三)液气混合式冲击器以高压液流为主，必要时辅以压缩空气，用两种动力工作介质共同驱动冲击器的冲锤产生冲击作用；当前，在地质钻探中，采用气动式和液动式的冲击器较多，采用液气混合式的较少。机械式冲击器因其工作性能尚不能满足钻进要求，还处于研究试验阶段。液动式冲击器又可分为“正作用”、“反作用”和“双作用”三种类型。冲击回转钻进除可以提高钻速外，又因所需轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故少，材料消耗低，因此，是当前一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在中等硬度以上的岩石中，其效率更为显著。由于液动冲击器的类型不断增多，结构不断完善，性能不断提高，磨料、钻头的品种不断发展，以及相应的设备和辅助工具逐步配套，使冲击回转钻的应用范围愈加广泛：(一)可用不同的磨料来钻进中硬、以及坚硬岩层(二)可钻进裂隙发育及“打滑”岩层(三)钻孔孔径及钻进孔深均可满足地质钻探的一般要求(四)可钻进定向钻孔及采用绳索取心钻进(五)可进行取心钻进或无岩心钻进(六)用于反循环及各种工程勘察施工已广泛用于水力反循环连续取心钻进、气举反循环连续取心钻进中，并在岩心勘探、工程勘察施中得到应用。取心钻进或无岩心钻进(六)用于反循环及各种工程勘察施工目前，各种贯通式及非贯通式液、气动冲击器。已广泛用于水力反循环连续取心钻进、气举反循环连续取心钻进中，并在岩心勘探、工程勘察施中得到应用。冲击回转钻进方法虽然应用日益广泛，但尚须进一步完善和提高。应当进一步研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究、没计新型的冲击器；研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器等；研究冲击器的设计和计算方法；设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机；研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订合理的钻进工艺参数。第二节液动冲击器结构及作用原理一、“正作用”类型液动冲击器(一)“正作用”类型液动冲击器原理“正作用”冲击器是以高压液流推动活塞冲锤下行而进行冲击，而并借助弹簧力量使其恢复到原来位置。如图5‑2所示。“正作用”液动冲击器的工作过程如下：高压液流流向活塞冲锤5的顶部后，由于活阀4封闭着活塞冲锤5的中间水路而截断了液流通道。当不断流入的高压液流达到一定能量时，便推动活塞冲锤5向下运动，使其碰撞铁砧7产生一次冲击。在活塞冲锤5向下运动进行冲击的过程中，同时，也压缩冲锤弹簧6，使它逐步储存能量；活阀4由于受到活阀座2的限制，在活塞冲锤5下行后便互相脱开(不再接触，失去封闭作用)。液流开始沿活塞冲锤5的中间水路流向孔底；活塞冲锤产生冲击作用后，因其顶部压力降低，冲锤弹簧6将所储存的能最释放出来，把活塞冲锤推回到原来的位置处。活塞冲锤5上行至上死点与活阀4接触后，其中间水路又被封闭，再次截断高压液流，第二个周期便开始。以此反复进行便形成连续性的冲击。(二)“正作用”液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，“正作用”冲击器具有下列特点：1、可利用高压室中的巨大水锤能量做功；2、液流在冲击器腔体内的流动水路较通畅；3、液流的功率恢复较高；4、结构简单，便于使用和维修；5、冲击器的工作性能比较稳定可靠6、便于缩小直径。“正作用”液动冲击器存在的主要问题是：当活塞冲锤5向下运动进行冲击时，冲锤弹簧6的反作用力对其冲击力的抵消较大。尽管如此，由于它的有效作用力还是相当可观的，而且结构也比较简单，所以目前仍把它作为继续研究应用的主要类别之一。我国研制的ZF系列、TK系列、YZ系列及原苏联的Г、ГB系列冲击器，均属“正作用”类型的液动冲击器。(三)ZF一56型液动冲击器现以ZF一56型液动冲击器为例说明其结构、工作原理及应用特点。ZF—56型液动冲击器属于活阀式正作用液动冲击器。它结构简单、启动容易、调试方便、工作稳定可靠。在Ⅵ级以上岩层中，用于Φ56mm口径的金刚石或硬质合金的冲击回转钻进中，均可不同程序的提高钻进效率，增长回次进尺，减轻岩心堵塞及孔斜率。特别是用于“打滑”地层钻进时效果更为显著。是实现小口径多工艺钻进的良好机具。用此冲击器进行冲击回转钻进，除需配备耐高压胶管和稳压器外，可基本上利用现有的常规钻探设备和钻具级配，在易斜地层采用硬质合金冲击回转钻进时，可将常规钻机附加减速装置，使转速降低至20～40r/min时，能更好地发挥其防斜功能和减轻管材磨损，有利于降低钻探成本和预防孔内事故。在现有泥浆泵(如BW–250/50和BW–250型)的能力下，钻进孔深可达450m，如采用压力更高的泵，其钻孔深度还可增加。1、结构及工作原理(1)结构：冲击器结构简单，由27个零件组成(参见图5‑3)。(2)工作原理(见图5‑4)：当钻具11未接触孔底时，钻具11悬吊在六方套10上。冲洗液经减耗阀接头通水孔a、活阀4内孔，活塞冲锤7内孔、下砧9(即联动接头)，岩心管及钻头畅流至孔底，并由钻具与孔壁之间的间隙返回地面。此时冲击器处于悬吊状态，不工作。当钻具11下降至孔底时，六方套10与钻具11的间隙被压紧而消除。使活塞冲锤7相对上升与阀4底面接触，切断水路而产生水锤，推动减耗阀2向上移动，打开主通水孔b，使冲洗液大量进入活阀区，推动阀4活塞冲锤7同步下行。并压缩阀簧5及锤簧8，此时，冲击器处于启动状态。阀4继续运动到凸肩与阀座6上端接触时停止，活塞冲锤7则以本身的惯性继续下行。对下铁砧进行一次冲击，此时阀4与活塞冲锤7脱开。打开水路，活阀区压力下降。减耗阀2在弹簧作用下复位，使主通水孔b关闭，储存液能。阀d在弹簧5的作用下复位。活塞冲锤7在下铁砧9和弹簧的作用下亦相继复位。活塞冲锤7的顶端又与阀4接触而关闭水路，即产生第二次冲击。如此周而复始的连续工作。使冲击器能够正常工作所需水泵的泵量为1.35L/s，而Φ56mm口径的金刚石钻进仅需0.58～0.75L/s泵量。为了减少大泵量对钻头的冲蚀和泵压损失，在冲击器与岩心管之间可接入一个分水接头(见图5‑5)，使冲击器排出的液体一部分通过钻头底部流到管外，而多余部分则通过内管底部进入分流接头泄水孔排出管外。另外，当冲洗液由内管顶部上流时，对岩心有一个向上的冲力，可减轻岩心堵塞和磨损，从而提高岩心的采取率。2、冲击器组装与调试冲击器组装时应按照图5‑3上表示的零件顺序依次组装，不得遗漏或倒置。新出厂的冲击器都已经过调试，用时不必重调。但在使用一段时间后，当冲击器性能变坏或不正常时，需要进行重新调整。结构尺寸(参数)的含意及调整方法如下：(1)阀程及其调整：阀程H阀是指阀在工作时由上死点到下死点之间的距离。测量时，将支承环12、限制座10及阀9置于中接头16上，使阀的凸肩与限制座10的顶端面接触。即阀处于下死点位置(不装弹簧)。用深度尺或带有深度尺的卡尺量出从接头16上端丝扣根部至阀9顶端的距离L1，量出阀壳11下端的深度L2，其中L2与L1之差即为阀程H阀。具体量法见图5‑6。H阀=L2-L1-1.85(mm)阀程由设计图纸而定，新冲击器不必调整，但使用一段时间后，阀9及限制座10因磨损使阀程增大，这时可以重新调整垫圈13，再用上述方法测量调整后的阀程，使之达到要求。(2)冲程及其调整：测量前先将下砧套22砸紧在联动接头25上，再将六方套26套到联动接头25上。将外壳18与六方套26装在一起拧紧。而后将活塞杆17与冲锤19砸紧(注意不要砸坏活塞杆的上平面)。再将活塞杆冲锤一起装入外壳18中(不装锤簧)，将中接头16中间孔对准活塞杆装入后与外壳18拧紧。然后把装好的部分直立起来，在活塞杆上装上阀9后，用深度尺或带有深度尺的卡尺从中接头16上部的丝扣根部量出至阀9顶端面之距离L2，阀壳11下端深度L与L2之差即为冲程H冲。量法见图5‑7。(3)自由行程及其调整：自由行程H自是指冲锤活塞与阀9脱开后，靠惯性所走的距离，它与冲程及阀程有如下关系：H自=H冲–H阀(mm)自由行程H自是个很重要的参数，调整时一定要保证在允许范围以内。调整冲程与阀程时一定要注意自由行程的大小，H自一般在3～3.5mm之间较优。(4)锤簧预压及其调整：锤簧预压，H预是指冲击器装上锤簧之后，六方套处于最下位置时锤簧预先压缩之长度。其量法与冲程量法相同。量时要事先装入锤簧，锤簧预压和测量方法见图5‑8。H预=L3–L+1.85(mm)如锤簧预压H预不合适时，可在锤簧下加厚或减薄锤簧垫21。(5)冲击试验：冲击器调整好后，在现场可按下述方法进行冲击试验，将冲击器与主动钻杆连接，并将其拉入孔内，使联动接头下切口处于孔口，并叉入垫叉，用卡盘将主动钻杆夹紧，提起一定距离，使六方套处的滑动间隙拉开，开泵送水。待泵压达(7～10)×105Pa左右时，慢慢放下立轴，使六方套与联动接头的间隙压紧，冲击器即可启动工作。如不冲击，泵压剧增，应迅速提起立轴，待泵压恢复后，再稍加大泵量如前启动，一般就可以工作了。如立轴下放后，冲击器不冲击，泵压不升高，可将立轴提起，适当减小泵量，再行启动。如经反复调整后仍不工作，则需重新调整结构参数，找出不启动的原因。冲击器在孔口工作时，可用耳听声音，手摸高压胶管的办法来判别其性能。有时虽能工作，但稳定性不好或冲击无力，频率不高，也必须重新调整。3、冲击器故障及其排除方法冲击器在使用中较常见的故障是锤簧折断和密封圈损坏，其它故障在孔内出现很少。现将常见故障以及排除的方法列于表5‑1。4、冲击器使用时的注意事项(1)冲击器要联接在岩心管与钻杆之间下入孔内，离孔底0.5m左右时，开始开大水量冲孔。在改小水量稍小于额定值，即50L左右时，开始慢转扫孔。钻具到孔底后，冲击器即可启动工作，并开始进尺。然后再改换为正常钻进参数(包括泵量、泵压)进行钻进。如不启动，将钻具提离孔底，调整泵量直至冲击正常为止。如再不启动可提钻检查。(2)正常钻进时，不应提动钻具，“倒杆”前应把钻具提离孔底，以防止下次开车时扭坏钻头胎体。(3)孔内掉有合金时应及时打捞，(4)复杂地层必须使用优质泥浆(低固相)。含砂量不超过2%，粘度不超过19s。(5)如孔内有掉块、坍塌、缩径或岩粉过多时，均不能进行冲击钻进。现将我国研制的“正作用”液动冲击器技术规格列于表5‑2。(四)ГB一6型液动冲击器苏联1974年在ГB一5型冲击器的基础上，开始研制口径更小的ГB一6型液动冲击器，如图5‑9所示。ГB一6型液动冲击器的外径为57mm，可配用59mm的金刚石钻头或合金钻头，用于钻进中硬及坚硬岩石。钻具处于悬吊状态时，花键轴7和冲锤4在岩心管、钻头以及它们本身的自重作用下，处于最低部位。此时，液流通过活阀1、冲锤4和花键轴7的各个水路，顺利的流向孔底。钻具放到孔底后，由于花键轴7与花键套8结合，冲锤4在冲锤弹簧5的推动下，上升到上死点与活阀1接触而互相结合，截断了高压液流的通路。当高压液流达到一定能量时，便推动冲锤4及活阀1向下运动(同时压缩活阀弹簧2和冲锤弹簧5)。由于活阀1下行至缸套3的上端后被阻挡而与冲锤4脱开(此时液流通往孔底水路打开)。冲锤4由于惯性作用仍继续向下运动，便产生一次冲击。随后，在活阀弹簧2和冲锤弹簧5的各自作用下，其活阀1及冲锤4又先后恢复到原来的位置。以此周而复始便形成了连续性的冲击。二、“反作用”类型液动冲击器(一)“反作用”类型液动冲击器原理“反作用”冲击器结构原理与“正作用”冲击器工作原理相反，它是利用高压液流的压力推动活塞冲锤上升，并压缩工作弹簧储存能量。当分配液流机构阀门打开高压液流畅通而工作室中的压力下降时，则工作弹簧便释放能量，驱动活塞冲锤急速向下运动产生冲击，如图5‑10所示。“反作用”液动冲击器的工作过程如下：高压液流进人冲击器后，作用于活塞冲锤3的下部。当液流的作用力超过弹簧1的压缩力和活塞冲锤3本身重量后，便迫使活塞冲锤3上升(压缩弹簧1使其储存能量)。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，此时，活塞冲锤3仍以惯性作用继续上升。当活塞冲锤3上升到上死点时，活塞冲锤下部的液流已畅通的流向孔底，则工作室压力降低。由于活塞冲锤3的自身重量和弹簧1释放出所储存能量的同时作用，便驱动活塞冲锤3急速向下运动，产生一次冲击。在产生冲击作用的同时，由于活塞冲锤3与铁砧4，相接触而又堵塞了液流通向孔底的通路。高压液流再次作用于活塞冲锤3的下部，开始进行第三次的重复动作。周而复始，便形成了连续性的冲击。(二)“反作用”类型液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，“反作用”冲击器具有下列特点：1、对冲洗液的适应能力较强，可采用一般的泥浆进行钻进；2、在结构中没有起相反作用的弹簧，可以比较充分地利用活塞冲锤本身重量和弹簧的张力，冲锤下行是一个加速运动的过程。同时由于被压缩弹簧释放出来的能量，与活塞冲锤本身的重量等同时向下作用，故可获得较大的单次冲击功，适宜钻进大口径的钻孔；3、压力降较低，液流的功率利用较高；4、液流在冲击器腔体内的流动水路较通畅；5、结构简单，便于使用和维修。“反作用”冲击器存在的主要问题是没有充分利用液流的巨大水锤能量，并需用刚度较大的弹簧，同时为了获得较高冲击频率，需要供给较多冲洗液，即要求泵量较大。(三)“反作用”液动冲击器美国海湾公司生产的“反作用”液动冲击器，如图5‑11所示。它可钻进直径222mm的钻孔，冲击频率达10Hz。若采用泥浆钻进油气井，效果较好。该冲击器的主要特点是，当冲锤2向下运动进行冲击时，冲锤2与活阀5脱开，这样就避免了作用在活阀5上的压力，克服冲锤向下冲击速度减缓的弊病，可提高冲锤下降的末速度，增大冲击能量。三、“双作用”类型液动冲击器(一)“双作用”类型液动冲击器作用原理及结构特点“双作用”冲击器结构特点是。活塞冲锤的正冲程和反冲程都是由高压液流驱动完成的。即高压液流通过控制阀的分配作用或通过射流元件的切换作用，使液流在冲击器中反复变换流动方向，推动活塞冲锤下行和上行产生往复运动，每往复一次便产生一次冲击。以压差原理驱动活塞冲锤产生往复运动的工作原理，如图5‑12所示。钻具到达孔底后，活动接头支座与外套支座相结合。此时，b腔处的高压液流分别作用到活阀2及冲锤6上，并使活塞及冲锤向上运动。当冲锤6向上运动至同活阀2相接触而闭合时，便关闭了高压液流通向孔底的水路。此时，活阀及冲锤便停止了上行运动。由于高压液流作用于活阀上部的面积大于所作用于下部的面积，所以冲锤6与活阀2同时向下运动。冲锤6以S行程向下冲击，但活阀2下行h行程后，由于受到支撑座4的限制不能再继续下行，故冲锤与活阀两者脱开。冲锤与阀脱开后，通往孔底的水路便开始恢复。当冲锤6冲击铁砧9后，由于a腔处的高压液流再次分别作用到活阀2及冲锤6上，活阀及冲锤又开始向上运动。这样便完成一次冲击作用。如此周期重复进行便形成了连续性的冲击。(二)“双作用”类型液动冲击器我国研制的“双作用类型液动冲击器”的种类较多，仅地矿部系统即已形成YS、SC、SX各种口径三大系列。按照液流分配阀的结构、位置及作用方式不同，可分为：活阀式；节流阀式；射流式及射吸式等。1、活阀式“双作用”液动冲击器Ye一Ⅱ型、Ye—Ⅲ型、Yf73一Ⅰ型及HED一2型等，均为活阀式“双作用”液动冲击器。Ye一Ⅱ双作用液动冲击器是我国二机部系统研制的，该冲击器经过大量钻进试验表明，它具有性能良好、工作稳定，并具有口径小、重量轻、结构简单、操作方便等优点。Ye一Ⅱ双作用液动冲击器的结构和工作原理如图5‑13所示。2、节流阀式“双作用”液动冲击器节流阀式“双作用”冲击器的作用原理与活阀式“双作用”冲击器的作用原理基本相同。不同点是以一个节流圈来代替活阀式冲击器的配水机构。这样便简化了冲击器的结构。该种冲击器的结构较简单，液流在腔内的畅通性也较好。但液流的功率恢复较低。YS型、LDF型均为节流阀式冲击器。LDF一54型冲击器的结构如图5‑14所示。3、SC射流式“双作用”液动冲击器SC射流式“双作用”液动冲击器是利用一个“双稳”射流元件，控制高压液流在冲击器内改变流向，使活塞冲锤产生往复运动而形成冲击作用，如图5‑15所示。射流式冲击器的工作原理，以线路示意图(图5‑16)说明如下：4、SX射吸式“双作用”液动冲击器SX射吸式“双作用”冲击器的工作原理：它利用液流喷射后所产生的射流卷吸作用，使活塞上腔压力降低。在压差作用下，活塞冲锤及阀门向上运动，运动至上死点时，闭合水路切断高压液流。然后，在高压液流的推动和活塞冲锤自重的作用下，向下运动产生冲击。其工作原理如图5‑17所示四、绳索取心式液动冲击器结合绳索取心钻进的优点，我国亦发展了绳索取心钻进用液动冲击器。目前使用的绳索取心式液动冲击器，有地矿部系统研制的SZC、SSC系列绳索取心式液动冲击器、冶金部系统的TKS系列绳索取心式液动冲击器等。其冲击器部分的工作原理多为“正作用”式和“双作用”式，结构上与相应的液动冲击器类似。(一)绳索取心式液动冲击器的结构原理TKS型绳索取心式液动冲击器的结构如图5‑18所示。其内管总成由三大部分组成：上部为捞矛上锥轴1，上、下弹卡板2、3及收卡筒等组成的打捞限位机构；中部为TK型阀式正作用冲击器(液动锤)5；下部为带有调节螺杆，缓冲弹簧和推力轴承上接头的单动岩心内管8。(二)绳索取心式液动冲击器的工作原理该钻具绳索取心工作原理与一般绳索取心钻具相同。冲击器工作原理为阀式正作用式(可参见“正作用”工作原理部分)。当带有冲击器的内管总成从空口绳索取心钻杆内投人到位后，卡板2弹开进入上弹卡室，限制冲击器工作时内管总成上移。此时冲击器通过冲击功传递环6坐落于外管专用接头上。钻进时传递环6堵塞冲击器与外管间的环隙空间，迫使冲洗液由冲击器上部侧孔进人冲击器内部，推动冲击器做功，后经砧子排液孔排出。冲洗液再经内管8外侧环隙通道到达钻头部。冲击功由传递环6经外管接头、外管7传至钻头9破碎岩石，岩心便进入内管。回次结束时，以打捞器将内管总成及岩心取出。五、贯通式液动冲击器简介70年代后，原苏联、西德、澳大利亚等国成功地将双壁管水力反循环连续取心新工艺用于钻探。我国自1988年开始研制配合水力反循环连续取心钻具使用的贯通式液动冲击器。图5‑19为我国研制成功的YGQ一89/43型液动贯通式冲击器结构图。其工作原理为利用压差原理的“双作用”式(参见“双作用”冲击器原理部分)。该冲击器具有工作稳定可靠、除可实现反循环连续取心外，还可实现单管及绳索取心钻进的使用特点。冲击频率达18～33Hz，冲击功为15～16J。贯通式液动冲击器的应用是解决反循环连续取心防止岩心卡堵、提高钻进效率的有效途径。第三节风动冲击器风(气)动冲击器也称风动潜孔锤，是以压缩空气作为动力介质，驱动其工作的。与此同时，压缩空气也兼作洗井介质。所以使用风动冲击器进行冲击回转钻进时，也具有空气冲孔钻进的一些特点。我国矿山开采业中推广使用了这种钻进方法。在露天矿中，国产的风动冲击器完全取代了钢绳冲击钻，使钻孔效率提高3～5倍，矿山的生产效率提高1倍以上。一、国外风动冲击器国外的风动冲击器可以用美国的风动冲击器来说明其主要概况。多年来，美国为了提高硬岩层的钻进效率，成功地研制了风动冲击器，广泛用于矿山、水井、工程及海底等硬岩层钻进，并获得了较高的效率，比常规的回转钻进或机械冲击钻进提高了十几倍。例如，据美国“英格索尔­—兰德”公司介绍，曾用该公司制造的DHD—124型冲击器，在阿拉斯加的管线工程中钻进直径24英寸(610mm)、一径到底的永冻层(密积冻结砾石层)钻进速度达到6.1～18.3m，从而加快了该工程的施工速度，降低了钻进成本。在美国，研制风动冲击器的公司很多，“英格索尔—兰德”公司生产无阀风动冲击器，其DHD标准系列有四种规格，其技术参数列于表5‑7。这种冲击器的结构极为简单，共有21个零件组成，而且只有一个运动件，因它具有制造容易，维修方便，动作快、冲劲大、耗气少、寿命长等优点。(一)DHD—260型风动冲击器“英格索尔—兰德”DHD一260型风动冲击器的结构如图5‑21所示。该冲击器可以钻152、165及203mm的钻孔。如配用扩孔钻头，还可以钻进254mm的钻孔。其钻进效率比阀式冲击器可提高20～50%；在花岗岩中钻进，平均效率为(0.138～0.639)×10-2m/s，推荐使用深度为760m。这类无阀式冲击器发展很快，最近几年，该公司又研制了DHD一360型冲击器。(二)超级风动冲击器“英格索尔一兰德”公司还生产另一种标准系列的风动冲击器，称为超级风动冲击器。产品有DHD–120、DHD–124和DHD–130三种规格，分别钻进508mm、610mm及762mm的大钻孔，超级冲击器的结构如图5‑22所示，该冲击器虽有三种规格，但其内部零件都完全一样，如活塞、气缸和止逆阀都是通用的，口径改变时，只须更换外壳、上接头和联动轴套即可。二、国内现用的风动冲击器近几年来，国内已产生了多种类型的风功冲击器，如表5‑9所列。若按其配气方式和结构特点分类，则基本上可以分为以下两种类型：(一)有阀式冲击器这种类型的冲击器，推动活塞上下排气运动的空气是由配气机构的阀片控制的。有阀冲击器按排气方式又可分为旁侧排气和中心排气冲击器。虽然这种冲击器排出孔底岩粉的效果不够理想，但由于它的结构比较简单，工作可靠，加工使用方便，活塞寿命长，所以有些矿山至今还在使用。(二)无阀式冲击器这种冲击器没有阀，配气系统布置在气缸壁上，在活塞运动时，自动配气。图5‑24是W一220型无阀式冲击器结构。其工作原理是：压气先进入前气室C，在前后两气室压差作用下，冲锤11上行。冲锤11上中间密封环面封闭C室、压气接通A室，此时C室压气膨胀继续推动冲锤上行。当冲锤下密封环面越过导向套13的泄气孔时，C室泄气；A室由于冲锤芯孔被进气嘴套10封闭，气压骤升，于是因后、前两室的压差推动冲锤下行做功。(三)贯通式风动冲击器，，贯通式风动冲击器是配合气举反循环连续取心(样)钻进中使用的新型钻具。在致密、夹层类岩层中使用，可实现高时效、高取心率(98%～100%)的效果。我国研制和生产的该类冲击器：目前有GQ–95，GQ–200型及FGC–15等型，在设计制造上已达国外先进水平。第四节冲击回转钻进设备及钻头一、设备(一)钻机以硬质合金磨料为主进行冲击回转钻进时，要求钻机增加低速挡。无低速挡的钻机可在钻机的输入轴处添加一个减速装置(自制减速箱或用汽车变速箱)，使钻具的转速降低。采用减速箱变更钻机的回转转速时，减速箱应有两个速挡。其中一个速挡要仍然保持钻机的原有回转转速，以便用于升降钻具和钻进较软岩层的需要；另一个是减速挡，使钻机的回转速增加一个低转速区，在该转速可获得20~80r/min的几个不同转速，用于钻进较硬的岩层。进行金刚石冲击回转钻进时。所用的钻机要同样具有高转速的性能。(二)水泵水泵是冲击器工作的主要动力源。为了保证冲击器能发挥有效的作用及尽量减少修理时间，一般要求水泵达到下列性能：(1)泵压为4~6MPa时，水量达2.5～3.33L/s；(2)强度大，不易损坏，密封性好，排量均匀、稳定；(3)能长时间在持续的高压状态下进行工作；(4)根据需要可进行多级变速或无级变速，以改变泵压和排量。(三)动力机钻机可用原配套型号的动力机。水泵的动力机需增加功率。浅孔时用20～22kW，深孔时用30kW的动力机。二、附属装置及工具冲击回转钻进有其自己的特点，故除了一般常规钻探方法所用的附属工具和用品外，还要新增加一些附属装置、工具及用品，如：(一)稳压罐目前所用水泵的空气室容积较小，不能消除排量不均匀性、保持液压冲击时的稳定性。所以，在水泵的输出管与高压胶管之间需要安装一个稳压罐装置。如图5‑26所示。稳压罐可用直径为146mm或更大直径的无缝钢管制作。要求耐压能力在10MPa以上，容积应大于0.05m3。(二)孔底反射器，进行冲击回转钻进时，由于水锤波能量的消失较大，使能量利用率大幅度降低。为了减少水锤的影响和增加冲击器的能量利用率(即把冲锤回程时所产生的水锤波能量储存起来，当冲锤下行进行冲击时予以释放，有助于提高冲击能力，提高液流利用率，并可减少钻具振动，在冲击器的上部应装有反射器。(三)砂轮机采用硬质合金钻头进行冲击回转钻进时，为修磨硬质合金，现场需配一碳化硅砂轮，轮片直径为200～250mm，砂轮粒度为60～100目，线速度以20～25m/s为宜。(四)分流器为了解决金刚石(或钢粒)冲击回转钻进时出现的冲击器所需冲洗液量较大，而孔底金刚石(或钢粒)钻头所需要的冲洗液量较小之间的矛盾，在冲击器的下部，应装置一种可进行调节冲洗钻头头部液量的分液器。在我国，应用较广的一种便是QWF—I型分流器。

(五)高压胶管由于冲击回转钻进时所需要的泵压较高，用一般的高压胶管很容易爆裂。所以需用钢丝编制两层或三层的，耐压在800kPa以上的高压胶管。三、管材(一)钻杆为了减少高压液流沿途的压力损失，在可能情况下尽量选用内径较大的钻杆；为了防止钻杆接头丝扣处漏水而导致降低冲击器的工作性能，在接头丝扣处应采取密封措施。(二)岩心管为了提高岩心管的抗弯强度(刚性)和增强耐磨性，应进行高频表面淬火。岩心管经高频表面淬火处理后，不但能增强耐磨性和抗弯强度，成倍地延长使用寿命，大量节省钢材，而在冲击回转钻进中，它还有一个很重要的意义，即是当岩心管刚性增加后，可以减少冲击传递效率的损失。四、钻头(一)硬质合金钻头1、钻头体钻头体的壁厚一般为10～14mm(可用肋骨片加厚)，全长150mm左右，为了减少冲洗液的循环阻力，减少岩心堵塞和安放卡簧，钻头体上端的内壁要有一定锥度。水口面积总和，一般应大于钻头与岩心之间、或钻头与孔壁之间环状断面的面积，以减少冲洗液循环阻力和增加冲洗岩粉能力。2、硬质合金在冲击回转钻进过程中，硬质合金承受着各种复杂载荷作用，尤其是在受冲击的瞬间同时承受了两种类型的动载荷(回转方向的回转力和轴向方向的冲击力)、使硬质合金同时具有回转方向的圆周速度和轴向方向切人岩石的轴向速度。此两种速度同时作用的结果，便改变了硬质合金切入岩石的方向，与岩石的表面成某一个角度而切入，即硬质合金实际上是进行斜冲击，所受的弯曲应力较大。所以，要求硬质合金应具有高的硬度、耐磨性、抗弯强度和抗冲击韧性以及一定的热硬性(见第3章)。为此应根据所钻进岩层性质及冲击器冲击功的大小选择硬质合金牌号。3、硬质合金钻头国内常用的几种硬质合金钻头有：(1)普通大八角硬质合钻头，如图5‑30所示适用于可钻性为6～8级的中硬岩石。钻头的内出刃为2～2.5mm，外出刃为2.5～3mm，底出刃为3～5mm，刃角为90～110°。(2)大八角肋骨硬质合金钻头利用焊加肋骨片的方法，如图5‑31所示。加大通水截面和钻头的内外出刃，内外出刃为1～1.5mm，底出刃为4～5mm，刃角为90～100°。肋骨片厚度为3mm左右。(3)长方片状硬质合金钻头利用垫片加大钻头体的厚度，如图5‑32所示。硬质合金为YG8C或YG15长方片状(14×18×18)。钻头的内外出刃为1～1.5mm，底出刃为4～5mm，刃角为100～110°。这种钻头的刃部较长，需与冲击功较大的冲击器相配用。(4)异型钻头为了增加孔壁间隙的通水截面，用模具将钻头钢体冲击压成近似三角形或四方型，如图5‑33、图5‑34所示。钻头的内外出刃为1～1.5mm，底出刃为2.5~3mm，刃角为110°。这种钻头很适宜钻进5～7级中硬岩层，并且有减少岩心堵塞的作用。(5)针状硬质合金钻头冲击回转钻进时，这种钻头具有下列特点：①多刃：钻进时岩石有较多的自由面，有利于破碎岩石；②“自磨出刃”：钻头刃部不存在磨钝问题，同时其底刃面积也不随着磨损而改变。故钻进速度稳定。又由于合金针的长度较长。所以钻头的使用寿命也比较长；③不易崩落硬质合金：由于针状硬质合金被牢固的包镶在胎块内，在钻进过程中始终保持微露，所以不容易崩落。针状硬质合金钻头适用钻进可钻性为5～8级或部分9级的岩石。(6)硬质合金牙轮钻头前苏联用ГПИ—139M型及4ДГ115K型球齿牙轮钻头，在5～7级塑性岩石中使用效果良好。(三)金刚石钻头1、金刚石液动冲击回转钻进一般多采用孕镶金刚石钻头。金刚石采用40～60目天然或60~80目人造JR4，(SMD)级、晶形完整、高强度单晶。2、钻头结构特点胎体应耐冲蚀、有较大的适用范围、硬度在HRC35~40左右。钻头内外出刃应有良好的保径措施。钻头水口数目需适当增多以降低泵压。胎体唇面形状在6～7级完整岩石中宜用平底形；在7～10级硬、脆、碎岩层中宜采用弧形；在9～12级岩层中则宜用多阶梯形，3、钻头体材质的屈服点δ≥590～640N/mm2。螺纹制造精度应符合地质矿产部标准《GB3423—82，DZ1.1—84》的规定。4、典型的金刚石钻头(1)单管金刚石钻头图5‑35为DRBH或DTBH型金刚石钻头的结构图。其常用规格及结构参数列于表5‑10。用于单管金刚石液动冲击回转钻进。(2)双管金刚石钻头图5‑36为PRYP或PTYP型金刚石钻头的结构图。该类钻头用于双管金刚石液动冲击回转钻进，其规格及结构参数列于表5‑11。(3)绳索取心及泥浆冲孔用金刚石钻头图5‑37为SRYP或STBP型金刚石绳索取心或采用泥浆洗孔钻进时钻头的结构图。第五节冲击回转钻进规程一、钻进技术参数(一)钻具转速进行冲击回转钻进时，钻具回转转速的高低，主要是根据所钻岩石的性质，所用磨料的种类，以及冲击器冲击功的大小和冲击频率的高低等因素进行确定。以块柱状硬质合金为磨料的钻头，钻进硬岩层或钻进强研磨性岩层时由于破碎岩石的主导作用是冲击载荷，所以钻具的回转转速应在20～80r/min之间。所钻的岩石越硬，其钻具的回转转速应越低。钻进较软岩石或钻进裂隙发育的岩石时，由于冲击破碎岩石的作用并不大，而是以回转切削破碎岩石为主。所以应提高钻具的转速，一般可在80～300r/min之间。选择钻具转速除考虑上述所说的岩石性质外，还要考虑冲击器的性能状况。如冲击器的冲击功较大时，可适当的提高钻具转速；反之，应降低钻具的转速，同样。冲击器的冲击频率较高时，钻具的转速也应适当增加；反之，应适当降低转速。各种岩石都有它的最优冲击间距值，根据生产实践经验，一般可钻性为6～7级的岩石，S=10～15mm；7～8级，S=8～10mm；9～10级，S=5～8mm，较为适宜。进行针状硬质合金钻进时。钻具的转速不应低于200r/min。一般为200～300r/min。进行金刚石冲击回转钻进时，为了充分发挥金刚石磨削破碎岩石的作用以提高钻进效率，钻具的转速应在600r/min以上。(二)钻压液动冲击回转钻进钻头上施加的轴向压力有两个方面的作用：一是在岩石中造成一定的预加应力以及回转时切入岩石，以提高破碎岩石的效果；另一个作用是克服冲击器工作时所产生的反弹力，以减少冲击能量的传递损失。图5‑38轴向压力与回次进尺的关系P–轴压，×9.8N；H–平均回次长度，m钻进较软岩石时，由于岩石的抗破碎强度较低，基本上是以回转剪切作用为主进行破碎岩石。为充分发挥回转切削岩石的作用，应采用较大的轴向压力。一般可控制在8000N左右。钻进较硬岩石时，由于岩石的抗破碎强度较高，基本上是以冲击载荷的作用进行破碎岩石，故所采用的轴向压力应小一些。一般可控制在4000～6000N范围之间。如果所施加轴向压力过大，不但会造成硬质合金过早磨损，甚至会产生崩刃或崩脱，会导致钻进效率降低。但压力也不宜过小，过小的压力不能克服冲击器所产生的反弹力，将降低冲击能量的传递效率，同样也会降低钻进效率。(三)泵量与泵压由于冲击器是以高压液流为动力。推动冲锤进行工作。所以冲洗液不仅是为了冷却钻头和冲洗岩粉，而且对钻头的工作性能也有决定性影响。它直接影响冲击频率的高低和冲击功的大小，即随着泵量的增加，冲击频率及冲击功也相应得到增加。只要地层允许(冲洗液上返流速不大于所钻地层的要求)、水泵工作性能正常，应尽量满足冲击器工作时的水量。同时还应加大一部分泵量，以补充管路各接头处的泄漏损失。二、净化冲洗液液动冲击回转钻进时所用的冲洗液，应根据岩层情况选择，钻进复杂岩层时为了护壁、减少漏失以及增加排粉能力，可用分散性泥浆、不分散性低固相泥浆或无固相冲洗液为冲洗液进行钻进。进行金刚石冲击回转钻进时，应用润滑冲洗液进行钻进。不论选择使用哪种冲洗液，为了防止大颗粒岩粉及其它杂物堵塞冲击器的水路，或卡塞冲击器的运动部件造成工作失灵，以及为了延长冲击器的使用寿命，进行冲击回转钻进时尤应加强冲洗液的管理和净化处理工作。常用的净化冲洗液方法有：地面循环系统重力沉降法、过滤法和水力旋流除砂法三种。第六节冲击回转钻进的操作及注意事项按钻进过程的工作程序。将各个环节部分的操作注意事项分述如下：一、下钻前的准备工作(一)组装、拆卸及检查冲击器(1)应按冲击器说明书规定的尺寸、要求及装配方法进行装配，要保持各活动部位运动自如，没有受卡及受阻的现象。(2)组装冲击器时，要注意各部位的密封圈、密封垫的密封性能，以防由于密封不严泄漏冲洗液，降低冲击器的工作性能。(3)组装双作用活阀式冲击器时，除要检查各个弹簧是否有损坏的情况外，还要注意检查、调整好各部位的间隙。(4)组装双作用射流式冲击器的射流元件时，要对准各个销钉，以使水路畅通。(5)装配冲击器的活塞时，应注意活塞在缸体内的松紧程度，过紧或过松，对冲击器的工作性能都有较大的影响。一般以能较轻松的抽动即可。(6)清洗过滤筒(网)中的岩粉及杂物。(7)组装或拆卸冲击器时，钳子口应在接头或阀壳切口处，防止咬扁夹坏冲击器的外管。(8)组装粗径钻具时，要扭紧各部位的连接丝扣以减少冲击能量的传递损失，尤其是钻进硬岩地层时，更应注意此点。(9)组装冲击器时，应在各个活动部件处涂抹黄干油，以防生锈。(二)每个钻孔所用的钻头应尽可能一次备齐，以便进行分组排队使用。(三)认真检查水泵压力表是否灵活，如有问题，应及时进行修理或更换。(四)准备好备用的钻杆接手和密封胶圈。(五)施工机台都要配几种不同长度的岩心管，以便根据所钻岩石的性质进行选用。(六)进行冲击回转钻进时，必须将水泵牢固的固定在机台木上。这是由于所需要的泵量及泵压均较回转钻进时高，再加之冲击载荷的影响，水泵所受的振动较大之故。(七)采用正循环钻进时，冲击器的下部应装有逆止阀(特别是在深孔作业或孔内岩粉较多时)。这是为了防岩粉进入冲击器卡塞运动部件，造成启动困难，甚至不进行冲击或加速磨损零件等。二、下降及提升钻具(1)下降新的(或经过调整、检修)冲击