液动冲击回转钻探技术

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1、什 么 叫 冲 击 回 转 钻 进 ？ 液 动 冲 击 回 转 钻 探 技 术冲 击 回 转 钻 探 是 继 现 代 金 刚 石 钻 探 之 后 的 钻 探 新 方法 新 工 艺 。我 国 研 究 冲 击 回 转 钻 探 用 的 冲 击 器 、 锤 头 (通 称 潜 孔锤 )及 其 钻 进 工 艺 始 于 1958年 ， 至 今 已 有 40余 年 的 历 史 。据 史 书 记 载 ， 人 类 懂 得 利 用 水 力 作 为 动 力 资 源 已 有数 千 年 的 历 史 ， 然 而 钻 探 工 作 者 考 虑 利 用 钻 杆 柱 中 的 冲洗 液 蕴 藏 的 能 量 驱 动 孔 底 钻 头 钻

2、 进 岩 石 则 开 始 于 1887年 ，由 德 国 人 沃 .布 什 曼 (V.Buschman)发 明 了 这 种 新 的 钻 进 方法 ， 英 国 当 时 曾 授 予 专 利 权 。 其 后 由 考 恩 达 （ Coanda）（ 国 籍 不 详 ） 对 液 动 机 理 作 了 若 干 探 讨 ， 称 之 为 考 恩 达效 应 （ Coanda Effect） 。我 国 这 项 钻 探 技 术 的 发 展 经 历 了 三 个 阶 段 。 起 步 阶 段 1958 1965地 矿 部 勘 探 技 术 研 究 所 率 先 开 始 了 对 液 动 冲 击 器 的科 学 研 究 ， 到 1965

3、年 ， 先 后 研 制 出 了 7种 不 同 结 构 形 式的 液 动 冲 击 器 ， 经 室 内 性 能 对 比 试 验 ， 优 选 出 了 YZ 2型 阀 式 正 作 用 液 动 冲 击 器 ， 并 在 湖 南 地 矿 局 某 多 金 属 矿区 进 行 了 首 次 生 产 性 试 验 ， 最 大 试 验 孔 深 430m， 取 得 了初 步 成 功 。 与 此 同 时 ， 该 所 在 广 泛 收 集 国 外 有 关 情 报 资料 的 基 础 上 ， 于 1963年 编 辑 了 冲 击 回 转 钻 探 专 辑 ，广 泛 介 绍 了 国 内 外 文 献 资 料 。 上 述 工 作 为 后 来

4、液 动 冲 击回 转 钻 探 技 术 的 发 展 奠 定 了 基 础 。 发 展 阶 段 1975 1984 “ 文 革 ” 期 间 ， 这 项 科 学 研 究 工 作 中 断 10年 之 久 。 直 到 1975年 以 长 春 地 院 为 主 与 辽 宁 第 九 地 质 队 协 作 率 先 开 展 了 对 射 流 式 液动 冲 击 器 的 研 制 ， 勘 探 技 术 研 究 所 、 河 北 地 矿 局 综 合 研 究 队 、 冶金 探 矿 技 术 研 究 所 、 核 工 业 华 东 地 勘 局 、 辽 宁 地 矿 局 第 九 地 质 队先 后 开 展 了 对 阀 式 正 作 用 和 阀 式

5、双 作 用 液 动 冲 击 器 的 研 究 ， 到1984年 底 ， 长 春 地 院 研 制 的 SC型 射 流 式 、 地 矿 部 勘 探 技 术 研 究 所研 制 的 YZ 54 II、 冶 金 探 矿 技 术 研 究 所 研 制 的 TK型 、 河 北 地 矿局 综 合 研 究 队 研 制 的 ZF 56型 阀 式 正 作 用 液 动 冲 击 器 ， 以 及 核 工业 华 东 地 勘 局 研 制 的 YE 54型 和 辽 宁 地 矿 局 第 九 地 质 队 研 制 的 SH 54阀 式 双 作 用 液 动 冲 击 器 先 后 分 别 通 过 各 部 的 部 级 技 术 鉴 定 ，并 迅

6、速 地 在 生 产 中 推 广 应 用 ， 从 此 这 项 新 的 钻 探 技 术 进 入 了 一 个 新 的 时 期 。 提 高 与 实 用 阶 段 1984 1990 自 1984年 至 1990年 是 液 动 冲 击 回 转 钻 探 的 科 研 与 推 广 应 用 的 迅 速发 展 阶 段 。 六 年 来 我 国 在 液 动 冲 击 器 的 理 论 和 开 发 研 究 方 面 有 了 进 一步 的 深 化 和 发 展 ， 配 套 技 术 方 面 的 研 究 和 推 广 应 用 得 到 了 重 视 和 加 强 ，取 得 了 丰 硕 的 研 究 成 果 和 技 术 经 济 效 益 ， 表 现

7、 在 以 下 几 个 方 面 。 1 在 已 有 成 果 的 基 础 上 ， 对 冲 击 器 的 结 构 参 数 进 行 了 进 一 步 地 优化 设 计 （ 尤 其 是 配 水 机 构 ） ， 有 效 地 降 低 了 冲 击 器 的 正 常 工 作 排 量 和压 力 损 失 ， 为 生 产 第 一 线 提 供 了 一 批 新 一 代 的 液 动 冲 击 器 。2 在 研 制 开 发 新 型 液 动 冲 击 器 、 拓 宽 其 应 用 范 围 方 面 也 取 得 了 可喜 的 成 就 。3 绳 索 取 心 液 动 冲 击 回 转 钻 具 的 研 制 取 得 成 功 ， 并 在 生 产 实 践

8、得到 推 广 应 用 ， 标 志 着 我 国 液 动 冲 击 回 转 钻 探 技 术 的 研 究 水 平 有 了 新 的提 高 。 4 液 动 冲 击 回 转 配 套 技 术 的 研 究 也 取 得 重 要 成 果 。 常 用 液 动 锤 分 类液 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

9、吸 式 液 动 冲 击器 。 正 作 用 液 动 冲 击 器 工 作 原 理 正 作 用 液 动 冲 击 器 工 作 原 理 正 作 用 液 动 冲 击 器 特 点正 作 用 冲 击 器 是 以 液 压 推 动 冲 锤 下 行 冲 击 ，而 用 弹 簧 使 冲 锤 复 位 的 冲 击 器 。 正 作 用 冲 击 器 结 构 简 单 ， 工 作 性 能 稳 定 ，调 试 容 易 ， 但 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 。 同 时 弹 簧 在 1500次 min或 更 高 的 循环

10、压 缩 、 伸 张 下 ， 容 易 损 坏 。 但 是 ， 如 果 调 试和 有 效 能 利 用 适 当 ， 该 类 冲 击 器 仍 是 一 种 具 有广 泛 使 用 价 值 和 发 展 前 途 的 冲 击 器 。 反 作 用 液 动 冲 击 器 工 作 原 理 反 作 用 液 动 冲 击 器 特 点反 作 用 冲 击 器 的 主 要 优 点 是 ： 对 冲 洗 液 的 适 应 能 力 较 强 ； 由 于 被 压 缩 弹 簧 释 放 出 来 的 能 量 与 活 塞 冲 锤 的 重 量同 时 向 下 作 用 ， 故 可 获 得 较 大 的 单 次 冲 击 功 ； 冲 击 器 内 部 的 压 力

11、损 失 较 小 ， 故 效 率 较 高 。该 类 冲 击 器 的 主 要 缺 点 是 需 要 刚 度 较 大 的 弹 簧 ， 此 种弹 簧 需 采 用 特 殊 的 工 艺 制 造 ， 尽 管 如 此 ， 其 工 作 寿命 也 只 有 40 100小 时 。 双 作 用 液 动 冲 击 器 工 作 原 理 双 作 用 液 动 冲 击 器 工 作 原 理 双 作 用 液 动 冲 击 器 特 点双 作 用 液 动 冲 击 器 的 主 要 特 点 是 冲 锤 的工 作 冲 程 与 反 冲 程 均 由 液 压 推 动 ， 而 不 依 赖弹 簧 的 作 用 。 与 其 他 种 冲 击 器 一 样 ， 双

12、作 用冲 击 器 按 其 结 构 不 同 ， 也 有 滑 阀 式 和 活 阀 式两 种 。 由 于 滑 阀 式 只 能 在 冲 洗 液 清 洁 的 条 件下 工 作 ， 应 用 不 广 。 目 前 在 生 产 中 主 要 采 用活 阀 式 。 射 吸 式 液 动 冲 击 器 的 工 作 原 理 参 见 图 。 静 止 状 态 时 ， 阀与 冲 锤 均 处 于 工 作 位 置 下 限 ， 如 图 中 a所 示 。 当 工 作 泵 启 动之 后 ， 喷 嘴 射 出 高 速 射 流 束 ， 使 阀 与 锤 活 塞 上 下 腔 之 间 产 生压 力 差 （ 上 腔 压 力 低 于 下 腔 压 力 ）

13、， 推 动 阀 与 冲 锤 逆 工 作 液流 迅 速 上 升 。 由 于 阀 的 质 量 小 ， 运 动 速 度 比 冲 锤 快 ， 而 先 抵工 作 位 置 上 限 （ 图 中 b） 。 紧 接 着 冲 锤 高 速 上 升 ， 当 阀 与 冲锤 上 的 锥 面 闭 合 时 （ 图 中 C） ， 液 流 通 道 陡 然 切 断 而 发 生 水击 。 原 处 于 低 压 状 态 的 阀 与 活 塞 上 腔 顿 时 呈 高 压 ， 下 腔 则 由于 液 流 的 惯 性 ， 在 与 上 腔 发 生 水 击 的 同 时 相 应 呈 低 压 状 态 ，使 阀 与 冲 锤 受 上 腔 高 压 液 流 的

14、推 力 同 步 迅 速 向 下 运 动 （ 图 中d） 。 当 阀 抵 工 作 位 置 上 限 后 ， 由 于 高 速 运 动 的 惯 性 ， 使 冲锤 迅 速 向 下 运 动 ， 冲 击 砧 子 ， 完 成 一 个 冲 程 。 此 时 ， 阀 与 冲锤 锥 面 已 离 开 ， 液 流 畅 通 ， 阀 与 冲 锤 重 新 进 人 下 一 个 循 环 的回 程 。 如 此 反 复 循 环 ， 形 成 连 续 冲 击 运 动 。 射 吸 式 液 动 冲 击 器 特 点n 结 构 简 单 、 零 件 少 、 无 易 损 弹 簧 ，因 此 工 作 寿 命 较 长 。n 输 出 输 入 技 术 参 数

15、范 围 较 宽 ， 能 在高 频 状 态 下 稳 定 冲 击 ， 耐 背 压 特 性好 。 射 流 式 液 动 冲 击 器 工 作 原 理水 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

16、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

17、孔道 流 人 岩 心 管 ， 直 达 孔 底 ， 冲 洗 孔 底 后 返 回 地 表 。 射 流 式 液 动 冲 击 器 特 点 结 构 简 单 ， 零 件 少 ， 易 于 操 作 ； 无 弹 簧 及 配 水 活 阀 等 零 件 ， 寿 命 较 长 ； 能 量 利 用 率 也 较 高 ； 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 ； 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 。 但 射 流 元

18、件 寿 命 受 泥 浆 性 能 影 响 较 大 ， 在 泥 浆 含 砂量 较 大 的 情 况 下 ， 射 流 元 件 寿 命 短 ， 导 致 使 用 成 本高 。 冲 击 回 转 钻 进 的 优 点l 最 适 用 于 粗 颗 粒 的 不 均 质 岩 层 ,在 可 钻 性 级 ，部 分 级 的 岩 石 中 ， 钻 进 效 果 尤 为 突 出 ；l 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 ；l 应 用 于 小 口 径 金 刚 石 钻 进 ， 不 仅 可 提

19、 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 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 为 什 么 能 提高 钻 进 效 率 ？ 冲 击 负 荷 的 特 点 是 接 触 应 力 瞬 时 可 达 极高 值 ， 应 力 比 较 集 中 。 所 以 尽 管 岩 石 动硬 度 比 静 硬 度 大 （ 一 般 大 8-9倍 ） ， 但 仍易 产 生 微 裂 纹 。 并 且 冲 击 速 度 愈

20、 大 ， 岩石 脆 性 增 大 ， 有 利 于 裂 隙 发 育 。 因 此 可以 用 不 大 的 冲 击 功 （ 数 个 公 斤 米 ） 就可 破 碎 坚 硬 岩 石 ， 而 静 压 入 则 需 很 大 的功 ； 液 动 冲 击 回 转 钻 进 为 什 么 能 提高 钻 进 效 率 ？ 切 削 刀 具 磨 损 较 小 。 其 原 因 有 ：u钻 进 中 所 需 的 轴 向 压 力 较 小 ， 转 速 低 ；u体 积 破 碎 的 摩 擦 系 数 低 于 表 面 破 碎 时 摩擦 系 数 ， 而 在 冲 击 回 转 钻 进 中 易 达 到 体积 破 碎 岩 石 的 程 度 ； 、u钻 速 快 ，

21、切 削 具 的 相 对 磨 损 减 小 ；u冲 击 破 碎 岩 石 时 ， 刀 具 与 岩 石 的 作 用 时间 短 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 为 什 么 能 提高 钻 进 效 率 ？ 采 用 液 动 冲 击 回 转 钻 进 应 注 意哪 些 问 题 ？ 1 钻 具 下 到 孔 底 后 ， 要 逐 渐 增 加 水 量 和 逐 步 提 高 泥 浆 的 压 力 ， 以防 损 坏 泥 浆 泵 零 件 和 高 压 胶 管 ； 钻 进 时 ， 操 作 人 员 要 根 据 泥 浆 泵 压 力 表 的 变 化 及 时 判 断 孔 内 情况 ， 遇 到 以 下 异 常 情 况 时 ， 应 提 钻 进

22、 行 检 查 ， 以 免 影 响 钻 进 效率 ： 当 泥 浆 泵 压 力 突 然 增 高 ， 经 提 动 钻 具 或 多 次 调 整 泵 量 仍 无效 时 （ 可 能 由 于 冲 击 器 水 路 受 阻 或 岩 心 堵 塞 所 致 ） ； 泥 浆 泵 压 力 突 然 降 低 ， 经 检 查 不 是 由 于 泥 桨 泵 原 因 所 造 成的 ； 进 尺 突 然 变 慢 或 不 进 尺 ， 经 反 复 调 整 泥 浆 泵 压 力 、 泵 量 或变 更 钻 进 参 数 仍 无 效 时 （ 一 般 是 由 于 冲 击 器 发 生 故 障 后 ，工 作 性 能 降 低 或 不 工 作 ， 以 及 钻

23、头 严 重 损 坏 所 致 ） ； 采 用 液 动 冲 击 回 转 钻 进 应 注 意哪 些 问 题 ？ 2 采 用 液 动 冲 击 回 转 钻 进 应 注 意哪 些 问 题 ？ 3 液 动 冲 击 回 转 钻 进 钻 压 控 制 液 动 冲 击 回 转 钻 进 钻 压 控 制 液 动 冲 击 回 转 钻 进 转 速 控 制 在 冲 击 回 转 钻 进 中 ， 应 选 用 低 转 速 ，这 主 要 是 为 了 降 低 切 削 具 刃 角 的 磨 损 和 增 加回 次 进 尺 长 度 。 增 加 转 速 ， 在 冲 击 频 率 不 变的 情 况 下 ， 就 等 于 相 对 增 加 二 次 冲 击

24、 的 间 距 ，增 大 了 切 削 具 的 切 削 行 程 。 由 于 间 距 太 大 则前 次 冲 击 破 碎 穴 的 自 由 面 不 能 充 分 利 用 。 反而 降 低 了 钻 进 效 率 ， 所 以 冲 击 回 转 钻 进 应 选用 低 转 速 钻 进 为 宜 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 转 速 控 制在 选 择 转 速 时 ， 还 应 考 虑 以 下 因 素 ：n 硬 质 合 金 钻 进 硬 的 或 强 研 磨 性 、 破 碎 的 岩石 ， 钻 具 的 回 转 速 度 一 般 选 用 3045转 分 ，岩 石 愈 硬 ， 其 转 速 应 愈 低 ， 如 果 转 速 提 高 ，

25、则 冲 击 间 距 大 ， 容 易 过 早 地 磨 损 或 崩 坏 硬质 合 金 ， 从 而 降 低 了 破 碎 岩 石 的 效 果 。 钻进 软 岩 层 或 裂 隙 发 育 的 岩 层 时 ， 钻 具 的 转速 一 般 选 用 120 150转 分 ， 最 高 转 速 不要 超 过 150-270转 分 。 以 便 充 分 发 挥 切 削破 碎 岩 石 的 效 用 ； 液 动 冲 击 回 转 钻 进 转 速 控 制n 用 金 刚 石 作 研 料 进 行 冲 击 回 转 钻 进 时 ， 为了 充 分 发 挥 金 刚 石 磨 削 岩 石 的 作 用 ， 可 将钻 具 转 速 提 高 到 300转

26、 分 以 上 ；n 液 动 冲 击 器 的 冲 击 频 率 高 时 ， 其 钻 具 回 转速 度 应 适 当 高 些 ， 反 之 则 低 些 ；n 液 动 冲 击 器 的 冲 击 功 大 时 ， 可 适 当 提 高 钻具 回 转 速 度 ， 反 之 则 小 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 泵 量 控 制 泥 浆 泵 的 冲 洗 液 量 是 冲 击 回 转 钻 进 的重 要 参 数 。 因 为 冲 洗 液 量 不 仅 影 响 冲 洗 钻 孔的 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 到 钻 进 效 率 。因 此

27、， 只 要 地 层 允 许 ， 泥 浆 泵 工 作 正 常 ， 就应 尽 量 满 足 冲 击 器 工 作 时 所 需 的 冲 洗 液 量 。 而 且 还 需 适 当 增 大 些 冲 洗 液 量 ， 以 补 充 管 路各 接 头 等 处 的 泄 露 。 洗 液 量 为 80 150升 分 ；射 流 式 冲 击 器 一 般 需 要 的 冲 洗 液 量 为 200升 分 左 右 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 泵 量 控 制 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 作 功 的 需 要 ， 随着 泵 压 的 增 高 ， 冲 击 器 的

28、频 率 及 冲 击 功 也相 应 增 高 。 因 此 ， 阀 式 冲 击 器 一 般 需 要 15 25个 大 气 压 ； 射 流 式 冲 击 器 一 般 需 要 25 40个 大 气 压 。 同 时 随 钻 孔 的 延 深 ， 管 路损 失 的 增 加 ， 平 均 每 百 米 需 增 加 2-3个 大 气压 。 液 动 冲 击 回 转 钻 进 泵 量 控 制 为 了 确 保 液 动 冲 击 器 的 正 常 工 作 ，在 完 整 或 比 较 完 整 地 层 ， 可 选 用 清 水 作 冲洗 液 钻 进 ； 钻 进 复 杂 地 层 ， 应 选 用 分 散 性泥 浆 或 不 分 散 低 固 相 或 无 固 相 泥 浆 。 但 选用 泥 浆 钻 进 时 应 注 意 采 取 除 砂 措 施 ， 以 防止 大 颗 粒 岩 粉 及 其 它 杂 物 堵 塞 冲 击 器 的 水路 ， 或 卡 塞 其 运 动 部 件 造 成 冲 击 器 失 灵 ，影 响 其 使 用 寿 命 。