麗水益礦科技潛孔鉆頭

潛孔鉆頭 高風(fēng)壓潛孔鉆頭，采用的端面設(shè)計形式主要有四種：即端面凸面型、端面平面型、端面凹面型和端面深凹中心型。硬質(zhì)合金多選用球齒、彈齒或球齒和彈齒共用的布齒方式。

端面平面型：這種形狀的鉆頭比較堅固耐用，適用于鉆鑿堅硬和極堅硬巖石，同時也適用鉆鑿炮孔平直度要求不高的的中硬巖石和軟巖。

用于水文水井的潛孔錘按驅(qū)動孔底沖擊器的循環(huán)介質(zhì)不同,也分為液動潛孔錘鉆進(jìn)(通常稱為液動錘)和氣動潛孔錘鉆進(jìn)(通常簡稱為潛孔錘)。液動潛孔錘已有SC-150型系列產(chǎn)品,主要用于φ150～260mm的基巖水文水井鉆探。氣動潛孔錘是以壓縮空氣作為循環(huán)介質(zhì)又同時作為驅(qū)動孔底沖擊器動力的鉆進(jìn)方法,稱為潛孔錘鉆進(jìn)。它是一種高效率的優(yōu)良鉆進(jìn)方法。在硬巖鉆進(jìn)中比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的效率高幾倍至幾十倍,因此在水文水井及其他鉆探行業(yè)中發(fā)展很快。

潛孔錘鉆進(jìn)需配備較大風(fēng)量和風(fēng)壓的空壓機(jī)、氣動潛孔錘和潛孔錘鉆頭等機(jī)具。

有關(guān)潛孔錘類型及其結(jié)構(gòu)和工作原理等內(nèi)容請參見本章第一節(jié)第六部分的內(nèi)容。

潛孔錘鉆頭

潛孔錘鉆頭的種類很多,但從碎巖的硬質(zhì)合金的形狀可分為兩種,一是刀片刃鉆頭,另一種是柱齒鉆頭,如圖4-35所示。前者用于一般軟地層,后者用于硬地層。

圖4-35 潛孔錘鉆頭

潛孔錘鉆頭比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆頭在井下受力情況復(fù)雜,所以結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。一般刀片刃鉆頭的刀片刃排列呈十字形、X形或采用超前刃等形式。柱齒鉆頭的合金幾乎都采用過盈冷壓固齒方法。潛孔錘鉆頭直徑,我國目前常用220mm。國外大口徑超級潛孔錘直徑可達(dá)762mm,而集束式大口徑潛孔錘可鉆出1016mm直徑的鉆孔。

潛孔錘鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

風(fēng)壓

潛孔錘的沖擊頻率和沖擊功都與風(fēng)壓有關(guān)。當(dāng)風(fēng)壓從0.6MPa提高到1.03MPa時,鉆進(jìn)效率可增加一倍。

目前,國產(chǎn)潛孔錘按其所需風(fēng)壓的不同有兩種。低壓潛孔錘所需的風(fēng)壓為0.5～0.7MPa,高壓潛孔錘所需風(fēng)壓是1.2～2.2MPa。

在使用潛孔錘鉆進(jìn)時,除去潛孔錘正常工作所需的風(fēng)壓外,還要加上隨鉆孔深度的增加和克服水位以下的水柱壓力所增加的壓力。生產(chǎn)中常采用串聯(lián)增壓器的辦法,使風(fēng)壓增大。
風(fēng)量

潛孔錘鉆進(jìn)速度快,單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的巖屑顆粒大且量重,需要較大的風(fēng)量才能使孔底干凈。對于潛孔錘本身也有一定的額定風(fēng)量才能正常工作。如 W-200型潛孔錘的額定風(fēng)量為10～20m3/min。

從試鉆情況看,當(dāng)井內(nèi)上返風(fēng)速大于15m/s時,潛孔錘才能發(fā)揮良好的效果。因此,要求風(fēng)量要保證井內(nèi)上返風(fēng)速大于15m/s。

國內(nèi)生產(chǎn)單位大多擁有9m3/min的空壓機(jī),使用該機(jī)鉆進(jìn)水井鉆孔時,風(fēng)量顯得不足。常將兩臺或多臺空壓機(jī)并聯(lián)使用,可解決風(fēng)量不足問題。

沖擊頻率

當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓均達(dá)到潛孔錘所要求的額定值后,一般潛孔錘的沖擊頻率為600～1000次/min。

鉆壓

潛孔錘鉆進(jìn),必須保持鉆頭始終不離開孔底,因此必須施加一定的孔底壓力。但如鉆頭壓力過大,不僅不會增加鉆進(jìn)速度,反而會加速鉆頭的磨損。如使用直徑為φ100～300mm的潛孔錘,鉆壓在10～18kN時,鉆進(jìn)效率最佳。

轉(zhuǎn)數(shù)

由于潛孔錘碎巖呈塊狀,故轉(zhuǎn)速不要求太高。一般規(guī)律是,球齒鉆頭的磨損與轉(zhuǎn)數(shù)成正比,巖石愈硬,研磨性愈高,轉(zhuǎn)數(shù)應(yīng)低些。

轉(zhuǎn)數(shù)大小與潛孔錘的最優(yōu)轉(zhuǎn)角和沖擊頻率有關(guān),其三者關(guān)系為

地勘鉆探工：初級工、中級工、高級工

式中:A為最優(yōu)轉(zhuǎn)角(°);n為鉆具轉(zhuǎn)數(shù)(r/min);f為沖擊頻率(次/min)。

如最優(yōu)轉(zhuǎn)角取11°,沖擊頻率為600次/min,則可求得鉆具轉(zhuǎn)數(shù)為18r/min。轉(zhuǎn)數(shù)也可由鉆頭每回轉(zhuǎn)一周,進(jìn)尺10mm的經(jīng)驗關(guān)系求得。即

鉆具轉(zhuǎn)數(shù)/鉆進(jìn)速度=1.6 (4-6)

例如,小時效率為12.2m/h時,鉆具轉(zhuǎn)數(shù)n=12.2m/h×1.6=19.5≈20r/min。

潛孔錘跟管鉆進(jìn)方法

潛孔錘鉆進(jìn)用于基巖水井鉆探,取得了非常好的效果。但對極其松散的流砂層、卵砂漂石層、回填土層及第四系覆蓋層,則無法采用常規(guī)潛孔錘鉆進(jìn)方法。因而出現(xiàn)了潛孔錘跟管鉆進(jìn)法。

潛孔錘同步跟管鉆具作用原理

這種鉆具的鉆頭能在套管底部鉆出大于套管外徑的鉆孔,使套管能順利地跟進(jìn);在提鉆時又能使擴(kuò)孔鉆頭方便地縮回,使整個鉆具能從套管中提出。圖4-36所示為跟管鉆進(jìn)鉆具組合圖。它由潛孔錘、導(dǎo)正器、偏心擴(kuò)孔鉆頭、中心鉆頭、偏心護(hù)套、砂土層用錐形鉆頭和套管鞋等組成。并根據(jù)需要可附加扶正器、取粉管、排粉罩,或者使用雙壁鉆桿加有封隔器的正反接頭用于中心取樣鉆進(jìn)。

鉆進(jìn)軟硬夾層的地層時,鉆具組合為:

外層。排粉罩-套管-套管鞋。

內(nèi)層。鉆桿及扶正器-潛孔錘-導(dǎo)正器-偏心擴(kuò)孔鉆頭-中心鉆頭。為防止風(fēng)量不足吹不出較大粒徑的巖屑而造成卡鉆,在潛孔錘上方裝有取粉管。

圖4-36 跟管鉆具組合圖

1—鉆桿;2—排粉罩;3—扶正器;4—套管;5—取粉管;6—潛孔錘;7—導(dǎo)正器;8—套管鞋;9—偏心擴(kuò)孔鉆頭;10—中心鉆頭;11—沙土層錐形鉆頭;12—偏心擴(kuò)套;13—雙壁鉆桿;14—封隔器;15—正反接頭

用雙壁鉆桿進(jìn)行中心取樣鉆進(jìn)時,加上帶有封隔器的正反接頭,取消排粉罩和取粉管。鉆進(jìn)時,空氣或泡沫從鉆桿進(jìn)入潛孔錘使沖擊器工作,沖擊器活塞沖擊導(dǎo)正器,導(dǎo)正器偏心軸上套著偏心擴(kuò)孔鉆頭,前端用絲扣連接著中心鉆頭。當(dāng)鉆具正向回轉(zhuǎn),偏心擴(kuò)孔鉆頭由于慣性力和井壁摩擦力張開,并在開啟到最大位置后被導(dǎo)正器上的擋塊限位。沖擊力由導(dǎo)正器傳給中心鉆頭和偏心擴(kuò)孔鉆頭,對孔底巖石進(jìn)行破碎。偏心擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)出大于套管外徑的通道使套管能不受孔底巖石的阻礙而通過。當(dāng)套管外壁的摩擦阻力過大,套管停止跟進(jìn)時,由于內(nèi)層鉆具繼續(xù)向前破碎巖石,直到導(dǎo)正器上的臺肩與套管鞋上的臺肩接觸,此時導(dǎo)正器將潛孔錘傳來的沖擊力部分施加給套管鞋,再加上鉆壓,迫使套管鞋帶動整個套管柱與鉆具同步跟進(jìn),保護(hù)已鉆孔段的井壁。

導(dǎo)正器表面開有提鉆吹巖屑的風(fēng)孔,與潛孔錘外殼底部接觸的地方也開有風(fēng)孔,以利吹孔時能使大量的空氣從套管內(nèi)部上返,并將夾在該部位的黏土清除。偏心軸上開的風(fēng)口可對偏心擴(kuò)孔鉆頭進(jìn)行冷卻并防止巖屑卡住擴(kuò)孔鉆頭;大部分壓縮空氣由中心孔通過中心鉆頭的風(fēng)道直接沖洗孔底已破碎的巖屑。巖屑通過開在導(dǎo)正器表面的風(fēng)槽進(jìn)入套管并被上返的高速氣流或泡沫帶出孔外。

鉆具工作時,導(dǎo)正器表面和臺肩上的通孔分別被套管鞋內(nèi)表面及潛孔錘底部封閉,大量的空氣進(jìn)入鉆頭工作區(qū),對鉆頭進(jìn)行冷卻和清洗孔底;提鉆吹孔時,臺肩上的通孔開啟,由于孔底空氣阻力大,大部分空氣將從臺肩上的通孔向上吹除套管內(nèi)的巖屑。鉆具再往上提,導(dǎo)正器表面的氣孔也開啟,氣流對套管內(nèi)的巖屑進(jìn)行強(qiáng)力吹除。并經(jīng)排粉罩排出套管或經(jīng)正反接頭進(jìn)入雙壁鉆桿中心管排出鉆孔。

鉆進(jìn)結(jié)束需提鉆時,應(yīng)稍稍反轉(zhuǎn)鉆具,使擴(kuò)孔鉆頭又依靠與孔底的摩擦阻力而收回。于是整個鉆具外徑小于套管內(nèi)徑,即可將鉆具提出鉆孔或進(jìn)行配接鉆桿和套管的工作。

鉆進(jìn)黏土層和砂土層時,可不用偏心擴(kuò)孔鉆頭,并將中心鉆頭換成錐形鉆頭鉆進(jìn),利用土層在高頻振動下的“液化”現(xiàn)象來切削地層實現(xiàn)跟管。

潛孔錘跟管鉆進(jìn)工藝

采用潛孔錘跟管鉆進(jìn)時,最好使用動力頭鉆機(jī),以便一次跟進(jìn)較長的套管。

為保證打直孔,第一根套管的安放不得偏斜,將套管的垂直度控制在2‰以內(nèi)(允許偏差為3mm/m)。套管應(yīng)采用左螺紋連接或焊接,以防套管脫落。

最好使用泡沫鉆進(jìn),利用它的潤滑性能,使套管順利地跟進(jìn)。

鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)速以18～25r/min為宜,不可開高轉(zhuǎn)速;鉆壓應(yīng)根據(jù)地層而定。使鉆進(jìn)速度保持平穩(wěn)為好。