岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进.ppt
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1、2019/3/1,工程钻探,1,1 冲击回转钻进工艺原理 2 常用冲击器分类、结构及工作原理 3 冲击回转钻进用钻头 4 冲击回转钻进规程 5 冲击回转钻进应用范围,岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进,2019/3/1,工程钻探,2,最早的雏形为手持钎杆人工锤击凿岩,嗣后发展为在回转钻进基础上增加冲击器,形成以纵向冲击和回转切削共同破碎岩石的钻进方法。 目前有两大类冲击回转钻进机构:顶驱式和潜孔式。 潜孔式冲击回转钻进的核心器具是冲击器,根据驱动介质类型可分为液动冲击器、气动冲击器、机械冲击器等。 液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。1887年就获得专利,但实际到20世纪50年代,前苏联和中国
2、才开始研究并在地质取心钻探中广泛采用。 气动冲击器也称为风动潜孔锤,是用压缩空气作为驱动介质,多用于全面钻进。,2019/3/1,工程钻探,3,1 冲击回转钻进工艺原理,冲击回转钻进是钻头在静压作用下进行回转,同时施加纵向冲击动载,从而形成以回转切削和纵向冲击相结合的碎岩钻进方法。,1. 定义:,一些冲击钻进(如钢绳冲击钻进)中虽然有孔内钻具或钻头的回转,但未主动施加回转外载荷,只是变换冲击位置。所以将其划分为纯粹的冲击钻进。 钢粒、硬合金和金刚石钻进中,也会因各种原因产生振动,但未主动施加冲击外载,所以是纯粹的回转钻进。,2019/3/1,工程钻探,4,2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理
3、研究结论, 冲击动载作用下岩石易产生大剪切破碎,这对硬岩(特别是粗颗粒硬岩)效果更为明显;, 在有一定预压下冲击破碎岩石,岩石的强度要降低5080%;,实验证明,对同种岩石,冲击载荷破碎的坑穴远大于静压载荷破碎的坑穴。这可用岩石的剪切强度只是抗压强度的1/61/12进行解释。,实验证明,同样是冲击破碎岩石,有预压条件比无预压条件的强度要低的多。,2019/3/1,工程钻探,5, 切削具在动载作用时与岩石接触时间短,磨损小。, 岩石在动载作用下脆性增加,有利于裂隙发育和脆性破碎;,实验证明,静载作用下不产生破碎坑穴的岩石,如孔隙性石灰岩,在动载作用下产生了破碎坑穴,说明岩石脆性增加。, 岩石在动
4、载下强度、硬度和破碎比功都增加。,磨损量与摩擦功成正比,摩擦功与摩擦时间成正比,所以,摩擦时间越长,磨损量越大。,大量试验证明,岩石的动硬度高于静硬度。,2019/3/1,工程钻探,6,3. 冲击回转钻进碎岩过程,图(a):静压回转钻进。 钻头在静压和回转两种外力作用下向下螺旋钻进。 图(b):冲击钻进。 钻头在唯一冲击力作用下上下运动。 图(c):冲击回转钻进。 钻头在静压力、回转扭矩和冲击力三种外载共同作用下向下螺旋钻进。,最优冲击夹角,2019/3/1,工程钻探,7,在坚硬、脆性的岩石中钻进,岩石破碎主要是冲击力的结果。,4.在不同岩石中的破碎机理,冲击回转钻进钻遇岩石性质不同时,静压力
5、、回转扭矩和冲击力三种外载荷在碎岩过程中发挥的作用不同。,静压力因为不可能达到压入破碎岩石的应力要求,所以,它主要的作用是克服冲击反弹,保证冲击能量的传递。 回转扭矩所起的作用是将裂隙发育的岩石剪切掉,同时变换切削具的冲击位置。,2019/3/1,工程钻探,8,在中硬、塑性的岩石中钻进,岩石破碎主要是静压力和回转扭矩的结果。,在塑性岩石中钻进,因为冲击器的冲击能量大部分被岩石塑性变形所吸收,所以,它不可能对岩石破碎起到主要作用。 这时静压力使切削具吃入岩石,回转扭矩使切削具剪切岩石,冲击力只起到促进岩石裂隙发育、脆性增加的辅助碎岩效果。,2019/3/1,工程钻探,9,由于在两类岩石中三种外载
6、荷各自发挥的作用不同,决定了在两类岩石钻进中所用的规程参数不同。 在坚硬、脆性的岩石中钻进:要注重发挥冲击器的作用,并且注意回转速度与冲击频率和冲击功的配合,将其控制在两次冲击之间的夹角上。 在中硬、塑性的岩石中钻进: 对冲击频率和冲击功的要求不高,主要是应将钻压加得足够,保证切削具吃入岩石的深度足够。此时,对转速的控制就并不要求合理的冲击夹角了。,两类不同岩石中的不同破碎机理,决定了采用的工艺规程参数应当不同。,2019/3/1,工程钻探,10,7.2 常用冲击器分类、结构及工作原理,冲击回转钻进的纵向冲击动载是由安装在靠近钻头的专门的冲击器产生的,根据冲击器的驱动方式,一般将冲击器分为以下
7、几类:,7.2.1 冲击器分类, 气动冲击器以压缩空气为动力介质。这类冲击器习惯称为“潜孔锤”,在全面钻进钻孔施工中使用最多,如锚固孔施工。, 液动冲击器以高压液体(水或泥浆)为动力介质。这类冲击器在我国岩心钻探中使用最多。,2019/3/1,工程钻探,11, 机械冲击器利用某种机械运动使冲锤上下运动。这类冲击器一般采用端面牙嵌机构、凸轮机构等将钻具的回转运动变为纵向冲击运动。受工作原理和材料强度的影响,寿命一直未能取得较大突破,故目前还未大量进入生产使用。, 其它冲击器如电磁、电机、涡轮等,未见实用。,2019/3/1,工程钻探,12,7.2.2 常用液动冲击器结构及工作原理,2019/3/
8、1,工程钻探,13, 正作用液动冲击器,图7.1 正作用液动冲击器 1-外壳; 2-活阀座垫圈; 3-阀簧; 4-活阀; 5-冲锤活塞; 6-锤簧; 7-铁砧; 8-缓冲垫圈; 9-阀座,结构:如图所示。 工作原理:以液体压力推动冲锤下行进行冲击,以弹簧作用力复位。 特点:结构简单,技术成熟。冲锤活塞向下作功时,可利用高压室中巨大的水锤能量;但复位弹簧的反作用力将抵消相当大的冲击力。,7.2.2.1 阀式液动冲击器,2019/3/1,工程钻探,14,结构:如图所示。 工作原理:利用高压液流的压力推动冲锤活塞上行,并压缩工作弹簧储存能量,经弹簧释能而作功。 特点:结构简单,技术成熟,由于被压缩弹
9、簧释放出的能量与冲锤活塞自重同时作用,故可获得较大的单次冲击功,冲击器内部压力损失小,能量利用率高。但工作弹簧的工作寿命只有40100h。, 反作用液动冲击器,图7.2 反作用液动冲击器 1-工作弹簧; 2-外壳; 3-冲锤活塞; 4-铁砧,2019/3/1,工程钻探,15,结构:如图所示。 工作原理:冲锤活塞正冲程和反冲程均由液体压力推动。 特点:结构较复杂。采用差动运动方式,必须有既滑动又隔压的密封件,以使冲击器内部能形成一个压力差,在铁砧部位设有“节流环“、“下阀“等元件,在与冲锤活塞中间部位和活阀上部对应的外壳处设有“呼吸道“。从理论上讲,该冲击器的液流功率恢复较高。, 双作用液动冲击
10、器,图7.3 双作用液动冲击器 1-带孔的活阀座; 2-活阀; 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,2019/3/1,工程钻探,16,7.2.2.2 无阀式液动冲击器, 射流式液动冲击器,图7.4 射流冲击器结构图 1-上接头; 2-射流元件; 3-缸体; 4-活塞; 5-冲锤; 6-外缸; 7-砧子; 8-花键套; 9-下接头,结构:如图所示。 工作原理:由我国独创的采用双稳射流元件作为控制机构、冲锤活塞正、反冲程均由高压液体推动的新型钻具。 特点:结构较简单,除活塞与冲锤外无其他运动零件,也无弹簧、配水活阀等易损零件,因
11、而钻具工作可靠,使用寿命长;冲锤向下冲击砧子时,没有自由行程阶段和弹簧对冲击力的抵消作用,因而冲击器能量利用率高;能适用于高温高压条件下的深井作业。缺点是对冲洗液杂质含量要求高,否则射流原件易堵塞。,2019/3/1,工程钻探,17, 射吸式液动冲击器,结构:如图所示。 工作原理:由我国独创的利用高压液流喷射时的卷吸作用,使冲锤活塞的上下腔产生交变压力差推动冲锤活塞往复运动实现冲击作用的新型钻具。 特点:结构简单,运动部件及易损件少,液流在腔体内畅通性较好,适于小口径钻进。,图7.6 射吸式冲击器 1-喷嘴; 2-上腔; 3-冲锤活塞; 4-活塞套; 5-外壳; 6-下腔; 7-砧子,2019
12、/3/1,工程钻探,18,7.2.3 常用气动冲击器结构及工作原理,气动冲击器以气体做为工作介质,习惯称为潜孔锤。潜孔锤也可根据配气方式分为有阀式和无阀式两类,下面分别介绍它们的结构和工作原理。, 有阀式潜孔锤,结构:如图所示。 工作原理:由配气机构的阀片控制高压气体推动冲锤活塞上、下运动实现冲击。 特点:结构比较复杂,加工要求较高,但排除岩粉的效果较好,故可降低钻头的磨耗和提高钻进效率。,图7.7 J200B型潜孔锤 1-接头; 2-钢垫圈; 3-调整圈; 4-碟簧; 5-节流塞; 6-阀盖; 7-阀片; 8-阀座; 9-活塞; 10-外壳; 11-内缸; 12-衬套; 13-柱销; 14-
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