冲击回转钻进技术设计.docx
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冲击回转钻进技术设计
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
Abstract
Thetext,basingonsummingupthestudyingofnationinsideandoutsidencircumgyratedrillingoffluidmoveconcussionandfluidmoveimpulsionimplementofcounteractiveofvalvestyle,studyworkingprincipleandframecharacteristicoffluidmoveimpulsionimplementofcounteractiveofvalvestyle.Anditadvancesthemeasurethataccountthewallopandconcussionfrequency.Overpasstheanalysis,itindicatethatthefluidmoveimpulsionimplementofcounteractiveofvalvestyleisthesamewiththeterranethatwhoserigidityismiddleorupwards.Besidesitshouldaccretionthearrangequantityofsloptothebestofitsabilitiesandadhibitsclashspringofthegreaterlimittoexerttheexcellenceofimpulsionimplement.Italsomakesdetailedanalyzedaccountandcheckingcomputationsinallusiontothekeypartoftheimpulsionimplement,andanalysesthetechniceconomyeffetoftheimpulsionimplement.Thetextdomianlythesework:
1）expoundcircumgyratedrillingoffluidmoveconcussionparticular.
2）introducediversifiedimpulsionimplementparticular.
3）analyseorkingprincipleandframecharacteristicoffluidmoveimpulsionimplementofcounteractiveofvalvestyle.
4）capabilityanalysisandparameteraccountoffluidmoveimpulsionimplementofcounteractiveofvalvestyle.
Keywords:
fluidmove,circumgyrate,drilling,counteractive,concussionimplement
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。
1867—1887年期间，一些企图代替钻杆冲击钻的潜孔式液动冲击器相继出现，1887年在英国曾授予德国沃·布什曼以新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转着的钻头进行连续冲击，从而实现冲击回转钻进。
从本世纪五十年代开始，在美国、加拿大和苏联才研制出几种具有实用意义的液动冲击器。
海湾石油公司和壳牌石油公司对比进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲击锤有重达300kg者，且冲击频率较低。
在地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是苏联，从1900—1905年间即开展对液动冲击回转钻进技术的研究，但直到1970年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约七十年。
匈牙利在六十年代研制了直径从48到160mm的五种双作用液动冲击器，其特点是组装在一专用拖车上并配有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和处理事故工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为好几台钻机服务。
当某台钻机遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来“全套”的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其他机台的孔段服务。
匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动冲击器也用于水井钻和工程施工钻探。
日本对液动冲击钻的研究约有十余年的历史，比较成功的例子为利根公司研制的wH—120N型双作用式液动冲击器，其最大的特点是采用气液作为工作介质。
我国从1958年底开始在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。
至1965年设计研究了七种不同结构形式的液动冲击器，并在周口店试验站专门建立的试验室中进行了性能对比和岩样钻进试验。
其中最好的一种YZ—2型冲击器外径89mm，当供给的液量为0.2—0.3立方米每分时，冲击功为58—88J，冲击频率是16—25HZ。
在试验台用硬质合金钻头钻进VII级花岗闪长岩时，最高钻进速度可达85mm/min。
1966年在湖南柿竹园多金属矿进行了生产试验，最大孔深达430m。
勘探技术研究所为推动此种技术的发展，曾于1963年编辑了（冲击回转钻专辑）第一辑，广泛介绍了国内外的文献资料，为液动冲击回转钻在我国的发展做了有益的工作。
原北京地质学院和武汉地质学院也进行了大量的工作，培养了数批以冲击回转钻为主要内容的研究生，为系统的深入研究创立了良好的人才条尤其应当指出的是辽宁地质矿产局第九地质大队与长春地质学院等单位从1971年开始研究了一种具有独创性的sc—89和JSC—75型射流式冲击器，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。
从1975年以后，我国除了地质系统广泛地研制了掖动冲击器外，其他几乎全部有钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，它们在生产实践中几乎部得到了肯定的好评。
这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程钻中稳定地发展着。
其技术核心——液动冲击器正逐步形成孔底动力钻的一个重要分支。
1．2冲击回转钻进的实质和特点
冲击回转钻就是在回转钻的基础上对岩石破碎工具——钻头，施加具有一定频率的冲击能量，因此对回转着的钻头不但对岩石有静的给进压力和扭矩，而且附加了一种连续的冲击动载荷。
换言之，冲击回转钻就是一种带有冲击负荷的回转钻。
冲击回转钻进所以能够提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：
1．冲击裁荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。
所以尽管动硬度要比静硬度大，但仍易产生微裂纹。
并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育。
因此可以不大的冲击功（数个公斤米）就可破碎坚硬岩石，而静压人时则需很大的力；
2．切削刃具磨损减少。
在冲击回转钻进中切削刃具的磨损减少的原因有：
（a）钻进中所得的轴向压力较小，转速很低；（b）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容易达到体积破岩的程度；（c）钻速快，切削具的相对磨损就减小，（d）冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短。
3．因为在冲击时还加有一定的轴向压力，改善了冲击功能的传递条件，增大了冲击效果。
4．因为高频并连续地给岩石施加冲击载荷，所以在碎岩过程中缝隙发育较完全，更有利于破碎较硬岩石。
5．因为在冲击中又有连续不断的回转切削作用，改变了冲击裁荷的传递方向，充分发挥了冲击碎岩和切削碎岩的效果。
1．3冲击回转钻进的应用范围
冲击回转钻进除了可以提高钻速外，又由于钻进中所需的轴向压力较小，转速较低，所以钻孔不易弯曲，孔内事故也较少，原材料的消耗低，
所以它是当前的一种现实可行的高效、优质、低消耗的钻进方法。
特别是在中等硬度的岩石中，其效率更为显著，所以冲击回转钻进方法应用范围愈来愈广。
据美国1973年和1974的统计贫科说明，使用冲击回转钻进方法完成的工作量占总工作量的23．2％一23．6％，仅次于一股的回转钻进（占62.7％一63．3％）而属第二位的钻进方法。
冲击回转钻进最适宜于钻进粗粒而不均匀的地层，在6—9级岩石中钻进效果尤为突出。
近几年来冲击回转钻进不仅用于硬合金钻进，而且也应用于钢粒钻进和金刚石钻进以及牙轮钻进，适用的岩层范围扩大了。
最近，苏联将冲击回转钻进应用于金刚石小口径钻进中，它不仅提高了钻进效率和钻头寿命，而且还克服了金刚石钻进裂隙发育地层、“打滑”地层和容易引起强烈弯曲的地层的困难。
或因钻机开不了高速而影响孕镶钻头钻进时，用冲击回转法也可弥补其不足。
冲击回转钻进所钻的孔深和孔径日有发展。
可以满足地质勘探钻进的要求。
美国在石油钻井中，用巴辛格尔液动冲击器钻井深度达2750米。
苏联利用ВВО—3型液动冲击器在石油钻井中可深达1280米。
利用Г—3A型液动冲击器在地质钻探中孔深已达700多米。
苏联近几年研制丁Г—7、Г—9型液动冲击器，并且为了增大效能，采用了ПП—70型气动孔底反射器，其孔深可达1500米或更深。
总之，冲击回转钻进方法现在已用于不同的地层和不同的钻进方法，其孔径和孔深也不断扩展，是—种很有发展前途的钻进方法。
1．4冲击回转钻进的发展概况
冲击回转钻进法的应用已有上百年的历史。
早在十九世纪六十年代就有人进行丁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。
后来在苏联和美国进行过“涡轮锤”和“涡轮振动钻”的研究工作。
二十世纪三十年代发展了风动潜孔锤。
到五十到六十年代获得了较为广泛的应用。
在此期间，美国在3500米的深井中，成功地进行了风动潜孔锤冲击回转钻进。
随后又在水并钻和工程钻中广泛应用。
到六十年代末，在我国矿山开采中推广使用了风动潜孔锤冲击回转钻进，代替了旧的钢丝绳冲击钻进。
二十世纪四十年代，苏联葛奠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动冲击器。
在液动冲击器的研制方面取得了很大的进展。
到五十年代，美国艾莫雷研制了活阀式反作用的冲击器，到五十年代后期就出现了种类繁多的双作用的冲击器各种冲击器一直发展到现在，都得了较大的发展。
虽然苏联在1960年使用反作用式的ВВО—3型液功冲击器，在2400一2700米的深井中成功地进行了冲击回转钻进，但是总的看来，六十年代以来，在1500来以内的钻并中，使用效果较好的液动冲击器多属于正作用冲击器。
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好多工作，但后来研究中断。
从1971年起，辽宁铁岭地质队，长春地质学院等单位又先后开始研制液压射流式冲击器，取得了不少的成就。
现在射流式冲击器和阀式冲击器已在地质勘探取心钻进生产中应用起来，并敢得了较好的成果。
例如某队用射流冲击器钻进6—7（少最8）段岩石，取得进尺1132米的最高台月效率，江西某队用阀式冲击器钻进一万六千多米，在玄武岩、花岗岩地层中平均台月效率比钢离钻进提高30一60％。
冲击回转钻进方法虽然应用日广，但尚须进—步完善和提高。
应当研究冲击回转钻进的碎岩原理，研究设计新型的冲击器，应尽先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以及小口径金刚石钻进用的高频冲击器，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。
1．5液动冲击回转钻在地质岩心钻探中技术经济效益
液动冲击回转钻在我国地质钻探中应应用日愈增多，逐渐形成一种与回转钻配合使用的常规钻探技术。
大量的实际进尺证明，它既可采用硬质合金钻头，也可采用价格低廉的人造孕镶金刚石钻头在VI~VII级岩石中进行有效的钻进，尤其是在坚硬致密的“打滑”地层中使用孕镶金刚石钻头取得了明显的技术经济效益，主要表现在钻进速度可以成倍地提高，回次进尺长度和钻头进尺均有不同程度的增长。
冲击回转钻进费用低于回转钻的主要原因是：
（1）由于钻压和钻头转数较低从而减轻了钻杆和所有管材的磨损，断钻杆事故较少，
（2）采用金刚石钻头时，几乎可以不用皂化油等昂贵的冲洗液；（3）钻头费用低，在VI~VII级石英闪长岩、花岗闪长斑岩等岩石中采用人造孕镶金刚石钻头时，钻头进尺可以超过120m。
（4）动力消耗少。
据统计，我国从1971—1986年以来，用液动冲击回转钻探进尺约500000m，最大使用孔深930m,取得了明显的技术经济效益。
苏联对此种钻进技术在地质钻探中的技术经济效益总的作了如下的估计：
钻速提高20一60％，回次进尺增加10一20％，钻头寿命增加10一25％，钻进成本降低10—15％，有利于改善孔斜程度，用高转速时对岩心质量无任何影响，金刚石钻头不易被抛光，推广较为容易。
最后还应当指出，采用液动冲击回转钻后大多数的IV~VII级岩石可以采用硬质合金钻头代替金刚石钻头，而硬质合金的主要原料——钨在我同拥有的储量为世界第一位，从这一点来看大力推广它也是完全合乎国情，其意义是显而易见的。
推广液动冲击回转钻的经济效益可用年经济效果，既年节约约值确定。
年经济效益E由运用前后的成本和投资的经济指标比较而得，计算公式为：
E=
（1—1）
式中：
E—年经济效益（元）；
—液动冲击回转钻推广前和推广后每钻探1米的平均成本（元）；
—地区推定的投资效果的比较系数（钻探工程取作
=0.2）；
—推广前后单位进尺的基本投资（元）；
—推广后每年完成的工作量。
基本费用（单位进尺）的投资为：
及
元（1—2）
其中：
及
（元）
—钻探设备包括液动冲击器及附属装置等的平衡表价格（元）；
及
为原用和采用液动冲击回转钻技术的钻探设备数量：
（1—3）
（1—4）
式中：
—钻探工作量（m）
—一年总时间（台班）。
无星期天的全天工作制时，地表钻为1234.8
（台班）；而地下钻和海拔2300m以上的地表钻为1440（台班）；
—推广前及推广后的台班效率（m/台班）；
—设备利用系数，取作0.6~~0.85。
前式中之
为采用液动冲击回转钻时附加的流动资金费用。
第二章液动冲击器
2．1冲击器的种类
冲击回转钻进技术的分类，一般以采用的潜孔式冲击器（或振动获）之结构或性能特点区分。
就冲击器的性能而言，近年来出现了两种不同的冲击器，一种是冲击频率较高达到42HZ以上的高频外击器，但冲击功则较小，一般在9．81J左右。
利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是回转钻进的方式，而冲击作用则是次要的，这样的钻进方式称之为回转—冲击钻。
其使用的钻头主要是金则石钻头，其次才是硬质合金钻头。
另外一种是所谓低频冲击器，其性质特点是冲击频率较低，征42HZ以下，而冲击功则较高（达29—78J），利用这样的冲击器来实现冲击回转钻进时，由于破碎岩石主要是依据冲击作用，而回转作用仅仅是将钻头刃移动一个适当的间距，这样的钻进方式则称之为冲击—回转钻。
使用的钻头则主要是硬质合金钻头。
这样的区分主要以碎岩的机理而言，所以现在通常所谓的冲击回转钻乃是一种通称。
就冲击器的结构而言，其分类械述如下
一、液动冲击器
此类冲击器是目前最为成功的一种典型产品。
其基本作用原理是利用泵供给的液能，直接迫使冲击锤形成上下往复的运动，并连续不断的对钻头造成冲击。
利用现有泥浆泵所容许的泵压（例如4.9—5．8MPa）可以基本满足600一800m深的地质勘探钻孔，所以这是目前运用最为广泛的一种液动冲击器。
按照冲击锤工作过程的运动力学又可以分为以下三个类型：
1．正作用式液动冲击器利用泥浆系输送的高压液流做为能源，推动冲击锤下行冲击铁砧，而冲锤的回程则靠复位弹簧的作用而实现。
目前国外最为成功的如苏联Г—76，Г—59以及ГВ—5和ГВ—6型冲击器；美国的如罗、巴辛盖尔式等。
我国比较成功的如YZ型ZF型及TK型等。
2．双作用式液动冲击器其特点是冲击锤的工作行程和冲击锤的回程均由泵供给的液流能量实现。
此种类型的液动冲击器在国外成功的例子很少，而从七十年代开始，我国对此种冲击器的研制工作取得了很大的成功。
其中又可分为两种：
（1）射流式波动冲击器它是利用一个典型的双稳射流元件将液流连续不断地分配到活塞的上端或下端，从而迫使冲击锤实现冲击行程和回程。
此种冲击器最为成功的例子是SC—89型和JSC—75型射流式冲击器等。
（2）阀式双作用液动冲击器我国从1971年开始大量研制，比较好的结构如地质矿产部的辽宁—54型、YS系列无弹簧式以及核工业部的YE型等。
苏联也设计了一些试验性的结构。
双作用式液动冲击器除了上述两种类型外，近年来还出现了一种气液混合的双作用冲击器，例如日本利根公司的WH—120N型。
3、反作用式液动冲击器其结构原理恰好与正作用式液动冲击器相反。
它是利用泵供给的液流能量推动冲击锤上行，同时压缩弹簧而储存能量；冲击锤在工作行程开始时是据冲击程的重量和弹簧释放的能量对钻头实现冲击。
美国海湾石油公司设计的反作用式液动冲击器就是其中之一。
4．绳索取心式波动冲击器国内和国外目前在地质矿山钻探中普遍推广的绳索取心钻进技术均为采用金刚石钻头的回转钻。
当遇到坚硬致密的岩石时有的会造成金刚石钻头的“打滑”现象，钻进效率很低，有时甚至不能进尺。
这种现象钻孔很深时，其矛盾尤为明显，从而使绳索取心钻探的优势受到很大的限制。
近年来国内和国外（主要是苏联）对发展绳索取心铀探与液动冲击回转钻探相结合的绳索取心液动冲击回转钻探技术给予了很大的重视。
其核心技术就是发展可以从绳索取心钻杆中能够和取心器—岩心容纳管用钢丝绳和打捞器升降自如的绳索取心式液动冲击器。
我国正在研制和试验小的绳索取心式液动冲击器有冶金工业部探矿研究所研制的TK—605型和地质矿产部的S75C及S59C型等。
其中TK—60S型已于1984年通过技术鉴定。
苏联地质部也于1985年开始生产ССГ—76型绳索取心式液动冲击器。
实践证明，绳索取心式液动冲击回转钻可比绳索取心钻提高钻进速度，延长提钻周期和提高回次进尺长度。
这是一种很有前途很现实的新技术。
由于绳索取心式的冲击器目前主要是液动冲击器。
可以是正作用式、各种双作用式等。
二钻杆传动冲击器。
美国和苏联都曾对此种结构的冲击器进行过研究。
状冲击锤3在钻杆回转时借助于弹簧1支撑在孔壁上而不能回转，当钻杆回转，岩心管上端的齿状凸缘迫使冲击锤3上行，而当上行到达凸圆齿的顶端时冲击锤3落下而冲击岩心管，2为具有花键的联动接头。
钻杆每转动一周则可造成与凸齿齿数相同的冲击次数。
在1976一1979年问我国甘肃、四川地矿局均曾对与此类似的结构进行过研究。
但至今在国内外还均未得到运用，共主要原因是它传递的能量很有限，而从支撑在孔壁上的弹簧或其他制动装置不靠。
尽管有人曾设计了液压式和具有反向旋转制动的水力装置，但均未能成功的得到运用。
三、回转器传动冲击器
这是一种利用波动蜗轮或类似原理的液力旋转式机构带动回转轴及锥形齿轮和成组的同步偏心机构造成对钻头连续冲击或振动，从而实现冲击回转钻进。
液动蜗轮冲击器液流经蜗轮机构1而迫使锥齿2旋转并带动曲柄3作纵向高速回转。
曲柄3将上下往复运动通过弹簧4、连杆5及冲击锤7而对孔底形成连续不断的冲击，钻头的回转则仍由地面钻机通过钻杆传动其外壳和钻头而实现。
美国的一种利用一种类似多级的蜗轮2，带动一组24对同步的偏心体而形成对孔底钻头的高速冲击，这些偏心体的往复运动仍然是利用一对锥形齿轮3来实现，离合器1是一组花键连接机构，共目的是允许冲击器做轴向运动并且又能传递钻杆的扭矩以便同时形成钻头的回转运动。
苏联设计的ГВ3型蜗轮冲击器。
外径260mm．水平轴上的偏心体3，其壳腔之一半充填以钨之碎块，碎块间则以铅充填，因而形成了一个比重约为14g／cm的偏心块，而壳腔的另一半则充满冲洗液，形成一个液力减阻器以减少旋转时的阻力。
高速回转的偏心体就是冲击能的来源。
孔底给进器1的目的是使钻头具有相当的振幅，同时也可以避免钻杆激烈振动。
此种结构的冲击器曾进行过钻孔试验，但缺点甚大而末成功。
所有的液力回转器传动的冲击器，其主要缺点是各种型式蜗轮机的传递功率不足，而且效率低，若设计成多级高速的蜗轮机构则又过于复杂，而且又不可能承受长时间的剧烈振动。
有效而成功的结构尚待进一步研究。
四、电动冲击器
电动冲击器可以利用直径较小而轴向尺寸较大的潜孔式电动机取代前述回转器传动冲击器中的蜗轮机构而实现。
我国地质矿产部勘探技术研究所曾于六十年代初进行过研究，但结构复杂，无论是设计制造和使用都有困难。
在英国和苏联曾设计研究过利用磁致伸缩原理的高频振动钻，但有效能量很小，钻进岩石十分困难。
国外有人也曾研究过电磁冲击器。
至今为止，电动冲击器在深孔中的应用由于输电系统，冲击器的结构都比较复杂而没有大的进展。
五、风动冲击器（潜孔锤）
风动冲击器是就是利用压缩空气驱动冲击锤完成工作行程和实现冲击锤的回程，因此也一种双作用式的冲击器。
风动冲击器亦称潜孔锤。
由于工作介质为空气，而空气的阻力是液体的1／830—1／900，故在相同的冲锤重量，有效工作面积和冲程条件下其冲击功和冲击频率均比液动冲击器为大。
在钻进时压缩空气也就是冲孔介质，故其钻进工艺和特点基本上与空气吹井钻进相同。
在浅孔、破碎漏失地层和缺水地区、永冻层等条件下钻进时，其优点尤为突出。
我国研制风动潜孔锤及其配套钻机是从1958年开始，1964年进行了YQ—150A型钻机的生产性试验，而从1965年开始推广，约有二十多年的历史，积累了丰富的经验。
可见采用风动冲击器实行冲击回转钻进，其钻进效率很高，一般为冲击钻的3—5倍，约为液动冲击回转钻的1．5—3倍。
风动冲击器结构类似凿岩机，但无转歼机构，碎岩工具的旋转和液动冲击器一样均由地面钻机或转盘实现。
风动冲击器的基本原理：
室（配气机构）控制压气使之轮流进入气缸的上空或下空，以便推动活塞——冲击锤，对砧（钻头）进行冲击或推动冲出锤上行完成回程动作。
阀室由阴盖1、阀片2和阀座3组成。
当冲击器不工作时阀片2由于自重置于阀座3上，活塞6则停留在钻头（砧）7上。
工作时压气经阀盖1的进气孔①进入阀室，经进气孔②进入气缸壁上的进气道⑦及下室④。
此时活塞被举起，当活塞上行接近上死点时阀片2由于下端压力升高而改变位置并关闭阀盖的进气孔⑦，
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