第六章 冲击回转钻进与冲击振动钻进ppt课件
冲击回转钻进
第五章冲击回转钻进第一节概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法．以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法。
近几十年来．钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理．研制成功了冲击回转钻进技术。
一、冲击回转钻进的实质冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法。
冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率。
在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进。
它是在地面以动力带动全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击。
此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力。
如图0-1所示。
所以称为冲击回转钻进。
图0-1冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图a–回转钻进；b–冲击钻进；c–冲击回转钻进P静–轴向力；M–回转力；P冲–冲击力根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高3～5倍。
又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多。
又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高。
冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。
由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。
并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力。
(2)切削刃的磨损减少。
在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：①冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；②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很容易达到体积破碎；③钻速快，切削具的相对磨损就减少。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转钻进
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。
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。
岩心钻探钻进方法4-冲击回转 钻进
2. 与冲击回转钻进有关的岩石破碎机理研究结论
① 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；
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1/6—1/12进行解释。
② 在有一定预压下冲击破碎岩石，岩石的强度要 降低50—80%；
特点：结构简单，技术成熟，由于被压
缩弹簧释放出的能量与冲锤活塞。但工 作弹簧的工作寿命只有40～100h。
工程钻探
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
14 2020/8/3
③ 双作用液动冲击器
工程钻探
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
《回转钻进钻头LU》PPT课件
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 工程钻探与取样技术
二、钻探用硬质合金 1、硬质合金的特性
〔1〕钻探用的钨—钴合金：主要是碳化钨〔WC〕—钴 (Co)系硬
质合金。它以碳化钨粉末为骨架金属，钴粉末为粘结剂， 用粉末冶
金方法制成。这类硬质合金称为YG类硬质合金。 〔2〕牌号的意义：合金牌号如YG8c的意义为：YG— 钨-钴系
于水 井施工；振动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤
第四章 回转钻进用钻头
工程钻探与取样技术
回转钻进选择钻头的一般原那么是： ① 在软岩和中硬岩层中用硬质合金回转钻头； ② 在中硬及局部中硬以上岩层中采用铣齿牙轮钻头； ③ 在硬岩中采用金刚石钻头或钢粒钻头； ④ 在硬脆岩层中采用镶齿牙轮钻头。 ⑤ 金刚石钻头主要用于59、76〔75〕、91 mm的小口径； ⑥ 钢粒钻头主要用于91mm以上的口径； ⑦ 硬质合金和牙轮钻头那么既可钻进小口径，又可钻进大
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 工程钻探与取样技术
三、硬合金钻进的孔底碎岩过程 硬合金钻进的过程，实际上是切削具在轴向力的作 用下， 压入岩石；在回转水平力的作用下，沿孔底切削碎岩； 在轴向力和水平力的共同作用下，孔底岩石以薄的 螺旋 层形式连续被破碎。 根据所钻岩石的不同，其破碎方式也不一样，可分 为塑 性岩石的碎岩和弹-塑性岩石的碎岩两种情况。
口径水井、工程施工孔和浅井。
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 工程钻探与取样技术
一、硬质合金钻进的根本概念与特点 1、硬质合金钻进的根本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩 的工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方 法，它用于软岩层及中硬岩层的钻进〔1—4级软的沉 积 岩、中硬的5—7级及局部8级岩浆岩和变质岩〕。
振动和冲击试验 PPT
参考文件:MIL-STD-810F
高加速试验:测试强度增加,测试时间缩短 W1/W2＝(T1/T2)1/4,W1与T1就是实际运输振动强度与时间,W1
与T1就是实验室振动强度与时间
实验室随机振动得产生过程
时域信号
傅里叶 转换
频域信号
傅里叶 逆转换
高加速后得频 域型号
振动和冲击试验
本课程主要讨论得问题:
1、什么就是振动与冲击以及振动与冲击试验 得分类
2、振动与冲击试验得参数以及设备能力评估
什么就是振动:
1、振动:物体沿某一中心点做往返运动; 分类:正旋振动:正旋定频与正旋扫频 随机振动
什么就是振动:
1、1、正旋定频
在选定得频率上(可以就是共振频率,特定频率,或 危险频率)按规定得量值进行正弦振动试验,并达到 规定要求得时间。
机械冲击与机械碰撞得区别: 1、测试次数; 2、测试量级; 3、测试时得发生频率。
冲击原理:
冲击加速度:A=△V/t
△V代表实际冲击过程中得速度变化量; t代表冲击得
脉冲时间
冲击得分类:
冲击波形(脉冲波形): 半正旋波,矩形波,梯形波,后峰/后峰锯齿波
随机振动就是一系列振动振动得组合,但某一时 刻,无法预估振动得频率与振动强度。
实验室再现随机振动过程得办法: 1、实际采集运输振动 2、对采集得振动数据进行处理 3、对处理后得振动数据使用振动试验机进行运
输振动得再现模拟
振动数据转化后得测试时间问题:
振动时间就是否与实际得振动时间一致？
解决办法:
时域信号 通过振动台控制器 得计算
随机振动测试参数:
振动频率范围 各频率点上得功率谱密度
第六章 冲击回转钻进与冲击振动钻进
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： (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。
国家精品课程
岩土钻掘工程学
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
1.2 反作用冲击器
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岩土钻掘工程学
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。 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4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，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。 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 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
图 . 斜面蝶状阀配气装置 1-阀箱，2-阀片，3-阀座。
2012-7-25
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
如果活塞串联使用时，C1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。 压缩气体的少部分经配气阀中心孔、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，开始第二个循 环工作。
2012-7-
1.3 双作用冲击器 冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。 钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置； 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d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9； 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。
岩土钻掘工程学—回转钻进用钻头课程课件
增加孔底冲击载荷；钢丝绳冲击钻进主要用于水井施工；振 动钻进、长螺旋干式回转钻进主要用于在土壤和软岩中打浅 孔（工程施工）。
2020/11/22
2020/11/22
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 岩土钻掘工程学
上式表明：
h0
Py bH y tg
塑性岩石的切入深度h0与轴向力Py成 正比，而与切削具的刃角β、刃宽b、 岩石的压入硬度Hy成反比。
虽然β角越小切削具刃尖切入岩石越 容易，但如果β很小则切削具会很快崩 裂，实际上β角的最小值为45°～50°。
水井、工程施工孔和浅井。
2020/11/22
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 岩土钻掘工程学
0、硬质合金钻进的基本概念与特点
1、硬质合金钻进的基本概念 利用镶焊在钻头钢体上的硬质合金切削具作为碎岩的 工具，这种钻进方法称为硬合金钻进。 硬合金钻进是岩土钻掘工程中的一种主要钻进方法， 它用于软岩层及中硬岩层的钻进（1—4级软的沉积岩、 中硬的5—7级及部分8级岩浆岩和变质岩）。
设钻进的初始钻速为 v0=A/S02，上式可写成：
v2t 2
v0 (1 k0t)2
式中： k0——钻速下降的特征系数，k0=θ/S0。 钻头在t时间内
总进尺为 H
t
0 vmdt
得到
2020/11/22
vm v0 (1 k0t)
第一节 硬质合金钻进孔底碎岩过程 岩土钻掘工程学
2020/11/22
第二节 硬质合金钻头
岩土钻掘工程学
一、取心式硬质合金钻头结构要素
冲击 回转钻进
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。
冲击回转钻进
冲击回转钻进概述钻探工程以机械方式破碎岩石，最早是采用冲击钻进方法．以后才发展到以回转钻进为主的钻进方法。
近几十年来．钻探工作者根据动载荷比静压载荷能够更加有效破碎坚硬岩石的原理．研制成功了冲击回转钻进技术。
一、冲击回转钻进的实质冲击回转钻进是有机地综合了冲击钻进(单次破碎岩石作用)和回转钻进(连续破碎岩石作用)的一种钻进方法。
冲击回转钻进主要是指在回转钻进的基础上，加人一个冲击器以提高钻进效率。
在钻头上或岩心管上联结一个专门的冲击器，在钻进中给钻具以一定的轴向压力和回转运动，同时冲击器给钻具以一定频率的冲击能量，在冲击和回转共同作用下，钻头破碎岩石，进行钻进。
它是在地面以动力带动全套钻具进行回转(并通过钻具给钻头一定的轴向压力)的同时，孔内冲击器以每分钟几百次至几千次的频率进行冲击。
此冲击力通过岩心管或直接传至钻头：钻头上同时作用两种载荷，即回转方向的回转力和轴向方向的冲击力。
如图0-1所示。
所以称为冲击回转钻进。
图0-1冲击回转钻进与冲击钻进、回转钻进的碎岩比较示意图a–回转钻进；b–冲击钻进；c–冲击回转钻进P静–轴向力；M–回转力；P冲–冲击力根据岩石破碎原理，在一定的轴向压力下冲击破碎岩石，岩石强度要降低50%～80%，所以上述冲击回转钻进比钢绳冲击钻进效率要高3～5倍。
又由于冲击器放置在孔底，冲击能量直接施加在钻头上，能量损失较少，因此它比地表冲击器的钻进效率也要高许多。
又由于在冲击载荷作用下，坚硬岩石易于实现体积破碎过程，所以，冲击回转钻进比一般的回转钻进，其效率也要高。
冲击回转钻进提高钻进效率的原因，归纳起来有下列几点：(1)冲击载荷的特点是接触应力瞬时可达极高值，应力比较集中。
由于岩石的动硬度要比静硬度小，固易产生微裂纹。
并且冲击速度愈大，岩石脆性增大，有利于裂隙发育，因此，不大的冲击功就可以破碎坚硬岩石，而静压入时则需要很大的力。
(2)切削刃的磨损减少。
在冲击回转钻进中切削刃具磨损减少的原因有：①冲击破碎岩石时刃具与岩石的作用时间很短；②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很容易达到体积破碎；③钻速快，切削具的相对磨损就减少。
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国家精品课程
岩土钻掘工程学
2018/10/23
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
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；
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岩土钻掘工程学
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.
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” 、“打滑”、“防斜”等问题。
在岩土工程的大口径施工中也有用武之地。
第一节 概述
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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。 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、工程施工 、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(风动潜孔锤) 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2~3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 、潜孔锤解卡、起拔套管等。钻孔深度从 埋线杆孔2.3m——油气井1000m以上。
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2018/10/23
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第二节 液动和气动冲击器
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1.阀式液动冲击器
1.1 正作用冲击器
液体压力推动冲锤下行冲击，弹簧力复位—“正 作用” 。 冲锤5在簧6作用下处上位，中孔被活阀4盖住， 液流瞬间被阻，液压↑产生水锤。冲锤和活阀 一同下行，压缩阀簧3和锤簧；活阀下行时被阀 座9限制与冲锤脱开，液流经中心孔流向孔底， 液压↓，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7，冲击能 量经铁砧→岩心管接头→钻头。 冲锤在锤簧力作用下弹回再次与活阀接触。
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2018/10/23
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第二节 液动和气动冲击器
1.2 反作用冲击器
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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。 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4的 水路被逐步打开，高压液流流向孔底，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。 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 作用于冲锤使其上行，开始第二个工作周期。
2.1 射流式冲击器
双稳射流元件控制的液动冲击钻具。 高压水射流从喷嘴喷出产生附壁作用。 若先附于右壁，高压液流则流入通道C并进入缸体 上部，推活塞下行，冲锤冲击砧。 在C输出高压水的同时，有一小股高压液流(反馈信 号)进入D控制孔。在活塞行程末了时，反馈信号很 强，促使射流由C切换到E输出，高压液流由左通道 输出，进入下腔，推动活塞向上。 活塞上行时，反馈信号又回到F，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。
2018/10/23
国家精二节 液动和气动冲击器
其主要特点： （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。
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2018/10/23
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第二节 液动和气动冲击器
2.无阀冲击器
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第六章 冲击回 转钻进与冲击振 动钻进
第一节 概述
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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，冲击回转钻进只要用不大的冲击力，便可以 达到破碎坚硬岩石的效果。 冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性 Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的岩石中，钻进效果尤为突出。 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。
2018/10/23
中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
一、液动冲击器
液动冲击器根据结构不同可分为: 阀式液动冲击器 又可分为: (1) 正作用阀式液动冲击器; (2) 反作用阀式液动冲击器; (3) 双作用阀式液动冲击器. 无阀式液动冲击器 又可分为: (1) 射流式液动冲击器; (2) 射吸式液动冲击器。
2018/10/23 中国地质大学勘查教研室
第二节 液动和气动冲击器
其主要特点： (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。
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第二节 液动和气动冲击器
反作用冲击器的主要特点： (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40~lOO小时。
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第二节 液动和气动冲击器
1.3 双作用冲击器 冲锤正冲程和反冲程均由液体压力推动。 钻具自重使活接头f压紧到外套g处，工作腔d 的液流分别作用在活阀2和塔形冲锤6上，由 活阀上下端的压差使活阀上移到最上位置； 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d1 被关闭，冲锤与活阀一起急速下行，当下行h 时，活阀被支撑座4限止，冲锤与活阀分离， 借助惯性继续下行到s时，冲击砧子9； 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。