冲击回转钻进

1、第五章 冲击回转钻进第一节 概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法。近几十年来钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理研制成功了冲击回转钻进技术。一、 冲击回转钻进的实质冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法。冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率。在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进。它是在地面以动力带动

2、全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击。此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力。如Error! Reference source not found.所示。所以称为冲击回转钻进。图01冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图a回转钻进；b冲击钻进；c冲击回转钻进P静轴向力；M回转力；P冲冲击力根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高35倍。又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上

3、，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多。又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高。冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力。(2)切削刃的磨损减少。在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；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很

4、容易达到体积破碎；钻速快，切削具的相对磨损就减少。(3)在冲击时岩石上还加有一定的轴向压力，改善了冲击能量的传递条件，增大了冲击效果。(4)由于连续高频地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中裂隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。(5)在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。二、 冲击回转钻进的发展概况冲击回转钻进的应用已有上百年的历史。早在19世纪60年代就有人进行了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，在原苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。20世纪30年代发展了风动潜孔锤。到50、60年代获

5、得了较为广泛的应用。20世纪40年代，原苏联葛莫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液动冲击器。50年代美国的艾莫雷研制了活阀式及反作用冲击器，到后期，就出现了种类繁多的冲击器。各类冲击器一直发展到现在，都取得了较大的发展。原苏联在1961年开始成批生产一3A型冲击器，1962年开始大力推广冲击回转钻进方法。到1963年已有30个队用此法钻进。此后新冲击器不断出现，1964年生产了使用泥浆的5A型冲击器；1965年生产一2小水量冲击器；1970年生产7型小口径冲击器；1973年出现了一76型小口径冲击器和B5型高频冲击器，开始推广金刚石冲击回转钻进；1975年到19

6、76年成批生产口径最小的KTC一59型、频率更高的B一6型冲击器，与此同时，研制了用于各类地层的钻头和辅助设备和工具。例如，在一7和一9的基础上改进的KC776和KTC一959型冲击器，并带有专用的碎岩和辅助工具，它在金属矿中可钻孔深达8001200m。在60年代中，原苏联将液动冲击回转钻进方法用于常规口径的硬质合金钻进和钢粒钻进中。70年代，原苏联则将这种钻进方法应用到小口径金刚石和硬质合金钻进中。这样便进一步扩大了液动冲击回转钻进方法的使用范围。据初步统计，到1980年已累计进尺1000104以上。原苏联采用液动冲击同转钻进定向钻孔已试验成功；并根据液动冲击器的作用原理，设计制造出可以处理

7、孔内卡钻事故的冲击振动器；同时为了进一步提高钻进效率，并研制出C50型用于绳索取心钻进的液动冲击器装置。此外，还大力发展了气动冲击回转钻进方法。美国、法国、南非等国家也发展了冲击回转钻进方法，并已将气动冲击回转钻进视为现代各类岩土钻凿施工中快速而经济的方法。这些国家将该技术作为“多工艺综合钻进方法”的一部分，研制成功各类冲击器；如美国的英格索尔兰德(IngersollRand)公司的IR系列；法国的ASS系列等，可与空气循环介质钻进、绳索钻进等配套使用。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许多工作，但后来研究中断。从1970年又开始进行研制，经

8、多年反复实践，现已研制成功多种液动冲击器。冲击器的结构逐步趋于完善，并初步摸索出有关设备配套，管材规格，机械加工要求、钻头结构类型、钻进操作技术工艺及测试冲击器性能等方面的经验。原地矿部在“七五”期间，对冲击回转钻进技术进行了全面的推广工作，取得了良好的效果。到1987年，据不完全统计，地矿、冶金、核工业三部仅液动冲击回转钻进累计进尺已达130104m。其中，金刚石冲击回转钻进比重较大，已达60%左右，其余为硬质合金钻进。到1993年，我国在气动、气液混合、大口径工程钻探、绳索取心、贯通式反循环连续取心等方面的冲击器研制与使用，都取得了可喜的进展，在某些方面的研究成果，显示了我国的特色和同际领

9、先水平。三、 冲击器的种类目前国内外所用的冲击器，按其动力方式可分为下列四种：(一)气动式冲击器以压缩空气作为动力工作介质，驱动气动冲击器的冲锤产生冲击作用。(二)液动式冲击器以高压液流(清水、泥浆或其它类型冲洗液)作为动力工作介质，推动液动冲击器中的冲锤产生冲击作用。(三)液气混合式冲击器以高压液流为主，必要时辅以压缩空气，用两种动力工作介质共同驱动冲击器的冲锤产生冲击作用；当前，在地质钻探中，采用气动式和液动式的冲击器较多，采用液气混合式的较少。机械式冲击器因其工作性能尚不能满足钻进要求，还处于研究试验阶段。液动式冲击器又可分为“正作用”、“反作用”和“双作用”三种类型。四、 冲击回转钻的

10、应用范围冲击回转钻进除可以提高钻速外，又因所需轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故少，材料消耗低，因此，是当前一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。特别是在中等硬度以上的岩石中，其效率更为显著。由于液动冲击器的类型不断增多，结构不断完善，性能不断提高，磨料、钻头的品种不断发展，以及相应的设备和辅助工具逐步配套，使冲击回转钻的应用范围愈加广泛：(一)可用不同的磨料来钻进中硬、以及坚硬岩层从当前国内外应用情况来看，以硬质合金为磨料时。最适用于钻进粗颗粒不均质的岩层，尤其是钻进可钻性为58级岩层时，效果更为突出。在硬岩层和坚硬岩层中，聚晶金刚石冲击回转钻进，均取得了较好的钻进效果

11、。据国内外使用结果，金刚石冲击回转钻进与金刚石回转钻进相比，机械钻速提高了25%100%，回次进尺长度提高了10%100%，而且所钻进的岩层愈硬，则提高的程度也愈显著。如在可钻性为910级的矽化灰岩中，机械钻速可提高30%左右，而在可钻性为12级的铁质碧玉岩中，则提高102%。我国河北某队在可钻性为10级的石英岩中钻进时，金刚石冲击回转钻进的小时效率比金刚石回转钻进提高了107%。(二)可钻进裂隙发育及“打滑”岩层应用金刚石冲击回转钻进方法，可钻进裂隙比较发育的岩层及容易磨光金刚石的岩层(即所谓“打滑”岩层)。由于某种原因，不能开高转速进行金刚石回转钻进(如孔内漏水)的地层以及极易产生钻孔强烈

12、弯曲地层中，应用冲击回转钻进，都取得了较好的效果。(三)钻孔孔径及钻进孔深均可满足地质钻探的一般要求目前采用液动冲击回转钻进方法所施工的钻孔直径，由50mm直到130mm，可根据需要进行选择。钻进孔深可达8001000m。(四)可钻进定向钻孔及采用绳索取心钻进近年来，国内外采用液动冲击回转钻进方法来钻进定向孔以及进行绳索取心钻进，都取得了十分满意的效果。到1990年，我国已开发了三个系列品种的绳索取心式冲击器，并用于金刚石的绳索取心钻进“打滑”岩层、硬脆碎易堵的岩层，提高了钻进效率及回次进尺长度。(五)可进行取心钻进或无岩心钻进冲击回转钻进方法不仅可用于取心钻进，也可进行无岩心钻进。采用无岩心

13、冲击回转钻进时，可更进一步提高钻进效率。(六)用于反循环及各种工程勘察施工目前，各种贯通式及非贯通式液、气动冲击器。已广泛用于水力反循环连续取心钻进、气举反循环连续取心钻进中，并在岩心勘探、工程勘察施中得到应用。冲击回转钻进方法虽然应用日益广泛，但尚须进一步完善和提高。应当进一步研究冲击回转钻进的碎岩原理；研究、没计新型的冲击器；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等；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。第二节 液动冲击器结构及作用原理一、“正作用”类型液动冲击器

14、图 02 正作用冲击器结构原理示意图1外管；2活阀座；3活阀弹簧；4活阀；5活塞冲锤；6冲锤弹簧；7铁砧；8缓冲垫圈(一)“正作用”类型液动冲击器原理“正作用”冲击器是以高压液流推动活塞冲锤下行而进行冲击，而并借助弹簧力量使其恢复到原来位置。如Error! Reference source not found.所示。在冲击器外管1中装有活塞冲锤5，它悬座在冲锤弹簧6上，迫使活塞顶端始终与活阀4相接触，以封闭活塞冲锤5的中间水路。活阀4支撑在活阀弹簧3上，并能在导向器中上下移动。但它的移动范围并不大，向下作用时，受到活阀座2的限制；向上作用时受到缓冲垫圈8的限制。铁砧7与岩心管、钻头相连接，组成

15、一套粗径钻具。“正作用”液动冲击器的工作过程如下：高压液流流向活塞冲锤5的顶部后，由于活阀4封闭着活塞冲锤5的中间水路而截断了液流通道。当不断流入的高压液流达到一定能量时，便推动活塞冲锤5向下运动，使其碰撞铁砧7产生一次冲击。在活塞冲锤5向下运动进行冲击的过程中，同时，也压缩冲锤弹簧6，使它逐步储存能量；活阀4由于受到活阀座2的限制，在活塞冲锤5下行后便互相脱开(不再接触，失去封闭作用)。液流开始沿活塞冲锤5的中间水路流向孔底；活塞冲锤产生冲击作用后，因其顶部压力降低，冲锤弹簧6将所储存的能最释放出来，把活塞冲锤推回到原来的位置处。活塞冲锤5上行至上死点与活阀4接触后，其中间水路又被封闭，再次

16、截断高压液流，第二个周期便开始。以此反复进行便形成连续性的冲击。(二)“正作用”液动冲击器的结构特点从结构方面进行分析，“正作用”冲击器具有下列特点：1、可利用高压室中的巨大水锤能量做功；2、液流在冲击器腔体内的流动水路较通畅；3、液流的功率恢复较高；4、结构简单，便于使用和维修；5、冲击器的工作性能比较稳定可靠6、便于缩小直径。“正作用”液动冲击器存在的主要问题是：当活塞冲锤5向下运动进行冲击时，冲锤弹簧6的反作用力对其冲击力的抵消较大。尽管如此，由于它的有效作用力还是相当可观的，而且结构也比较简单，所以目前仍把它作为继续研究应用的主要类别之一。我国研制的ZF系列、TK系列、YZ系列及原苏联

17、的、B系列冲击器，均属“正作用”类型的液动冲击器。(三)ZF一56型液动冲击器现以ZF一56型液动冲击器为例说明其结构、工作原理及应用特点。ZF56型液动冲击器属于活阀式正作用液动冲击器。它结构简单、启动容易、调试方便、工作稳定可靠。在级以上岩层中，用于56mm口径的金刚石或硬质合金的冲击回转钻进中，均可不同程序的提高钻进效率，增长回次进尺，减轻岩心堵塞及孔斜率。特别是用于“打滑”地层钻进时效果更为显著。是实现小口径多工艺钻进的良好机具。用此冲击器进行冲击回转钻进，除需配备耐高压胶管和稳压器外，可基本上利用现有的常规钻探设备和钻具级配，在易斜地层采用硬质合金冲击回转钻进时，可将常规钻机附加减速

18、装置，使转速降低至2040r/min时，能更好地发挥其防斜功能和减轻管材磨损，有利于降低钻探成本和预防孔内事故。在现有泥浆泵(如BW250/50和BW250型)的能力下，钻进孔深可达450m，如采用压力更高的泵，其钻孔深度还可增加。1、结构及工作原理(1)结构：冲击器结构简单，由27个零件组成(参见Error! Reference source not found.)。(2)工作原理(见Error! Reference source not found.)：当钻具11未接触孔底时，钻具11悬吊在六方套10上。冲洗液经减耗阀接头通水孔a、活阀4内孔，活塞冲锤7内孔、下砧9(即联动接头)，岩心管及

19、钻头畅流至孔底，并由钻具与孔壁之间的间隙返回地面。此时冲击器处于悬吊状态，不工作。当钻具11下降至孔底时，六方套10与钻具11的间隙被压紧而消除。使活塞冲锤7相对上升与阀4底面接触，切断水路而产生水锤，推动减耗阀2向上移动，打开主通水孔b，使冲洗液大量进入活阀区，推动阀4活塞冲锤7同步下行。并压缩阀簧5及锤簧8，此时，冲击器处于启动状态。图03 ZF56型冲击器结构1上接头；2减耗阀杆；3“O”型密封圈；4压盖；5减耗阀簧；6减耗阀座；7垫圈；8阀簧；9阀；10限制座；11阀壳；12支撑环；13垫圈；14轴用Yx型密封圈；15“O”型密封圈；16中接头；17活塞杆；18外壳；19冲锤；20锤簧

20、；21锤簧垫；22下砧套；23卡瓦；24“O”型密封圈；25联动接头；26六方套；27垫圈图04 ZF56型正作用冲击器作用原理a悬浮状态；b启动状态；c冲击状态1接头；2减耗阀；3减耗阀簧；4活阀；5阀簧；6阀座；7冲锤活塞；8锤簧；9铁砧；10六方套；11钻具阀4继续运动到凸肩与阀座6上端接触时停止，活塞冲锤7则以本身的惯性继续下行。对下铁砧进行一次冲击，此时阀4与活塞冲锤7脱开。打开水路，活阀区压力下降。减耗阀2在弹簧作用下复位，使主通水孔b关闭，储存液能。阀d在弹簧5的作用下复位。活塞冲锤7在下铁砧9和弹簧的作用下亦相继复位。活塞冲锤7的顶端又与阀4接触而关闭水路，即产生第二次冲击。如

21、此周而复始的连续工作。图05 QWF1型分流接头1异径接头；2耐磨圈；3岩心管接头；4外管；5垫圈（10）；6推力轴承；8内管接头；9钉轴；11内管使冲击器能够正常工作所需水泵的泵量为1.35L/s，而56mm口径的金刚石钻进仅需0.580.75L/s泵量。为了减少大泵量对钻头的冲蚀和泵压损失，在冲击器与岩心管之间可接入一个分水接头(见Error! Reference source not found.)，使冲击器排出的液体一部分通过钻头底部流到管外，而多余部分则通过内管底部进入分流接头泄水孔排出管外。另外，当冲洗液由内管顶部上流时，对岩心有一个向上的冲力，可减轻岩心堵塞和磨损，从而提高岩心的

22、采取率。2、冲击器组装与调试冲击器组装时应按照Error! Reference source not found.上表示的零件顺序依次组装，不得遗漏或倒置。新出厂的冲击器都已经过调试，用时不必重调。但在使用一段时间后，当冲击器性能变坏或不正常时，需要进行重新调整。结构尺寸(参数)的含意及调整方法如下：(1)阀程及其调整：阀程H阀是指阀在工作时由上死点到下死点之间的距离。测量时，将支承环12、限制座10及阀9置于中接头16上，使阀的凸肩与限制座10的顶端面接触。即阀处于下死点位置(不装弹簧)。用深度尺或带有深度尺的卡尺量出从接头16上端丝扣根部至阀9顶端的距离L1，量出阀壳11下端的深度L2，其

23、中L2与L1之差即为阀程H阀。具体量法见Error! Reference source not found.。H阀=L2-L1-1.85 (mm)阀程由设计图纸而定，新冲击器不必调整，但使用一段时间后，阀9及限制座10因磨损使阀程增大，这时可以重新调整垫圈13，再用上述方法测量调整后的阀程，使之达到要求。(2)冲程及其调整：测量前先将下砧套22砸紧在联动接头25上，再将六方套26套到联动接头25上。将外壳18与六方套26装在一起拧紧。而后将活塞杆17与冲锤19砸紧(注意不要砸坏活塞杆的上平面)。再将活塞杆冲锤一起装入外壳18中(不装锤簧)，将中接头16中间孔对准活塞杆装入后与外壳18拧紧。然后

24、把装好的部分直立起来，在活塞杆上装上阀9后，用深度尺或带有深度尺的卡尺从中接头16上部的丝扣根部量出至阀9顶端面之距离L2，阀壳11下端深度L与L2之差即为冲程H冲。量法见Error! Reference source not found.。图06 阀程的测量方法H冲=L-L2-1.85 (mm)如H冲小于要求值时，可在六方套下加垫圈27，如H冲大于要求值时，则减去垫圈27。图07 冲程的测量图08 锤簧预压和测量方法(3)自由行程及其调整：自由行程H自是指冲锤活塞与阀9脱开后，靠惯性所走的距离，它与冲程及阀程有如下关系：H自=H冲H阀 (mm)自由行程H自是个很重要的参数，调整时一定要保证在

25、允许范围以内。调整冲程与阀程时一定要注意自由行程的大小，H自一般在33.5mm之间较优。(4)锤簧预压及其调整：锤簧预压，H预是指冲击器装上锤簧之后，六方套处于最下位置时锤簧预先压缩之长度。其量法与冲程量法相同。量时要事先装入锤簧，锤簧预压和测量方法见Error! Reference source not found.。H预=L3L+1.85 (mm)如锤簧预压H预不合适时，可在锤簧下加厚或减薄锤簧垫21。(5)冲击试验：冲击器调整好后，在现场可按下述方法进行冲击试验，将冲击器与主动钻杆连接，并将其拉入孔内，使联动接头下切口处于孔口，并叉入垫叉，用卡盘将主动钻杆夹紧，提起一定距离，使六方套处的

26、滑动间隙拉开，开泵送水。待泵压达(710)105Pa左右时，慢慢放下立轴，使六方套与联动接头的间隙压紧，冲击器即可启动工作。如不冲击，泵压剧增，应迅速提起立轴，待泵压恢复后，再稍加大泵量如前启动，一般就可以工作了。如立轴下放后，冲击器不冲击，泵压不升高，可将立轴提起，适当减小泵量，再行启动。如经反复调整后仍不工作，则需重新调整结构参数，找出不启动的原因。冲击器在孔口工作时，可用耳听声音，手摸高压胶管的办法来判别其性能。有时虽能工作，但稳定性不好或冲击无力，频率不高，也必须重新调整。3、冲击器故障及其排除方法冲击器在使用中较常见的故障是锤簧折断和密封圈损坏，其它故障在孔内出现很少。现将常见故障以

27、及排除的方法列于Error! Reference source not found.。表01冲击器故障及其排除方法现象原因排除方法不启动、泵压不增加弹簧无预压或预压小，活塞与阀关闭不严活塞杆密封圈磨损，不起密封作用或过紧锤簧折断泵量过大加厚弹簧垫更换新密封圈更新的锤簧重新调整泵量启动后又不冲击，憋泵泵量过大或过小自由行程过大锤簧预压过大减耗阀卡死或锤簧折断阀卡死或阀簧折断块塞冲锤被卡死阀体断裂重新调整泵量重新调整自由行程适当减薄锤簧垫修磨减耗阀或更换弹簧除去脏物或更换弹簧拆卸排除更换新阀启动后泵压升到一定值后，停止冲击，泵压下降到一定值后又开始冲击，这样间断冲击周而复始泵量过大活塞杆密封圈过紧

28、锤簧预压不够锤簧纵向弯曲过大活塞杆顶面和阀平面不平，合阀不严密钢套不同心减小泵量更换密封圈加厚锤簧垫圈更换锤簧修磨接触面修磨或更换钢套工作不稳定，冲击连续性不好，泵压过高或过低减耗阀打开后不复位，被卡死减耗阀簧折断修磨减耗阀，清除脏物更换减耗阀簧4、冲击器使用时的注意事项(1)冲击器要联接在岩心管与钻杆之间下入孔内，离孔底0.5m左右时，开始开大水量冲孔。在改小水量稍小于额定值，即50L左右时，开始慢转扫孔。钻具到孔底后，冲击器即可启动工作，并开始进尺。然后再改换为正常钻进参数(包括泵量、泵压)进行钻进。如不启动，将钻具提离孔底，调整泵量直至冲击正常为止。如再不启动可提钻检查。(2)正常钻进时

29、，不应提动钻具，“倒杆”前应把钻具提离孔底，以防止下次开车时扭坏钻头胎体。(3)孔内掉有合金时应及时打捞，(4)复杂地层必须使用优质泥浆(低固相)。含砂量不超过2%，粘度不超过19s。(5)如孔内有掉块、坍塌、缩径或岩粉过多时，均不能进行冲击钻进。现将我国研制的“正作用”液动冲击器技术规格列于Error! Reference source not found.。(四)B一6型液动冲击器苏联1974年在B一5型冲击器的基础上，开始研制口径更小的B一6型液动冲击器，如Error! Reference source not found.所示。B一6型液动冲击器的外径为57mm，可配用59mm的金刚石

30、钻头或合金钻头，用于钻进中硬及坚硬岩石。钻具处于悬吊状态时，花键轴7和冲锤4在岩心管、钻头以及它们本身的自重作用下，处于最低部位。此时，液流通过活阀1、冲锤4和花键轴7的各个水路，顺利的流向孔底。表02 “正作用”液动冲击器技术规格型号YYZF56TK56YZ75冲击器外径/mm8993545673冲锤质量/kg31506.49630行程/mm111218泵量/ls-12.505.003.344.171.340.921.502.503.00泵压/9.8104Pa8151620201015515冲击频率/Hz1013.416.72541.741.75016.7冲击功/9.8J35691.00.4

31、1.32.53.5冲击器质量/kg202060冲击器长度/mm20573761150016612350图09 B一6型液动冲击器1活阀；2活阀弹簧；3缸套；4冲锤；5冲锤弹簧；6外壳；7花键轴；8花键套图010“反作用”液动冲击器结构原理图1弹簧；2外壳；3活塞冲锤；4铁砧钻具放到孔底后，由于花键轴7与花键套8结合，冲锤4在冲锤弹簧5的推动下，上升到上死点与活阀1接触而互相结合，截断了高压液流的通路。当高压液流达到一定能量时，便推动冲锤4及活阀1向下运动(同时压缩活阀弹簧2和冲锤弹簧5)。由于活阀1下行至缸套3的上端后被阻挡而与冲锤4脱开(此时液流通往孔底水路打开)。冲锤4由于惯性作用仍继续向

32、下运动，便产生一次冲击。随后，在活阀弹簧2和冲锤弹簧5的各自作用下，其活阀1及冲锤4又先后恢复到原来的位置。以此周而复始便形成了连续性的冲击。二、“反作用”类型液动冲击器(一)“反作用”类型液动冲击器原理“反作用”冲击器结构原理与“正作用”冲击器工作原理相反，它是利用高压液流的压力推动活塞冲锤上升，并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压力下降时，则工作弹簧便释放能量，驱动活塞冲锤急速向下运动产生冲击，如Error! Reference source not found.所示。“反作用”液动冲击器的工作过程如下：高压液流进人冲击器后，作用于活塞冲锤3的下部。当液

33、流的作用力超过弹簧1的压缩力和活塞冲锤3本身重量后，便迫使活塞冲锤3上升(压缩弹簧1使其储存能量)。与此同时，铁砧4的水路被逐步打开，高压液流开始流向孔底，此时，活塞冲锤3仍以惯性作用继续上升。当活塞冲锤3上升到上死点时，活塞冲锤下部的液流已畅通的流向孔底，则工作室压力降低。由于活塞冲锤3的自身重量和弹簧1释放出所储存能量的同时作用，便驱动活塞冲锤3急速向下运动，产生一次冲击。在产生冲击作用的同时，由于活塞冲锤3与铁砧4，相接触而又堵塞了液流通向孔底的通路。高压液流再次作用于活塞冲锤3的下部，开始进行第三次的重复动作。周而复始，便形成了连续性的冲击。(二)“反作用”类型液动冲击器的结构特点从结

34、构方面进行分析，“反作用”冲击器具有下列特点：1、对冲洗液的适应能力较强，可采用一般的泥浆进行钻进；2、在结构中没有起相反作用的弹簧，可以比较充分地利用活塞冲锤本身重量和弹簧的张力，冲锤下行是一个加速运动的过程。同时由于被压缩弹簧释放出来的能量，与活塞冲锤本身的重量等同时向下作用，故可获得较大的单次冲击功，适宜钻进大口径的钻孔；3、压力降较低，液流的功率利用较高；4、液流在冲击器腔体内的流动水路较通畅；5、结构简单，便于使用和维修。“反作用”冲击器存在的主要问题是没有充分利用液流的巨大水锤能量，并需用刚度较大的弹簧，同时为了获得较高冲击频率，需要供给较多冲洗液，即要求泵量较大。(三)“反作用”

35、液动冲击器美国海湾公司生产的“反作用”液动冲击器，如Error! Reference source not found.所示。它可钻进直径222mm的钻孔，冲击频率达10Hz。若采用泥浆钻进油气井，效果较好。该冲击器的主要特点是，当冲锤2向下运动进行冲击时，冲锤2与活阀5脱开，这样就避免了作用在活阀5上的压力，克服冲锤向下冲击速度减缓的弊病，可提高冲锤下降的末速度，增大冲击能量。BMC5型、BBO5A型及793型“反作用”液动冲击器的技术规格见Error! Reference source not found.。图011美国海湾公司生产的“反作用”液动冲击器动作过程1铁砧；2冲锤；3冲锤弹簧；

36、4外壳；5活塞；6弹簧；7阀箱；8通水孔；9凸肩表03 “反作用”液动冲击器的技术规格型号BMC5BBO5A793型钻孔直径/mm115145冲击器直径/mm10812713091泵量/ls-1561216.673.34泵压/9.8104Pa810581015冲击频率/Hz21.672556.6750.0016.720.0冲击功/9.8J81210124.98冲击器质量/kg100500600冲击器长度/mm2300650076001853三、“双作用”类型液动冲击器(一)“双作用”类型液动冲击器作用原理及结构特点“双作用”冲击器结构特点是。活塞冲锤的正冲程和反冲程都是由高压液流驱动完成的。即

37、高压液流通过控制阀的分配作用或通过射流元件的切换作用，使液流在冲击器中反复变换流动方向，推动活塞冲锤下行和上行产生往复运动，每往复一次便产生一次冲击。以压差原理驱动活塞冲锤产生往复运动的工作原理，如Error! Reference source not found.所示。钻具到达孔底后，活动接头支座与外套支座相结合。此时，b腔处的高压液流分别作用到活阀2及冲锤6上，并使活塞及冲锤向上运动。活阀2上升的作用力： 冲锤的上升作用力：式中：p0高压液流在d腔内的压力；d冲锤上部及活阀下部的直径：D冲锤下部直径；G冲锤重量。当冲锤6向上运动至同活阀2相接触而闭合时，便关闭了高压液流通向孔底的水路。此时

38、，活阀及冲锤便停止了上行运动。由于高压液流作用于活阀上部的面积大于所作用于下部的面积，所以冲锤6与活阀2同时向下运动。其作用力为：图 012 双作用液动冲击器工作原理图1带孔的活阀座；2活塞；3外套；4支撑座；5导向密封件；6塔形冲锤活塞；7导向密封件；8节流环；9砧子式中：d3冲锤上部及活阀下部直径；d3活塞上部直径(又等于冲锤内径的直径)。冲锤6以S行程向下冲击，但活阀2下行h行程后，由于受到支撑座4的限制不能再继续下行，故冲锤与活阀两者脱开。冲锤与阀脱开后，通往孔底的水路便开始恢复。当冲锤6冲击铁砧9后，由于a腔处的高压液流再次分别作用到活阀2及冲锤6上，活阀及冲锤又开始向上运动。这样便

39、完成一次冲击作用。如此周期重复进行便形成了连续性的冲击。(二)“双作用”类型液动冲击器我国研制的“双作用类型液动冲击器”的种类较多，仅地矿部系统即已形成YS、SC、SX各种口径三大系列。按照液流分配阀的结构、位置及作用方式不同，可分为：活阀式；节流阀式；射流式及射吸式等。1、活阀式“双作用”液动冲击器Ye一型、Ye型、Yf73一型及HED一2型等，均为活阀式“双作用”液动冲击器。Ye一双作用液动冲击器是我国二机部系统研制的，该冲击器经过大量钻进试验表明，它具有性能良好、工作稳定，并具有口径小、重量轻、结构简单、操作方便等优点。Ye一双作用液动冲击器的结构和工作原理如Error! Referen

40、ce source not found.所示。冲击器在孔内悬垂、启动前呈“自由”状态。整个冲锤处在行程的下限位置。上活阀4的下端离开活塞杆20的上阀座。在阀弹簧10的作用下，上活阀处上限位置。同时，在冲击器下部，阀杆35，在阀弹簧35a的作用下，排水阀门是打开的，留有间隙L1。当送入高压水后，高压水由活塞杆20的内孔，流经冲锤29的内孔，到滑阀32的上部，将滑阀和阀杆35同时向下推动。当滑阀32接触顶杆37，消除了L3间隙时，滑阀再不能下滑。但高压水继续送入，势必造成增压。当压力达到一定程度当阀杆顶压力大于阀弹簧35a的预加压力(8.811)8.8N时，阀杆35的上端则与滑阀32分开。这样阀杆

41、35上端的承压面积增大(为3.4cm2)，所受的推力也增大，即可迅速将阀杆35的下端与排水阀座39a结合，把阀座的通道迅速关闭。由于冲击器下活塞面积大于上活塞而积8.63cm2，所以在高压水作用下，产生压力差，活寒推动冲锤立即上升。冲锤上升时，也是由于压差作用，阀杆35不动，排水阀门仍然关闭。在冲锤上升中，阀弹簧35a逐渐被压缩，积蓄能量。当冲锤上升到行完L2距离(1517mm)时，锤头36的上肩与限位圈33相接，即将阀杆拉开。冲锤在惯性力作用下继续上升。当排水阀门打开后，阀杆两端的原压差关系被改变，阀弹簧回弹，将阀杆35迅速向上推动。同时冲锤在惯性作用下上升，使活塞杆20上端与上活阀相接触。

42、这时两组阀门先后关闭，活塞上端切断了高压水路；活塞底部与孔底相通，为低压区。上活塞面积19.6cm2全部受高压水作用，又迅速将活塞连同冲锤下推，当冲锤在活塞的推动下达到一定的末速度，即当冲锤实现冲击前的1.52.0mm时，上活阀受限位作用即被打开，利用高压水和冲锤向下运动的惯性，锤头36冲击砧座42而做功。提前打开上活阀是为了及时给锤底部增加大量高压水以迅速关闭下排水阀，及时提起冲锤。实践证明，该冲击器液流能量利用率较大。但结构较复杂，部分零件磨损较快。活阀式“双作用”液动冲击器的结构特点是：该类冲击器无执行载荷弹簧；液流功率恢复较高；工作性能比较稳定可靠；冲击器的结构简单。活阀式“双作用”冲

43、击器存在的主要问题是：液流在腔体内的畅通性较差，并需注意调整各部分的间隙，给装配与使用带来不便。图013 Ye一双作用液动冲击器的结构和工作原理1连接管;2调整垫;3调整套;4上活阀;5上阀哈夫;6哈夫外壳;7调整垫;8上阀支架;9调整垫;10阀弹簧;11缓冲弹簧;12阀套;13调整垫;14圆螺母;15防松垫;16钢档垫;17密封圈;18铜档垫;19上缸体;20活塞杆;21下缸体;22铜档垫;23密封圈;24挡圈;25圆螺母;26防松垫;27防松垫;28外管;29冲锤;30防松垫;31滑阀外壳;32滑阀;33限位圈;34哈夫;35阀杆;35a阀弹簧;36锤头;37顶杆;38调整垫;39铜套;4

44、0“O”型圈;41、39a排水阀座;42砧座;43六方套；44调整垫；45阀头;46弹簧;47阀头支撑;48、49螺钉和垫圈;50岩心管;51岩心档圈;52卡心器;活阀式“双作用”液动冲击器技术规格列于Error! Reference source not found.。表04活阀式“双作用”液动冲击器技术规格型号YeYeYf73Yf50HED2冲击器直径/mm7375735075活塞工作面积/cm219.619.219.68.0519.6冲锤质量/kg3026226.533.5行程/mm1921192120202043泵量/Ls-11.342.01.51.842.53.341.171.671

45、.254.17冲击频率/Hz16.716.712.518.4252.525冲击功/9.8J8989461422冲击器质量/kg5562512159冲击器长度/mm258023502255200024302、节流阀式“双作用”液动冲击器节流阀式“双作用”冲击器的作用原理与活阀式“双作用”冲击器的作用原理基本相同。不同点是以一个节流圈来代替活阀式冲击器的配水机构。这样便简化了冲击器的结构。该种冲击器的结构较简单，液流在腔内的畅通性也较好。但液流的功率恢复较低。YS型、LDF型均为节流阀式冲击器。LDF一54型冲击器的结构如Error! Reference source not found.所示。节

46、流阀式“双作用”冲击器的技术规格列于Error! Reference source not found.。表05节流阀式“双作用”冲击器的技术规格型号YC75LDF54冲击器直径/mm7354活塞工作面积/cm218冲锤质量/kg207.51.5行程/mm251020泵量/ Ls-12.343.341.171.84泵压/9.8104Pa301530冲击频率/Hz16.72513.433.4冲击功/9.8J1313冲击器质量/kg452030冲击器长度/mm1830224033403、SC射流式“双作用”液动冲击器SC射流式“双作用”液动冲击器是利用一个“双稳”射流元件，控制高压液流在冲击器内改

47、变流向，使活塞冲锤产生往复运动而形成冲击作用，如Error! Reference source not found.所示。射流式冲击器的工作原理，以线路示意图(Error! Reference source not found.)说明如下：高压液流经钻杆输入到冲击器内的“双稳”射流元件6中，从射流元件的喷嘴喷出后，便产生了射流附壁作用。假如先附壁于右侧，高压流由C输出进入缸套8的上部，推动活塞9连同冲锤12急速下行冲击铁砧13，即完成一次冲击，铁砧13以丝扣与岩心管相连接，便将此冲击能量传至钻头上。在C输出高压液流的同时，部分高压液流以反馈讯号经讯号通道回至D控制孔，当活塞运行的液压达到切换压

48、力时，则反馈讯号便促使射流由C切换到E输出。图014 LDF一54型冲击器的结构1接头；2开口销；3螺帽；4卡环；5行程限制器；6活阀弹簧；7限位套；8活阀；9外管；10垫；11阀套；12支管；13压盖；14“O”型圈；15尼龙套；16中接手；17上活塞；18外管；19接手；20冲锤；21“O”型圈；22尼龙环；23下活塞；24下缸套；25铁砧；26六方接头；27变丝接手；28节流孔被切换的高压液流经与E连接的水路进入缸套8下部，推动活塞6连同冲锤12向上运行。同样，在E输出高压液流的同时，部分高压液流以反馈讯号经讯号道回到F控制道，将射流又切换到开始的位置，高压液流又从C输出。如此反复进行便

49、实现连续性的冲击。图015 SC射流式“双作用”液动冲击器的结构1钻杆接手；2异径接头；3埋头螺钉；4打捞螺钉；5缸套管；6射流元件；7缸套键；8罐套；9活塞；10活塞杆；11过水接头；12冲锤；13铁砧；14六方接手；15岩心管接手；16逆止阀；17岩心管；18钻头图 016 射流线路示意图活塞下行时，其下部的回水通过E输出道返返回到放空孔B。活塞上行时，其上部的回水通过C输出道返回到放空孔A。再经与放空孔A、B连接的水路、过水接头11及铁砧13的内孔道流进岩心管直至孔底。SC射流式“双作用”冲击器的主要技术规格，如Error! Reference source not found.所列。射

50、流式“双作用”冲击器的结构特点为：(1)无弹簧装置，易换零件较少；(2)结构比较简单，便于操作使用；(3)工作性能比较稳定可靠；(4)易于进一步缩小口径。该种冲击器存在的主要问题是：液流功率恢复较低，工作时泵压较高，而且要特别注意加强液流的净化工作。4、SX射吸式“双作用”液动冲击器SX射吸式“双作用”冲击器的工作原理：它利用液流喷射后所产生的射流卷吸作用，使活塞上腔压力降低。在压差作用下，活塞冲锤及阀门向上运动，运动至上死点时，闭合水路切断高压液流。然后，在高压液流的推动和活塞冲锤自重的作用下，向下运动产生冲击。其工作原理如Error! Reference source not found.

51、所示。高压液流由喷嘴1射出后便形成高速的射流束。在射流束的卷吸作用下，将活塞冲锤2上腔的液流(称引动液流)吸走。工作液体动能的一部分传给引动液流，形成混合液体。混合液体进入活塞冲锤2的下腔与铁砧4之间进行扩散。此时，混合液体的动能逐渐转化为势能，导致活塞冲锤的上腔呈低压区，而下腔呈增压状态。由于压差关系，活塞冲锤便向上运动。表06 SC射流式“双作用”冲击器的主要技术规格型号SC89JSC75JSC54冲击器直径/mm897554活塞工作面积/cm219.6419.645.49冲锤质量/kg15204048行程/m量/ Ls-134.173.341.67泵压/9.81

52、04Pa154040左右40左右冲击频率/Hz16.725152025以上冲击功/9.8J587左右1左右冲击器质量/kg50657016冲击器长度/mm148018001500图017射吸式“双作用”冲击器工作原理图1喷嘴；2活塞冲锤；3阀门；4铁砧在活塞冲锤向上运动过程中，当活塞冲锤2中间部位的阀座与阀门3相接触闭合时，便截断了高压液流通向孔底的水路。此时，活塞冲锤的下腔成为低压区，上腔则呈增压区。活塞冲锤2在高压液流的推动及本身自重的作用下，向下运动撞击铁砧4，产生一次冲击。由于活塞冲锤下行时，阀座与阀门3打开，高压液流又继续畅通，活塞冲锤2的上腔再次呈低压区，在压差的作用下，加之产生冲

53、击后活塞冲锤受回弹力的作用，活塞冲锤2再次向上运动。这样重复循环便形成了连续性的冲击。阀门3的行程与活塞冲锤2的行程是不相等的。所以当阀门3到达下死点与活塞冲锤中间部位的阀座脱开后，活塞冲锤仍可继续向下运动。阀门3的上部面积和下部面积也是不相等的，在压差作用下，阀门可向上运动，直至上死点为止。四、绳索取心式液动冲击器结合绳索取心钻进的优点，我国亦发展了绳索取心钻进用液动冲击器。目前使用的绳索取心式液动冲击器，有地矿部系统研制的SZC、SSC系列绳索取心式液动冲击器、冶金部系统的TKS系列绳索取心式液动冲击器等。其冲击器部分的工作原理多为“正作用”式和“双作用”式，结构上与相应的液动冲击器类似。

54、(一)绳索取心式液动冲击器的结构原理TKS型绳索取心式液动冲击器的结构如Error! Reference source not found.所示。其内管总成由三大部分组成：上部为捞矛上锥轴1，上、下弹卡板2、3及收卡筒等组成的打捞限位机构；中部为TK型阀式正作用冲击器(液动锤)5；下部为带有调节螺杆，缓冲弹簧和推力轴承上接头的单动岩心内管8。(二)绳索取心式液动冲击器的工作原理该钻具绳索取心工作原理与一般绳索取心钻具相同。冲击器工作原理为阀式正作用式(可参见“正作用”工作原理部分)。当带有冲击器的内管总成从空口绳索取心钻杆内投人到位后，卡板2弹开进入上弹卡室，限制冲击器工作时内管总成上移。此时冲击器通过冲击功传递环6坐落于外管专用接头上。钻进时传递环6堵塞冲击器与外管间的环隙空间，迫使冲洗液由冲击器上部侧孔进人冲击器内部，推动冲击器做功，后经砧子排液孔排出。冲洗液再经内管8外侧环隙通道到达钻头部。冲击功由传递环6经外管接头、外管7传至钻头9破碎岩石，岩心便进入内管。回次结束时，以打捞器将内管总成及岩心取出。如果将冲击器内部部件取出，或以专门短管取代冲击器，即可变换成为单纯绳索取心钻具。此时，下卡板3用以悬挂内管总成。图018 TKS型绳索取心式液动冲击器结构示意图1打捞矛上锥轴；2、3上、下弹卡板；4、7外管；5TK型正作用式液动锤；6冲击能传递环8内管