冲击回转钻进用钻头浅析

冲击回转钻进用钻头浅析

孙大科

安徽省煤田地质局第二勘探队安徽芜湖241006

摘要：冲击回转钻探方法，在地质勘探和工程勘察领域应用广泛。要提高冲击回转钻探效率和质量，钻头的选择是十分关键。作者长期从事地质钻探工作，经常采用冲击回转钻进技术，对冲击回转钻进钻头使用积累了一定的经验，现将自己的拙见进行简单介绍，希望能为钻探工作者带来帮助。

关键词：冲击回旋进；液动；气动；钻头

冲击回转钻探是指用冲击和回转两种方式同时碎岩的钻探方法。这种方法是在回转的钻杆下端和取心钻具之间装上一个潜孔冲击器，使冲击脉冲、轴向钻头压力和钻杆回转扭矩同时作用在钻头上，实现钻进取心。这种钻探技术可以大幅度提高硬岩层钻速和进尺长度，能有效减少钻孔弯曲程度，同时降低钻探成本。这种钻探通常由两种冲击器实现。一种利用钻孔冲洗液能量驱动的冲击器，称为冲击回转钻探；另一种采用压缩空气驱动的气动冲击器，称为气动冲击回转钻探。

1.冲击回转钻进破岩机理。

冲击使接触应力瞬间提升，应力集中，岩石产生裂纹。冲击速度越快，岩石脆性增大，裂隙发育增多，几十焦耳的冲击功就可以破碎坚硬的岩石。在冲击回旋钻头上同时作用轴向静载、冲击力和回转力矩。钻头刃具具有冲击碎岩和回转碎岩两个作用。根据冲击和回转碎岩作用的主次，又将冲击回转钻进分为冲击-回转和回转-冲击两种碎岩形式。

1.1冲击-回转碎岩形式。

冲击-回转碎岩主要以冲击荷载碎岩为主，轴向静压力主要用来克服钻具的反弹力，改善冲击能的传递。回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击残留的岩石脊峰。如果能够拟定最佳回转速度的话，应该能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。冲击器具有低频率，大冲击功，如：风动潜孔锤就属于这种。利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成脆性岩石大颗粒岩石的剥离。随岩石脆性与硬度增大，碎岩效果愈加明显。

1.2回转-冲击碎岩形式。

回转-冲击碎岩是把高频低冲击功，加在一般回转钻进硬质合金钻头或金刚石钻头上。主要用于小口径钻进，比如液动冲击器就属于此类。回转-冲击钻进碎岩机理是：岩石受到高频冲击力后，一方面在刃具接触处产生应力集中，增大了破碎体积；另一方面在岩石内部分子被迫振荡而产生疲劳破坏并降低了强度，再加上轴向静压和回转切削，增加了破岩效果。

2.冲击回转钻探的冲击器。

2.1液动冲击器。

液动冲击器以钻探冲洗液为动力介质，利用高压液流能量及动态水击能量产生连续冲击载荷的孔底动力机具。通常直接联结在取心钻具上部，在钻进的同时，将连续的冲击载荷传递到取心钻头上，使钻头以回转切削和冲击两种方式联合碎岩。用于地质岩心钻探，特别适合在坚硬、破碎岩层以及中等硬度的粗粒不均质岩层中应用。液动冲击器根据结构不同分为：阀式液动冲击器、无阀冲击器、绳索取心式液动冲击器、孔底反循环液动冲击器。其中阀式冲击器分为：正作用冲击器、反作用冲击器、双作用冲击器；无阀冲击器分为：射流式冲击器、射吸式冲击器。

2.2气动冲击器。

气动冲击器又称风动冲击器、风动潜孔锤。以压缩空气为动力介质，利用压缩空气的能量产生连续冲击载荷的孔底动力机具。压缩空气同时可以兼作洗孔介质。气动冲击器有高风压和低风压、阀式和无阀式之分。通常气动冲击器直接与硬质合金柱齿钻头连接以冲击方式碎岩，低速回转不取心全面钻进。主要应用于水文井钻探、无岩心地质钻探、地质灾害防治工程以及矿山凿岩等领域。适合在卵砾石及硬岩层中钻进，配置特殊结构的钻头也可在软土层中使用。机械钻速一般高于液动冲击器钻进,但需要配备能力较大的空气压缩机，燃料消耗较大，有噪音、粉尘污染。钻进深度受地下水水位、水量的影响较大。

3.冲击回转钻进用钻头。

3.1冲击回转钻进用钻头特点。

在冲击回旋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。取心冲击钻头壁厚较普通取心钻头厚，一般壁厚10~20mm，钻头体较长（140mm）；而气动冲击回转钻头壁厚度更大或多采用全面钻进形式；钻头体的外形成多边形，以增大通水通气面积；为使钻头切削具承受大冲载，多采用YG15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。

3.2液动冲击回转钻进用钻头。

3.2.1液动冲击回转钻进用硬质合金钻头。

普通大八角硬质合金钻头：这种钻头可带肋骨或不带肋骨。肋骨厚3mm以增大通水面积，内、外出刃3mm，底出刃5mm，刃尖角900~1000，适用于钻进5~8级中硬岩石。

长片状肋骨式硬质合金钻头：钻头内肋骨与刚体成为一体。外肋骨厚4mm，外出刃1.5mm，内出刃1mm，底出刃5mm，冲击刃角1100，适用于低频大冲击功的液动钻进中硬岩石。

异形硬质合金钻头：利用异形截面钻头体增大液流断面，减少流阻背压和岩心堵塞。镶焊6粒硬质合金，内、外出刃各1mm，底出刃2.5mm~3mm，合金刃尖角900~1000，适用于5~7级中硬岩石钻进。

3.2.2液动冲击回转钻进用金刚石钻头。

液动冲击回转钻进用金刚石钻头主要是孕镶取心钻头，常用在坚硬“打滑”地层钻进和高频低冲击功的液动冲击器上。其结构特点：首选人造孕镶金刚石钻头或聚晶体钻头；选用高强度的或经过浑圆化和金属镀层处理的金刚石；因金刚石单晶抗冲击韧性与粒度成反比，故粒度不要太大，可选70~80目金刚石，金刚石浓度75％左右；要有足够的胎体强度和硬度，避免冲击破裂，一般选中硬—硬胎体，唇面形状以平底形、圆弧形和同心圆尖齿形为好；由于冲洗液量大，钻头的过水面积应增大，除主水口外增设副水口，加长加深钻头刚体内壁水槽，适当增大胎体外径。

3.3气动冲击回转钻进用钻头。

气动冲击回转钻进用钻头，多为全面钻头，分为整体式和分体式。根据碎岩材料可分为硬质合金和金刚石加强型。切削刃形状分为片刃型、柱齿型和片柱混装型。

3.3.1柱齿型钻头。

硬质合金柱齿：硬质合金牌号：K4012A，“K”表示矿产开采用，“40”表示半球形柱齿，“12”表示直径为12mm，“A”表示高度。半球齿强度最高，锥球齿次之，楔形齿最低；但凿岩效果相反。钻凿极坚硬和坚硬、磨蚀性强的岩石采用半球齿，钻凿中硬或坚硬、性脆岩石采用锥球齿，钻进软岩石宜采用楔形齿。硬质合金柱齿耐磨性低，钻进坚硬磨蚀性强的岩石时周边柱齿磨损严重。

金刚石加强柱齿：金刚石柱齿是将金刚石复合到硬质合金柱齿头部，利用硬质合金良好的冲击韧性。可延长钻头寿命，提高钻速降低钻进成本。聚晶型柱齿在金刚石压机上高温高压烧结而成。为克服金刚石聚晶层与硬质合金基体的热膨胀系数不同和弹性模量不同，在金刚石聚晶与硬质合金基体间采用了两层过渡层。孕镶型柱齿在中频炉上用热压法烧结而成，金刚石含量为75％左右，采用了特殊配方和烧结工艺使金刚石层与硬质合金基体牢固连接。

3.3.2潜孔锤柱齿钻头。

潜孔锤柱齿钻头是用冷压方法在钻头体中嵌装柱齿。钻头的柱齿在钻进过程中能自行修磨，使钻速稳定；柱齿损坏20％时钻头仍可继续工作，而刃片型钻头崩角后便不能使用。潜孔锤柱齿钻头可分为二翼形、三翼形和四翼形。四翼形钻头宜用在中硬及中硬以下岩石。近似于半球形的头部使边齿倾角接近450提高了钻头的寿命。潜孔锤柱齿钻头还可分为平头型、圆弧型、中凹型及中凸型等。圆弧型和中凸型钻速较高。中凹型由于凸出的岩核起定心作用，所以能钻较直的炮孔。

结束语

冲击回转钻进用钻头，种类很多，在使用时要根据地层和岩层特征结合每种冲击回转钻进钻头的特性进行选择。随着科技的发展，冲击回转钻进钻头的制造越来越先进，应用的范围也越来越广。

参考文献

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[2]季倩倩，钻头表面磨损规律的研究[D].沈阳：东北大学，2006:1~61。