液动冲击回转钻探技术.ppt

什么叫冲击回转钻进？,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 。由液动冲击器提供冲击功的冲击回转钻进叫液动冲击回转钻进。,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19581965,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YZ2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。上述工作为后来液动冲击回转钻探技术的发展奠定了基础。,发展阶段19751984,“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YZ54II、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ZF56型阀式正作用液动冲击器，以及核工业华东地勘局研制的YE54型和辽宁地矿局第九地质队研制的SH54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19841990,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) 射吸式液动冲击器。,正作用液动冲击器工作原理,阀式正作用液动冲击器的基本结构和工作原理见图。当钻具接触孔底后，冲锤活塞5在锤簧6的作用下处于上位，当其中心孔被活阀4盖住时，液流瞬时被阻，液压急剧增高而产生水锤增压。在高压液流作用下，活塞和活阀一同下行压缩阀簧与锤簧。这称为闭阀启动加速运行阶段。当活阀下行到相当位置时，活阀4被活阀座2限制，停止下行并与冲锤脱开，此时冲洗液可以自由地流径冲击器中孔而至孔底，液压下降。,正作用液动冲击器工作原理,此后，活阀在阀簧作用下返回原位，而冲锤活塞5在动能作用下继续下行。活阀下行一定距离后，受到限位座的限制，停止下行，而活塞由于高速运动的惯性，继续下行，压缩弹簧，打击铁砧7。此时，活塞与活阀瞬时脱开，打开水流通道，活阀在阀簧3的作用下回位。由于阀区压力骤减，冲锤打击铁砧后在弹簧作用下也迅速上返复位，关闭液流通道而产生第二次冲击。冲击器如此周而复始地连续工作。,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,反作用液动冲击器的工作原理与正作用冲击器正好相反，它是利用高压液流的压力增高来推动活塞冲锤上升，并同时压缩弹簧，储备能量，一旦当工作室压力下降时，弹簧便释放弹性能推动活塞冲锤加速向下运动，产生冲击而做功。反作用冲击器的结构原理及工作过程见示意图。当高压液流进入冲击器后，作用于活塞冲锤的下部，当液流的作用使活塞的上下端压力差超过工作弹簧1的压缩力和活塞冲锤本身的重量时，迫使活塞冲锤上行，同时压缩工作弹簧1使其储存能量，与此同时，铁砧4的水路逐步打开，高压液流开始流向孔底，此时活塞冲锤仍以惯性作用继续上升。当冲锤3上升到上死点时，活塞冲锤下部的液流已通畅地流向孔底，此时工作室压力降低。由于活塞冲锤自身的容量和工作弹簧1释放出的能量的同时作用，驱动活塞冲锤急剧向下运动而冲击铁砧。产生冲击时，由于活塞冲锤与铁砧4相接触而又封闭了液流通向孔底的通路。此后，高压液流再一次作用于活塞冲锤3的下部而循环重复上一次的动作。,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40100小时。,双作用液动冲击器工作原理,双作用液动冲击器的结构及工作原理如图所示。在外壳中有带孔a的活阀座1，活阀2处于活阀座中。活阀是上下异径柱状活塞，小径段在阀座腔内。阀座腔以通孔a与钻具外相通。活阀下有支撑座4，它是限制活间下行的装置。活阀的活动行程为h。塔形冲锤活塞b的小径端在支撑座内，由导向密封件封闭，同时它也是d与e两腔之分割装置。塔形冲锤活塞（直径为d。与D）中有内通道。冲锤活塞的大径部分沿外套3内的导向密封件7上下运动。在导向密封件5和7及冲锤活塞和外壳之间形成空间e，该空间由通道b与钻具外部相通。砧子9的下端与粗径钻具连接。砧子能沿轴向活动，这样当冲锤冲击砧子时，外壳就不受冲击作用。砧子9内有通水孔，孔内有一节流环8，它起限流作用，用来确保在冲击器内腔与钻具外套周围建立必要的启动压力差。,双作用液动冲击器工作原理,如果钻头通道也能建立这个压力差，则不一定要节流环。当钻具下到孔底，冲击器启动时，则活塞接头被压紧到外套g上。这时，压力工作室d外的液体，分别作用到活阀2和活塞6上，使活阀上移至最上位置。同时冲锤活塞由于上下端有压力差，也向上移动。当冲锤活塞向上行至同活阀2接合时，通道d被关闭，运动系统上升力被截止。由于液力作用于活阀2下部的环形截面上，则冲锤活塞6与活问2一起急速下行。当活阀下行到行程为h时，则被支撑座4限制住。冲锤活塞借助惯性作用继续下行，活阀与冲锤活塞分离，冲锤活塞的中心通道被打开，又恢复了循环，冲锤活塞继续下行行程S，冲击砧子9，当冲锤活塞与砧子间由于反作用力分开后，在冲锤活塞上又出现了液体压力差，从而使冲锤活塞又急剧上升。与此同时，活阀也由于压力差作用急剧上行。当冲锤活塞上行至与活阀又接合时，通道d又被关闭，冲锤活塞又复下行，运动周而复始。当进入冲击器的液体流量不同时，可以得到 4250HZ的不同频率。,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），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,结构简单、零件少、无易损弹簧，因此工作寿命较长。 输出输入技术参数范围较宽，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,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； 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； 应用于小口径金刚石钻进，不仅可提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： 钻进中所需的轴向压力较小，转速低； 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；、 钻速快，切削具的相对磨损减小； 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？,因为在冲击时还加有一定的轴向压力，改善了冲击功能的传递条件，增大了冲击效果； 因为高频并连续地给岩石施加冲击负荷，所以在破碎岩石过程中，裂隙发育较完全，更有利于破碎硬岩石； 因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改善了冲击负荷的传递方向，充分发挥了冲击破碎岩石和切削破碎岩石的效果。,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,由于液动冲击回转钻进须采用卡簧卡取岩心。卡簧的内径要比钻头的内径小0.3-0.8毫米（软岩层应取大值，硬岩层应取小值）。在硬质合金钻进时，如果所钻进的岩石完整，也可以不用卡簧，而采用干钻方法采取岩心。 在破碎岩层中钻进时，为了确保岩矿心的采取率，应在冲击器与岩心管之间加装反循环接头，进行局部反循环钻进；,采用液动冲击回转钻进应注意哪些问题？3,根据岩层情况选用岩心管长度。因为冲击功是通过岩ib管传递给钻头，随着岩心管的加长，其冲击能量被岩心管的弹性所吸收的也就愈多，传递效率降低。因此应尽量减少岩心管的长度，提高冲击效能。一般原则是，钻进硬岩层用较短的岩心管，软岩层用较长的岩心管； 为防止岩心管过长或过短而导致钻孔偏斜，可在液动冲击器的上部加添几个扶正器进行导正； 钻进中如遇到轻微的坍塌掉块、发生卡、埋事故，可在提动钻具的同时继续送水，使冲击器产生震动作用进行排除。,液动冲击回转钻进钻压控制,液动冲击回转钻进时施予钻头上的轴向压力，有两个方面的作用；一是给岩石以一定的予加应力，以提高破碎岩石的效果；另一个作用是克服冲击器所产生的反弹力，以减少冲击能量的传递损失。 选用轴向压力主要根据岩石情况而定： 在中等以上的岩石中采用冲击回转钻进，轴向压力的作用主要是保证切削具刃角与岩石能紧紧地接触，以便有效地传递冲击能量、它对直接破碎岩石不起主导作用；,液动冲击回转钻进钻压控制,在中硬以下（小于8级）岩石中钻进时，随着轴向压力的增加，平均机械钻速有所提高，但钻进硬岩层时，轴向压力超过500-600公斤时会引起钻头的过度磨损；小于300-400公斤时，冲击器的反作用力又使钻具活接头处脱开，从而降低了冲击能量，使钻速下降； 因此，在实际钻进中，选择适宜的轴向压力对提高钻进效率影响很大，一般在硬岩层选用400500公斤为宜，钻进5-6级软岩时，选用8001000公斤为宜（因为在这类钻进中是以回转剪切为主进行破碎岩石）,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： 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