液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)課件

什么叫沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)？沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是在鉆頭已承受一定靜載荷的基礎(chǔ)上，以縱向沖擊力和回轉(zhuǎn)切削力共同破碎巖石的鉆進(jìn)方法。與常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)法相比，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)只要用不大的沖擊力，便可以達(dá)到破碎堅(jiān)硬巖石的效果。由液動(dòng)沖擊器提供沖擊功的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)叫液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是繼現(xiàn)代金剛石鉆探之后的鉆探新方法新工藝。我國研究沖擊回轉(zhuǎn)鉆探用的沖擊器、錘頭(通稱潛孔錘)及其鉆進(jìn)工藝始于1958年，至今已有40余年的歷史。據(jù)史書記載，人類懂得利用水力作為動(dòng)力資源已有數(shù)千年的歷史，然而鉆探工作者考慮利用鉆桿柱中的沖洗液蘊(yùn)藏的能量驅(qū)動(dòng)孔底鉆頭鉆進(jìn)巖石則開始于1887年，由德國人沃.布什曼(V.Buschman)發(fā)明了這種新的鉆進(jìn)方法，英國當(dāng)時(shí)曾授予專利權(quán)。其后由考恩達(dá)（Coanda）（國籍不詳）對(duì)液動(dòng)機(jī)理作了若干探討，稱之為考恩達(dá)效應(yīng)（CoandaEffect）。我國這項(xiàng)鉆探技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段。起步階段－1958～1965地礦部勘探技術(shù)研究所率先開始了對(duì)液動(dòng)沖擊器的科學(xué)研究，到1965年，先后研制出了7種不同結(jié)構(gòu)形式的液動(dòng)沖擊器，經(jīng)室內(nèi)性能對(duì)比試驗(yàn)，優(yōu)選出了YZ－2型閥式正作用液動(dòng)沖擊器，并在湖南地礦局某多金屬礦區(qū)進(jìn)行了首次生產(chǎn)性試驗(yàn)，最大試驗(yàn)孔深430m，取得了初步成功。與此同時(shí)，該所在廣泛收集國外有關(guān)情報(bào)資料的基礎(chǔ)上，于1963年編輯了《沖擊回轉(zhuǎn)鉆探專輯》，廣泛介紹了國內(nèi)外文獻(xiàn)資料。上述工作為后來液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。提高與實(shí)用階段－1984～1990

自1984年至1990年是液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的科研與推廣應(yīng)用的迅速發(fā)展階段。六年來我國在液動(dòng)沖擊器的理論和開發(fā)研究方面有了進(jìn)一步的深化和發(fā)展，配套技術(shù)方面的研究和推廣應(yīng)用得到了重視和加強(qiáng)，取得了豐碩的研究成果和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1．在已有成果的基礎(chǔ)上，對(duì)沖擊器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步地優(yōu)化設(shè)計(jì)（尤其是配水機(jī)構(gòu)），有效地降低了沖擊器的正常工作排量和壓力損失，為生產(chǎn)第一線提供了一批新一代的液動(dòng)沖擊器。2．在研制開發(fā)新型液動(dòng)沖擊器、拓寬其應(yīng)用范圍方面也取得了可喜的成就。3．繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆具的研制取得成功，并在生產(chǎn)實(shí)踐得到推廣應(yīng)用，標(biāo)志著我國液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)的研究水平有了新的提高。4．液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)配套技術(shù)的研究也取得重要成果。常用液動(dòng)錘分類液動(dòng)沖擊器根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為:閥式液動(dòng)沖擊器又可分為:(1)正作用閥式液動(dòng)沖擊器;(2)反作用閥式液動(dòng)沖擊器;(3)雙作用閥式液動(dòng)沖擊器.無閥式液動(dòng)沖擊器又可分為:(1)

射流式液動(dòng)沖擊器;(2)射吸式液動(dòng)沖擊器。正作用液動(dòng)沖擊器工作原理閥式正作用液動(dòng)沖擊器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理見圖。當(dāng)鉆具接觸孔底后，沖錘活塞5在錘簧6的作用下處于上位，當(dāng)其中心孔被活閥4蓋住時(shí)，液流瞬時(shí)被阻，液壓急劇增高而產(chǎn)生水錘增壓。在高壓液流作用下，活塞和活閥一同下行壓縮閥簧與錘簧。這稱為閉閥啟動(dòng)加速運(yùn)行階段。當(dāng)活閥下行到相當(dāng)位置時(shí)，活閥4被活閥座2限制，停止下行并與沖錘脫開，此時(shí)沖洗液可以自由地流徑?jīng)_擊器中孔而至孔底，液壓下降。正作用液動(dòng)沖擊器特點(diǎn)正作用沖擊器是以液壓推動(dòng)沖錘下行沖擊，而用彈簧使沖錘復(fù)位的沖擊器。正作用沖擊器結(jié)構(gòu)簡單，工作性能穩(wěn)定，調(diào)試容易，但沖擊器中彈簧的反作用要消耗一部分能量，抵消了很大一部分高壓液流所產(chǎn)生的沖擊力。同時(shí)彈簧在1500次／min或更高的循環(huán)壓縮、伸張下，容易損壞。但是，如果調(diào)試和有效能利用適當(dāng)，該類沖擊器仍是一種具有廣泛使用價(jià)值和發(fā)展前途的沖擊器。反作用液動(dòng)沖擊器工作原理反作用液動(dòng)沖擊器的工作原理與正作用沖擊器正好相反，它是利用高壓液流的壓力增高來推動(dòng)活塞沖錘上升，并同時(shí)壓縮彈簧，儲(chǔ)備能量，一旦當(dāng)工作室壓力下降時(shí)，彈簧便釋放彈性能推動(dòng)活塞沖錘加速向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生沖擊而做功。反作用沖擊器的結(jié)構(gòu)原理及工作過程見示意圖。當(dāng)高壓液流進(jìn)入沖擊器后，作用于活塞沖錘的下部，當(dāng)液流的作用使活塞的上下端壓力差超過工作彈簧1的壓縮力和活塞沖錘本身的重量時(shí)，迫使活塞沖錘上行，同時(shí)壓縮工作彈簧1使其儲(chǔ)存能量，與此同時(shí)，鐵砧4的水路逐步打開，高壓液流開始流向孔底，此時(shí)活塞沖錘仍以慣性作用繼續(xù)上升。當(dāng)沖錘3上升到上死點(diǎn)時(shí)，活塞沖錘下部的液流已通暢地流向孔底，此時(shí)工作室壓力降低。由于活塞沖錘自身的容量和工作彈簧1釋放出的能量的同時(shí)作用，驅(qū)動(dòng)活塞沖錘急劇向下運(yùn)動(dòng)而沖擊鐵砧。產(chǎn)生沖擊時(shí)，由于活塞沖錘與鐵砧4相接觸而又封閉了液流通向孔底的通路。此后，高壓液流再一次作用于活塞沖錘3的下部而循環(huán)重復(fù)上一次的動(dòng)作。反作用液動(dòng)沖擊器特點(diǎn)反作用沖擊器的主要優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)沖洗液的適應(yīng)能力較強(qiáng)；由于被壓縮彈簧釋放出來的能量與活塞沖錘的重量同時(shí)向下作用，故可獲得較大的單次沖擊功；沖擊器內(nèi)部的壓力損失較小，故效率較高。該類沖擊器的主要缺點(diǎn)是需要?jiǎng)偠容^大的彈簧，此種彈簧需采用特殊的工藝制造，盡管如此，其工作壽命也只有40～100小時(shí)。雙作用液動(dòng)沖擊器工作原理如果鉆頭通道也能建立這個(gè)壓力差，則不一定要節(jié)流環(huán)。當(dāng)鉆具下到孔底，沖擊器啟動(dòng)時(shí)，則活塞接頭／被壓緊到外套g上。這時(shí)，壓力工作室d外的液體，分別作用到活閥2和活塞6上，使活閥上移至最上位置。同時(shí)沖錘活塞由于上下端有壓力差，也向上移動(dòng)。當(dāng)沖錘活塞向上行至同活閥2接合時(shí)，通道d被關(guān)閉，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)上升力被截止。由于液力作用于活閥2下部的環(huán)形截面上，則沖錘活塞6與活問2一起急速下行。當(dāng)活閥下行到行程為h時(shí)，則被支撐座4限制住。沖錘活塞借助慣性作用繼續(xù)下行，活閥與沖錘活塞分離，沖錘活塞的中心通道被打開，又恢復(fù)了循環(huán)，沖錘活塞繼續(xù)下行行程S，沖擊砧子9，當(dāng)沖錘活塞與砧子間由于反作用力分開后，在沖錘活塞上又出現(xiàn)了液體壓力差，從而使沖錘活塞又急劇上升。與此同時(shí)，活閥也由于壓力差作用急劇上行。當(dāng)沖錘活塞上行至與活閥又接合時(shí)，通道d又被關(guān)閉，沖錘活塞又復(fù)下行，運(yùn)動(dòng)周而復(fù)始。當(dāng)進(jìn)入沖擊器的液體流量不同時(shí)，可以得到42～50HZ的不同頻率。雙作用液動(dòng)沖擊器特點(diǎn)雙作用液動(dòng)沖擊器的主要特點(diǎn)是沖錘的工作沖程與反沖程均由液壓推動(dòng)，而不依賴彈簧的作用。與其他種沖擊器一樣，雙作用沖擊器按其結(jié)構(gòu)不同，也有滑閥式和活閥式兩種。由于滑閥式只能在沖洗液清潔的條件下工作，應(yīng)用不廣。目前在生產(chǎn)中主要采用活閥式。射吸式液動(dòng)沖擊器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、零件少、無易損彈簧，因此工作壽命較長。輸出輸入技術(shù)參數(shù)范圍較寬，能在高頻狀態(tài)下穩(wěn)定沖擊，耐背壓特性好。射流式液動(dòng)沖擊器工作原理水泵輸出的高壓水經(jīng)鉆桿柱輸入射流元件1，從噴嘴噴出，產(chǎn)生附壁作用。若先附壁于右側(cè)，高壓液流則流人右輸出通道C并進(jìn)入缸體2的上部，推動(dòng)活塞3下行。此時(shí)，與活塞連接的沖錘4便沖擊砧子5，將沖擊動(dòng)能傳給巖心管及鉆頭，完成一次沖擊。在C輸出高壓水的同時(shí)，有一小股高壓液流(稱為反饋信號(hào)液流)進(jìn)入D控制孔。在活塞行程末了時(shí)，反饋信號(hào)很強(qiáng)，促使射流由C切換到E輸出，高壓液流由左通道輸出，進(jìn)入下腔，推動(dòng)活塞向上。同時(shí)，當(dāng)活塞上行時(shí)，反饋信號(hào)又回到F，射流又切換到右輸出通道。如此反復(fù)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)沖錘的沖擊動(dòng)作。上下缸的回水通過C、E輸出道而返回到放空孔，經(jīng)水接頭及砧子內(nèi)孔道流人巖心管，直達(dá)孔底，沖洗孔底后返回地表。射流式液動(dòng)沖擊器特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，零件少，易于操作；無彈簧及配水活閥等零件，壽命較長；能量利用率也較高；工作時(shí)不易產(chǎn)生堵水現(xiàn)象，能較好地預(yù)防燒鉆頭及蹩泵等事故；鉆進(jìn)中產(chǎn)生的高壓水錘波比閥式?jīng)_擊器小，鉆具工作較平穩(wěn)，能減少水泵、沖擊器及高壓管路等零件損壞。但射流元件壽命受泥漿性能影響較大，在泥漿含砂量較大的情況下，射流元件壽命短，導(dǎo)致使用成本高。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為什么能提高鉆進(jìn)效率？沖擊負(fù)荷的特點(diǎn)是接觸應(yīng)力瞬時(shí)可達(dá)極高值，應(yīng)力比較集中。所以盡管巖石動(dòng)硬度比靜硬度大（一般大8-9倍），但仍易產(chǎn)生微裂紋。并且沖擊速度愈大，巖石脆性增大，有利于裂隙發(fā)育。因此可以用不大的沖擊功（數(shù)個(gè)公斤·米）就可破碎堅(jiān)硬巖石，而靜壓入則需很大的功；液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為什么能提高鉆進(jìn)效率？切削刀具磨損較小。其原因有：鉆進(jìn)中所需的軸向壓力較小，轉(zhuǎn)速低；體積破碎的摩擦系數(shù)低于表面破碎時(shí)摩擦系數(shù)，而在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中易達(dá)到體積破碎巖石的程度；、鉆速快，切削具的相對(duì)磨損減小；沖擊破碎巖石時(shí)，刀具與巖石的作用時(shí)間短。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為什么能提高鉆進(jìn)效率？因?yàn)樵跊_擊時(shí)還加有一定的軸向壓力，改善了沖擊功能的傳遞條件，增大了沖擊效果；因?yàn)楦哳l并連續(xù)地給巖石施加沖擊負(fù)荷，所以在破碎巖石過程中，裂隙發(fā)育較完全，更有利于破碎硬巖石；因?yàn)樵跊_擊中又有連續(xù)不斷的回轉(zhuǎn)切削作用，改善了沖擊負(fù)荷的傳遞方向，充分發(fā)揮了沖擊破碎巖石和切削破碎巖石的效果。采用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)注意哪些問題？－2由于液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)須采用卡簧卡取巖心?？ɑ傻膬?nèi)徑要比鉆頭的內(nèi)徑小0.3-0.8毫米（軟巖層應(yīng)取大值，硬巖層應(yīng)取小值）。在硬質(zhì)合金鉆進(jìn)時(shí)，如果所鉆進(jìn)的巖石完整，也可以不用卡簧，而采用干鉆方法采取巖心。在破碎巖層中鉆進(jìn)時(shí)，為了確保巖礦心的采取率，應(yīng)在沖擊器與巖心管之間加裝反循環(huán)接頭，進(jìn)行局部反循環(huán)鉆進(jìn)；采用液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)注意哪些問題？－3根據(jù)巖層情況選用巖心管長度。因?yàn)闆_擊功是通過巖ib管傳遞給鉆頭，隨著巖心管的加長，其沖擊能量被巖心管的彈性所吸收的也就愈多，傳遞效率降低。因此應(yīng)盡量減少巖心管的長度，提高沖擊效能。一般原則是，鉆進(jìn)硬巖層用較短的巖心管，軟巖層用較長的巖心管；為防止巖心管過長或過短而導(dǎo)致鉆孔偏斜，可在液動(dòng)沖擊器的上部加添幾個(gè)扶正器進(jìn)行導(dǎo)正；鉆進(jìn)中如遇到輕微的坍塌掉塊、發(fā)生卡、埋事故，可在提動(dòng)鉆具的同時(shí)繼續(xù)送水，使沖擊器產(chǎn)生震動(dòng)作用進(jìn)行排除。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速控制在沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中，應(yīng)選用低轉(zhuǎn)速，這主要是為了降低切削具刃角的磨損和增加回次進(jìn)尺長度。增加轉(zhuǎn)速，在沖擊頻率不變的情況下，就等于相對(duì)增加二次沖擊的間距，增大了切削具的切削行程。由于間距太大則前次沖擊破碎穴的自由面不能充分利用。反而降低了鉆進(jìn)效率，所以沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)應(yīng)選用低轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)為宜。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速控制在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)，還應(yīng)考慮以下因素：硬質(zhì)合金鉆進(jìn)硬的或強(qiáng)研磨性、破碎的巖石，鉆具的回轉(zhuǎn)速度一般選用30^45轉(zhuǎn)／分，巖石愈硬，其轉(zhuǎn)速應(yīng)愈低，如果轉(zhuǎn)速提高，則沖擊間距大，容易過早地磨損或崩壞硬質(zhì)合金，從而降低了破碎巖石的效果。鉆進(jìn)軟巖層或裂隙發(fā)育的巖層時(shí)，鉆具的轉(zhuǎn)速一般選用120－150轉(zhuǎn)／分，最高轉(zhuǎn)速不要超過150-270轉(zhuǎn)／分。以便充分發(fā)揮切削破碎巖石的效用；液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速控制用金剛石作研料進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，為了充分發(fā)揮金剛石磨削巖石的作用，可將鉆具轉(zhuǎn)速提高到300轉(zhuǎn)／分以上；液動(dòng)沖擊器的沖擊頻率高時(shí)，其鉆具回轉(zhuǎn)速度應(yīng)適當(dāng)高些，反之則低些；液動(dòng)沖擊器的沖擊功大時(shí)，可適當(dāng)提高鉆具回轉(zhuǎn)速度，反之則小。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泵量控制泥漿泵的沖洗液量是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的重要參數(shù)。因?yàn)闆_洗液量不僅影響沖洗鉆孔的質(zhì)量，而且直接影響沖擊器的工作性能—沖擊功和沖擊頻率，從而影響到鉆進(jìn)效率。因此，只要地層允許，泥漿泵工作正常，就應(yīng)盡量滿足沖擊器工作時(shí)所需的沖洗液量?！疫€需適當(dāng)增大些沖洗液量，以補(bǔ)充管路各接頭等處的泄露。洗液量為80－150升／分；射流式?jīng)_擊器一般需要的沖洗液量為200升／分左右。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泵量控制泵壓除克服沖擊器及管路上的阻力損失外，還應(yīng)滿足沖擊器作功