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在不同地层中气动潜孔锤钻进技术探讨
作者:管理员    发布于:2013-08-16 22:03:09    文字:【】【】【

1.前言

气动潜孔锤钻进广泛应用在露天开采和采石工作水井钻进、矿物勘探、桩孔钻进、现场勘察、岩层加固、桩墙钻进、地层锚固、特殊的地下钻进、地热孔钻进、通讯孔钻进、浅孔钻进、排水管和接地杆的安装等。这样会遇到各种不同的地层情况。

2.气动潜孔锤的工作原理

在气动潜孔锤钻进过程中,高压空气驱动冲击器内的活塞作高频往复运动。并将该运动所产生的动能源源不断的传递到钻头上,使钻头获得一定的冲击功。钻头在该冲击功的作用下,连续的对孔底岩石施行冲击。岩石在该冲击功的作用下,形成体积破碎。同回转钻进相比,该工艺是以钻头冲击破碎岩石取代了切削岩石;以动载冲击代替了静载研磨,以岩石的体积破碎代替了研磨剪切破碎。在潜孔锤钻进的同时,一部分被体积破碎下来的岩屑被具有一定压力及速度的空气吹离孔底,并排出孔口、减少了岩石重复破碎的机会。所以气动潜孔锤有较高的钻进效率。

气动潜孔锤的选择主要涉及其性能参数(冲击功、冲击频率、冲击能量以及压缩空气耗用量)、钻进规程(风量、风压、钻压、转速)和钻头。实际上良好的冲击器应达到两个指标:及有较高的破碎岩石效率和较长的钻具寿命。

3.气动潜孔锤的分类

气动潜孔锤按配气类别分为两大类:有阀式潜孔锤和无阀式潜孔锤。

1)有阀式潜孔锤:通过各种形式的控制阀(碟状阀、碗状阀、板状阀等)司管压缩空气的切换,交替进入前后气室推动冲锤(活塞)往复运动产生冲击作用。活塞运动到缸体的前后死点,产生压力信号推动控制切换,使活塞换向冲击。阀式潜孔锤缸体内的配气过程简单,压缩空气只经历进气和排气二个配气过程。

2)无阀式潜孔锤是继有阀式潜孔锤之后发明和发展起来的。它取消了控制阀,利用冲锤(活塞)运动开启和关闭不同通道,从而控制压缩空气的切换。活塞在缸体内的配气过程有三个状态,即进气行程、排气行程、膨胀(压缩)行程,从而发挥了压缩空气可压缩和膨胀作功的特性。与有阀型潜孔锤相比较,由于缸体内多了一个膨胀作功过程,节省压缩空气消耗量近30%,大幅度节约和降低了能耗。有阀型潜孔锤控制阀高频运动、切换,容易磨损报废,需定期更换。控制阀随潜孔锤工作时间延续而逐渐磨损,无法保证潜孔锤始终保持良好的工作性能。控制阀的灵活切换,只能在一定的气压范围内,压力的适应性及工作稳定性较差。无阀型潜孔锤从原理上根除了这一弊端,消除了易损件。压力适应性强,工作稳定性好。因此,近代研究开发的各种类型潜孔锤均以无阀型为主,代表了潜孔锤的发展趋势。

4.潜孔锤钻进工艺方法

潜孔锤钻进工艺方法分为:潜孔锤正循环钻进和潜孔锤反循环钻进。

1)潜孔锤正循环钻进:潜孔锤传统工艺方法为正循环钻进,压缩空气经钻杆内孔道传输给潜孔锤,驱动潜孔锤作功。排出的废气经钻头排气孔排出,冲洗孔底,冷却钻头,携带岩渣屑沿孔壁与钻杆之间的环状间隙上返至地表,完成正循环钻进过程。潜孔锤正循环时,高速气流冲刷孔壁,不利于孔壁的稳定;气流排出孔口造成粉尘污染,不利于环保;一般情况下,当钻孔直径大干200mm时,用于驱动潜孔锤作功的供风量小于正常排渣所需的风量,孔内排屑成为难题,限制了潜孔锤钻进技术多领域、大面积的推广应用。

2)潜孔锤反循环钻进:压缩空气和上返流体介质(水或泥浆)均在封闭的双壁钻具内输送,避免了与孔壁的接触和对孔壁的冲刷,有利于孔壁的稳定,对复杂、漏失、破碎地层有独特的效果,在卵砾石层和复杂地层中广泛应用。

5.气动潜孔锤的钻进方法

51土层中气动潜孔锤的钻进方法

土层中气动潜孔锤的钻进方法:冲击挤密钻进成孔法。其机理主要是利用气动潜孔锤冲锤所产生的冲击力来使钻头向前嵌进。同时在回转力作用下,不断将钻头转动一定角度,挤密钻头上的刃齿将被挤密的土层重新刮削成很薄的散层,减少了钻头尾部的摩擦阻力。此外气动潜孔锤冲锤活塞高频冲击钻头时,也给钻头一定的振动力,使土层液化,破坏了土层的原状结构。在冲击力、回转力及给进力联合作用下,使土粒重新排列组合,形成较强的粘结力和吸附力。

52卵砾石层中气动潜孔锤钻进方法

卵砾石层中气动潜孔锤钻进方法: Odex钻进法、MACH钻进法、“土星”和“海王星”钻进法。MACH钻进法(泥浆空气循环潜孔锤),特点是用压缩空气驱动潜孔锤(单锤或多锤),使清水或泥浆的反循环或正循环排屑。该法钻进效率高,不受水压产生的背压影响,可进行深孔大口径钻进。

53硬岩地层和基岩地层中气动潜孔锤钻进方法

硬岩地层和基岩地层中气动潜孔锤钻进方法:FGC15型大直径硬岩潜孔锤钻进法、DHD系列特大型无阀潜孔锤钻进法、CD系列集束式潜孔锤钻进法、潜孔锤反循环钻进钻进法。在这种类型的钻进中,岩石在镶嵌在钻头表面的硬质合金球齿的反复强力冲击下被破碎成细小的岩屑,而岩屑通过风动冲击潜孔锤排出的高速气流带出钻孔。其中FGC15型大直径硬岩潜孔锤:称为湿式闭型循环潜孔锤,该方法突出的特点就是压缩空气作为推动潜孔锤工作的动力循环介质,泥浆作为维护孔壁、消除岩粉的循环工作介质;空气循环和泥浆循环各自独立、互不接触。潜孔锤反循环钻进法:以压缩空气作为碎岩动力和洗井介质,配用双壁钻杆,压缩空气流经双壁钻杆内环间隙到达潜孔锤工作内腔驱动潜孔锤作功,作功后的废气经钻头排气通道至孔底;通过钻头底部的喷射引流结构,携带孔底破碎岩渣进入潜孔锤和双壁钻杆的中心通道排至地表。

54复杂地层中气动潜孔锤钻进

复杂地层中气动潜孔锤钻进:DHD系列特大型无阀潜孔锤、FGC——15大直径潜孔锤钻进法、异步跟管钻进法、同步跟管钻进法、贯通式气动潜孔锤反循环钻进法、泡沫钻进法。

541异步跟管钻进法

异步跟管钻进法(常规下套管方法):先用潜孔锤破岩钻进,而后下套管隔离,再换用小一级钻具在套管内继续钻进。这是钻孔钻进常用的方法。施工时尽量提高钻速,快速通过破碎带,其目的为了缩短外界因素(如冲洗液浸泡)作用时间,使孔壁能在一定时间内保持稳定,这样即可赢得一部分时间,然后再下套管隔离护孔。

542同步跟管钻进法

同步跟管钻进法:即潜孔锤一边钻进,套管一边随钻头下人孔内。跟进的套管具有稳定孔壁和保护孔口作用,而且钻进、排渣和护壁3个工序同时进行,使钻孔工作得以顺利进行。这是—种既发挥潜孔锤碎岩效率高的优点,又设法克服其护壁性能差而采取的一种工艺措施(如瑞典的“Odex”偏心扩孔法、德国的“土星”和“海王星”双回转钻进法)。

543贯通式气动潜孔锤反循环钻进法

贯通式气动潜孔锤反循环钻进法:以压缩空气作为碎岩动力和洗井介质,配用双壁钻杆,压缩空气流经双壁钻杆内环间隙到达潜孔锤工作内腔驱动潜孔锤作功,作功后的废气经钻头排气通道至孔底。通过钻头底部的喷射引流结构,携带孔底破碎岩渣进入潜孔锤和双壁钻杆的中心通道排至地表。压缩空气在管线中的流动状态和驱动潜孔锤作功原理与常规气动潜孔锤钻进原理基本相同,不同点是气流到达孔底后的上返通道不同,前者是通过钻具与孔壁环状间隙上返(正循环潜孔锤钻进)

544泡沫钻进法

泡沫钻进法:在供水困难干旱地区的复杂地层钻孔时使用泡沫钻进法,采用空气潜孔锤钻进,具有其他钻进方法不可比拟的优越性。当尚不具备高能空压机的条件下,采取空气泡沫冲洗就能补充低压空压机的不足。开展空气泡沫潜孔锤钻进,这样既弥补了干空气钻进时所需风量的不足,又可获得与干空气钻进几乎相近的钻进效果,是当前解决潜孔锤钻进的有效方法之一。采用泡沫钻进来弥补风量的不足。

开钻前检查、正常钻进操作,减少钻进事故的发生和提高钻进效率,最大限度地发挥气动潜孔锤的性能特点。

6.结语

总之,气动潜孔锤(冲击回转)在矿产钻探、水井和矿山露天开采中广泛使用,尤其是硬岩和卵砾石层提高钻进效率的有效方法;并可有效地减少钻孔弯曲,应用范围愈来愈广。气动潜孔锤钻进不但成井质量好(井孔垂直),判层准确,钻杆不易磨损,能快速穿过坍塌掉块等复杂地层,设备故障少,不易堵塞含水层通道,根据背压大小能准确判定涌水量,而且在硬、脆、碎地层的大直径钻孔工程施工方面更显威力。

脚注信息
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