1、国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第六章第六章 冲击回转钻进与冲击、振动钻进冲击回转钻进与冲击、振动钻进1 1、概述；、概述；2 2、液体和气动冲击器；、液体和气动冲击器；3 3、冲击回转钻进用钻头、冲击回转钻进用钻头; ;4 4、冲击回转钻进工艺、冲击回转钻进工艺; ;5 5、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺、钢丝绳冲击钻进及振动钻进工艺. . 国家精品课程q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，冲击回转钻转切削力共同破碎岩石的钻进方法。与
2、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。进只要用不大的冲击力，便可以达到破碎坚硬岩石的效果。q冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性级，部分级，部分级的岩石中，钻进效果尤为突出。级的岩石中，钻进效果尤为突出。q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。进。q冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决冲击回转钻进不仅可提高效率和钻头寿命，而且还可解决“堵心堵心” 、“打滑打滑”、“防斜防斜”等问题。等问题
3、。q在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。 第一节第一节 概述概述国家精品课程国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室 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。器和气动冲击器。 u 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、工程施工施工 、石油钻井
4、等领域。但由于自身冲击能较小，故钻进效果仍低于、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。u 气动冲击器气动冲击器(风动潜孔锤风动潜孔锤) 以压缩空气驱动。由于单次冲击功大，上返岩以压缩空气驱动。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屑风速高，钻进效率可比液动冲击器高23倍。近年来出现了贯通式冲倍。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、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从埋线杆孔拔套管等。钻孔深度从埋线杆孔2.3m油气井油气井1000m以上。以上。 第
5、一节第一节 概述概述国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器一一、液动冲击器、液动冲击器 液动冲击器根据结构不同可分为液动冲击器根据结构不同可分为: :u 阀式液动冲击器阀式液动冲击器 又可分为又可分为: : (1) (1) 正作用阀式液动冲击器正作用阀式液动冲击器; ; (2) (2) 反作用阀式液动冲击器反作用阀式液动冲击器; ; (3) (3) 双作用阀式液动冲击器双作用阀式液动冲击器. .u 无阀式液动冲击器无阀式液动冲击器 又可分为又可分为: : (1)(1) 射流式液动冲击器射流式液动冲击器; ; (2) (2) 射吸式液动
6、冲击器。射吸式液动冲击器。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1.1.阀式液动冲击器阀式液动冲击器1.1 1.1 正作用冲击器正作用冲击器u液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位“正作用正作用” 。u冲锤冲锤5 5在簧在簧6 6作用下处上位，中孔被活阀作用下处上位，中孔被活阀4 4盖住，液流瞬间盖住，液流瞬间被阻，液压被阻，液压产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀产生水锤。冲锤和活阀一同下行，压缩阀簧簧3 3和锤簧；活阀下行时被阀座和锤簧；活阀下行时被阀座9 9限制与冲锤脱开，液流限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底，液压经中心孔流向孔底，液压
7、，活阀在阀簧作用下返位；，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，冲击铁砧冲锤在动能作用下利用惯性继续运行，冲击铁砧7 7，冲击，冲击能量经铁砧能量经铁砧岩心管接头岩心管接头钻头。钻头。u冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室u 其主要特点主要特点：(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。
8、 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1.2 1.2 反作用冲击器反作用冲击器o 利用高压液流推动冲锤上行，压缩工作弹簧储存能量，经弹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。簧释能作功。o 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 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，铁砧簧储存能量；同时，铁砧4 4的水路被逐步打开，高压液流流向的水路被逐步打开，高压液流流向
9、孔底，液压下降，冲锤利用惯性继续上行到上死点时，冲锤孔底，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。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。o 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。行，开始第二个工作周期。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室u 反作用冲击器的主要特点主要特
10、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40lOO小时。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1.3 双作用冲击器双作用冲击器u 冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。u 钻具自重使活接头钻具自重使活接头f压紧到外套压紧到外套g处，工作腔处，工作腔d的液流分的液流分别作用在活阀别作用在活阀2和塔形冲锤和塔形冲锤6上，由活阀上下端的压差上，由活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置；
11、使活阀上移到最上位置；u 冲锤活塞上、下面积不同产生压差使其向上移动；当冲锤活塞上、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，通道冲锤上行到与活阀接合时，通道d1被关闭，冲锤与活被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行阀一起急速下行，当下行h时，活阀被支撑座时，活阀被支撑座4限止，限止，冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到冲锤与活阀分离，借助惯性继续下行到s时，冲击砧子时，冲击砧子9；u 由于冲锤中心通道被打开，液流恢复循环，在液流压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。力作用下，活阀与冲锤急剧上行，周而复始。第二节第二节 液动和气动
12、冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室u 其主要特点主要特点：（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。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室2.无阀冲击器无阀冲击器2.1 2.1 射流式冲击器射流式冲击器u双稳射流元件控制的液动冲击钻具。双稳射流元件控制的液动冲击钻具。u高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。u若先附于右壁，高压液流则流入通道若先附于右壁，高压液流则流入通道C C并进入缸体上部，推活并进入缸体上部，推活塞下行
13、，冲锤冲击砧。塞下行，冲锤冲击砧。u在在C C输出高压水的同时，有一小股高压液流输出高压水的同时，有一小股高压液流( (反馈信号反馈信号) )进入进入D D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很强，促使射流由C C切切换到换到E E输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向输出，高压液流由左通道输出，进入下腔，推动活塞向上。上。u活塞上行时，反馈信号又回到活塞上行时，反馈信号又回到F F，射流又切换到右输出通道。，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。如此反复循环，实现冲锤的冲击动作。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动
14、和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室u 主要特点主要特点: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. 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室2.2 2.2 射吸式液动冲击器射吸式液动冲击器u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，
15、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。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。u主要特点主要特点: :第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器（1 1）结构简单、零件少、无易）结构简单、零件少、无易损弹簧，工作寿命较长。损弹簧，工作寿命较长。（2 2）输出输入技术参数范围较）输出输入技术参数范围较宽，能在高频状态下稳定宽，能在高频状态下稳定冲击，耐背压特性好。冲击，耐背压特性好。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室3.3.其他型式的液动冲击器其他型式的液动冲击器: :3.1 绳索取心式液动冲击器绳索取心式液动冲击器p不仅具
16、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，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。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孔底反循环液动冲击器p既可以实现局部反循环，又具有冲击作用的孔底钻具。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室二二、风动冲击器风动冲击器o 也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也兼做冲洗介也称风动潜孔锤，以压缩空气作为介质工作，压缩空气也兼做冲洗介质，因此也具有空气
17、钻进的一些特点。质，因此也具有空气钻进的一些特点。o 实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转钻进高实践表明，风动冲击回转钻进的效率一般比液动冲击回转钻进高0.751.6倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较大，且孔底冲洗效倍，主要原因是风动冲击的单次冲击能量较大，且孔底冲洗效果较好。果较好。o 使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料消耗较大，使用风动冲击器钻进时，需配备能力较大的空压机，燃料消耗较大，设备也较复杂。设备也较复杂。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1. 有阀冲击器1.1 压差式斜面蝶状阀配气
18、装置o 所谓压差式是以风动冲击器活塞运动方向的前方增压，后方减压所造成的压力差来实所谓压差式是以风动冲击器活塞运动方向的前方增压，后方减压所造成的压力差来实现阀的变位，现阀的变位，从从而达到配气的目的。而达到配气的目的。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器图 . 斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座。o 蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右摆动实现蝶状阀片为圆形，两面带有斜面，靠阀片左右摆动实现阀体变位。阀体变位。o 压缩空气压缩空气P P由风动冲击器上接头进入气室由风动冲击器上接头进入气室A A，经开启的左，经开启的左侧气孔沿侧气孔沿B B进入下气室，推动活塞上行。产
19、生压差后，蝶状进入下气室，推动活塞上行。产生压差后，蝶状阀片在压差作用下摆动变位，阀的右翼开启而左翼盖严。于阀片在压差作用下摆动变位，阀的右翼开启而左翼盖严。于是压缩气体经开启的右侧气孔沿是压缩气体经开启的右侧气孔沿C C向进入上气室，推动活塞向进入上气室，推动活塞向下运动产生一次冲击作用。向下运动产生一次冲击作用。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室o如果活塞串联使用时，如果活塞串联使用时，C1C1孔道的压气去下一个活塞孔道的压气去下一个活塞的上气室，推动活塞向下冲击作功。压缩气体的少的上气室，推动活塞向下冲击作功。压缩气体的少部分经配气阀中心孔、活塞中心孔流入孔底，冲洗部分
20、经配气阀中心孔、活塞中心孔流入孔底，冲洗岩粉。活塞向下冲击又产生压差，阀片又摆动变位，岩粉。活塞向下冲击又产生压差，阀片又摆动变位，开始第二个循环工作。开始第二个循环工作。o 压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国英格索压差式斜面蝶状阀配气装置主要用于美国英格索兰公司制造的兰公司制造的DHDDHD系列风动冲击器上。该类型配气装系列风动冲击器上。该类型配气装置动作灵敏可靠，但阀片加工较困难。置动作灵敏可靠，但阀片加工较困难。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器图 . 斜面蝶状阀配气装置1-阀箱，2-阀片，3-阀座。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1.2 1.2 防空
21、打机构及工作原理防空打机构及工作原理l 潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接传至孔潜孔锤工作时，活塞的冲击能通过钻头直接传至孔底岩石，缸体不承受冲击载荷。底岩石，缸体不承受冲击载荷。l 即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷（即所即使在悬吊状态时，亦不允许承受冲击负荷（即所谓空打）。谓空打）。l 用防空打孔用防空打孔来实现这一功能。当潜孔锤处于悬吊来实现这一功能。当潜孔锤处于悬吊状态时，钻头状态时，钻头23及活塞及活塞9均借助于自重向下滑行一段均借助于自重向下滑行一段距离，则防空打孔距离，则防空打孔露露 出，于是来自配气机构的压出，于是来自配气机构的压气被引入缸体，并经活塞中心孔道及钻头孔道
22、流入气被引入缸体，并经活塞中心孔道及钻头孔道流入孔底，使潜孔锤自行停止工作。孔底，使潜孔锤自行停止工作。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1.3 1.3 配气机构及工作原理配气机构及工作原理(1) 返回行程工作返回行程工作l 返回行程返回行程阀片阀片7,活塞活塞9处于下限处于下限压气经阀片压气经阀片7后面、后面、阀盖阀盖6上的轴向与径向孔进入环形腔上的轴向与径向孔进入环形腔至气缸前腔，至气缸前腔，推动活塞向上运推动活塞向上运 动。动。l 气缸上腔经活塞气缸上腔经活塞9及钻头及钻头23的中心孔与孔底相通的中心孔与孔底相通压压气使活
23、塞气使活塞9加速向上运加速向上运 动。动。l 当活塞当活塞9端面与配气杆端面与配气杆22配合时，上腔排气孔关闭配合时，上腔排气孔关闭处于压缩状态处于压缩状态活塞做减速运动。活塞做减速运动。第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室l活塞杆端面越过衬套活塞杆端面越过衬套12上的沟槽上的沟槽时，下腔压气经钻头中时，下腔压气经钻头中孔与大气通，在压差作用下阀片孔与大气通，在压差作用下阀片7 7迅速上移关闭下腔气路，迅速上移关闭下腔气路，开始冲击行程的配气工作。开始冲击行程的配气工作。 (2) 冲击行程工作原理冲击行程工作原理u 冲击行程开始冲击
24、行程开始活塞和阀片均处于极上位置活塞和阀片均处于极上位置压气经阀盖压气经阀盖和阀座的径向孔进入气缸上腔和阀座的径向孔进入气缸上腔推动活塞高速向下运动冲推动活塞高速向下运动冲击钻头。击钻头。u 当活塞行至衬套的花键槽被关闭时当活塞行至衬套的花键槽被关闭时下腔压力开始上升下腔压力开始上升活塞上端中心孔离开配气杆活塞上端中心孔离开配气杆上腔通大气压力降低，工作上腔通大气压力降低，工作行程结束。行程结束。u 活塞冲击钻头尾部后活塞冲击钻头尾部后阀片因其上、下压差作用阀片因其上、下压差作用换向换向活塞重复返回行程动作。活塞重复返回行程动作。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程20
25、22-6-22中国地质大学勘查教研室2. 无阀潜孔锤无阀潜孔锤o潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸壁上，活塞潜孔锤控制活塞往复运动的配气系统装在活塞或气缸壁上，活塞运动时自动配气。运动时自动配气。o利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了动力气的消利用压气的膨胀功，推动活塞继续运动，从而减少了动力气的消耗；取消耗；取消 了复杂的配气机构，代之以简单的配气气路，气道路了复杂的配气机构，代之以简单的配气气路，气道路程短，气压损失小。主要有程短，气压损失小。主要有 国产国产W系列和国外系列和国外DHD系列。系列。W-200型的工作原理：型的工作原理：o压缩空气经上接头压缩空气经上接
26、头1、止逆塞、止逆塞4进入进气座进入进气座7下腔下腔 ，然后气体分成，然后气体分成两路：一路经进气座两路：一路经进气座7的中心孔道和节流塞的中心孔道和节流塞10进入活塞进入活塞11和钻头和钻头16的中心孔道的中心孔道至孔底冷却钻头和清除岩粉；至孔底冷却钻头和清除岩粉；第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室o 另一路气进入外缸另一路气进入外缸9和内缸和内缸8间的环形腔间的环形腔( (活塞运动进气室活塞运动进气室)推动活塞上下运动。推动活塞上下运动。o 进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气进气室的气体经内缸径向孔及活塞上环形气 槽进入下
27、缸，活槽进入下缸，活塞开始向上运动塞开始向上运动上移关闭进气气路上移关闭进气气路活塞靠气体膨胀运行活塞靠气体膨胀运行 ，当下缸与排气孔相通时当下缸与排气孔相通时活塞靠惯性运行活塞靠惯性运行. .无阀潜孔锤返程包无阀潜孔锤返程包括进气、膨胀、惯性滑行三阶段。括进气、膨胀、惯性滑行三阶段。o 活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上缸活塞在冲程过程中，气体经活塞上环形气槽进入上缸经历经历冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶段，不同的是各阶冲程进气、空气膨胀、活塞惯性滑行三阶段，不同的是各阶段运行长度不同，冲程要保证有足够的进气长度，使活塞获段运行长度不同，冲程要保证有足够的进气长度，使活塞获得
28、较大的速度，而具有较大的冲击能。得较大的速度，而具有较大的冲击能。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室3. 油气钻井用的气动潜孔锤o 空气锤提离井底空气锤提离井底时时，压缩空气从公接头流到钻头清，压缩空气从公接头流到钻头清理井眼，并没有激发活塞。理井眼，并没有激发活塞。o 当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头接头被压当空气锤放到井底同时加上钻压时，钻头接头被压紧到空气锤内部密封舱上。活塞的一个通气口紧到空气锤内部密封舱上。活塞的一个通气口( (流流体通过活塞的流道之一体通过活塞的流道之一) )对准控制杆的一个窗口，对准控制杆的一个
29、窗口，压缩空气压缩空气活塞底部空间活塞底部空间推动活塞向上运动。推动活塞向上运动。o 在活塞上行中，没有空气通过钻头流到在活塞上行中，没有空气通过钻头流到孔底孔底。实际。实际上上吹洗吹洗岩屑的岩屑的工作工作暂停了。暂停了。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室o 活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口对准了控活塞到达冲程顶部时，活塞的另一个通气口对准了控制杆的一个窗口，压缩空气制杆的一个窗口，压缩空气活塞上方空间活塞上方空间迫使活迫使活塞向下运动塞向下运动活塞撞击钻头接头上方。活塞撞击钻头接头上方。o 同时，控制杆的底阀打开，钻柱内
30、部的空气通过控制同时，控制杆的底阀打开，钻柱内部的空气通过控制杆、钻头接头以及钻头喷嘴杆、钻头接头以及钻头喷嘴吹向孔底吹向孔底带走岩屑。带走岩屑。o 钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大大提高。钻头上的冲击力使得钻头旋转破岩的效率大大提高。这种轮流的冲击，使得空气锤能够以较低的钻压钻进。这种轮流的冲击，使得空气锤能够以较低的钻压钻进。 第二节第二节 液动和气动冲击器液动和气动冲击器国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 0、冲击回转钻进用钻头的特点冲击回转钻进用钻头的特点q冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚
31、体材料强冲击回转钻进时钻头刚体承受冲击荷载、轴向静载和扭矩，刚体材料强度要高于普通钻头度要高于普通钻头40Cr、45CrNi合金钢；合金钢；q取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚1020mm，钻头体长度，钻头体长度较长较长(140mm)；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采用全面钻进型式；q钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积；q为使钻头切削具承受大冲载，多采用为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒或粗粒YG11C硬质合金切削硬质合金切削具，
32、多采用圆柱状、八角状和球齿形状。具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。q切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 一一、液动、液动冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头1.硬质合金钻头硬质合金钻头（1）普通大八角硬合金钻头）普通大八角硬合金钻头o 可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm以增大通水面积，内、以增大通水面积，内、外出刃外出刃3mm，底出刃，底出刃5mm，刃尖角，刃尖角90100，o 适于钻进适于钻进58级中硬岩石。级中硬
33、岩石。 （2）长片状肋骨式硬合金钻头）长片状肋骨式硬合金钻头o 钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨厚钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨厚4mm，外出刃，外出刃1.5mm，内出刃，内出刃1mm，底出刃，底出刃5mm，冲击刃角，冲击刃角110。o 适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石。适用于低频大冲击功液钻进中硬岩石。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头（3 3）异形硬合金钻头）异形硬合金钻头o 利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流阻背压和利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流阻背压和岩心堵塞。岩心堵塞。o 镶焊镶焊6粒硬质合金，内、外出刃各
34、粒硬质合金，内、外出刃各1mm，底出刃，底出刃2.53mm，合金刃尖角，合金刃尖角90100，o 适于在适于在57级中硬岩石中使用。级中硬岩石中使用。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2. 金刚石钻头金刚石钻头 o 液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬液动冲击回转金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬“打滑打滑”地地层常用高频低冲击功的液动冲击器。结构特点：层常用高频低冲击功的液动冲击器。结构特点：(1) 首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；(2) 选用高强度的或经过浑
35、圆化和金属镀层处理的金刚石；选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；(3) 因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，可选因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，可选7080目目金刚石，金刚石浓度金刚石，金刚石浓度75%左右；左右；(4) 要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬-硬胎体，唇面硬胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；(5) 由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设副水口，加由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设副
36、水口，加长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径。长加深钻头钢体内壁水槽，适当增大胎体外径。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头二、风动冲击回转钻进（潜孔锤）钻头o 多为全面钻头多为全面钻头整体式和分体式。整体式和分体式。o 根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型。根据碎岩材料可分为硬质合金型和金刚石加强型。o 切削刃形状切削刃形状分为刃片型、柱齿型和片柱混装型。分为刃片型、柱齿型和片柱混装型。 1. 柱齿柱齿1.1 硬质合金柱齿硬质合金柱齿 o 硬质合金牌号：硬质合金牌号：K4012
37、A，“K” 表示矿产开采用，表示矿产开采用，“40”表示半球形柱齿，表示半球形柱齿，“12”表示直径为表示直径为12mm，“A”表示高度。表示高度。o 半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相反。半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效率相反。o 钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬或坚硬、性脆钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬或坚硬、性脆的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿。的岩石采用锥球齿，钻进软岩时宜采用楔形齿。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室o 硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨损严重，最
38、硬合金柱齿耐磨性较低，钻进坚硬磨蚀性岩石时周边柱齿磨损严重，最好的办法是采用金刚石加强柱齿。好的办法是采用金刚石加强柱齿。1.2 金刚石加强柱齿金刚石加强柱齿o 有聚晶型和孕镶型有聚晶型和孕镶型将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，利用硬质将金刚石层复合到硬质合金柱齿头部，利用硬质合金良好的冲击韧性。可延长钻头寿命，提高钻速降低钻进成本。合金良好的冲击韧性。可延长钻头寿命，提高钻速降低钻进成本。o 聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成。为克服金刚石聚晶层与聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成。为克服金刚石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同，弹性模量不同，在金刚石聚晶与硬质硬质合金基体的热
39、膨胀系数不同，弹性模量不同，在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层。合金基体间采用了两层过渡层。o 孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成孕镶型柱齿在中频炉上采用热压法烧结而成 ，金刚石含量为，金刚石含量为75%左右，左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金基体牢固连接。采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬合金基体牢固连接。 第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第三节第三节 冲击回转钻进用钻头冲击回转钻进用钻头 2 2潜孔锤潜孔锤柱齿钻头柱齿钻头 o 用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。o
40、 钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速稳定；柱钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速稳定；柱齿损坏齿损坏20%时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后便不能使用。便不能使用。o 可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头。图中可分为二翼形、三翼形和四翼形钻头。图中J-200型四翼型四翼钻头宜用在中硬及中硬以下岩石钻头宜用在中硬及中硬以下岩石 。近似于半球形的头部。近似于半球形的头部（亦称球齿形钻头）使边齿倾斜角近（亦称球齿形钻头）使边齿倾斜角近45提高钻头寿命。提高钻头寿命。 o 可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等。圆弧型和可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸
41、型等。圆弧型和中凸型钻速较高。中凹型由于凸出的岩核起定心作用，中凸型钻速较高。中凹型由于凸出的岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。所以能钻较直的炮孔。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 一、冲击回转破岩机理一、冲击回转破岩机理q 冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，岩石产冲击使接触应力瞬间达极大，应力集中，岩石产生裂纹。冲击速度生裂纹。冲击速度岩石脆性岩石脆性，裂隙发育，裂隙发育，不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩不大的冲击能（数十焦耳）就可破碎极坚硬的岩石。石。q 钻头上同时作用轴向静载、冲击力和回转力矩。钻头上同时作
42、用轴向静载、冲击力和回转力矩。刃具具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征。刃具具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征。q 根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转钻进分为冲击钻进分为冲击- -回转和回转回转和回转-冲击两种碎岩形式。冲击两种碎岩形式。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室1. 1. 冲击冲击- -回转碎岩回转碎岩u 主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具的反弹力，主要以冲击载荷碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具的反弹力，改善冲击能的传递。改善冲击能的传递。u 回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰。
43、拟回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留的岩石脊峰。拟订最佳回转速度时订最佳回转速度时 ，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。u 冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类。冲击器具有低频率，大冲击功，风动潜孔锤即属此类。u 利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒岩体的剥离。利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒岩体的剥离。随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著。随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈显著。 第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲
44、击回转钻进工艺2. 2. 回转回转- -冲击碎岩冲击碎岩u 回转回转- -冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的硬质合金钻冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进的硬质合金钻头或金刚石钻头上。主要用于小口径钻进，液动冲击器即属此类。头或金刚石钻头上。主要用于小口径钻进，液动冲击器即属此类。u 破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，破岩机理：岩石受高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被增大了破碎体积；另一方面岩石内部分子被 迫振荡而产生疲劳破坏迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向的静压和回转切削，增加了破岩的效
45、果。并降低了强度，再加上轴向的静压和回转切削，增加了破岩的效果。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺二、影响冲击回转碎岩效果的因素二、影响冲击回转碎岩效果的因素1.1. 冲击能量对碎岩效果的影响冲击能量对碎岩效果的影响 u 并非冲击器的冲击能量越大越好。评定碎岩效果并非冲击器的冲击能量越大越好。评定碎岩效果还必须考虑碎岩比功。无论单次或多次冲击钻进，还必须考虑碎岩比功。无论单次或多次冲击钻进，A和和a的关系分成的关系分成u AA0伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，因而比功伤痕区，冲击能小，岩石不产生破碎坑，岩粉很细，因
46、而比功很大；很大；u A0AAc过渡区过渡区 ，比功，比功a变化不大；变化不大；u AAc稳定区，比功稳定区，比功a较小且变化不大较小且变化不大 。对一般岩石，冲击能量。对一般岩石，冲击能量Ac=10J/cm，破碎比功，破碎比功a有稳定值。有稳定值。国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 2. 冲击间隔对碎岩效果的影响冲击间隔对碎岩效果的影响 u 两次冲击之间切削刃回转一个角度两次冲击之间切削刃回转一个角度称为冲击间隔。反映了转速与冲称为冲击间隔。反映了转速与冲击频率之间的关系，使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大击频率之间的
47、关系，使两次冲击间的岩脊能被全部剪崩或切削掉的最大间隔，称为间隔，称为“最优冲击间隔最优冲击间隔”，常用相邻两次冲击间的最优夹角，常用相邻两次冲击间的最优夹角表示；表示；u 最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径最优冲击间隔与冲击器的冲击功、岩性、冲齿圆弧半径R和切削刃角和切削刃角有有关；关；u 随冲击功随冲击功岩石的最优角岩石的最优角，花岗闪长岩，当，花岗闪长岩，当A=6.1J/cm时，时， =5 ；A=12.5J/cm时时, =7.5。u 随岩石硬度随岩石硬度最优角最优角，如，如A=6.1J/cm时大理岩时大理岩 =7.5，花岗岩，花岗岩 =5。 国家精品课程2022-6-22中
48、国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺3. 冲击应力波对碎岩效果的影响u 冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎岩效果有冲击力以应力波的形式传给岩石，对碎岩效果有重要影响。重要影响。u 细长冲锤入射波幅值低作用时间长；短而粗冲锤细长冲锤入射波幅值低作用时间长；短而粗冲锤入射波幅值高作用时间短。图中冲锤质量相同，入射波幅值高作用时间短。图中冲锤质量相同，但入射波形却不同。但入射波形却不同。u 入射波形对碎岩的影响：缓和入射波比陡的凿入效率高，因凿入初不需入射波形对碎岩的影响：缓和入射波比陡的凿入效率高，因凿入初不需很大的力，随刃具侵深增加，所需力也增大，故缓和波形与之匹配
49、。很大的力，随刃具侵深增加，所需力也增大，故缓和波形与之匹配。u 改变入射波形状，除调整活塞的形状和断面积之外，还可以用调整撞击改变入射波形状，除调整活塞的形状和断面积之外，还可以用调整撞击面的接触条件来达到。面的接触条件来达到。 国家精品课程2022-6-22中国地质大学勘查教研室第四节第四节 冲击回转钻进工艺冲击回转钻进工艺 三、冲击回转钻进规程参数三、冲击回转钻进规程参数 1、钻压钻压q 钻压给岩石内部预应力，改善冲击能量的传递条件。但钻压钻压给岩石内部预应力，改善冲击能量的传递条件。但钻压 切削刃单位切削刃单位进尺磨损量进尺磨损量，为，为刃磨损，钻压不能过大，但必须克服冲击器反弹力。刃
50、磨损，钻压不能过大，但必须克服冲击器反弹力。q 硬合金液动冲击回转钻进：硬度不大弱研磨性岩石要充分发挥回转切削碎硬合金液动冲击回转钻进：硬度不大弱研磨性岩石要充分发挥回转切削碎岩作用，应采用较大钻压。坚硬强研磨性岩石应发挥冲击碎岩的作用，钻岩作用，应采用较大钻压。坚硬强研磨性岩石应发挥冲击碎岩的作用，钻压可相对小些。压可相对小些。q 金刚石钻头以微切削与磨削为主，冲击为辅，故岩石越硬所需钻压越大，金刚石钻头以微切削与磨削为主，冲击为辅，故岩石越硬所需钻压越大，钻头口径钻头口径 钻压也应钻压也应 。q 风动潜孔锤全面钻头，冲击功大，钻压对碎岩的影响较小，据报导，其钻风动潜孔锤全面钻头，冲击功大，
