岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进课件

2024/6/14工程钻探11 1 冲击回转钻进工艺原理冲击回转钻进工艺原理2 常用冲击器分类、结构及工作原理常用冲击器分类、结构及工作原理3 3 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头4 4 冲击回转钻进规程冲击回转钻进规程5 5 冲击回转钻进应用范围冲击回转钻进应用范围岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进2024/6/14工程钻探2最早的雏形为手持钎杆人工锤击凿岩，嗣后发展为在回转钻进基础上增加冲击器，形成以纵向冲击和回转切削共同破碎岩石的钻进方法。目前有两大类冲击回转钻进机构：顶驱式和潜孔式。潜孔式冲击回转钻进的核心器具是冲击器，根据驱动介质类型可分为液动冲击器、气动冲击器、机械冲击器等。液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。1887年就获得专利，但实际到20世纪50年代，前苏联和中国才开始研究并在地质取心钻探中广泛采用。气动冲击器也称为风动潜孔锤，是用压缩空气作为驱动介质，多用于全面钻进。2024/6/14工程钻探5 切削具在动载作用时与岩石接触时间短，磨损小。岩石在动载作用下脆性增加，有利于裂隙发育和脆性破碎；实验证明，静载作用下不产生破碎坑穴的岩石，如孔隙性石灰岩，在动载作用下产生了破碎坑穴，说明岩石脆性增加。岩石在动载下强度、硬度和破碎比功都增加。磨损量与摩擦功成正比，摩擦功与摩擦时间成正比，所以，摩擦时间越长，磨损量越大。大量试验证明，岩石的动硬度高于静硬度。2024/6/14工程钻探6 3.3.冲击回转钻进碎岩过程冲击回转钻进碎岩过程冲击回转钻进碎岩过程冲击回转钻进碎岩过程图(a)：静压回转钻进。钻头在静压和回转两种外力作用下向下螺旋钻进。图(b)：冲击钻进。钻头在唯一冲击力作用下上下运动。图(c)：冲击回转钻进。钻头在静压力、回转扭矩和冲击力三种外载共同作用下向下螺旋钻进。最优冲击夹角2024/6/14工程钻探7在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲击力的结果。4.4.在不同岩石中的破碎机理在不同岩石中的破碎机理 冲击回转钻进钻遇岩石性质不同时，静压力、回转扭矩和冲击力三种外载荷在碎岩过程中发挥的作用不同。静压力因为不可能达到压入破碎岩石的应力要求，所以，它主要的作用是克服冲击反弹，保证冲击能量的传递。回转扭矩所起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉，同时变换切削具的冲击位置。2024/6/14工程钻探8在中硬、塑性的岩石中钻进，岩石破碎主要是静压力和回转扭矩的结果。在塑性岩石中钻进，因为冲击器的冲击能量大部分被岩石塑性变形所吸收，所以，它不可能对岩石破碎起到主要作用。这时静压力使切削具吃入岩石，回转扭矩使切削具剪切岩石，冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆性增加的辅助碎岩效果。2024/6/14工程钻探9 由于在两类岩石中两类岩石中三种外载荷各自发挥的作用不同各自发挥的作用不同，决定了在两类岩石钻进中所用的规程参数不同钻进中所用的规程参数不同。在坚硬、脆性的岩石中钻进：要注重发挥冲击器的作用，并且注意回转速度与冲击频率和冲击功的配合，将其控制在两次冲击之间的夹角上。在中硬、塑性的岩石中钻进:对冲击频率和冲击功的要求不高，主要是应将钻压加得足够，保证切削具吃入岩石的深度足够。此时，对转速的控制就并不要求合理的冲击夹角了。两类不同岩石中的不同破碎两类不同岩石中的不同破碎机理，决定了采用机理，决定了采用的工艺规程参数应当不同。的工艺规程参数应当不同。2024/6/14工程钻探107.2 常用冲击器分类、结构及工作原理 冲击回转钻进的纵向冲击动载是由安装在靠近钻头的专门的冲击器产生的，根据冲击器的驱动方式，一般将冲击器分为以下几类：7.2.1 7.2.1 冲击器分类冲击器分类 气动冲击器气动冲击器以压缩空气为动力介质。以压缩空气为动力介质。这类冲击器习惯称为“潜孔锤”，在全面钻进钻孔施工中使用最多，如锚固孔施工。液动冲击器液动冲击器以高压液体（水或泥浆）为动力介质以高压液体（水或泥浆）为动力介质。这类冲击器在我国岩心钻探中使用最多。2024/6/14工程钻探11 机械冲击器机械冲击器利用某种机械运动使冲锤上下利用某种机械运动使冲锤上下运动。运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料强度的影响，寿命一直未能取得较大突破，故目前还未大量进入生产使用。其它冲击器其它冲击器如电磁、电机、涡轮等，未见如电磁、电机、涡轮等，未见实用。实用。2024/6/14工程钻探127.2.2 7.2.2 常用液动冲击器结构及工作原理常用液动冲击器结构及工作原理液动冲击器液动冲击器无阀式射流式有阀式正作用反作用双作用射吸式2024/6/14工程钻探13 正作用液动冲击器正作用液动冲击器图7.1 正作用液动冲击器1-外壳；2-活阀座垫圈；3-阀簧；4-活阀；5-冲锤活塞；6-锤簧；7-铁砧；8-缓冲垫圈；9-阀座 结构：如图所示。工作原理：以液体压力推动冲锤下行进行冲击，以弹簧作用力复位。特点：结构简单，技术成熟。冲锤活塞向下作功时，可利用高压室中巨大的水锤能量；但复位弹簧的反作用力将抵消相当大的冲击力。7.2.2.1 7.2.2.1 阀式液动冲击器阀式液动冲击器2024/6/14工程钻探14结构：如图所示。工作原理：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。特点：结构简单，技术成熟，由于被压缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞自重同时作用，故可获得较大的单次冲击功，冲击器内部压力损失小，能量利用率高。但工作弹簧的工作寿命只有40100h。反作用液动冲击器反作用液动冲击器 图7.2 反作用液动冲击器 1-工作弹簧；2-外壳；3-冲锤活塞；4-铁砧 2024/6/14工程钻探15结构：如图所示。工作原理：冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动。特点：结构较复杂。采用差动运动方式，必须有既滑动又隔压的密封件，以使冲击器内部能形成一个压力差，在铁砧部位设有节流环、下阀等元件，在与冲锤活塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有呼吸道。从理论上讲，该冲击器的液流功率恢复较高。双作用液动冲击器双作用液动冲击器图7.3 双作用液动冲击器 1-带孔的活阀座;2-活阀;3-外套;4-支撑座;5-导向密封件;6-塔形冲锤活塞;7-导向密封件;8-节流环;9-砧子 2024/6/14工程钻探167.2.2.2 7.2.2.2 无阀式液动冲击器无阀式液动冲击器 射流式液动冲击器射流式液动冲击器 图7.4 射流冲击器结构图 1-上接头;2-射流元件;3-缸体;4-活塞;5-冲锤;6-外缸;7-砧子;8-花键套;9-下接头 结构：如图所示。工作原理：由我国独创的采用双稳射流元件作为控制机构、冲锤活塞正、反冲程均由高压液体推动的新型钻具。特点：结构较简单，除活塞与冲锤外无其他运动零件，也无弹簧、配水活阀等易损零件，因而钻具工作可靠，使用寿命长；冲锤向下冲击砧子时，没有自由行程阶段和弹簧对冲击力的抵消作用，因而冲击器能量利用率高；能适用于高温高压条件下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量要求高，否则射流原件易堵塞。2024/6/14工程钻探17 射吸式液动冲击器射吸式液动冲击器 结构：如图所示。工作原理：由我国独创的利用高压液流喷射时的卷吸作用，使冲锤活塞的上下腔产生交变压力差推动冲锤活塞往复运动实现冲击作用的新型钻具。特点：结构简单，运动部件及易损件少，液流在腔体内畅通性较好，适于小口径钻进。图7.6 射吸式冲击器 1-喷嘴;2-上腔;3-冲锤活塞;4-活塞套;5-外壳;6-下腔;7-砧子 2024/6/14工程钻探187.2.3 7.2.3 常用气动冲击器结构及工作原理常用气动冲击器结构及工作原理 气动冲击器以气体做为工作介质，习惯称为潜孔锤。潜孔锤也可根据配气方式分为有阀式和无阀式两类，下面分别介绍它们的结构和工作原理。有阀式潜孔锤有阀式潜孔锤结构：如图所示。工作原理：由配气机构的阀片控制高压气体推动冲锤活塞上、下运动实现冲击。特点：结构比较复杂，加工要求较高，但排除岩粉的效果较好，故可降低钻头的磨耗和提高钻进效率。图7.7 J200B型潜孔锤1-接头;2-钢垫圈;3-调整圈;4-碟簧;5-节流塞;6-阀盖;7-阀片;8-阀座;9-活塞;10-外壳;11-内缸;12-衬套;13-柱销;14-弹簧;15-卡钎套;16-钢丝;17-圆键;18-密封圈;19-止逆塞;20-弹簧;21-磨损片;22-配气杆;23-钻头 2024/6/14工程钻探19结构：如图所示。工作原理：该类潜孔锤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。特点：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。无阀式潜孔锤无阀式潜孔锤图7.8 W200型无阀潜孔锤1-上接头；2-密封圈；3-弹簧；4-止逆塞；5-垫圈；6-密封垫圈；7-进气座；8-内缸；9-外缸；10-节流塞；11-活塞；12-隔套；13-导向套；14-圆键；15-下接头；16-钻头 2024/6/14工程钻探20 钻头钢体钻头钢体 冲击回转钻进钻头在结构设计上与回转钻进用钻头类似，只是冲击回转钻进钻头的受力比回转钻进复杂，强度要求高，故在钻头和切削具耐冲击的性能上进行了提高。7.3 冲击回转钻进用钻头图7.9 HCT型硬质合金钻头结构图 材料材料：40Cr和40CrNi合金结构钢，韧性好于回转钻进钻头用的45号中碳钢。壁厚：壁厚：厚度1014mm，比回转钻进钻头810mm强度提高，切削具的焊接牢固性亦提高。形状：形状：一般做成多边形以增加外环过水面积，可减少背压和提高排粉速度。螺纹：螺纹：为与回转钻进钻头保持互换性，一般做成一样，只在冲击功大于100焦耳后，才采用特殊螺纹。普通冲击器冲击功一般1570焦耳。2024/6/14工程钻探21 硬合金硬合金 材料材料：为提高耐冲击韧性，冲击回转钻进钻头采用含钴量高的硬合金切削具，如YG15或YG13c。虽然耐磨性能有所降低，但切削具与岩石接触时间短，回转速度也低，故对钻头耐磨寿命影响不大。形状及尺寸：形状及尺寸：一般采用截面尺寸较大的八角不对称柱状硬合金。图7.10 硬质合金柱齿外型图 (a)-楔形齿(K30型);(b)-半球型齿(K40型);(c)-锥球齿(K41型)2024/6/14工程钻探22 硬合金切削具的数量、排列、出刃硬合金切削具的数量、排列、出刃与回转取心钻进钻头相比，由于硬合金尺寸增大，其数量一般就要减少；排列方式与回转取心钻进钻头基本相同，但一般不用深度或宽度掏槽；与回转取心钻进钻头相比，由于冲击回转钻进吃入岩石更深，所以出刃更大；液动冲击回转钻进使用的冲洗液量大，故水口也大。2024/6/14工程钻探23潜潜孔孔锤锤全全面面钻钻进进潜潜孔孔锤锤钻钻头头2024/6/14工程钻探247.4 冲击回转钻进规程钻压钻压 P P 对不同类型岩石，采用不同的钻压参数。中硬以上岩石脆性大，钻压的主要作用不是碎岩，而是保持切削刃紧贴岩石，保证冲击反弹不大，所以钻压不宜大。中硬以下岩石塑性为主，钻压的主要作用是切入岩石碎岩，钻压宜大。7.4.1 7.4.1 液动冲击器钻进规程液动冲击器钻进规程2024/6/14工程钻探25 转速转速 n n 硬岩主要靠冲击，转速要低，高了只会增加磨损。软岩主要靠剪切切削，转速可高一点。金刚石钻头出刃小，冲击作用主要是小冲击功的促进裂隙发育，钻进还得靠磨削，转速要高。如用孕镶金刚石钻头进行冲击回转钻进时，应开高转速，一般在500700r/min。2024/6/14工程钻探26 冲洗液量冲洗液量 Q Q 其功用不但要冷却钻头、排除岩粉，更重要的是为冲击器提供能量。所以，冲洗液量主要以冲击器的需要确定。液动冲击器的冲洗液流量和压力直接影响冲击器的工作性能冲击功与冲击频率。因此，液动冲击回转钻进的泵量要远大于普通回转钻进，并且，泵压也要高得多。2024/6/14工程钻探277.4.2 7.4.2 潜孔锤钻进规程潜孔锤钻进规程 钻压钻压 P P 钻压能使岩石内部形成预加应力，同时改善冲击能量的传递条件。但是，随着钻压的增加，切削刃的单位进尺磨损量也增加，故为了减少切削刃的磨损，钻压不能过大，但又必须克服潜孔锤的反弹力。目前，潜孔锤钻进大都使用全面钻头，其冲击功都比较大，钻压对碎岩的影响较小。据前苏联资料报导，其钻压为液动冲击器钻进时的1/3就可获得较好的钻进效果。2024/6/14工程钻探28 转速转速 n n 潜孔锤和液动冲击器钻进选择转速的方法相同。对于硬质合金潜孔锤钻进，回转的目的仅是为了改变硬质合金切削刃破岩的位置，合理的转速主要根据最优冲击间隔来确定。若回转速度过慢时，切削刃将打入先前冲击过的坑穴中，从而引起钻头回转受阻，使钻进效率降低。若回转速度过快，钻速不会增加，却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。式中：D-钻头平均直径，mm；-最优冲击间隔，mm；f-冲击器冲击频率，Hz；m-钻头的最优冲击频率，Hz；n-转数，r/min。如对于J-200型及W-200型风动潜孔锤钻进，转速一般在1530r/min范围内较为合理。(r/min)(6-1)2024/6/14工程钻探29 冲洗介质（空气）的流量和压力冲洗介质（空气）的流量和压力 在潜孔锤钻进中，因钻速快，单位时间内所产生的岩屑量大且岩屑重，故需比普通空气钻进大的风量才能使井底干净。此外，潜孔锤本身也需要一定的额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。上返风速：取心钻进 v=1015m/s；无岩心钻进 v=2025m/s。从潜孔锤工作要求来看，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，国内生产的潜孔锤有两种：低压潜孔锤，所需风压是0.50.7MPa；高压潜孔锤，所需风压为0.81.1MPa。钻进时，还需加上随着钻孔深度增加而带来的沿程压降(0.001 5MPa/m)和克服水位以下的水柱压力。2024/6/14工程钻探307.5 冲击回转钻进应用范围最适用于最适用于6 69 9级中硬至坚硬的粗粒不均质岩石地层。级中硬至坚硬的粗粒不均质岩石地层。目前：液动冲击器适用地层条件最广；气动冲击器次之；机械式冲击器不受地下水的条件限制。适用地层适用地层2024/6/14工程钻探31用于硬合金钻进最好，目前也是使用量最多的；用于金刚石钻进较好，主要是用于孕镶金刚石钻头；用于钢粒钻进和牙轮钻进也行，这两种钻进方法的切削具是活动的，无法控制最佳冲击夹角。可适用目前几乎所有的回转钻进方法。适用钻进方法适用钻进方法2024/6/14工程钻探32主要取决于冲击器自身能力和驱动介质设备能力。主要取决于冲击器自身能力和驱动介质设备能力。适用孔深适用孔深 液动冲击器必须靠压差工作，钻孔太深，孔内液柱压力大，背压就大，使用就受泵能力和冲击器能力限制了，目前一般在2000米以内；气动冲击器以空气作为动力，空气容易膨胀，压力就降低很快，钻孔排屑困难，所以目前一般用于浅孔。机械式冲击器理论上不受孔深限制，可惜其目前自身技术还不过关，使用很少。2024/6/14工程钻探33总结2.冲击器可按驱动介质分为以下几类：液动冲击器以高压液体（或泥浆）为动力介质。气动冲击器以压缩空气为动力介质。机械冲击器利用某种机械运动使冲锤上下运动。其它冲击器如电磁、电机、涡轮等，未见实用。目前最常用的为液动冲击器和气动冲击器（潜孔锤）。1.冲击回转钻进是钻头在静压作用下进行回转，同时施加纵向冲击动载，从而形成以回转切削和纵向冲击相结合的碎岩钻进方法。2024/6/14工程钻探34总结 在中硬、塑性的岩石中钻进，岩石破碎主要是静压力在中硬、塑性的岩石中钻进，岩石破碎主要是静压力和回转扭矩的结果。冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆和回转扭矩的结果。冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆性增加的辅助碎岩效果。性增加的辅助碎岩效果。在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲击力在坚硬、脆性的岩石中钻进，岩石破碎主要是冲击力的结果。静压力主要的作用是克服冲击反弹，回转扭矩所的结果。静压力主要的作用是克服冲击反弹，回转扭矩所起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉，同时变换切削具的起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉，同时变换切削具的冲击位置。冲击位置。3.冲击回转钻进中，钻遇的岩石性质不一样时，钻进碎岩机理有所不同，三种外载荷各自发挥的作用也不同，因而其规程参数也有所不同。2024/6/14工程钻探35总结 适用地层：最适用于适用地层：最适用于69级中硬至坚硬的粗粒不均质级中硬至坚硬的粗粒不均质岩石地层。岩石地层。适用钻进方法：可适用几乎所有的回转钻进方法。适用钻进方法：可适用几乎所有的回转钻进方法。适用孔深：主要取决于冲击器自身能力和驱动介质设适用孔深：主要取决于冲击器自身能力和驱动介质设备能力。备能力。4.冲击回转钻进应用范围：2024/6/14工程钻探36总结钻压钻压 钻压能使岩石内部形成预加应力，同时改善冲击能量的传递条件。钻压能使岩石内部形成预加应力，同时改善冲击能量的传递条件。转速转速 转速直接影响钻速和钻头寿命。合理的转速主要根据最优冲击间隔和转速直接影响钻速和钻头寿命。合理的转速主要根据最优冲击间隔和岩石性质确定。岩石性质确定。冲洗介质的流量和压力冲洗介质的流量和压力 冲洗介质的流量和压力是冲击回转钻进的重要参数，其不仅影响钻孔冲洗介质的流量和压力是冲击回转钻进的重要参数，其不仅影响钻孔冲洗效果，而且直接影响冲击器的工作性能（冲击功和冲击频率），从而冲洗效果，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。影响钻进效率。5.钻进规程：2024/6/14工程钻探37思考题1、何谓冲击回转钻进？冲击回转钻进时切削具上所受的有哪几种力？2、冲击回转钻进为什么能提高在硬岩中的钻进效率？3、结合冲击回转钻进的碎岩机理，说明在不同的岩性条件下冲击回转钻进规程的差异？2024/6/14工程钻探38工程钻探习题一一、请给出下列词语的定义：一、请给出下列词语的定义：钻头、钻具、岩心管、钻孔结构、岩石硬度、岩石可钻性、钻进规程、冲击回转钻进二、请简答以下问题二、请简答以下问题1.钻孔施工作业有哪些基本程序？2.岩石可钻性对钻探有何意义？有哪些划分方法，是如何划分的？3.请简述钻进过程中钻压与岩石破碎效果之间的关系。4.岩心钻探钻机有哪些类型？各种类型的特点是什么？5.请简述硬合金钻进确定规程参数的方法。6.请简述金刚石钻进特点及应用范围。7.试比较硬合金、钢粒、金刚石三种钻进方法的碎岩机理，它们在确定冲洗液量规程参数上有何不同。8.冲击回转钻进在坚硬脆性和中硬塑性地层中采用的规程参数有何区别？为什么？