0050-ГБМС-5型液动锤特性分析与计算【全套7张CAD图+说明书】
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型液动锤
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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
- 内容简介：
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本科生毕业设计（论文） 专业文献阅读报告 传统的绳索取心式液动锤缺点：上下一体式，口径小（钻孔直径 D 95动锤 直 径 d 74冲击功小（ W 30J）。而且冲击功要通过几米长的岩心外管传到钻头，冲击功损失大，传递效率低： )/()1( 2121 （ 1） 式中： 1G 冲 锤产生的重力； 被冲击件的重力； k 冲击波损失系数，与冲击 传递距离，冲洗液密度与粘度有关。 从上面的式子可知：在 定情况下，被冲击部分重力及长度越大， 越小。绳索取心液动锤的岩心管长度不超过 3m，距正规绳索取心的 89m 还很大，使液动锤和绳索取心技术的高效性大打折扣。另外，当提取岩心时，液动锤部分也一并被提出孔外，做了一部分无用功。 针对以上所述，提出如下设想来解决传统的绳索取心式液动锤的不足：采用大口径贯通式液动锤，中间套绳索取心的“贯通式绳索 取心液动锤”。 该复合钻具结构如图 1所示。 绳索取心系统置于贯通式液动锤内，悬挂装置座于液动锤的上部台阶上，起悬挂和封隔作用，保证液流通过液动锤，其间可设一特定轴承使绳索取心系统不随液动锤转动。液动锤下部接专门设计的长寿命取心金刚石钻头或取心牙轮钻头。液动锤上部可用钻铤加压，钻铤适当位置设一绳索取心弹卡接头。 此设想有以下几个优点： 钻具结构简化，部件由 0 多件减至 20多件，增强了钻具的安全性。对钻杆要求低。绳索取心内管长度不受限制，岩心管可加长至 89m，取心间隔长。冲击功直接作用于钻头，损失小，冲击钻进的优势得以发挥。结构和工艺合理。 总结：由于石油，地热，水文水井等钻孔直径 D 大于等于 152得贯通式液动锤的结构空间成为可能。 液动锤又叫潜孔液动冲击器，由于它的结构和工作原理比较独特，所以具有结构简单，适用深孔硬岩钻进等优点，在水文水井，地热井，油气井以及科学钻探中都得到了良好的应用。但目前液动锤存在单次冲击能传递效率低，多依靠经验设计，工作不稳定等缺点，所以，本文从潜孔冲击锤产生的应力波入手，对应力波的传播过程和波 在传播过程中能量传递效率的变化以及波在三维空间中的传播特征做一些分析，以便对潜孔冲击锤的设计提供一些使用理论。 钻探子工程是中国大陆科学钻探工程的核心与关键，是其他工程进行的基础和前提，是否能够孙里完成 5000直接影响中国大陆钻探工程的进度和其他目标的实现。为了使大陆科学钻探工程顺利进行，创造性地使用了“液动潜孔锤 +螺杆马达 +绳索取心”即“三合一”组合钻具。实践结果表明：液动锤钻进在中硬至坚硬岩层中的技术经济指标均优于常规回转钻进，并且利于防止孔斜和减轻岩心卡堵。 主要研究思路：详见图 冲击回转钻进的工作原理：液动冲击器安装在钻头和钻铤之间。钻进过程中，液动冲击器利用高压水或泥浆做为动力介质，推动冲击锤和活塞往复运动，连续不断地冲击钻头，它产生较高频率的冲击载荷直接作用于钻头，冲击功再以应力波（能量）的形式通过 钻头传递给岩石，通过钻头将冲击能量传递给岩石，对岩石产生冲击破碎作用，使岩石发生体积破碎。冲击器在井底岩石中产生的冲击力，其峰值大约在 100s 内可从零增加到几吨，几十吨，冲击频率可达 0种冲击载荷远远超过了岩石的抗破碎强度，加上回转产生的剪切破岩作用， 在井底形成以大的冲击载荷破岩为住，钻柱小的静压回转剪切破岩为辅的新的联合破岩方法，从而改善破岩效果，大大提高钻进速度。 液动潜孔锤在中国大陆科学钻探中起着非常大的作用： 1 很大程度的提高机械钻速 （ 1） 液动锤钻进与相邻的回转钻进比较可知，液动潜孔锤可以很大程度提高机械钻速，具体数据见表 （ 2） 液动潜孔锤与牙轮钻头配合使用效果表明，液动池与合理设计的牙轮钻头配合使用可以提高机械钻速。具体数据见表 2 大大提高回次进尺 使用螺杆马达 +液动锤和单独使用螺杆马达的钻进效果比较可知，前者除了提高 速外还 可以大大地提高回次进尺。具体数据比较见图 表 3 大大提高取心长度。 冲击回转钻进技术的应用前景很可观，主要表现在以下几方面： 1 有效提高硬岩钻速 2 防止硬岩及复杂地层钻井中的井斜问题 3 减缓钻头磨损，延长钻头寿命，减少钻具损坏，降低钻井成本 冲击回转钻进存在的主要难题 （ 1） 液动锤在大密度，高黏度条件下的工作性能及工作寿命； （ 2） 液动锤在深孔高背压下的工作性能； （ 3） 高温高压条件下液动锤的设计； （ 4） 冲击功与牙轮钻头之间的合理匹配关系； （ 5） 适合液动锤冲击载荷条件下工作的牙轮钻头的研发等。 单牙轮钻头的单次破碎岩石过程：所谓单次破碎岩石是指单齿圈在岩石表面转一圈的破岩过程。下面是一组具有代表性的测试曲线来分析其破岩过程，见图 重复破碎岩石的过程： 冲击锤锤体长度的优化设计： a 222)( 上式中，当f(L)=0, 而根据式（ 算出的传入岩石能量效率，进一步验证冲锤质量是否达到最优化程度，也可以进一步修正设计值。 所以，式（ 可作为直接检验冲锤的质量是否是最优值，也可以作为求冲锤最优质量的参考公式。 如已知求出最优冲锤质量 M，则结合式（ 就可以导出最优间距即冲锤行程 L。 结论：本文重点从三个方面讨论问题：应力传播过程中冲击能的变化规律；冲击锤与牙轮砖头的合理匹配原因；在以上两点基础上，讨论冲击锤锤体的优化设计问题。 通过对三个方面的讨论，可以得出以下结论： （ 1） 对冲击锤锤体的优化设计必须满足一定的条件，即冲击锤与设计合理的牙轮钻头的匹配。 （ 2） 以冲击锤产生的应力波在传播过程中冲击能的变化规律为主线而得出的冲锤长度的设计值是比较合理的。 （ 3） 冲锤重量是否合理，可以由冲 锤重量合理值，冲锤重量及砧子重量三者之间的关系式来判断，也可以通过传入岩石中 冲击能效率来判断。 （ 4） 在合理的冲锤重量及砧子满足合理振幅的前提下，得出的冲锤行程值与冲锤长度值能较好的匹配。 液动锤（ 又称液动冲击器）以高压钻井液为动力介质实现冲击回转破碎岩石，它在地下几百米至几千米的在钻井中工作。利用随钻监测仪检测和记录井底的钻井液压力波形（如图 1），在钻进回次结束后提出地面，通过现场 读取测试数据并进行处理，绘出压力波形图，可分析得出液动锤的冲击力与冲击频率等数据，获知其在井内的工作情况，为优化钻进工艺 和改进钻具设计提供依据。 1 设计要求 a） 工作环境 液动锤工作在深 8 000 m 以内的井下，环境温度达 250 ，钻井液压力高达 100 要求压力传感器的量程范围大、温度稳定性好、动态特性好，且抗冲击振动耐腐蚀。 b） 数据总存储量 一个钻进回次可达 100 h（即 4 5 d），需要每间隔一个或几个小时检测并记录压力波形一次，每次波形不少于 100 个周期。由于液动锤的工作频率为 20 还原压力波形，根据香农采样定理，数据采集频率应大于 240 是每次需采集 240 （ 100 / 20） = 1 200 点；若每点数据占 2 个字节（ 10 位 则可确定监测仪的数据总存储量应为 480 000 字节，取 512 k 字节。 c） 结构 监测仪包括以单片机为核心的控制电路、压力传感器和可充电锂电池等部分，只能安装在钻杆的狭小内腔中，故要求元件的体积小、功耗低，电路结构紧凑、集成度高，并解决好隔热、防水与减震等问题。为此，将电路板与锂电池封装在直径为 35 柱形探棒中，内部用环氧树脂胶填充密封，只在一端露出接口（包括传感器接口、通讯接口、电源接口和单片机 口等），探棒与钻 杆之间填塞石棉材料，以利于隔热与减震；压力传感器安装在钻杆与液动锤的接头处，以便测量钻井液的压力波形。 2 结构组成 2. 1 压力传感器及信号调理电路 选用 电桥应变式压力传感器，由于采用离子束溅射薄膜工艺制作，具有体积小、精度高、稳定性好、高频响等优点，且抗冲击振动和耐腐蚀性好，适用于化工及井下工作环境。 2. 2 单片机控制系统 单片机控制电路由单片机、实时钟单元、数据存储单元、看门狗单元、 A/ D 转换单元以及串口通讯单元等组成。为了实现系统的低功耗和微型化，单片机控制电路的 元件均采用 件，数据访问采用串行总线方式，如图 3。 2. 3 单片机控制软件流程 在下井之前，先设定好监测仪的工作参数（ 包括开钻后的起始测试时间和本回次中的测试间隔），然后将监测仪安装在测试管中，随同液动锤下放到井底；在钻进过程中，自动进行定时测试，获取压力传感器数据并进行存储；一个钻进回次结束后提钻取出监测仪，通过通讯接口与现场 联机，读取数据并进行处理，绘出各检测时刻的压力波形图，从而获得液动锤在井内的工作参数。将测试数据与对应时刻的机台进尺记录进行比较和总结，为下一回次钻进提供参 考，有利于实现钻进规程的优化。在一个钻进回次中，单片机由定时器定时唤醒，若存储器未存满数据，便执行一次检测工作，然后再进入休眠状态；如果存储器已存满数据，则停止检测，继续休眠，以免破坏已获得的数据。单片机控制软件流程如图 4。 1 概述 中国 大 陆 科学钻探工程是一项重大科学工程 是挑战。 中国 大 陆 科学钻探工程是在现代深部钻探技术和地球物理遥测技术等构成的综合反债系统荃础上，在大别一苏 000 取完整的岩心及液、气态样品， 取得原位侧井数据，校正地球物理对深部组成与结构的遥侧 为、壳性作用及其动力学，并为资源、能源及地展发生机创提供新的科学依据，推动我国地球科学在 21 世纪更好地服务于国家经济和社会发展，并在一些重要领域跃居世界前列。这个重大科学工程完工后，将建成亚洲第一个现代深部地质作用长期观测与实验墓地。 钻探 子 工 程是该项目的核心与关健，是其它工程及研究项目核以进行的荃础和前提，能否顺利完成 5000 将直接影响中国大陆科学钻探工程项目的进度及 众多科学目标的实现。 国大陆科学钻探工程的科学目标 (1) 揭 示 超高压变质岩的形成与折返机理 ; (2) 再 造 大陆板块汇康边界的深部物质组成与结构 ; (3) 建 立结 晶岩地区地球物理理论模型和解释标尺 ; (4) 研 究板 块汇聚边缘的地球动力学过程和壳一投相互作用 ; (5) 揭 示 超高压变质成矿机理，发现来自地怪深处的新矿物和新物质 ; (6) 探 索 现代地壳流体一岩石相互作用与成矿机理 ; (7) 研 究 地壳中徽生物类型和潜育条件。 （ 8) 为 资 撅的开发及地屁发生机制的探索提供新 的科学依据。 国大陆科学钻探工程的技术目标 (1) 形 成 一套完整的硬岩深孔 (5000.)大直径 (终孔直径 152 刚石绳索取心钻进技术体系。 (2) 使 具 有中国特色的液动锤钻进技术更加完善，进一步提高我国液动锤技术应用效果，扩大包括孔深与孔径在内的应用领域。 (3) 研 究 与开发新型的以绳索取心为基础的组合式取心钻进系统，如孔底马达 /绳索取心二合一钻具、液动锤 /绳索取心二合一钻具及其相应的钻进工艺，其成果将居国际领先地位。 (4) 带 动 我国钻探器具和钻探材料生产制造技术与使 用技术的进一步发展，使其赶超世界先进水平。 (5) 建 立 一个地球物理测井新仪器、新方法、新技术的试验基地，推动我国测井技术的发展和应用。 2 项目的实施有助于打破我国钻井行业内部门间的门户之见，发展组合式钻探技术 . 由 于长期以来我国钻井行业内各部门间缺乏必要的沟通与交流，一些先进的钻进技术虽在各部门的工作领域被证明为行之有效且取得了显著的经济效益与社会效益，但不能在更广阔的应用领域中发挥效益，甚至由于存在不同程度的门户之见，还导致不同部门间的技术封锁或抵制。而本项目的实施，由于 其施工的特殊性 分交流、彼此借鉴、共同提高的大舞台，因此，将现有各种钻探技术的优点通过技术改造而融合成一全新的钻探技术体系 组合式钻探技术，不仅有利于顺利完成本项目的钻探工程施工，更有利于将在项目实施过程中得到不断提高与完善的全新钻探技术体系应用于我国整个钻井行业，使其发挥出巨大的经济效益与社会效益。 3 项目的实施有助于进一步提高与完兽取心钻进技术 临的新问题 (1) 深 孔 小环眯钻井水力学研究 ; (2) 深 孔 高祖离压条件下结品岩钻孔德定性研究； (3) 深 孔 高沮离压条件下的岩石力学和岩石破碎机理研究 ; (4) 防 斜 纠斜技术方法研究 ; (5) 孔 底 工程、地质信息实时检侧、处理、传送与反馈控制问题研究等 ; (6) 高 强 度、高质 具的设计、加工和耐造等 ; (7) 高 效 率、长寿命金刚石钻头的研发 (超硬材料、制造工艺 )等。 4 项目的实施有助于推动我国液动锤钻进技术的推广应用 实践结果表明 :液动锤钻进在中硬一坚硬岩层中的技术经济指标均优于常规回转钻进，且有利于防止孔斜及减轻岩心卡堵。 做的研发工作 (1 )液 动 锤在大密度、高粘度条件下的工作性能及工作寿命 ; (2) 液 动 睡在深孔高背压条件下的工作性能 ; (3) 高 沮 高压条件下液动睡运动机构的设计 ; (4) 冲 击 功与牙轮钻头之间的合理匹配关系 ; (5) 适 合 液动锤冲击载荷条件下工作的牙轮钻头的研发等。 动睡钻进试脸 脸目标 此次 试 验 是为中国大陆科学钻探工程项目的正式实施做准备。试脸欲达到的具体目标如下 : (1 )评 价 在硬岩中进行液动锤全面钻进的有效性 ; (2) 采 用 不同钻头对液动睡钻进效果的影响 ; (3)不同的液动睡使用效果对比 ; (4)液动锤钻进减轻孔斜的效果 ; (5) 现 有 液动锤系统用于硬岩全面钻进存在的主要间题。 验所得结论 通过 此 次 试脸，得出以下结论 : (1) 液 动 悦钻进是在硬岩中进行大直径全面钻进的有效方法。 (2) 牙 轮 钻头配合采用液动锤在硬岩中进行大直径全面钻进可取得良好效果。 (3) 试 验 中采用的 2 种液动锤皆适用于浅孔和硬岩条件下进行的大直径全面钻进。 5 项目的实施有助于推动我国金刚石钻头应用水平的提高 6 结论 (1) 中 国 大陆科学钻探工程项目的实施既是对我国现 有钻探技术的一个挑战，同时，更是一个全面提高我国整体钻探技术水平的、千载难逢的大好机遇 ; (2) 项 目 的实施有助于打破我国钻井行业内部门间的门户之见，发展组合式钻探技术 ; (3) 项 目 的实施有助于进一步提高与完善取心钻进技术 ; (4) 项 目 的实施有助于推动我国液动锤钻进技术的推广应用 ; (4) 项 目 的实施有助于推动我国金刚石钻头应用水平的提高。 潜孔 锤 钻 进间世于 19世纪末，至今已有百余年的历史。潜孔锤种类很多，但其共同特点是产生冲击作用的机构均潜人孔内，钻头破碎岩石是既冲击又回转。按其动力驱动 的形式分为液动 (水力和高油压 )、气动、机械式等不同形式。 随着 对 潜 孔锤破碎岩石机理、各类潜孔锤基础理论研究、内部动力过程研究以及结构设计、加工制造水平提高，部件材料改进以及与其它多种工艺方法相结合形成潜孔锤多工艺钻进技术，大大拓宽了它的应用领域。目前潜孔睡钻进技术已广泛应用于钻井工程各个方面，逐步成为一种常规钻进方法。近 20年来，潜孔锤钻进技术的理论与实践方面均取得了突破性进展，使其优越性得到充分发挥。 1 潜孔锤基础理论的研究 潜孔 锤 工 作原理及参数的确定，传统方法是采用类比法加实验研究，不断修 整结构参数 着计算机技术的发展，使比较复杂的潜孔锤工作过程，通过有限差分原理进行模拟仿真电算，不仅简化了人工运算分析过程，而且电算结果科学可靠 电算结果与实验结果高度吻合 活塞运动规律，进行潜孔锤性能参数的优化辅助设计，大大缩短潜孔锤研制周期，降低靠经验设计的盲目性，使潜孔锤的性能更可靠。 2 贯通式滋孔锤成功应用是泪孔锤结构设计的创新 实践 证 明 ，气动潜孔锤钻进是一种效率高、钻孔质量好、成本低的施工方法。但目前气动潜孔锤 钻进仍以全面破碎的非贯通式潜孔锤为主，采用单壁钻杆正循环排屑或取样，地质资料可靠性差，因而大多局限用于矿山爆破孔、水井、工程施工等钻孔钻进。工业发达国家在破碎复杂地层中采用潜孔锤双壁钻杆反循环连续取样钻进即 进法 )，虽然比单壁钻杆正循环钻进前进了一大步，但仍存在下列比较突出问题 : （ 1）样 品 为碎屑状，不能取出块状岩心，不便于分析研究地层的原生结构，难以掌握地层变化及岩石物理力学性质。 (2) 在 钻 具的潜孔锤部位仍为正循环，在潜孔锤上部需连接一个交叉通道接头 (见图 2)，使岩样通过接头的窗口进人 钻杆中心孔，形成反循环，这样在破碎地层对孔壁冲蚀会造成超径和样品混杂、污染、岩样漏失，样品层位颠倒。 贯通 式 潜 孔锤结构设计成功 使该项技术配套应用复杂地层固体矿产勘探或水文水井钻凿，该技术关健是 :采用小口径贯通式潜孔锤及双壁钻杆系统实现潜孔锤碎岩钻进、反循环工艺方法及钻进中连续获取岩矿心 (样 )、泡沫钻进等多种工艺方法相结合，有效提高钻进效率 t，钻凿水井时增大出水量，维护孔壁稳定，把碎岩钻进和提取岩心 (样 )统一为边钻进、边排屑、边取心 (样 )3 种作业 程序同时进行的钻探新工艺。 3 射流式液动锤钻进深度已突破 4000 m 4 潜孔摇钻进应用顿城抽来侣宽广 随着 潜 孔 睡本身结构形式的发展、工作性能的优化、钻头类型的改进、钻孔护壁方式的完警，尤其是与其它工艺方法相结合，形成了潜孔锤多工艺钻进技术，使人们越来越认识到该钻进方法不仅优点突出，而且在复杂地层中钻进可以解决许多用其它钻进方法无能为力的难题，因而可拓宽应用领域。 质勘探 程勘察 在复 杂 地 层施工工程勘察孔时，存在 2大技术难题 :一是样品质 二是 不能为原位铡试提供较为规则的钻孔。即使是采用贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进方法钻进砂卵砾石地层 此我们曾研制贯通式潜孔锤气力喷反钻具系统。经 3个钻孔进尺 20余。试验 孔不规则的难题。样品采取率达 100%，钻孔孔壁毯定完整，而且机械钻速提高 65% 。 凿水文水井 空气 潜 孔 锤钻凿水文水井以优质、高效李誉世界 钻进效率高、钻头寿命长、回次进尺长，而且不堵塞含水裂晾，可增大单井出水量。 固工程 近年 来 ， 岩土锚固工程的发展尤为迅速，几乎已触及工程施工领域的各个角落，如矿山井巷、隧道确室，岩土边坡加固、抗滑治理，坝址基础加固，深基坑支排。可以预料，锚固工程将以独特的效应、简便的工艺、广泛的用途、经济的造价，在岩土工程领城中显示旺盛的生命力。锚固工程按地层分为土层锚杆和岩石锚杆。岩石 锚 杆 采用游孔睡枯进成孔，实际使用衰明具有如下优点 : (1) 由 于 空气潜孔锤钻进不用冲洗液 (2) 由 于 空气潜孔锤钻进采用的规程参数是力小、转速低，因而选用的钻机质 ，便于在边坡台架上施工。 (3) 潜 孔 锤在岩石中钻进不仅效率高，而且孔壁粗糙，提高了锚杆的抗拔力。 土层 锚 杆 采用潜孔锤冲击挤密不排土成孔，优点是 :孔壁光滑、平直、且无残渣成孔质量好 ;孔壁周围土层挤压密实，土的物理力学性能得到改善，提高了孔壁阻力，增加了锚杆抗拔力。 开挖铺设管线 海域海底取样 近海 域 海 底冲击取样装 不用配套钻机和钻杆，只偏用软胶管将高压水抽给海底冲击取样器，班动拼孔诱和抽吸泵工作 而不据专门的钻探船 ，也免去了作业中对船体定位和锁定等辅助装参见图 4)。其优点是设备简单，取样效率高、质好，起拔取样筒容易。 程灌浆孔或旋喷桩孔 孤石、漆石、坚硬地层中大宜径成孔 1 高压腔内液体压力的数学模型 冲击 式 水 轮机的基本原理是将高压流体的压能转化为高速射流的动能，再经转轮转化为旋转机械能输出。为了便于分析和设计冲击式水轮机，研究者已将冲击式水轮机抽象为图 1所示的力学模型。该模型将冲击式水轮机工作过程抽象为一固 定在小车上的叶片在射流冲击作用下移动 6J。以此模型为基础指导设计制造了大量的冲击式水轮机应用于生产，实践证明这个抽象力学模型是成功的。 在 射 流 式液动锤活塞运动的冲程阶段，主射流附壁于后腔一侧 (图 2)，后腔为高压腔。为了推导冲程阶段后腔内液体压力的数学表达式，可以将排空道一侧、输出道人口处的流体和劈尖看作为一体的“叶片”，此“叶片”受附壁主射流的冲击而随输出道人口处的流体“小车”一起以速度二。运动。由于输出道人口处的流体速度总是在变化，“叶片”和“小车”的速度在变化，某一瞬间形成的“叶片”和“小 车”随着时间的推移很快消失，研究中只考察任一瞬 间在此位置形成的以速度二。运动着的“叶片”和“小车”。各个瞬间“叶片”和“小车”的运动速度与此瞬间输出道人口处的过流断面上的液体运动的速度相同。这样就构建了求解射流式液动锤冲程阶段后腔液体压力的类冲击式水轮机”模型，在此模型上应用流体运动的连续性方程、动量方程、能量方程和速度三角形定理推导出冲程阶段后腔液体压力的数学 表达式。 取 虚 线 所包含的随“叶片”一同“运动”的空间为控制体 (图 2)，则相对固连于运动控制体的直角坐标系 轴与射流元件侧壁平行 )来说，任一瞬间流动是定常的。忽略质量力和摩擦力，固体壁作用于控制体内流体的力相互抵消，合力为零。附壁主射流流速很高，过流断面上的静压力低，甚至是负压，因而可以忽略主射流作用于控制体上的静压力，故图 2中未标出附壁主射流过流断面上的压力。对于控制体所受外力，只需考虑输人道人口处和输出道人口处液体对 运 动 控 制 体 的 阻 力 。 根 据 流 体 运 动 的 连 续 性 方 程 ， 有 000 （ 1） 式中 ， 附壁主射流流速， m/S;S; 为附壁主射流过流断面面积，时 ;v，为排空道流体流速， m/S;凡为排空道过流断面面积， 。为输出道入日处流速，m/s;S 。为输出道人口处过流断面面积。 式中， R。为输出道人口处液体对运动控制体的阻力， N;R ,、为排空道出口处液体对运动控制体的阻力， p 为液体的密度， kg/附壁主射流相对于运动控制体的流速在二方向的分量 ,m/s; 附壁主射流相对于运动控制体的速度， m/S;为排空 道过流断面上流速在二轴方向的分量， m/s;为排空道过流断面上流体相对于运动控制体的速度， m /S;, 分别为附壁主射流过流断面面积和排空道过流断面面积 。 式 (2 )右 端项不包括输出道人口处过流断面上流体动量变化率，因为该截面上的流体流速与运动控制体相同，二者相对运动速度为 0,根据 速 度 三角形定理 (图 3)，排空道处的流体相对于运动控制体的速度 。 式中，户为排空道液体压力，由该处排出的液体流 经后续流道的压力损失决定， 是 （ 5） 式中 输出道人口处液体压力， 2 结束语 首次 将 射 流元件考虑在内，依据经典流体力学基本定理，建立了射流式液动锤高压腔内液体压力的数学模 于该模型仿真门算得到的前、后腔液体压力随时问的变化曲线与实测曲线基本相似 能够用于指导射流式液动锤的性能优化设计。 1. 概述 液动冲击回转钻探就是在回转钻探的基础上通过利用冲洗液驱动的液动潜孔锤对 破碎岩石的钻头施加一定频率的冲击能量，也就是钻头上带有冲击负荷的回 转钻探。 液动冲击回转钻探是对现有回转钻探的重大改革，是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度低不耐冲击力的弱点，是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低，钻孔质量差的有效钻探技术。 2. 发展历程 我国对此技术的发展经历了 3个阶段 步阶段（ 19581965） 1958年起地质部勘探技术研究所率先立项列为重点项目开始研究，首先在北京周口店勘探技术研究所试验站建立专门试验台； 1963 年编辑了冲击回转钻探专辑，介绍国外有关文献； 1965年设计了 7种不同结构型式的液动锤。 泛开发阶段（ 19751983） 经过数年的工作，至 1983 年左右，地矿部勘探技术研究所的正作用式春地质学院的射流式 宁地矿局九队的双作用式 金部探矿技术研究所的正作用式 ，河北地矿局综合研究队的正式，核工业部江西 264 队的双作用式 等液动锤先后通过所属各部的鉴定，这批成果迅速在施工中得到推广应用。 高与实用阶段（ 19841998） 制成 功多种地质岩心钻探用小口径系列化的液动锤。这期间对液动锤开发的特点是“品种多，系列化”。一些主要的品种详见表 13 绳索取心式液动锤研制成功使绳索取心钻探技术从回转钻变革为冲击回转钻 拓宽液动锤品种和应用范围取得可喜成果 液动冲击回转钻探配套技术和相关措施取得重要成果 液动冲击回转钻探应用及效益 液动冲击回转钻探可获得理想的破碎岩石效果，在中硬，坚硬和硬脆岩层 中的技术经济指标均优于回转钻井，钻速提高 30%60%甚至数倍，成本降低约15%，钻井的垂直度得到改善，为国家节约投资数亿元。 从 8090年代末我国此项技术的发展引起德国，加拿大，澳大利亚，日本，美国，韩国等国外同行的注目，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。 随 着 我 国高科技和电子技术的发展，冲击回转钻探的理论研究水平将有重大的突破，各种不同结构型式的液动锤其冲击锤和各运动部件的力学特性表达式将得到改进和充实，利用计算机模拟仿真将对液动锤的结构、参数设计进一步简化、优化和科学化 ; 对液动锤性能参数的测试将会更加准确、直观和智能化，新型先进专业化的传感器和普及型的高 速摄影测试技术将得到应用 ;冲击回转钻探破碎岩石机理将出现新的理论。 液动 锤 将 向大冲击功、高泵压、低排盈方向发展新品种。由于管路中液体流盈 (Q)与液压 (P)的关系为 P= 为决定于结构参数的常数 )，而 管路中的特殊设计将会为提高尸而出现 ;鉴于结构和品种过度前移，为迎接市场环境的挑战，液动锤的品种和型号将适当减少和进一步优化并普遍实现批里规模制造，由于冲击功增大而在其加工精度、选材、热处理、防腐处理等方面将达到或超过目前风动潜孔锤的水平 ;同时规模化生产将会促使 多头环状取心或全面组合式液动锤技术更加成熟，使大直径基岩桩施工较为容易 ;针对水源充足和有排水条件及运输方便的工程，将研制出装备完善、配套合理的拖车式或自行式液动锤钻机组 ;进一步完善气、液两用液动锤技术，更方便适应不同环境条件 ;研制单次冲击功按液动锤直径每厘米大于 25)的液动锤，满足科学钻 井、石油天然气、灾害治理锚固施工的要求 ;用于消除深孔卡钻的大功率反向液动锤将得到运用 ;贯通式液动锤与双壁钻具融合，利用防冻液，采取闭路循环的组合钻进系统将可用于南极勘察 ;液动锤与涡轮钻或螺杆钻及长寿命钻头或不提钻换钻头相融 合的钻进系统将在深钻施工中发挥高效益 ;此外研制采用高压油或其它洗井介质驱动的闭路循环掖动锤可能是新一代产品的重要内容，如在非开挖地下管线施工中利用油压式夯管锤，其效率将高于气动夯管锤，且性能易调节、噪声低。 为提 高 钻 头寿命，硬度达 过 300 超级硬质合金将为冲击回转钻头的设计实现重大变革。配套 装 备 将出现新型高泵压、大排量的泥浆泵 ;高风压、大排童、低能耗的新型空压机及增压器 ;结构新颖、效率高而轻便的洗井液除砂器的出现将为提高液动潜孔锤的使用寿命创造条件 ;液压凿 岩机的配套泵及技术将得到移植和更好的应用。在 全 行 业和相关行业同仁的共同努力下，液动冲击回转钻探将在可钻性 6 级 (f=7上岩层和部分硬、脆、碎岩层中全部或部分取代单纯回转钻探，在前途辉煌的 21 世纪中更加广泛地在地质勘探、工程钻探、地质灾害的防治以及在桩、墩、墙、幕、锚等领域得到更大的发展，为社会主义现代化建设做出应有的贡献。 传说当早期人们用锤击钎杆打炮眼和敲道渣时就联想并追求用动载碎岩的孔 (井 ) 底冲击器 (或冲击回转钻具 ) 钻进技术。 1860 年就有人提出采用液动冲击器的设想。 19 世纪中期 到 20 世纪初叶 ,欧洲就开始研制液动冲击器 ,然而其进步都滞后于差不多同期起步的风动冲击器。有报导 ,20 世纪 40 50 年代 ,苏联、美国都研究出不同类型的液动冲击器 (,又称液动锤。但后来在这 2 个国家发展各异。 美国先侧重发展了气动锤 (,成就显赫。最大钻井深度达 3000 m 以上。 苏联则致力于发展液动冲击器液动锤 (嗣后亦重视风动冲击器 ) 的研究与应用 ,特别注重在地质钻探领域里的成功应用 ,在世界范围内独树一帜。 我国参照苏联经验 ,50 年代 就开始研究液动锤 ,直到 70 年代才在生产中试用。液动锤直径 35 245 钻孔直径 37 375 探技术研究所近年来已进行试验的 580 直径液动锤 ,其孔径可达 800 上。液动锤已在岩心钻探中广为应用 ,最大孔深超过 1000 m。长春科技大学用射流式液动锤在 21519 井中试验 ,孔深曾达 2600 余 m ,并表明液动锤能提高牙轮钻头钻速。 回想起苏联和中国从 50 年代起在液动锤技术研究与应用方面取得的成就 ,也想起在国际间的交流 ,如 1985 年在无锡召开的亚太地区钻探国际会议 后 ,我国液动锤技术已于 1988 年起先后引入到澳大利亚、德国和美国等国 ,中国专家还到国外讲学 ,许多外国技术人员来华参观实验室等。 中国大陆科学钻探 (计划要在硬坚硬、易造斜的高变质结晶岩中全孔取心钻探 5000 m。工程部拟采取的技术措施之一就是采用液动锤 ,终孔孔径 6 15214 ,与 的相似。太平洋脊水深 5000 m ,其背压亦雷同。看来这一钻探技术上既面临 5000 m 深孔硬岩取心、保直的难题 ,也面临液动锤技术研究与使用水平的国际性竞赛的挑战。为了迎接 需求 ,研究的重点方面有 : (1) 深孔高背压条件下能正常工作和有足够冲击能量的可靠性结构液动锤。例如第一步到 2000m ,再往深处延伸。 (2) 选用优质原材料、科学热处理、精密机加工和检测技术 ;可借鉴宣化 - 英格索兰公司的经验 ,该公司生产的潜孔锤原材料 100 %立足国内 ,产品完全达到美国水平。 (3) 要在试验台架上作全尺寸样机的试验与考验。引入国际“可靠性工程”和“可修复工程”的做法 ,不断改进薄弱环节。 (4) 液动锤可钻性 (对比 ) 指标。如空气潜孔锤在国际上习惯用于标准石灰岩、标准花岗岩中的以时 效与寿命作为评价产品的优劣和提供产品质量保证的条件。 (5) 减震、钻杆密封、循环液润滑性及固相清除技术。 除上述外 ,液动锤的确存在可开发与持续发展扩大应用领域的前景。诸如已被注意或已起步研究的方面 : (1) 用于石油钻井对付硬岩的大冲击功液动锤。 (2) 用于水文水井施工的液动锤。 (3) 性能可靠的与绳索取心相结合的液动锤。 (4) 用于砂矿的液动锤。 (5) 用于一定深度水域作业的液动锤 ,进行地质矿产勘查取样或工程地质勘察。 (6) 施工嵌岩桩的大直径、大功率液动锤。 (7) 较短距离铺设地下管道的夯 管液动锤。 (8) 在岩层或卵砾石层打水平孔或导向钻进铺管用的液动锤。 (9) 物探震源孔或采矿与采石场爆破孔用液动锤。 (10) 坑道掘进时管棚施工用潜孔锤。 (11) 气液 (和泡沫 ) 多介质用液动锤。 (12) 跟套管钻进液动锤。 (13) 反循环钻进和贯通式液动锤。 (14) 减震器 (减少对钻柱和地面钻机的损伤 ) 和配套的各种岩层用钻头等。 (15) 采用优质钢材和热处理技术及提高使用寿命的措施等。 如果在液动锤结构与性能上有所创新与突破 ,或在使用领域里有新的拓展 ,都将会在钻探技术方面产生新的技术经济 效果 ,并将钻探技术向前推进一步。 科钻一井自二开取心钻进以来 碎 极易造成堵心 0为此 80用效果非常明显 加快了钻进速度 2000井斜控制在 4度以内 4度的指标 孔合一”的目标。 二开取心孔径为 157要求 020004度。取心收获率 85%90%。 科钻一井应用 其最大承钻能力为 7000m，最大提升拉力为 4500转盘承受最大转速为 300R/级变速 净空高度 45m。采用 3最大排量 最大冲数 120冲 /用美国用美国 司生产的 采 用外径 15797 采用外管 140内管 108双管取心筒 ;压人造金刚石扩孔器 ;采用北京某厂生产的 5高速螺杆 ;采用1209杆；应用 要钻井参数及钻井液性能 钻压 020速 200300r/量 913L/S。科钻一井采用 固相钻井液体系 度 ;粘度 2831s;滤失 1322力 9固相含量 3%4%;含砂 润滑性和流动性良好 . 冲击器结构及工作原理 液动射流式冲击器是以一个双稳的射流元件作为控制机构 ,由于双稳射流元件具有附壁和切换的特性 ,可控制流体按一定的规律进入冲击器活塞工作腔体的上腔和下腔 ,从而推动活塞冲锤作上下往复运动。其基本结构如图 1 所示。水泵输出的高压水 ,经钻杆进入射流元件的喷咀 ,产生高速射流 ,高速射流具有附壁效应。假如射流先附壁于缸体上腔进水口一侧 ,高压水进入缸体上腔 ,推动活塞和冲锤向下加速运行 ,直至撞击砧子 ,完 成冲击过程。在冲锤撞击砧子时由于活塞冲锤突然停止向下的运动 ,则在上腔产生一水击压力 ,水击压力以波动的形式经信号道反射到控制道 ,推动主射流切换 ,而附壁于活塞下腔进水口的一侧 ,高压水进入缸体下腔 ,推动活塞冲锤回程 ,当活塞冲锤加速运行至上死点 ,即活塞顶端与缸体上部碰撞接触时 ,在活塞下缸产生一水击压力 ,水击压力信号以波的形式反射 ,经信号道至控制道出口 ,推动主射流切换 ,而重新附壁于缸体上腔进水通道一侧 ,开始下一次的
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