第三章!冲击回转钻探
第三章!冲击回转钻探
第一节!概述
（一）冲击回转钻探的实质
冲击回转钻探是冲击钻探和回转钻探相结合的一种方法!即在钻头回转破碎岩石时!连
加上轴向静压力和回转力!使钻头回转切削岩石的同续不断地施加一定频率的冲击动载荷!
时!还不断地承受冲击动载荷剪崩岩石!形成了高效的复合破碎岩石的方法\
冲击回转钻探有冲击+回转#冲击频率较低$冲击功较大$转速较低%和回转+冲击#冲
冲击功较小$转速较高%钻探之别!前者以硬质合金钻探为主!后者以金刚石钻击频率较高$
探为主\
冲击回转钻探钻进效率高!岩矿心采取率高!钻孔弯曲度小!孔内事故少!成本低!已成
&打滑’地层钻进效率!解决复杂岩层和易斜地层钻进难题的有效方法!得到了为提高坚硬$
广泛应用\
（二）冲击器的工作原理及种类
钻探用冲击器#潜孔锤%按其结构或性能特点!可作图,+(所示分类\
图,+(!钻探用冲击器分类
当前应用较多的是正作用和双作用式液动冲击器!其次是风动冲击器!这将是本章阐述的重点\
液动冲击器(/
液动冲击器是利用钻进时泥浆泵洗井的过程!形成冲锤上下往复运动!连续不断地对钻头进行冲击\按冲锤工作过程的运动力学可分为正作用$双作用和反作用三种类型\
#%正作用式液动冲击器#图,%(+$
利用高压液流推动冲锤2下行冲击铁砧;!而冲锤的回程则靠弹簧$$.复位\
(()$1(
图,+$!典型的正作用式液动冲击器
!缓冲及储能弹簧\!活阀弹簧\!活阀\!活塞\($,-!冲锤弹簧\!冲锤\!铁砧及联动接头\!钻头.2;*
#$双作用式液动冲击器$
冲锤的工作行程及回程均由泵的液流能量来完成%我国对这种类型冲击器作了大量研究工作&创造性地研制成功几种结构首创’性能先进的冲击器&特别利用射流元件$产生射流附壁与切换作用实现冲击运动的射流式液动冲击器#图,$\以及利用高压液流喷射时+,的卷吸作用和阀腔.液压随动系统的压力与位移综合反馈系统&使活塞;产生往复运动的
图,$%射吸式液动冲击器#+-
图,+,F射流式液动冲击器与锤头!=
!上接头\!射流元件\!缸套外壳\!缸体\!活塞\!压盖\!接头\!冲锤\($,-.2;*!外壳\!砧子\!六方套\!接头\!岩心管\!钻头1()((($(,(-
图,+-<型冲击器结构图!=
!上接头\!阀程调节垫圈\!阀\’’’!密封圈\!阀室\!活塞\($,-2(,(2.;
!冲锤\!外管\!锤头\!尼龙圈\!传动轴\*()((($c
!垫圈\!八方轴套\!砧高调节垫\!下接头(-(.(;(*
#$反作用式液动冲击器,
其结构原理与正作用式相反&即液流能量推动冲锤上行&冲锤下行则靠锤重和弹簧实现((),)(
第三章!冲击回转钻探
冲击!
风动潜孔锤$/
风动潜孔锤是利用压缩空气驱动冲锤运动\是双作用式原理!按配气方式分为阀式和无阀式风动潜孔锤两种!阀式潜孔锤的基本原理如图,+.所示!
图,+.!潜孔锤配气系统示意图
#阀盖$#阀片$#阀座$#气缸外套$#气缸$#活塞$#钻头$($,-.2;
7%8#进气孔$9#进气道$:#下室$;%X#排气口$E#排气道$Z#进气孔
第二节!液动潜孔锤冲击回转钻探
（一）发展历程
利用泥浆冲孔时的液能驱动冲击器而实现冲击回转钻探的设想始于(德国沃&**;年\
布什曼发明了这种钻探方法$美国在$)世纪2)年代初泛美石油公司曾研制过两种尺寸的液动冲击器作过试验$苏联在$)世纪;)年代发展较成熟的液动冲击器型号为)+;和)+
德国%日本%加拿大%瑞士和意大利等1型\$)世纪*)年代初研制成绳索取心式液动冲击器$
在此领域均还处于探索阶段\其发展目标是针对水井钻凿%工程施工%科学钻探和地热钻探提高坚硬岩层钻井的速度!研究内容主要是单体和贯通式液动潜孔锤!我国此项技术的发展经历了三个阶段’
起步阶段((/(1.*(12.年)!*二五+时期地质岩心钻探中坚硬岩层进尺占一半以上\提高坚硬岩层钻进效率成为突出的问题!分析对比设计方案\(1.*年起有关研究所把冲击回转钻探列为重点研究项目\建立试验台!其中f(12.年先后设计了七种不同结构型式的液动锤\H+$型在湖南某多金属矿试用\获得初步成功!
广泛开发阶段($/(1;.(1*,年)!
全国近十个地质勘探单位相继建立了冲击回转钻探试验(1;*年实行改革开放政策后\
台)\设立专题开展系统的研究开发!经过数年的工作\至(冶金%核工业等室(1*,年地矿%部门先后研制成功正作用式f双作用射流式=H+.-+5型%H>+.-型%ES型\F+.-型%
并迅速在生产中得到推广应用\这项新技术进入了一个新=’+.-型t型等液动潜孔锤\
的发展时期!
推广与提高阶段(,/(1*-(11*年)!
由于冲击回转钻探技术应用效果好\受到广泛重视\促进了液动潜孔锤的开发不断深
&(),(&
化!有关配套技术的发展也取得丰硕的成果\
7研制成功多种地质岩心钻探用小口径系列化的液动潜孔锤\这期间对液动潜孔锤开发的特点是#品种多!系列化$\十余年间有十几个系列2在)多个规格的液动潜孔锤出现!全国大力推广金刚石钻探和绳索取心钻探技术的重大改革中起到了有力的推动作用\
不少单位相继开发了多种型号的绳(1*,年开始!8研制成功绳索取心式液动潜孔锤\
并在钻进坚硬岩石和破碎岩层时钻进速度明显提高!岩心容易堵塞状索取心式液动潜孔锤!
况得到改善\陕西省某金矿在石英脉%斜长角闪片麻岩等可钻性为;()级的软硬互层中!用绳索取心液动潜孔锤冲击回转钻进钻速超过2&!岩心采取率超过1代表性好!打7])Y!捞成功率())Y\
研制开发工作由小口径地质岩(1*2年开始!9增加液动潜孔锤品种和拓宽应用范围\
心钻探用液动潜孔锤逐步向水文水井%石油勘探%工程施工等直径较大的品种方向发展\开
钻井直径(钻井直径(钻井直发成功的有f=型!(),;.77’fi型!2.,((77’UF型!!!
径(锚固孔钻探用的重型f油,),((77\干旱地区用fi=型液气两用潜孔锤!H<系列!!
气井及水井钻探用的=以及用于建筑施工在基岩中钻进基桩井的fF+(;*型%>fF;型!
一HF+*))型大功率单体液动潜孔锤也已开发\为适应在坑道中和某些特殊作业的需要!
些小口径系列的产品略作改进后也可用于水平或仰孔钻进!如E至$S%!E+:型等’)世
为配合正在兴起的反循环中心取样钻进技术而研制了f&%纪1)年代末!Vi+*1--fVi+
&使用效果良好\;2-)型贯通式液动潜孔锤!
研究成功多种液动潜孔锤性能$)世纪*)年代以来!:液动冲击回转钻探配套技术\
参数的测试技术!为加快潜孔锤优化设计和开发提供了重要的条件\有关研究所%学院%省局研究队(室)等都建成了各具特色的液动锤技术性能测试装置!并普遍使用了现代化的多频道示波器和微机控制%数据实时采样与处理!有的试验系统曾获得部级科技成果奖\
一些探矿机械厂生产的MO+%%%$.)MO+,))MO+,$)MO+-))及MO+($))型等变量泥浆泵为液动冲击器提供了优良的配套动力源’所生产的<%f+$ 较好地满足了冲击回转钻进的需要\机具有较低的立轴转数和宽广的转数范围! 根据冲击回转钻探的特点!研制了冲击回转钻进用的金刚石和硬质合金钻头!如FQk%%提高了碎岩效果\f:FQfU%FQf=XFE型钻头!液动冲击回转钻探用泵压较高!为此研制了相应的高压水龙头%抗震压力表%>!,型便携式测频仪%高压胶管及密封性能好的顶锥式钻杆接头等配套器具\ （二）液动冲击回转钻探应用及效益 由于驱动液动潜孔锤的动力源就是钻探用的泥浆泵!泵压可以达到;!($!:N甚至更 故钻孔深度可达千米以上!能满足一般地质勘探钻孔的需求\高!$)世纪*)年代以来全国推广各种类型的液动潜孔锤2)全行业液动冲击回转钻探累计进尺超过.))余台套!))万 在中硬%坚硬和硬脆岩层中的技术经济指标均优于7\液动冲击回转钻探破碎岩石效果好! 回转钻进!钻速提高,成本降低约(钻井的垂直度得到改善!为国)Y!2)Y甚至数倍!.Y!家节约投资数亿元\ 我国此项技术的发展引起德国%加拿大%澳大利亚%日本等国外$)世纪*)1)年代末!! 同行的瞩目!有的多次派人前来考察和洽购产品!无论在国内或国外都取得了良好的经济和社会效益\实例*+(),$+ 第三章!冲击回转钻探 台月效率提高;一级孔率)1队使用ES型液动锤钻进($1))7!)Y!7西南冶金地质2 提高-钻头寿命提高$成本降低1$Y!.Y!/.Y\ 平均台月效率)个矿区进尺()/2万7!8四川省地矿局采用液动冲击回转钻探在近, 比回转钻提高.节约地勘费千余万元\$Y! 采用冲击,地质队安+康铁路秦岭隧道勘察孔的垂直精度要求甚高!9陕西省地矿局( 回转钻探施工!从孔深*\)/(*7钻进到2()7终孔时钻孔偏斜度仅(j.)l (1*1年澳大利亚长年公司在SN0BCAN金矿试用从我国购得的绳索取心式液动潜孔: 锤分别在直孔和倾角2的两个钻孔中钻进绿岩含石英夹层的破碎带!澳方提供的报告称!)j钻进效率比长年公司I#!回次进尺长\i标准钻具提高(-7]! 最深钻孔)个单位的-$个钻孔中试用!;煤田系统的!E+:型液动潜孔锤在( 台月效率提高,成本降低(孔斜每百米不超过(!孔内事故减少\;1)7!)Y!)Y!j 我国是目前世界上开发液动潜孔锤品种和规格最多的国家\其中ES+,.#型是世界上直径最小的液动潜孔锤!而HF+*))型潜孔锤则是目前世界上直径最大的单体液动潜孔锤\正作用式E$$射流式=S$fHUF等型以及绳索取心式==F$ES=F型等液动潜孔锤均曾获得部级科技成果奖!其中=F$=<和==F$fi$fH<及HF等结构均为我国首创\部分液动锤在开发中采用了计算机辅助及优化设计!性能参数的测试也采用了现代化的电子计算机技术\我国液动冲击回转钻探技术已达到世界先进水平\ 第三节!风动潜孔锤冲击回转钻探 采矿业和工程勘察中出现了风动潜孔锤钻探技术!至2$)世纪-)年代!)年代这种钻 探方法在欧美$日本和苏联等国家和地区得到大量采用\风动潜孔锤冲击回转钻探是空气钻进技术的一个分支!它除具有空气钻进的优点外!在坚硬岩层$卵砾石层中钻进最具有优势!故而在水文水井$基础桩$连续墙$锚固工程$大口径井筒施工$坍塌地层跟套管钻进等工程中得到广泛应用\ 我国(1.*年开始研制风动潜孔锤!(12.年开始推广!(1;*年后逐步普及\ （一）风动潜孔锤的分类 阀式风动潜孔锤(/ 其特点是驱动的风压一般较低%&!耗气量较大!结构中多采用圆片状配气)/-)/;!:N!阀!中心排气!冲击功相对较小\主要产品有X系列和F4Q系列\ 无阀式风动潜孔锤$/ 针对阀式结构中阀片易损坏$耗气量较大$对压缩空气有效利用率低的问题!从$)世纪 有效利用率较高的无阀式风动潜孔锤\其特点是无阀配气!*)年代开始出现结构更简单$ 风压较高而耗气量较小!冲击功较大!有效利用率较高\主要产品有XV和XO系列$U’和U’U系列以及OF系列贯通式$Vi系列贯通式$>VF系列大直径风动潜孔锤和FX型系列夯管用水平潜孔锤\ （二）风动潜孔锤冲击回转钻探应用及效益 风动冲击回转钻探可以成功地在地质勘探$水文水井$工程地质勘察$矿山$锚固$灌注桩!以及非开挖铺管等工程中广泛应用\我国在研制风动潜孔锤的同时!针对不同地层的特 ’(),,’
最新地质勘探技术手册_部分17
