国家精品课程：岩土钻掘工程学第6章——冲击回转钻进与冲击、振动钻进.ppt

第六章冲击回转钻进与冲击、振动钻进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。冲击回转钻进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。冲击回转钻进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。冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心”、“打滑”、“防斜”等问题。在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。冲击回转钻进的核心部件是冲击器，根据驱动介质类型可分为液动冲击器和气动冲击器。液动冲击器以高压水或泥浆驱动，对中硬以上岩石比单纯回转钻进有明显优势，还可与绳索取心相结合。广泛用于地质钻探、水文水井、工程施工、石油钻井等领域。但由于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于气动冲击器。气动冲击器(风动潜孔锤)以压缩空气驱动。由于单次冲击功大，上返岩屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高2~3倍。近年来出现了贯通式冲击器、跟管钻进、成集束式潜孔锤用于大口径钻进、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从埋线杆孔2.3m——油气井1000m以上。第二节液动和气动冲击器1.阀式液动冲击器1.1正作用冲击器液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位—“正作用”。冲锤5在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住，液流瞬间被阻，液压↑产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧3和锤簧；活阀下行时被阀座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压↓，活阀在阀簧作用下返位；冲锤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→岩心管接头→钻头。冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。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。1.2反作用冲击器利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能量，经弹簧释能作功。高压液流进入，由于水路封闭当冲锤上下端压力差超过弹簧1的压缩力和冲锤本身质量时，迫使冲锤上行，并压缩工作弹簧储存能量；同时，铁砧4的水路被逐步打开，高压液流流向孔底，液压下降，冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤利用自身质量和工作弹簧的弹力使冲锤急速向下冲击铁砧。同时，由于冲锤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使其上行，开始第二个工作周期。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。1.3双作用冲击器冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移动；当冲锤上行到与活阀接合时，通道d1被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9；由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在液流压力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。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。2.无阀冲击器2.1射流式冲击器双稳射流元件控制的液动冲击钻具。高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信号)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。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。主要特点:1)结构简单易操作；2)无弹簧及配水活阀等零件，寿命较长；3)能量利用率较高；4）工作时不易堵水较好预防烧钻及蹩泵等事故；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.2.2射吸式液动冲击器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。主要特点:3.其他型式的液动冲击器:3.1绳索取心式液动冲击器不仅具有绳索取心钻进的各种优点，同时冲击载荷可克服绳索取心钻进钻头唇部较厚，钻头比压较小在坚硬致密岩石中钻速较低的缺点。3.2孔底反循环液动冲击器既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具。二、风动冲击器也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工