多工艺冲击回转钻进技术

工程钻探学课件
第二节、冲击回转钻进 二、冲击回转钻进用的钻头 2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头
长片状肋骨式硬合金钻头: 钻头内肋骨与钢体成一体。外肋骨 厚4mm，外出刃1.5mm，内出刃 1mm，底出刃5mm，冲击刃角110º。 适用于采用大冲击功、低频率液动 冲击器钻进中硬岩石。
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第二节、冲击回转钻进 二、冲击回转钻进用的钻头 1、冲击回转钻进用钻头的特点 1) 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——40Cr、45CrNi合金钢； 2) 取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚10~20mm， 钻头体长度较长(140mm)；而气动冲击回转钻头壁厚更大或多采 用全面钻进型式； 3) 钻头体的外形多呈多边形，以增大通水、通气面积； 4) 为使钻头切削具承受大冲载，多采用YGl5或粗粒YG11C硬质 合金切削具，多采用圆柱状、八角状和球齿形状。 5) 切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。
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潜孔锤钻凿水井
第二节、冲击回转钻进
一、冲击器 冲击器种类繁多。目前根据所采用的动力不同分为：
(1)液动冲击器：采用高压水或泥浆做为动力介质； (2）风动冲击器：又称风动“潜孔锤”，用压缩空气做 为动力介质； (3）机械作用式冲击器：利用某种机械运动，使冲锤上 下运动而产生冲击力。
在地质勘探中常用液动冲击器；大口径工程施工钻进与水 井钻进，一般使用风动冲击器。
1一外壳； 2一活阀座垫圈； 3一阀簧； 4一活阀； 5一冲锤活塞； 6一锤簧； 7一铁砧； 8一缓冲垫圈
正作用液动冲击 器工作原理图
第二节、冲击回转钻进 一、冲击器 1、液动冲击器
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冲击器及钻头

冲击反循环钻孔法施工工艺1前言随着国民经济的发展，铁路、公路的桥梁以及高层建筑的基础大多采用钻孔灌注桩基础，其成孔方法较多，而冲击钻孔法是常见的一种，因它能适应各种地层特别是冲击硬质岩层优势明显。

近年来，使用冲击反循环钻孔法成孔速度大有提高，因而在复杂地质中的钻孔灌注桩基础大多优先选用冲击钻孔法来解决施工中的疑难问题。

2工艺特点（1）设备简单，操作方便。

（2）可以采用反循环冲击成孔提高效率。

（3）可以穿过漂石、卵石、砾石等地层。

（4）对处理复杂地层中的基础有显著的优点。

（5）它可直接投入粘土块入孔自行造浆。

3适用范围冲击钻孔法适用于孔径100cm～300cm，钻孔深度50m。

冲击钻机适用于所有土层，采用实心锤钻进时，在漂、卵石和基岩中显得比其他方法优越。

4机械性能及参数见表1。

冲击钻孔系统设备由冲击钻头、三脚立架、卷扬机组成。

冲击钻机配有1～5t重的冲击锥。

国产的冲击钻机主要是CZ型的CZ-30、CZ-28、CZ-22等，另外还有YKC-31、YKC-30等型号。

5钻孔施工施工工艺流程5.1.1冲击钻孔施工工艺流程见图1。

5.1.2 冲击反循环钻孔施工工艺流程见图2。

图1 冲击钻孔施工工艺流程图图2 冲击反循环钻孔施工工艺流程施工工艺步骤5.2.1 施工准备（1）平整场地（陆地）。

平整场地应达到“三通一平”，以便钻机安装和移位；对于不利于施工机械运行的松散场地，应采取硬化、加固等措施。

场地要采取有效的排水措施。

根据施工图设计，合理选择和确定进出线路和钻孔顺序，制定场地布置方案。

合理的安排泥浆池、沉淀池的位置，沉淀池的容积应满足2个孔以上排渣量的需要。

（2）围堰筑岛（浅水）。

对于浅水区域的桩基施工，可采用围堰筑岛方式施工，筑岛填料宜用粘土，岛面要有足够的施工场地，岛面标高应高出施工水位～2.0m。

（3）平台施工（深水）。

对于场地为深水时，可采用钢管桩施工平台、双壁钢围堰平台等固定式平台，也可采用浮式施工平台。

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 • (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。如图 5-2所示。
• “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，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。
• 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(参见图5-3)。 • (2)工作原理(见图5-4)：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。
第五章 冲击回转钻进
第一节 概述 第二节 液动冲击器结构及作用原理 第三节 风动冲击器 第四节 冲击回转钻进设备及钻头 第五节 冲击回转钻进规程 第六节 冲击回转钻进的操作及注意事项

出 口径 系 列 化 的 产 品 。 其 工作 泵量 从 Ｓ Ｘ ５ ４ —１ １型 的 ０ ． ０ ８ ～ ０ ． １ ４ １起步 阶段技术 地矿部勘探技术研究所 率先 开始 了对液 动冲击器 的科 学研 究， ８ ｍ ３ ／ ｍ ｉ ｎ降低到 ０ ． ０ ４ ～ ０ ．０ ７ ８ ｍ ３ ／ ｍ ｉ ｎ ，工作压力降从 ０ ． ９ ８ ２ ． ９ ＭＰ ａ降 到１ ９ ６ ５年 ， 先后研制 出了 ７种不同结构形式 的液动冲击器 ， 经室 内 低到 ０ ． １ — ０ ． ２ ５ ＭＰ ａ ， 这在深孔钻进中推广应用具有重要 意义 。 性 能对 比试验， 优选 出 了 Ｙ Ｚ 一 ２型阀式正作用液 动冲击器， 并 在湖南 核工业 总公司 中南勘 察技术研 究所 １ ９ ８ ８年研制成 功 Ｈ Ｓ ｘ 一 ５ ４ 地矿局某 多金 属矿区进行 了首次生产性试 验， 最大试验孔深 ４ ３ ０ ｍ， 型双作用冲击器之后， 于１ ９ ８ ９ 年对其结构参数进行了改进与完善。 取得 了初步成功 。与此 同时， 该所在广泛 收集 国外有关情报 资料的 使 冲 击 器 的 工 作 流 量 从 ０ ． ０ ３ ５ ～０ ． １ １ ８ ｍ ３ ／ ｍ ｉ ｎ降 低 到 ０ ． ０ ２ ５ 基础 上， 于１ ９ ６ ３ 年 编辑 了《 冲击 回转钻探 专辑》 ， 广泛介 绍 了国内外 Ｏ ． ０ ９ ８ ｍ ３ ／ ｍ ｉ ｎ ， 工作压力降从 ０ ． ６ ３ ～ ２ ．５ ＭＰ ａ降低 到 ０ ． ２ ５— ２ ＭＰ ａ 。 文献资料 。 上述工作 为后来液动 冲击 回转钻探技术的发展奠定了基 核工业华 东地勘局 ２ ６ ４大 队在原 Ｙ Ｅ —Ｉ 型阀式双作用 液动 冲 础。 击器 的基础上又研制成功 Ｙ Ｅ — Ｉ Ｖ型高频正作用液动冲击器 。 ３ ． ２在研制开发新型液动 冲击器 、拓宽其应用 范围方面也取得 ２ 发 展 阶 段 １ ９ ７ ５ 年 以长舂地院为主与辽 宁第九地质 队协 作率先开展 了对 了可喜 的成就地矿部勘探技术研究所又成功地研制出 Ｙ ｓ型无簧式 射流 式液动 冲击器 的研 制， 勘探技 术研究所 、 河北 地矿局综 合研究 双作用 液动 冲击器， 结构简单 、 新颖， 野外 推广应用证 明其 工作 性能 队、 冶金探矿技术研究所 、 核工业华东地勘局 、 辽宁地矿局第九地质 较好 。 目前 已形成 口径系列 化。 队先 后开 展 了对 阀式 正作 用 和阀式 双作用 液 动冲击 器 的研 究 ， 到 冶金探矿技术研究所又成功地研制适 应于水平孔 、 仰 孔和俯孑 Ｌ １ ９ ８ ４年底， 经长春地 院研制 的 ｓ ｃ型射 流式 、 地矿部勘探技术研究所 等坑道钻进的小 口径 Ｔ Ｋ 一 ３ ５ Ａ、 Ｔ Ｋ ＿ ４ ５ Ａ型 阀式正作用液动冲击器 。 研制的 Ｙ Ｚ一 ５ ４ － １、 冶金探矿技 术研究 所研 制 的 Ｔ Ｋ型 、 河 北地矿 煤炭科 学院地勘分 院和冶金部 西南地质 勘探公 司也成功地 研 Ｔ型和 Ｘ Ｎ ６ ０ — １型双作用液动 冲击器， 并 已基本形成 口径系 局综 合研 究队研制的 Ｙ Ｚ 一 ５ ６型 阀式正作用液 动冲击器 ， 以及核工业 制 出 Ｍ 华 东 地勘 局 研 制 的 Ｙ Ｚ 一 ５ ４型 和 辽 宁 地 矿 局 第 九 地质 队研 制 的 列 化 。 Ｓ Ｈ 一 ５ ４ 阀式双作用液动 冲击 器先 后分别通过各 部的部级技术鉴定 ， ３ － ３ 绳索取心液动冲击 回转 钻具 的研 制取得成 功， 并在生产 实践 并迅 速地在生产 中推广应用 ， 从此这项新 的钻探技术进人 了一个新 得到推广应用， 标 志着 我国液动冲击 回转钻探技术的研究水平有 了 新的提高。 的时期 。 地矿部勘探技术研究所先后成功地研 制出 ￥ ５ ６ Ｃ、 ￥ ７ ５ Ｃ和 ￥ ９ １ Ｃ ３ 提高与实用阶段 自１ ９ ８ ４年 至 １ ９ ９ ０年是液动 冲击 回转 钻探 的科研 与推广应 用 型阀式正作用绳索取心液动冲击 回转 钻具 。目前研制成功的无 簧双 的迅速发展 阶段 。 六 年来 我国在液 动冲击器 的理论和开发研究方面 作用式绳索取心液动冲击 回转钻具， 在 我国是首创。推广应用证 明 结 构简单， 受 到用户欢迎 。 有 了进 一步的深化和发展， 配套技术方面 的研 究和推广应用 得到了 其工作性 能稳定 、 重视 和加强， 取得了丰硕 的研究成果 和技术经济效益 。 冶金探矿技术研究所 已研制 出 Ｔ Ｋ 一 ４ ７ Ｓ 、 ６ ０ Ｓ 、 ７ ５ Ｓ 、 ９ １ Ｓ等 ４种 系 ３ ． １ 在 已有成果 的基础 上，对冲击器 的结 构参 数进行 了进一 步 列阀式正作用绳索取心液动冲击 回转钻具 。 河北地矿局综合研究队研制 出 Ｓ Ｚ Ｇ 一 ５ ９型阀式正作用绳索取心 地优 化设计 （ 尤其 是配水 机构） ， 有效 地降低 了冲击器 的正常工作 排 量和压力损失， 为生产第一线提供 了一批新一代 的液动冲击器 液动 冲击 回转钻具 。 地矿部 勘探技术研 究所在原 Ｙ Ｚ ～ ５ ４ 一ｌ Ｉ 型阀式正 作用 冲击 器 中南 工业大学 于 １ ９ ８ ８ 年研 制 出了 ｃ ｓ 。 ６ Ｏ 、 ７ ５型正作用 绳索取 的基础上 ， 研制 出了新一代 Ｙ ｚ 一 ５ ４ 、 一 ７ ３型阀式正作用液 动冲击器， 心 冲击 回转钻具 ， 该型钻具 的冲击器采用 砧部开闭式启动方式 、 平 其工作样机 已多次在 国内外举 办的博览 其工作性能更为稳定， 降低 了冲击器 的工作 泵量和压力损失， 冲击频 衡块 浮阀系统 的独特设计 ， 率也有了进一步提高，以 Ｙ Ｚ 一 ５ ４型为例与原 Ｙ ｚ 一 ５ ４ 一Ⅱ型冲击器相 会上展 出， 引起 了国际钻探同行 的关注 。 参 考文 献 比， 正 常工作泵量从 ０ ． ０ ７ ２ — ０ ． １ ２ ５ ｍ ３ ／ ｍ ｉ ｎ降至 ０ ．０ ４ － ０ ． ０ ８ ｍ３ ／ ｍｉ ｎ ， 冲击 １ １ 王人 杰 ． 液 动 冲 击 回转 钻 探 ｆ Ｍ］ ． 北京： 地 质 出版社 ， １ ９ ８ ８ ． 器工作压力降从 １ Ｍ Ｐ ａ降低 到 ０ ． ７ ＭＰ ａ ，冲击频率从原来 的 １ ７ ￣ ３ ３ Ｈｚ 『 【 ２ 】刘 广 志 ．潜 孔 锤 研 制 与 开发 ．国 际潜 孔 锤 钻 进 与 新 技 术研讨会， 提高到 ２ ５ ～ ５ ０ Ｈ ｚ 。

5) 切削具的出刃形式多为平底形，且出刃量较大。
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第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头 普通大八角硬合金钻头 可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm 以增大通水面积，合金采用 10×10×16mm大八角柱八粒，内、 外出刃3mm，底出刃5mm，刃尖角
4) 钻头是以自由落体方式冲击岩石的。冲击钻头利用高的
冲击速度产生很大的冲击力，能有效破碎坚硬岩石。
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第一节、钢丝绳冲击钻进 一、钢丝绳冲击钻进的特点： 冲击钻进，总的来说是一种钻进速度低的老方法。它利用 钻具自由落体式进行钻进，因而只能钻进垂直的钻孔；与 现代先进钻进方法相比，钻进效率较低。因此，冲击钻进
（2）的中心通道而流人孔底，作经常性冷却钻头及吹粉，
②作为动力的主气流则沿缸壳(12）中的气槽，进人活塞 （冲锤）的中间环腔，并经缸壳上的下气槽进入锤下气室， 推动活塞上行。
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第二节、冲击回转钻进
一、冲击器
2、风动冲击器 ③在活塞上行中，当下段活塞封闭下气槽的入口后，就停 止向下气室进气，但锤下气室内的压气便膨胀井在惯性作用 下继续推动活塞上升。
冲击器钻进中硬岩石。
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第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ① 取心式硬合金钻头
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第二节、冲击回转钻进
二、冲击回转钻进用的钻头
2、液动冲击回转钻进用钻头 ②金刚石钻头 (1）现在金刚石冲击回转钻进方法仍以回转作用为主，冲击 为辅，所以选择钻头类型时，表镶或孕镶钻头都可以用；
2、风动冲击器 ⑥在活塞上行的过程中，当活塞的尾端离开轴承环(19）时， 活塞下气室中的膨胀气体经钻头中心孔排于孔底， ⑦当活塞下行至离开配气机构的尾管后，锤上气室的气体

1-工作弹簧； 2-外壳； 3-冲锤活塞； 4-铁砧 反作用液动冲击器
岩土钻凿工艺学
反作用冲击器工作原理
（1）高压液流进入冲击器对冲锤活塞3产生作用，当冲锤活塞上下 端压力差超过工作弹簧1的压缩力和冲锤活塞本身的质量时，迫使 冲锤活塞上行，并压缩工作弹簧储存能量；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，液压下降，冲锤活塞利用 惯性继续上行。 （2）当冲锤3上行到上死点时，冲锤下部的液流已畅通地流向孔底 ，工作室压力降低，由于冲锤活塞自身质量和工作弹簧释放储存能 量，便驱动冲锤活塞急速向下运动而冲击铁砧； （3）产生冲击作用的同时，由于冲锤活塞3与铁砧4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 作用于冲锤活塞，使其上行，开始第二个工作周期。
岩土钻凿工艺学
射流式冲击器特点： 1、射流冲击器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，因而钻具工作可靠，使用寿命 较长； 2、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； 3、能适用于高温高压条件下的深井作业 ；
4、钻进中产生的高压水锤波比阀式小，钻具工作平稳。
岩土钻凿工艺学
冲程时,由于冲锤活塞顶部锥体与活塞套下端闭合,高
速液流被迅速切断而产生水击，上腔压力猛增；与此同时
，冲锤活塞下腔压力急剧下降，故上、下腔间压力差推动
冲锤活塞和活塞套向下运动。活塞套抵达行程下限后，冲
锤活塞因惯性继续向下运动，直至冲击砧子为止。此时，
通道完全打开，液流畅通，活塞套与冲锤活塞又进入下一
岩土钻凿工艺学
液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质。尽管液
动冲击器1887年就获得专利，但实际到20世纪50年代，

煤田地质勘探中的冲击回转钻进工艺【摘要】本文主要阐述了煤田地质勘探中冲击回转钻进的钻具转速、钻压、泵量与泵压、净化冲洗液等技术工艺技术问题。

【关键词】煤田地质；勘探；冲击回转；钻进工艺1、钻具转速进行冲击回转钻进时，钻具回转转速的高低，一般按所钻岩石的性质、所用磨料的种类以及冲击器冲击功的大小和冲击频率的高低等因素进行确定。

以块柱状硬质合金为磨料的钻头，钻进硬岩层或钻进强研磨性岩层时，由于破碎岩石的主导作用是冲击载荷，所以钻具的回转转速应在20-80./min之间。

钻的岩石越硬，其钻具的回转转速就越低。

实践表明，若钻具的转速过高，不仅会使冲击间距大，降低破碎岩石效果和崩坏硬质合金；还随着钻头圆周速度的提高，硬质合金与岩石进行摩擦的里程增加，也会迅速磨损切削具，其结果会大幅降低回次进尺长度。

要提高钻具的转速，转速通常要在80-300r/min之间。

按钻探生产实践经验，钻具转速的选取可参阅表1。

选择钻具转速除要岩石性质外，还应考虑冲击器的性能状况。

冲击器的冲击功较大时，要适当的提高钻具转速；反之，要降低钻具的转速。

同样，冲击器的冲击频率较高时，钻具的转速也要适当增加；反之，应适当降低转速。

冲击频率高时要提高钻具的转速，而冲击频率低时要降低转速呢？可从以下情况看出它们之间的关系。

冲击回转钻进时，钻头上的每一颗硬质合金由于同时受回转的作用在完成第一次冲击破碎岩石后，便移动一段距离，进行第二次冲击破碎岩石。

硬质合金两次冲击之间的距离为冲击间距（S）。

计算可知，冲击间距（S）的大小是与冲击频率的高低和钻具回转转速的快慢有着密切关系的。

岩石越硬，其抗破碎阻力越大，越容易崩刃和磨损硬质合金；所以冲击间距（S）应该小一些。

钻进硬岩层时，应该采用较低的转速。

各种岩石都有它的最优冲击间距值，根据生产实践经验，一般可钻性为6-7级的岩石，S=10～15mm，可钻性为7-8级的岩石，S=8-10mm，可钻性为9-10级的岩石，S=5～8mm。

多工艺冲击回转钻进的感悟与思考多工艺冲击回转钻进技术，说的通俗易懂一点就是潜孔锤钻进技术。

可以说，这项技术是全球钻探界的一朵奇葩，潜孔锤对于钻探就像相对论对于物理，他完全颠覆了人们对于钻进效率的认识，将钻进效率成十倍的提高，对于高成本的钻探行业来说，这无疑是一项举世瞩目的成就。

当然，潜孔锤技术对钻探界的影响远不止钻进效率这一个方面，下面我将结合老师上课讲的内容以及自己阅读的文献，谈一下自己对这项技术的感悟与思考。

首先，我们提出了潜孔锤钻进的三字特点：快、好、省。

快，指的是钻进效率，风动潜孔锤的钻进效率是一般金刚石钻进效率的10倍之多，这并不奇怪，从两者的碎岩机理上来分析，就会发现，潜孔锤的钻进效率比一般金刚石钻进效率高出十多倍是必然的，举个很简单的例子，往墙壁里钉钉子，用手边压边转往墙壁里面钉和用锤子冲击钉子往里钉，哪个会更快呢？很显然，用锤子钉快多了。

潜孔锤钻进的碎岩机理就是冲击回转使岩层产生体积破碎，而一般的金刚石钻进只有回转，没有冲击，所以钻进效率的高低自然就会差很多。

好，指的是岩心采取率及岩心的利用价值，潜孔锤钻进实现了真正意义上的100%岩心采取率，而且实现了对岩心的实时观测，将岩心的利用价值发挥到最大限度。

先来看一般的金刚石取心钻进，由于钻头具有一定的厚度，所以岩心管取心的直径是钻头的内径，而钻孔直径和钻头内径之间这个环状间隙的岩层，却没有形成岩心，也就是说岩心管无法将其取出。

事实上，这部分岩层被磨成岩粉、岩屑随着冲洗液被冲走了。

另外，一般的金刚石绳索取心钻进一个回次大概需要1个小时左右，也就是说当岩心取上来，地质学家拿到手里来对其进行一些必要的分析和研究的时候，已经距离这块岩心被钻取的时间一个小时了，这就可能使岩心失真，势必降低岩心的利用价值。

再来看潜孔锤钻进，由于采取了贯通式潜孔锤全孔反循环连续取心钻进技术，使整个孔径的岩心，包括磨成的岩粉、岩屑被毫无保留的取到孔口的收集袋里，从而真正意义上的实现100%岩心采取率。

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1AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement2目录摘要 (1)Abstract (2)第一章液动冲击回转钻探 (1)1．1概述 (1)1．2冲击回转钻进的实质和特点 (2)1．3冲击回转钻进的应用范围 (3)1．4冲击回转钻进的发展概况................................................. 错误！未定义书签。

• 可用于硬质合金钻进、金刚石及牙轮钻 头钻进，适用范围宽，但在不同岩性需采用 频率不同的冲击器
*优点:
• 钻进效率高－在5-7级、部分8级硬岩中钻效可 提高50%-100%；在金刚石冲击回转钻进中对810级岩石效率可提高20%-50%，对致密、弱研磨 岩层可有效防止“打滑”，效率可提高50%100%
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二一、、冲冲击击回钻转进钻机进理的机理
冲击回转钻进时，钻头上的切削具受到 三种力的作用，即回转力、轴向静压力和冲 击力。在三种力的共同作用下，切削具以冲 击剪切和回转切削两种方式破碎岩石。在两 次冲击之间造成孔底局部岩脊，而回转的切 削具则将这已经产生了裂纹的岩脊从孔底岩 体上切削下来，如下图所示：
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺
二三一、、、冲冲冲击击击回钻参转进数钻机进理的机理
表征冲击器产生和施加给岩石以动载作用的特性指 标： ①冲击功－决定于冲锤重量和冲击速度
②冲击速度
③冲击频率-冲锤单位时间内的冲击次数。 冲击间距：在冲击回转钻进中，切削具两次冲 击之间的移动距离。
冲击回转钻进
冲击回转钻进
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二 三 四、、冲冲击击回钻参转进数钻机进理的规机程理
12、、转钻速压
（3）各种岩石都有最优的冲击间距， 必须在施工中累积资料。前苏联对于 9~11级岩石，最优冲击间距为5~8mm； 对于7~8级岩石，最优冲击间距取 8~14mm。
冲击回转钻进
3.钻进工艺
3.钻进工艺
第三节 冲击回转钻进工艺 一二 三四、、冲冲冲击击击回钻回参转进转数钻机钻进理进的规机程理
1、 钻压

动强度大的原因
物体内部因外力所引起的应力状态，会随时间 以某一速度逐渐减弱(松驰)。所以当外力作用时， 如果由外力引起的应力增长速度超过了物体内部因 松驰而引起的应力减弱速度，则外力作用速度的影 响就会显示出来，此时岩石强度将与外力作用速度 有关。加载速度对岩石强度的影
19
22
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射流元件
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伯努力方程 h1+P1/γ+V12/2g= h2+P2/γ+V22/2g
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射 吸 冲 击 器
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无 阀 风 动 冲 击 器
30
有 阀 风 动 冲 击 器
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33
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T k 型 绳 索 取 心 冲 击 器
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水力反循环连续取心
38
风 动 贯 通 冲 击 器
39
取心钻头
扩孔钻头
40
二.风动潜孔锤钻头 1.硬合金柱齿 2.金刚石加强柱齿
一、液动冲击回转用钻头
1.硬质合金 特点：钻头体长
过流断面大 硬合金镶焊质量高
42
硬质合金钻头
43
金 刚 石 冲 击 回 转 钻 头
44
稳 压 罐
45
孔 底 气 囊 反 射 器
1
潜孔锤打击应力波形
m v F t
2
冲击回转钻进孔底碎岩过程
3
4
5
顶冲
潜孔
6
含有冲击碎岩的方式包括
1、液动冲击钻回转钻进 2、风动冲击回转钻进 3、钢绳冲击钻
三.动载荷作用下的岩石破碎机理
1.开始—边缘出现裂纹带(a) 2.脆性破碎第一形态(b) 3.脆性破碎第二形态(c) 4.脆性破碎第三形态(d)

冲击钻正循环和反循环施工工艺（完整）1. 工艺概述冲击钻孔成孔工艺方法分为冲击正循环成孔和冲击反循环成孔两种。

冲击正循环成孔是通过冲击式装置或卷扬机悬吊冲击钻头上下反复冲击，将硬质土或岩层破碎成孔，部分碎渣和泥浆挤入孔壁中，大部分钻渣由泥浆循环带出孔外，或用掏渣筒掏出孔外，这样循环往复，直至钻至设计深度。

冲击反循环成孔其成孔原理与冲击正循环成孔原理基本相同，只是钻头中心留有空洞，在上下往返冲击时，其钻头尖刀将孔底冲碎，已冲碎的钻渣可以从钻头中心空洞用吸泥管排出孔外。

冲击钻孔施工适用于黄土、粘性土、粉质粘土、杂土、坚硬土层、含有孤石的砂砾石层、漂石层、岩层等。

2. 适用范围适用土层：粘性土、砂类土、含少量砾石、卵石（含量少于 20%）的土。

适用孔径：正循环适用于80～250cm直径的桩，反循环适用于80～300cm直径的桩。

适用孔深：正循环适用于30～100m深的桩，反循环用真空泵适用于小于35m深的桩。

3. 作业内容本工艺主要作业内容为：场地平整或钻孔平台搭设、设备安装、泥浆调制、钻进施工、泥浆循环处理及清孔、钢筋笼加工及安装、混凝土灌注。

4. 施工工艺流程图图4-1 冲孔钻孔桩施工工艺流程图5. 工艺步骤及质量控制5.1 施工准备5.2 桩位测定根据设计资料，复核桩位轴线控制网和高程基准点。

确定桩位中心，以中心为圆心，以大于桩身半径在四周设立十字护桩，做好标记并固定好。

经驻地监理工程师核查、批准后开钻。

5.3 护筒施工1）护筒的作用护筒有固定桩位，引导钻头方向，隔离地面水、避免其流入孔内，保护孔口不坍塌，并保证孔内水位（泥浆）高出地下水或施工水位一定高度，形成静水压力（水头），以保护孔壁免于坍塌等作用。

2）钢护筒的一般要求用钢板制成的埋设护筒，应坚实不漏水；护筒入土较深时，宜以压重、振动、锤击或辅以护筒内除土等方法沉入。

冲击钻护筒内径比桩径宜大 20～40cm；深水处的护筒内径比桩径宜大 40cm。

冲击反循环钻孔桩施工工艺工法（QB/ZTYJGYGF-QL-0102-2011）桥梁工程有限公司何勇陈建涛1 前言1.1 工艺工法概况随着国民经济的发展，铁路、公路的桥梁以及高层建筑的基础大多采用钻孔灌注桩基础，其成孔方法较多，而冲击钻孔法是常见的一种，因它能适应各种地层特别是冲击硬质岩层，优势明显。

近年来，使用冲击反循环钻孔法成孔速度大有提高，因而在复杂地质中的钻孔灌注桩基础大多优先选用冲击钻孔法来解决施工中的疑难问题。

1.2 工艺原理冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击，使岩石产生破碎，然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。

2 工艺工法特点2.1 设备简单，操作方便，成孔效率高。

2.2对不同地质情况具有较好的适用性；在复杂地层中的基础施工方面有着显著的优势。

2.3 可以穿过漂石、卵石、砾石等地层。

2.4 可直接向钻孔桩孔内投入黏土块自行冲击造浆。

3 适用范围冲击钻机可用于所有地层，适用于孔径100～300cm、钻孔深度50m；采用实心锤钻进时，在漂、卵石和基岩中显得比其他方法优越。

4 主要技术标准《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10002.5）《铁路桥涵工程施工质量验收标准》（TB 10415）《铁路桥涵施工规范》（TB 10203）《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50）《铁路桥涵设计基本规范》（TB 10002.1）《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80-1）5 施工方法冲击反循环钻孔施工工艺是利用电力带动卷扬机上的钢丝绳，通过桅杆上的导向轮提引钻头做上下冲击运动，形成瞬时冲击力破碎岩土。

并在冲击的同时启动砂石泵，通过钻头中心管内设置的排渣管连续排出钻渣。

在施工过程中，控制孔径、深度、垂直度等重要数据。

6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程施工工艺流程见图1。

图1 冲击反循环钻孔施工工艺流程图6.2 操作要点6.2.1 施工准备1 平整场地（陆地）平整场地应达到“三通一平”，以便钻机安装和移位；对于不利于施工机械运行的松散场地，应采取硬化、加固等措施。

冲击反循环钻机施工工艺方法
冲击反循环破碎入岩工艺的破碎机理是利用冲击钻头对岩石进行较高频率的冲击,使岩石产生破碎,然后利用反循环排渣方式及时将破碎岩屑第一时间排出孔外。

冲击钻头由两根钢绳平衡连接,无论起、下钻都非常方便,大大缩短了辅助时间。

因此,冲击反循环钻头是冲击钻进的主要工具,其结构的合理与否直接影响到钻进效率和质量。

在冲击钻进过程中,关键是冲击和吸渣量是否匹配,也是确保孔壁稳定正常钻进最基本最重要条件。

在钻进过程中吸渣工作应根据钻进地层和情况而定,不应过量汲渣以免造成孔壁失稳坍孔。

发生埋钻事故。

另外,在冲击过程中,必须经常检查钢丝绳的磨损情况以及转向装置的灵活性和连接的牢固性,以防磨断或因转向不灵而扭断钢丝绳,发生掉钻事故。

根据地质情况,钻头出量研磨材料提钻时要应经常检查,一般地层每小班至少提钻一次检查,复杂地层提钻头次数要增加,往往钻头底量和外出量在砂卵石和基岩中磨损严重,所以应及
时进行修补,这样就增加了修补钻头的铺助时间,降低了纯钻进冲击时间,又减少了修补钻头的辅助时间,再则在提升钻头时,要小心谨慎,尤其是在快到护筒底部将钻头慢慢提起,防止碰撞孔口护筒以免造成护筒底部坍孔或护筒错位或变形事故。

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1AbstractThe text ,basing on summing up the studying of nation inside and outside n circumgyrate drilling of fluid move concussion and fluid move impulsion implement of counteractive of valve style,study working principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.And it advances the measure that account the wallop and concussion frequency.Overpass the analysis,it indicate that the fluid move impulsion implement of counteractive of valve style is the same with the terrane that whose rigidity is middle or upwards.Besides it should accretion the arrange quantity of slop to the best of its abilities and adhibits clash spring of the greater limit to exert the excellence of impulsion implement.It also makes detailed analyzed account and checking computations in allusion to the key part of the impulsion implement,and analyses the technic economy effet of the impulsion implement.The text do mianly these work:1)expound circumgyrate drilling of fluid move concussion particular.2)introduce diversified impulsion implement particular.3)analyse orking principle and frame characteristic of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.4)capability analysis and parameter account of fluid move impulsion implement of counteractive of valve style.Key words: fluid move, circumgyrate, drilling, counteractive ,concussion implement2目录摘要 (1)Abstract (2)第一章液动冲击回转钻探 (1)1．1概述 (1)1．2冲击回转钻进的实质和特点 (2)1．3冲击回转钻进的应用范围 (3)1．4冲击回转钻进的发展概况 (4)1．5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益 (6)第二章液动冲击器 (8)2．1冲击器的种类 (8)2．2 反作用式液动冲击器 (15)2．2．1 反作用式液动冲击器的结构原理 (15)2．2．2 反作用式液动冲击器的结构特点 (15)2．3 阀式反作用液动冲击器性能分析及参数计算 (16)2．3．1 功率特性及活塞冲锤运动特性分析 (16)2．3．2 参数计算 (16)2．4 本章小结 (22)第三章ГВМС—5型液动锤 (23)3．1 ГВМС—5型液动锤工作原理及特点 (23)3．2 冲锤弹簧设计和计算 (24)3.2.1原始条件的确定 (24)3．2．2．参数计算： (25)3.2.3验算 (27)第四章液动冲击回转钻进的发展展望 (27)4．1 液动冲击回转钻进的发展方向 (27)4．2 基础理论方面的重大课题 (30)4．3 应用研究 (30)第五章液动锤的仿真分析 (31)致谢 (35)参考文献 (36)III第一章液动冲击回转钻探1．1概述采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。

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③ 冲洗液量 Q
其功用不但要冷却钻头、排除岩粉，更重要的是为冲击 器提供能量。
所以，冲洗液量主要以冲击器的需要确定。 液动冲击器的冲洗液流量和压力直接影响冲击器的工作 性能——冲击功与冲击频率。因此，液动冲击回转钻进的泵 量要远大于普通回转钻进，并且，泵压也要高得多。
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.2 常用液动冲击器结构及工作原理
液动冲击器
正作用
有阀式 无阀式
反作用 双作用 射流式
射吸式
工程钻探
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7.2.2.1 阀式液动冲击器
① 正作用液动冲击器
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。
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。
工程钻探
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◆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。
形状：一般做成多边形以增加外环过水面积，可减 少背压和提高排粉速度。
螺纹：为与回转钻进钻头保持互换性，一般做成 一样，只在冲击功大于100焦耳后，才采用特殊螺纹 。普通冲击器冲击功一般15~70焦耳。
工程钻探
图
7.9
HC
T 型 硬 质 合 金 钻 头 结 构 图
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② 硬合金
材料：为提高耐冲击韧性，冲击回转钻进钻头采用含钴量高的硬合 金切削具，如YG15或YG13c。虽然耐磨性能有所降低，但切削具与岩 石接触时间短，回转速度也低，故对钻头耐磨寿命影响不大。

液动冲击回转钻进
其主要特点如下： （1）施加给钻头的冲击载荷作用时问极短，刃具与孑L底的接触应力瞬间达最大值，使岩石脆性 增加，有利于裂隙的扩展，产生体积破碎，钻进效率高； （2）高频脉动冲击有利于金刚石钻头的出刃，克服孕镶钻头“打滑”现象，提高钻速和钻头寿 命； （3）潜孔锤产生的高频脉动使岩心进入岩心管更顺畅，有利于防止破碎地层中岩心堵塞，提高 回次进尺，大幅度减少钻进辅助时间； （4）产生冲击载荷的液动锤组合在孔底钻具组合中，冲击能量传递损失少； （5）采用冲洗液作为驱动介质，有利于维护井壁稳定，适合于深孔和复杂地层钻进施工； （6）与纯回转钻进相比，冲击回转钻进可在小钻压条件下实现高效钻进，沿钻具轴向传递的冲 击力可减小软硬地层钻进时的效率差，减小钻孑L弯曲，提高钻孔质量。
气动冲击一回转钻进
归纳起来，气动冲击一回转钻进具有下述优越性： （1）动力密度小，对孔底岩石压力小，碎岩比功小，冲击能量大，钻进效率高，钻头寿命长； （2）有利于在无水、缺水地区和漏失地层钻进，不受季节限制，在冬季或冷冻地区可以使用； （3）空气介质对地层、岩心的污染小； （4）消除了冲洗液在钻进时对孔壁的冲刷，有利于孔壁的保护，可避免水敏性地层钻孔缩径、 坍塌以 及岩石天然结构的破坏。 气动冲击一回转钻进的不足之处在于： 气动潜孔锤钻进能力受空压机能力的限制，尤其是遇到含水层时，效果显著下降，当涌水量较大 时，因空压机能力不足，循环可能中止。
液动冲击回转钻进
液动冲击回转钻进是回转与冲击两种钻进方式组合而成的一种高效钻进方法，是近代钻探工程中 与绳索取心钻进、金刚石钻进并列的新技术之一，可用于硬质合金钻进、金刚石钻进及牙轮钻头 钻进。液动冲击回转钻进广泛应用于固体矿产岩心钻探、水文水井钻进、油气井和地热井钻进、 岩土工程施工、科学钻探等工程领域。