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冲击回转钻进技术带CAD图,冲击,回转,钻进,技术,cad
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摘要冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。从上世纪五十年代开始，在美国，加拿大和前苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。我国从1958年底开始在原地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究，几乎与世界同步。液动冲击器是液动冲击回转钻探的关键设备。随着中国现代化建设的不断推进和发展，国民经济增长对液动冲击回转钻探不断提出更高的要求，所以，加速液动冲击器的研究势在必行。本文在综述了国内外液动冲击回转钻探和液动冲击回转钻探核心机械液动冲击器的基础上，研究阀式反作用液动冲击器的工作原理和结构特点，并提出了计算液动冲击力和冲击频率的方法。通过分析，指出阀式反作用液动冲击器适用于中到中硬以上的岩层，并且应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤弹簧，以使冲击器的优点得到充分发挥。并针对液动冲击器的关键零件冲锤弹簧进行了详细的分析计算和验算。并从技术和经济学角度分析了液动冲击回转钻探的技术经济效果。本文主要作了以下工作：1） 详细阐述了液动冲击回转钻探；2） 详细介绍了各种液动冲击器；3） 分析了反作用液动冲击器的结构原理和结构特点4） 阀式反作用液动冲击器的性能分析和参数计算。关键词：液动 回转 钻探 反作用 冲击器AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement3 目录摘要1Abstract2第一章 液动冲击回转钻探111概述112冲击回转钻进的实质和特点213冲击回转钻进的应用范围314冲击回转钻进的发展概况415液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益6第二章 液动冲击器821冲击器的种类822 反作用式液动冲击器15221 反作用式液动冲击器的结构原理15222 反作用式液动冲击器的结构特点1523 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算16231 功率特性及活塞冲锤运动特性分析16232 参数计算1624 本章小结22第三章 5型液动锤2331 5型液动锤工作原理及特点2332 冲锤弹簧设计和计算243.2.1原始条件的确定24322参数计算：253.2.3验算27第四章 液动冲击回转钻进的发展展望2741 液动冲击回转钻进的发展方向2742 基础理论方面的重大课题3043 应用研究30第五章 液动锤的仿真分析31致谢35参考文献3638第一章 液动冲击回转钻探11概述采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。18671887年期间，一些企图代替钻杆冲击钻的潜孔式液动冲击器相继出现，1887年在英国曾授予德国沃布什曼以新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从而实现冲击回转钻进。 从本世纪五十年代开始，在美国、加拿大和苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。海湾石油公司和壳牌石油公司对比进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲击锤有重达300kg者，且冲击频率较低。在地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是苏联，从19001905年间即开展对液动冲击回转钻进技术的研究，但直到1970年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约七十年。匈牙利在六十年代研制了直径从48到160mm的五种双作用液动冲击器，其特点是组装在一专用拖车上并配有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和处理事故工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为好几台钻机服务。当某台钻机遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来“全套”的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其他机台的孔段服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动冲击器也用于水井钻和工程施工钻探。日本对液动冲击钻的研究约有十余年的历史，比较成功的例子为利根公司研制的wH120N型双作用式液动冲击器，其最大的特点是采用气液作为工作介质。我国从1958年底开始在地质矿产部勘探技术研究所对液动冲击回转钻进技术进行研究。至1965年设计研究了七种不同结构形式的液动冲击器，并在周口店试验站专门建立的试验室中进行了性能对比和岩样钻进试验。其中最好的一种YZ2型冲击器外径89mm，当供给的液量为0.20.3立方米每分时，冲击功为5888J，冲击频率是1625HZ。在试验台用硬质合金钻头钻进VII级花岗闪长岩时，最高钻进速度可达85mm/min。1966年在湖南柿竹园多金属矿进行了生产试验，最大孔深达430m。勘探技术研究所为推动此种技术的发展，曾于1963年编辑了(冲击回转钻专辑)第一辑，广泛介绍了国内外的文献资料，为液动冲击回转钻在我国的发展做了有益的工作。原北京地质学院和武汉地质学院也进行了大量的工作，培养了数批以冲击回转钻为主要内容的研究生，为系统的深入研究创立了良好的人才条尤其应当指出的是辽宁地质矿产局第九地质大队与长春地质学院等单位从1971年开始研究了一种具有独创性的sc89和JSC75型射流式冲击器，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。从1975年以后，我国除了地质系统广泛地研制了掖动冲击器外，其他几乎全部有钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，它们在生产实践中几乎部得到了肯定的好评。这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程钻中稳定地发展着。其技术核心液动冲击器正逐步形成孔底动力钻的一个重要分支。12冲击回转钻进的实质和特点冲击回转钻就是在回转钻的基础上对岩石破碎工具钻头，施加具有一定频率的冲击能量，因此对回转着的钻头不但对岩石有静的给进压力和扭矩，而且附加了一种连续的冲击动载荷。换言之，冲击回转钻就是一种带有冲击负荷的回转钻。冲击回转钻进所以能够提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：1冲击裁荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。所以尽管动硬度要比静硬度大，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。因此可以不大的冲击功(数个公斤米)就可破碎坚硬岩石，而静压人时则需很大的力；2切削刃具磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具的磨损减少的原因有：(a)钻进中所得的轴向压力较小，转速很低；(b)体积破碎的摩擦系数低于表面破碎时的摩擦系数，而在冲击回转钻进中容易达到体积破岩的程度；(c)钻速快，切削具的相对磨损就减小，(d)冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短。 3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。 4因为高频并连续地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中缝隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。5因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击裁荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。13冲击回转钻进的应用范围 冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，所以它是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在中等硬度的岩石中，其效率更为显著，所以冲击回转钻进方法应用范围愈来愈广。据美国1973年和1974的统计贫科说明，使用冲击回转钻进方法完成的工作量占总工作量的232一236，仅次于一股的回转钻进(占62.7一633)而属第二位的钻进方法。 冲击回转钻进最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在69级岩石中钻进效果尤为突出。近几年来冲击回转钻进不仅用于硬合金钻进，而且也应用于钢粒钻进和金刚石钻进以及牙轮钻进，适用的岩层范围扩大了。最近，苏联将冲击回转钻进应用于金刚石小口径钻进中，它不仅提高了钻进效率和钻头寿命，而且还克服了金刚石钻进裂隙发育地层、“打滑”地层和容易引起强烈弯曲的地层的困难。或因钻机开不了高速而影响孕镶钻头钻进时，用冲击回转法也可弥补其不足。 冲击回转钻进所钻的孔深和孔径日有发展。可以满足地质勘探钻进的要求。美国在石油钻井中，用巴辛格尔液动冲击器钻井深度达2750米。苏联利用3型液动冲击器在石油钻井中可深达1280米。利用3A型液动冲击器在地质钻探中孔深已达700多米。苏联近几年研制丁7、9型液动冲击器，并且为了增大效能，采用了70型气动孔底反射器，其孔深可达1500米或更深。总之，冲击回转钻进方法现在已用于不同的地层和不同的钻进方法，其孔径和孔深也不断扩展，是种很有发展前途的钻进方法。14冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进法的应用已有上百年的历史。早在十九世纪六十年代就有人进行丁潜孔式冲击器的试制工作。早期在法国研制过低频液动冲击器。后来在苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。 二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。在此期间，美国在3500米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。随后又在水并钻和工程钻中广泛应用。到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。 二十世纪四十年代，苏联葛奠夫研制了滑阀式正作用液动冲击器，美国巴辛格尔也研制了活阀式正作用动冲击器。在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代后期就出现了种类繁多的双作用的冲击器各种冲击器一直发展到现在，都得了较大的发展。 虽然苏联在1960年使用反作用式的3型液功冲击器，在2400一2700米的深井中成功地进行了冲击回转钻进，但是总的看来，六十年代以来，在1500来以内的钻并中，使用效果较好的液动冲击器多属于正作用冲击器。 我国自1958年开始研制冲击回转钻具，许多单位在研制冲击器和冲击回转取心钻进方面进行了好多工作，但后来研究中断。从1971年起，辽宁铁岭地质队，长春地质学院等单位又先后开始研制液压射流式冲击器，取得了不少的成就。现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘探取心钻进生产中应用起来，并敢得了较好的成果。例如某队用射流冲击器钻进67(少最8)段岩石，取得进尺1132米的最高台月效率，江西某队用阀式冲击器钻进一万六千多米，在玄武岩、花岗岩地层中平均台月效率比钢离钻进提高30一60。冲击回转钻进方法虽然应用日广，但尚须进步完善和提高。应当研究冲击回转钻进的碎岩原理，研究设计新型的冲击器，应尽先研制用于坚硬岩层的大冲击功的冲击器，泥浆钻进用的冲击器以及小口径金刚石钻进用的高频冲击器，研究冲击器的设计和计算方法；设计适应冲击回转钻进用的水泵及钻机，研究冲击回转钻进用的钻头结构、硬合金的材质和形状及其镶焊方法；制订合理的钻进工艺参数。15液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益液动冲击回转钻在我国地质钻探中应应用日愈增多，逐渐形成一种与回转钻配合使用的常规钻探技术。大量的实际进尺证明，它既可采用硬质合金钻头，也可采用价格低廉的人造孕镶金刚石钻头在VIVII级岩石中进行有效的钻进，尤其是在坚硬致密的“打滑”地层中使用孕镶金刚石钻头取得了明显的技术经济效益，主要表现在钻进速度可以成倍地提高，回次进尺长度和钻头进尺均有不同程度的增长。冲击回转钻进费用低于回转钻的主要原因是：(1)由于钻压和钻头转数较低从而减轻了钻杆和所有管材的磨损，断钻杆事故较少，(2)采用金刚石钻头时，几乎可以不用皂化油等昂贵的冲洗液；(3)钻头费用低，在VIVII级石英闪长岩、花岗闪长斑岩等岩石中采用人造孕镶金刚石钻头时，钻头进尺可以超过120m。(4)动力消耗少。据统计，我国从19711986年以来，用液动冲击回转钻探进尺约500000m，最大使用孔深930m,取得了明显的技术经济效益。苏联对此种钻进技术在地质钻探中的技术经济效益总的作了如下的估计：钻速提高20一60，回次进尺增加10一20，钻头寿命增加10一25，钻进成本降低1015，有利于改善孔斜程度，用高转速时对岩心质量无任何影响，金刚石钻头不易被抛光，推广较为容易。最后还应当指出，采用液动冲击回转钻后大多数的IVVII级岩石可以采用硬质合金钻头代替金刚石钻头，而硬质合金的主要原料钨在我同拥有的储量为世界第一位，从这一点来看大力推广它也是完全合乎国情，其意义是显而易见的。推广液动冲击回转钻的经济效益可用年经济效果，既年节约约值确定。年经济效益E由运用前后的成本和投资的经济指标比较而得，计算公式为：E= (11) 式中：E年经济效益（元）；液动冲击回转钻推广前和推广后每钻探1米的平均成本（元）；地区推定的投资效果的比较系数（钻探工程取作=0.2）； 推广前后单位进尺的基本投资（元）； 推广后每年完成的工作量。基本费用（单位进尺）的投资为： 及元 (12)其中：及（元） 钻探设备包括液动冲击器及附属装置等的平衡表价格（元）； 及为原用和采用液动冲击回转钻技术的钻探设备数量： (13) (14)式中：钻探工作量（m） 一年总时间（台班）。无星期天的全天工作制时，地表钻为1234.8 （台班）；而地下钻和海拔2300m以上的地表钻为1440（台班）； 推广前及推广后的台班效率（m/台班）； 设备利用系数，取作0.60.85。前式中之为采用液动冲击回转钻时附加的流动资金费用。第二章 液动冲击器21冲击器的种类冲击回转钻进技术的分类，一般以采用的潜孔式冲击器(或振动获)之结构或性能特点区分。 就冲击器的性能而言，近年来出现了两种不同的冲击器，一种是冲击频率较高达到42HZ以上的高频外击器，但冲击功则较小，一般在981J左右。利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是回转钻进的方式，而冲击作用则是次要的，这样的钻进方式称之为回转冲击钻。其使用的钻头主要是金则石钻头，其次才是硬质合金钻头。另外一种是所谓低频冲击器，其性质特点是冲击频率较低，征42HZ以下，而冲击功则较高(达2978J)，利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是依据冲击作用，而回转作用仅仅是将钻头刃移动一个适当的间距，这样的钻进方式则称之为冲击回转钻。使用的钻头则主要是硬质合金钻头。这样的区分主要以碎岩的机理而言，所以现在通常所谓的冲击回转钻乃是一种通称。就冲击器的结构而言，其分类械述如下一、液动冲击器此类冲击器是目前最为成功的一种典型产品。其基本作用原理是利用泵供给的液能，直接迫使冲击锤形成上下往复的运动，并连续不断的对钻头造成冲击。利用现有泥浆泵所容许的泵压(例如4.958MPa)可以基本满足600一800m深的地质勘探钻孔，所以这是目前运用最为广泛的一种液动冲击器。按照冲击锤工作过程的运动力学又可以分为以下三个类型：1正作用式液动冲击器 利用泥浆系输送的高压液流做为能源，推动冲击锤下行冲击铁砧，而冲锤的回程则靠复位弹簧的作用而实现。目前国外最为成功的如苏联76，59以及5和6型冲击器；美国的如罗、巴辛盖尔式等。我国比较成功的如YZ型ZF型及TK型等。2双作用式液动冲击器 其特点是冲击锤的工作行程和冲击锤的回程均由泵供给的液流能量实现。此种类型的液动冲击器在国外成功的例子很少，而从七十年代开始，我国对此种冲击器的研制工作取得了很大的成功。其中又可分为两种：(1)射流式波动冲击器 它是利用一个典型的双稳射流元件将液流连续不断地分配到活塞的上端或下端，从而迫使冲击锤实现冲击行程和回程。此种冲击器最为成功的例子是SC89型和JSC75型射流式冲击器等。（2）阀式双作用液动冲击器 我国从1971年开始大量研制，比较好的结构如地质矿产部的辽宁54型、YS系列无弹簧式以及核工业部的YE型等。苏联也设计了一些试验性的结构。双作用式液动冲击器除了上述两种类型外，近年来还出现了一种气液混合的双作用冲击器，例如日本利根公司的WH120N型。3、反作用式液动冲击器 其结构原理恰好与正作用式液动冲击器相反。它是利用泵供给的液流能量推动冲击锤上行，同时压缩弹簧而储存能量；冲击锤在工作行程开始时是据冲击程的重量和弹簧释放的能量对钻头实现冲击。美国海湾石油公司设计的反作用式液动冲击器就是其中之一。4绳索取心式波动冲击器 国内和国外目前在地质矿山钻探中普遍推广的绳索取心钻进技术均为采用金刚石钻头的回转钻。当遇到坚硬致密的岩石时有的会造成金刚石钻头的“打滑”现象，钻进效率很低，有时甚至不能进尺。这种现象钻孔很深时，其矛盾尤为明显，从而使绳索取心钻探的优势受到很大的限制。近年来国内和国外(主要是苏联)对发展绳索取心铀探与液动冲击回转钻探相结合的绳索取心液动冲击回转钻探技术给予了很大的重视。其核心技术就是发展可以从绳索取心钻杆中能够和取心器岩心容纳管用钢丝绳和打捞器升降自如的绳索取心式液动冲击器。我国正在研制和试验小的绳索取心式液动冲击器有冶金工业部探矿研究所研制的TK605型和地质矿产部的S75C及S59C型等。其中TK60S型已于1984年通过技术鉴定。苏联地质部也于1985年开始生产76型绳索取心式液动冲击器。实践证明，绳索取心式液动冲击回转钻可比绳索取心钻提高钻进速度，延长提钻周期和提高回次进尺长度。这是一种很有前途很现实的新技术。由于绳索取心式的冲击器目前主要是液动冲击器。可以是正作用式、各种双作用式等。二 钻杆传动冲击器。美国和苏联都曾对此种结构的冲击器进行过研究。状冲击锤3在钻杆回转时借助于弹簧1支撑在孔壁上而不能回转，当钻杆回转，岩心管上端的齿状凸缘迫使冲击锤3上行，而当上行到达凸圆齿的顶端时冲击锤3落下而冲击岩心管， 2为具有花键的联动接头。钻杆每转动一周则可造成与凸齿齿数相同的冲击次数。在1976一1979年问我国甘肃、四川地矿局均曾对与此类似的结构进行过研究。但至今在国内外还均未得到运用，共主要原因是它传递的能量很有限，而从支撑在孔壁上的弹簧或其他制动装置不靠。尽管有人曾设计了液压式和具有反向旋转制动的水力装置，但均未能成功的得到运用。三、回转器传动冲击器这是一种利用波动蜗轮或类似原理的液力旋转式机构带动回转轴及锥形齿轮和成组的同步偏心机构造成对钻头连续冲击或振动，从而实现冲击回转钻进。液动蜗轮冲击器液流经蜗轮机构1而迫使锥齿2旋转并带动曲柄3作纵向高速回转。曲柄3将上下往复运动通过弹簧4、连杆5及冲击锤7而对孔底形成连续不断的冲击，钻头的回转则仍由地面钻机通过钻杆传动其外壳和钻头而实现。美国的一种利用一种类似多级的蜗轮2，带动一组24对同步的偏心体而形成对孔底钻头的高速冲击，这些偏心体的往复运动仍然是利用一对锥形齿轮3来实现，离合器1是一组花键连接机构，共目的是允许冲击器做轴向运动并且又能传递钻杆的扭矩以便同时形成钻头的回转运动。苏联设计的3型蜗轮冲击器。外径260mm水平轴上的偏心体3，其壳腔之一半充填以钨之碎块，碎块间则以铅充填，因而形成了一个比重约为14gcm的偏心块，而壳腔的另一半则充满冲洗液，形成一个液力减阻器以减少旋转时的阻力。高速回转的偏心体就是冲击能的来源。孔底给进器1的目的是使钻头具有相当的振幅，同时也可以避免钻杆激烈振动。此种结构的冲击器曾进行过钻孔试验，但缺点甚大而末成功。所有的液力回转器传动的冲击器，其主要缺点是各种型式蜗轮机的传递功率不足，而且效率低，若设计成多级高速的蜗轮机构则又过于复杂，而且又不可能承受长时间的剧烈振动。有效而成功的结构尚待进一步研究。四、电动冲击器电动冲击器可以利用直径较小而轴向尺寸较大的潜孔式电动机取代前述回转器传动冲击器中的蜗轮机构而实现。我国地质矿产部勘探技术研究所曾于六十年代初进行过研究，但结构复杂，无论是设计制造和使用都有困难。在英国和苏联曾设计研究过利用磁致伸缩原理的高频振动钻，但有效能量很小，钻进岩石十分困难。国外有人也曾研究过电磁冲击器。至今为止，电动冲击器在深孔中的应用由于输电系统，冲击器的结构都比较复杂而没有大的进展。五、风动冲击器(潜孔锤) 风动冲击器是就是利用压缩空气驱动冲击锤完成工作行程和实现冲击锤的回程，因此也一种双作用式的冲击器。风动冲击器亦称潜孔锤。由于工作介质为空气，而空气的阻力是液体的18301900，故在相同的冲锤重量，有效工作面积和冲程条件下其冲击功和冲击频率均比液动冲击器为大。在钻进时压缩空气也就是冲孔介质，故其钻进工艺和特点基本上与空气吹井钻进相同。在浅孔、破碎漏失地层和缺水地区、永冻层等条件下钻进时，其优点尤为突出。我国研制风动潜孔锤及其配套钻机是从1958年开始，1964年进行了YQ150A型钻机的生产性试验，而从1965年开始推广，约有二十多年的历史，积累了丰富的经验。可见采用风动冲击器实行冲击回转钻进，其钻进效率很高，一般为冲击钻的35倍，约为液动冲击回转钻的153倍。风动冲击器结构类似凿岩机，但无转歼机构，碎岩工具的旋转和液动冲击器一样均由地面钻机或转盘实现。风动冲击器的基本原理：室(配气机构)控制压气使之轮流进入气缸的上空或下空，以便推动活塞冲击锤，对砧(钻头)进行冲击或推动冲出锤上行完成回程动作。阀室由阴盖1、阀片2和阀座3组成。当冲击器不工作时阀片2由于自重置于阀座3上，活塞6则停留在钻头(砧)7上。工作时压气经阀盖1的进气孔进入阀室，经进气孔进入气缸壁上的进气道及下室。此时活塞被举起，当活塞上行接近上死点时阀片2由于下端压力升高而改变位置并关闭阀盖的进气孔，同时开启阀座上的进气孔，此时压气进入上空推动活塞向下冲击钻头。在活塞到达冲击点后阀片又换向，压气重新进入下室并开始第二个工作循环。工作冲程时下空气体经排气口和气缸壁上的排气道排出；回程时，上空气体经徘气口及排出，所有排出的废气均经过钻头到达孔底实现冲净钻孔的作用。所有风动冲击器均没有防止空打和润滑的装置。我国采矿工业常用的风动冲击器目前多为C150、J200及w200等，其详细结构图可从有关文献中查到。前两种均为有阀式，风压较低。而w1200型则为无阀式，据文献载，与有阀式冲击器相比，耗气量可节省30左右。近年我国又研制成功一种CC80型风动冲击器，经过鉴定认为其性能达到了国内同类产品的先进水平。其最大的特点是直径小，冲击功较大，完全有可能在地质钻探中采用，同时所需气压仅0.49MPa，比较适应于现有压风机的技术条件。CC60型冲击器的主要性能参数为：钻孔直径，mm 80全 长，mm 625气缸直径，mm 50活塞行程，mm 120冲击功 ，J 68.7冲击频率，HZ 17.521耗气量： 56整体质量，kg 11除以上特点外，CC80型风动冲击器之缸体组合件采用不锈钢焊条焊接，活阀用65Mn钢制成，淬火硬度HRC30一35。球齿钻头的硬质合金牌号为YGllC，尺寸为412xI 8mm，采用磨齿钻孔、冷压固齿工艺，当钻头直径为120mm时采用15颗硬质合金，球齿和孔逐个测量分级选配，其过盈显为0.12一0.18mm，钻头寿命在f=1222之砂岩、坚硬砾岩中达150m。CC80型风动冲击器经在冶金、建材、水电、铁路和国防工程的井下和露天施工中使用认为是一种高效率和低耗能、寿命较长的潜孔钻具，其性能达到了国内同类产品的先进水平。这种小型的风动冲击器值得在地质勘探钻孔中推广使用。美、法等因在采矿、水井钻凿、建筑业、管道近孔的施工中广泛使用浴孔锤钻进。其主要原因就是生产效率高。在钻进坚硬岩石和大直径钻孔中可以使用硬质合金钻头（包括各种形式的球齿）代替昂贵的金刚石钻头以节约资金。美国英格索兰公司出产的IR系列潜孔锤其外径由93mm至689mm，可以钻进直径I 02762mm的钻孔。DHD360型无阀潜孔锤。专门为阿拉期加输油管钻凿工程而研制的无阀DHD124型超级潜孔锤，可用于的严寒条件，在石灰岩以至致密的冰冻砾石层中，当风量为566m/min,压为086MPa时，钻进速度为618mh，而且钻孔甚为笔直，采用的钻头均为凹面球齿破质合金钻头。米森(Mission)公司出产的A3015型潜孔锤其外径762mm，钻头外径921016mm。法国A，S、S系列的潜孔锤，其中65A,S,S型之外径仅59mm,长700mm，重l 2kg，钻头外径65mm，这是一种尺寸较小的产品。预计风动冲击器用于地质矿山钻探的前景是乐观的。在钻探工艺方面需要解决的主要问题与空气吹并存在的问题极为相近，其次是设计研究适合于矿山钻探用风压较高的空气压缩机。目前由于压风机能力的限制，孔深均在50m左右，若能利用功率和气压较高的压风机或设计研制特殊的钻进工艺，则钻孔深度可以增加，国外有达孔深为3，000m的报导。显然这些问题的解决，就是能否广泛应用于地质勘探钻孔的关键。综上所述，在目前我国的条件下，最有可能发展的是液动冲击器，尤其是液动冲击器中，正作用和双作用式波动冲击器在地质岩心钻探中的航员是极为宽广的。其次是风动冲击器在水文水井和工程钻探中的采用必将日愈广泛。22 反作用式液动冲击器221 反作用式液动冲击器的结构原理反作用式液动冲击器的结构原理是利用高压液流的压力增高推动活塞冲锤上升，活塞冲锈上升的同时压缩工作弹簧储存能量。当分配液流机构(阀门)打开，高压液流畅通，而工作室中的液流压力降低时，工作弹簧便释放储存的能量，驱动活塞冲锤急速向下运动而产生冲击(图349)。222 反作用式液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，反作用式液动冲击器具有下列特点： 1对冲洗能的适应能力较强； 2比较允分地利用活塞冲锤本身重量和弹簧的张力。由于弹簧释放出来的能量与活塞冲锤本身重量同时向下作用，故可获得较大的单次冲击功，适宜钻进大口径(如工程钻孔，地质水文钻孔以及水井等)钻孔；3冲击器所需泵压较低。 23 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算231 功率特性及活塞冲锤运动特性分析阀式反作用液动冲击器是指依靠高压液体推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量，而以工作弹簧释放出的能量驱动冲锤下行进行冲击的冲击器，其功率特性及活塞冲锤运动特性分析如下：钻具处于悬挂状态时，钻头与井底无接触，铁砧在其自身和钻头重量作用下，处于最低位置（如图1a所示）。冲锤在冲锤弹簧作用下与铁砧相接触，活阀在活阀弹簧作用下坐落在冲锤的上端面处，此时，泥浆经活阀上的通水孔，冲锤和铁砧的内孔流向井底。当钻头接触井底使铁砧上行一段距离顶到外壳上时（如图1b所示），冲锤，活阀也随同上行，并且活阀的通水孔进入阀箱，使泥浆流道突然关闭。由于液流速度突然降为零，则产生水击压强。又由于冲锤连杆上端面与活阀下端背面的压力差作用，使冲锤与活阀一同迅速上行压缩冲锤弹簧和活阀弹簧。当冲锤上行一段距离后，由于受到被压缩的冲锤弹簧的阻止，其速度下降，并由冲击器外壳上的凸肩限制住其上行。此时，活阀由于惯性而继续上行，与冲锤分开，液流通道打开（如图1c所示）。在被压缩的冲锤弹簧作用下，冲锤停止运行后，又迅速下行冲击铁砧。同时，活阀到达上死点后，又在活阀弹簧作用下迅速下行。在冲锤与铁砧产生冲击时，活阀与冲锤相接触，关闭液流通道，并一同又复上行，循环往复，便形成了连续冲击。232 参数计算为研究方便，作如下假设：1活阀，冲锤和与之配合的缸套间的摩擦等于零。2活阀和冲锤所受液体的粘滞阻力等于零。3液体静压力对活阀和冲锤的影响包含在浮力系数k中:。 K=1- (2-1)式中:k浮力系数;_泥浆密度,_活阀或冲锤的材料密度,4弹簧力随位移线性变化。计算某一过程的弹簧力时，取其平均值。5上冲程时，坐标取向上为正，下冲程时，坐标取向下为正。（1）上冲程 冲锤与活阀一同上行 由于受到水击压强的作用，冲锤与活阀一同上行，上行的初速度为零。以冲锤和活阀为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得： (2-2) (2-3)其中： （2-4） （2-5）式（2）（5）中：S冲锤行程，m;活阀弹簧预压缩量，m;冲锤弹簧预压缩量，m;活阀弹簧的刚度，N/m;冲锤弹簧的刚度，N/m;活阀质量，kg,;冲锤质量，kg;冲锤与活阀一同上行S距离所需要的时间，s；冲锤与外壳凸肩接触前的瞬时速度，m/s；冲锤与活阀的集合尺寸（如图2所示），m；泥浆泵出口压力，Pa；地面管汇和钻柱内损耗压力，Pa；水击压强（，Pa；C水击压强波的传播速度，m/s；钻柱内泥浆流速，m/s。由式（2）（3）解得： （2-6）第二章 液动冲击器 （2-7）2冲锤撞击外壳凸肩 冲锤上行压缩冲锤弹簧，由于冲锤弹簧刚度较大，冲锤速度逐渐降低，并且在撞击外壳凸肩前，其速度较小。所以，这一碰撞过程可略去。（2）下冲程 1冲锤下行 冲锤在其自重和冲锤弹簧等作用下迅速下行，获得较大的动能，为冲击铁砧做好准备，其下行速度为零，以冲锤为研究对象，根据能量守恒定律和动量定理分别可得： （2-8） （2-9）其中： （2-10）式（8）（10）中： -冲锤下行S距离所需时间，S； -冲锤与铁砧撞击前瞬时速度，m/s；- 冲锤几何尺寸（如图2所示），m；由式（8）和（9）解得： （2-11） （2-12）2冲锤冲击铁冲锤下行冲击铁砧，铁砧将冲击力传给钻头。冲击时间与冲击前冲锤瞬时速度关系为： （13）式中：-冲击时间，S。冲击后，冲锤速度为零。根据定量定理可得： （2-14）式中：-冲锤与铁砧的冲击力，N。 由式（14）解得： （2-15）综上可得冲击频率为 （2-16）式中：f冲击频率， 4 计算举例及讨论 某阀式反作用液动冲击器其外径178mm，长1.8m。活阀弹簧刚度为4000N/m，冲锤弹簧和活阀弹簧的预压缩量均为30mm。冲锤，活阀几何尺寸，d1=76mm,d2=80mm,d3=35mm,d4=10mm.冲锤行程为15mm，泥浆密度为1200kg/m3。PbpH取为6Mpa。又式（11），式（15）可知，冲击力与锤重，冲锤弹簧刚度成正比，可以看出，当流量，锤重变化时，冲击力无变化，而冲锤弹簧刚度越大，冲击力越大，这是因为锤重的变化对冲击力影响很小。所以阀式反作用液动冲击器的冲击力又冲锤弹簧刚度决定。还可以看出，当流量，冲锤弹簧刚度与锤重变化时，对冲击频率均有影响，并且冲击频率与锤重，冲锤弹簧刚度成反比，与流量成正比。在实际操作时，若遇到中到中硬以上岩层，应以冲击碎岩为主，旋转切削为辅。同时应提高冲击频率和冲击力，增加流量和采用较大冲锤弹簧刚度。若遇软地层，应以旋转切削为主，冲击碎岩为辅。此时，应增加钻压，降低冲击力和冲击频率。采用刚度较小的冲锤弹簧可减小冲击力，但却增加了冲击频率，所以同时应减少流量，增加锤重。可以看出，采用较小的冲锤弹簧刚度，流量和较大的锤重时，冲击频率仍然较高。所以，不可能同时降低冲击力和冲击频率。若软硬地层交替出现，冲击力的改变只能通过频繁起下钻更换不同刚度的弹簧来实现，显然这是不合理的。综上可知，在中到中硬以上地层中，阀式反作用液动冲击器工作效果较好，其优越性能够得到发挥。24 本章小结1为增加钻速，提高效率，阀式反作用液动冲击器应在中到中硬以上地层中使用。2使用阀式反作用液动冲击器时，应尽量采用较大的流量和较大刚度的冲锤弹簧。第三章 5型液动锤31 5型液动锤工作原理及特点5型冲击器近似于美国海湾石油公司的冲击器，其结构如图55所示。冲击器的上接头1其上与钻杆相接，其下有活阀活塞4。连杆3是活阀下行行程的限制器。活阀活塞在缸套5中运动。在缸套与外壳6之间形成环状通水道，允许冲洗液通过。同活阀活塞相互作用的是冲击部分，它由阀座7同锤杆12及冲锤13组成。弹簧系统9使冲击部分向下运行，完成工作冲程。衬套ll是冲击部分上行程限制座，铁砧14与岩心管16连接，岩心管下有钻头17。阀座7在衬套8的导向中运动，此衬套将高压区同经铁砧内通道与管外空间联通的低压区隔离。经阀座7的内通孔使阀座之上内腔同低压区联通。 当钻头到达孔底后，铁砧上移一定值， 顶到限制座上。这样，弹簧9上升，并得到附加预压力。 当冲洗液压人时，冲锤和活阀活塞整个系统在液压作用下向上运动，压缩弹簧9及2。向上运动直到冲击部分顶到衬套11的限制座上为止，这时在惯性力作用下活阀活塞脱离阀座。冲洗液流入活阀与阀座间形成的缝隙状的间隙，因而液压下降，上升力停止作用。弹簧因被压缩而积累起来的能量使冲锤下行，直到冲击铁砧。活阀活塞在压缩弹簧2的作用下，也同时下行，直到与冲锤上的阀座触及为止。冲洗液流骤停，形成水锤效应，因此冲锤及活阀活塞急剧上行，压缩弹簧9及2。冲锤又被衬套的限制座限住，而活阀活塞又以惯性继续向上运动并脱离阀座。循环又重复。 该冲击器的特点是利用惯性力使活阀脱离阀座。反作用冲击器的主要缺点是须用动力弹簧，其载荷较重，其刚度比正作用冲击器所用的弹簧大得多。同时这些弹簧还经受着冲洗液的磨损和化学腐蚀。所以这种弹簧必须严格设计和计算，还必须特殊制造工艺。即使这样，弹簧的工作寿命也只有40一100小时。 32 冲锤弹簧设计和计算反作用冲击器的主要缺点是须用动力弹簧，其载荷较重，其刚度比正作用冲击器所用的弹簧大得多。同时这些弹簧还经受着冲洗液的磨损和化学腐蚀。所以这种弹簧必须严格设计和计算，还必须特殊制造工艺。即使这样，弹簧的工作寿命也只有40一100小时。3.2.1原始条件的确定1 弹簧类别：液动锤的冲击频率f=2225HZ，弹簧的寿命是40100小时，所以，在其寿命期间内，弹簧的作用次数区间是：，即次，其大于次，所以该选用I类弹簧。2 材料选择：选择锡青铜线（GB3124），因为此材料有较高的耐磨性，耐腐蚀性，而且具较好的性价比，所以选择次材料。3 工作载荷：（1）最小工作载荷：（2）最大工作载荷： 4 工作行程h：h=124mm5 弹簧中径D：D=88mm 6 端部结构：端部并紧，磨平，支承圈为1圈第三章-5液动锤322参数计算：1初算弹簧刚度：2工作极限载荷：因为是I类载荷：3弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数：根据与D条件，从表11-2-19得：d D 16 90 10405 11.87 8774.有效圈数n：按照表11-2-10取标准值n=12.55总圈数：=n+2=12.5+2=14.56弹簧刚度：7工作极限载荷下的变形量：8节距t：9自由高度：，取标准值380mm10弹簧外径：11弹簧内径：12螺旋角：13展开长度L： 3.2.3验算1最小载荷时的高度：2最大载荷时的高度：3极限载荷时的高度：4实际工作行程h：5工作区范围：6高径比b：5.3b5.3,不必稳定性验算。第四章 液动冲击回转钻进的发展展望41 液动冲击回转钻进的发展方向 液动冲击回转钻进在地质勘探钻进今发展很快。从当前国内外情况来看，今后应从下列几个方面进行研究和完善。 1向小口径发展 适应地质岩心钻探推广小口径的趋势，冲击器也应向小口径方面发展。实践平明，小口径冲击回转钻进具有较高的技术经济指标。如前所述，用7型冲击器配用74钻头钻进76毫米的钻孔，比普通金刚石钻进和硬合金钻进，机械钻速增长80一100，回次长度增加30一50，效率提高30一60。 2扩大冲击回转钻进深度 液动冲击回转钻进的深度受送水管路能量损失及冲击器冲击功的大小所限。目前冲击回转已钻深800一900米，增大送水泵的能力、增大冲击器的冲击功可进一步扩大其钻进的深度。当然，细小孔径也可减小对水泵和冲击器能力的要求，相对地扩大了钻进孔深。例如苏联用-76和959型小口径冲击器在金属矿钻进孔深已达800一1200米。如进一步增加冲击功则可钻到1500米或更深。 3与分层钻进配套 根据不同岩层选择硬合金或者金刚石冲击回转钻进。在生产实际中，岩层变化多端，不宜固定使用一种钻进方法。所以应有不同的钻头和不同的冲击器，并分层定出合理的钻进工艺。4使冲击器能用于泥浆钻进现在大多数冲击器只适用于清水钻进，这就大大限制了冲击回转钻进的推广和使用。在这个问题上，应该一方面研制可用于泥浆的冲击器，另一方面，应积极改变泥浆性质，使用低同相或无固相泥浆，同时还应研究整套泥浆的净化设备。5提商采心率在一些较为复杂的地层，为了提高冲击回转钻进的采心率，可设计特殊的双层岩心管和喷反装置。例如，在苏联已采用CCK型的和KCCK型绳索取心钻县与50型液动冲击器配用，取得了较好效果。6扩大冲击回转的使用范围冲击回转钻不仅在地质部门可以应用，还可有效地应用于煤田、冶金，采矿，水电等部门，不仅可用于地质勘探孔，而且更便于钻进工程施工钻孔。在当队冲击因转钻进中还必须注意研究解决下列问题：1研制新型的适合不同需要的冲击器。如结构不同，直径不同，频率不同的冲击器等。2研制高效能、多品种的冲击回转用的钻头。没有优良的钻头，不可能推广和发展冲击回转钻进方法。应适应不同要求研制硬合金钻头、金刚石钻头及牙轮钻头。3研究冲击回转钻进的井底碎岩机理和制订完善的钻进工艺4研制专用水泵。水泵是液动冲击回转的动力源。现用水泵原为洗井面设计，因此满足不了冲击回转钻进的需要，勉强使用既限制了冲击器的能力，又加剧了水泵的磨损。应该研制冲击回转的专用水泵。苏联研制的320100(排量为320升分，最大泵压为100公斤厘米2)型水泵就是供冲击回转钻进使用的。有关风动冲击回转钻进，当前还多用于矿山开采及水井钻进，服从于空气洗井钻进的某些规律。从当前的情况看，应在风动冲击回转钻进中，研究推广空气泡沫剂，以解决粉尘飞扬和井内含水曾排粉等问题。实践证明，风动冲击器的钻进效率与风压成正比增长，因此，研制高压大风量助空压机是当务之急。当然还须进一步研制适合于地质勘探钻进用的冲击器和钻头，以及合理的钻进工艺规范，不断扩大风动冲击回转钻进在地质岩心钻探中的应用。42 基础理论方面的重大课题1予压应力条件下同时施加冲击和迥转载荷时岩石破碎规律的深入研究。其主要任务是：揭露具有上述特点的碎岩能耗和碎岩效果之间的联系；研究预压应力、冲击动载和转这三种载荷的合理数值以及它们之间与岩石物理机械性质的关系，寻求合理的定量数值以指导研制性能优越而又经济合理的液动冲击器；制定经济合四的钻进参数；制定我国液动冲击钻岩分级表为拟定生产定额的基础。应变波理论在冲击回转碎岩理论研究方面应当是一个重要的内容和途径。目前在这方面的研究可概括为以下内容：予压应力条件下冲击回转碎岩的基本方程(对金刚石钻头和硬质合金钻头等)和能量的传插；冲击锤冲击环状断面岩心管和不同形状无岩心钻头时的应力波形；应力波沿岩心管的传播和能量损耗的机制。2各种类型液动冲击器力学特性的深入研究。主要任务是设计和改进液动冲击器结构参数，使其达到既有优良的技术指标又具有合理的经济目的。液动冲占器的优化研究应当满足上述主要任务。各种类型液动冲击器中水锤现象的研究和充分利用显然是液动冲击器力学特性的研究内容之。43 应用研究其主要任务是；岩心钻探、水文水井钻探、工程钻探、石油天然气钻探液动冲击器的系列化(用清水、低固相、无固相和泥浆的冲击器)。包括各种绳索取心式、处理孔内卡钻事故用的各种液动冲击器以及适用于反循环连续取心的液动冲击器等。美国乔伊公司研制的全液压无阀HJZ型液压凿片机，共冲击频率达200小次冲击HZ单次功78.5118J。潜孔式液动冲击器要达指标丛到类似显然比较困难，也不一定是合理的，但解决相应的配套设施，例如高能量的泥浆泵和耐高压的软管和钻杆系统必将有助于问题的解决。深入研制取心工具、打捞工且，适宜于现场使用的有关仪表，特别是排量表、泵压表、频率计等等。钻头的研究也是一个十分重要的方而。我国发展液动冲击钻金刚石钻头应当以人孕镶和聚品类为主。关丁硬质合金钻头主要的方向是提高硬质合金的性能、钻头结构和制造工艺，目的是提高钻头寿命。关于硬质合金的物理机械性能，我国株洲硬质合金厂近年来研制成功并通过了坚定的下列几种新产品问世是十分可喜的，这些新产品的主要性能见表9一1所示。这些新型高硬度、高抗弯强度的硬质合金的出现是令人鼓舞的、若能运用于液动冲击，则必将对提高液动冲击钻的技术经济效益产生更加良好的效果。最后应当组织液动冲击钻和相关钻进技术组合的研究。第五章 液动锤的仿真分析程序清单：MAIN: MOV DPTR,#7F04H; MOV A,#10H MOVX A,# 10H INC DPTR MOV A,#40HMOVX DPTR,#7F00HMOV A,#0D6HMOVX DPTR,A;MOV SP,#60HMOV 20H,#00HMO
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