高温硬岩空气潜孔锤钻头设计

干热岩试验性开发井钻井施工,在高温硬岩的地层条件下,如何实现高效钻进仍存在很多技术难点。空气潜孔锤钻进技术是解决硬岩地层钻进的有效方法之一,潜孔锤钻头是空气潜孔锤钻进的关键器具。根据青海共和干热岩GH-01井空气潜孔锤钻进技术应用情况,分析探讨了空气潜孔锤钻头断齿、掉齿、磨损严重、使用寿命短等问题,从钻头结构设计、钻头材料选取、钻头冷压固齿工艺等几个方面对空气潜孔锤钻头进行了优化。固齿优化过程中采用有限元分析方法,对钻头冷压固齿过盈量进行仿真分析计算,根据分析计算结果确定最优固齿过盈量。通过对潜孔锤钻头结构、材料、加工等优化,为适用于高温硬岩的空气潜孔锤钻头研制提供了借鉴。为提高空气潜孔锤钻进综合效率,为干热岩钻探开发提供了技术支持和技术储备。     

基于冲击载荷的硬质合金球齿碎岩机理研究

在滑坡防治大直径桩孔施工过程中,快速钻进是治理成功的关键。因此选用合适的钻进机具与工艺极其重要,而气动潜孔锤因钻进效率高被广泛应用。气动潜孔锤钻进过程中,通过钻头底部球齿对岩石进行切削,达到高效碎岩目的,但球齿在破碎岩石过程中若冲击功选用不恰当,会导致能量损耗增大、球齿磨损较快、钻进效率低等问题,因此选用合适的冲击功进行碎岩具有重要意义。本文采用ABAQUS软件对单个球齿冲击岩石的过程进行了数值模拟,并进行了冲锤自由落体冲击实验,分析?19 mm的球齿在不同冲击功条件下的碎岩机理、破碎面积的变化规律。结果表明球齿碎岩机理分为3个阶段：弹性变形、压裂、体积破碎,且当球齿以30 J冲击功钻进花岗岩时,可有效降低能量损耗与提高碎岩效率。     

空隙率对潜孔锤凿岩瞬态冲击过程的影响

潜孔锤的钻进过程是一个高度非线性、大变形、破碎岩石的过程,利用非线性有限元程序ANSYS/LS-DY-NA研究了在凿岩过程中,球齿凿入不同空隙率（塑性体积应变）岩石的冲击力特性。结果表明,岩石空隙率对钻头球齿与岩石之间的凿入冲击力幅值有很大影响,随着空隙率的增大,球齿凿入的冲击力显著减小,而对活塞与钻头间冲击力幅值影响甚微。通过ANSYS/LS-DYNA瞬态冲击数值模拟,形象地再现了潜孔锤钻凿系统冲击岩石发生侵入破坏的物理过程,为冲击碎岩瞬态研究提供了一个有效的分析方法。     

基于LS-DYNA的大容腔潜孔锤钻头结构研究

提出通过大容腔结构改善潜孔锤钻头与冲锤质量比来提高液动潜孔锤钻进效率的方法,并应用LS-DYNA显示动力学分析手段,对常规潜孔锤钻头和新型大容腔结构潜孔锤钻头的碎岩效果及应力状态进行仿真分析,结果表明：采用大容腔结构减小潜孔锤钻头的质量,调整钻头与冲锤质量比,可明显提升碎岩效果;冲锤与钻头质量比由0.79变化到0.91,岩石碰撞过程中吸收的最大冲击能变化率以及碰撞结束后的最终吸能变化率分别为41.13%和67.17%;两种大容腔潜孔锤钻头的受力均满足长期作业的疲劳强度要求,数值模拟计算结果表明,该钻头结构在施工中具备可行性。     

球齿钻头布齿的优化方法探讨

在等工作条件布齿理论的基础上，从球齿碎岩机理出发，探讨了相邻球齿对碎岩效果的影响，从而确定地最优齿间距，并确定最佳齿位和合理的齿数。     

冲击回转钻进条件下硬质合金钻头柱齿磨损机理

减缓钻头硬质合金柱齿的磨损速度,对提高钻头工作效率、延长钻头使用寿命、降低钻进成本等具有重要意义。在利用扫描电子显微镜(SEM)对钻头柱齿详细观测的基础上,提出了风动潜孔锤钻头硬质合金柱齿新的劣化机理和磨损机理:劣化机理包括混合规模裂隙的形成、WC颗粒规模裂隙形成和WC颗粒的氧化和腐蚀;磨损机理包括WC颗粒的破碎和碎片释放、整体或部分WC颗粒的脱离、碳化物的摩擦化学磨损等。分析了边齿因回转线速度大,磨损也增大,WC颗粒的破碎和碎片释放量增大而磨耗严重的机理;因WC颗粒的整体脱离使柱齿产生较大面积的磨损,导致钻进效率的大幅度降低;给出了钻头柱齿必须及时加以修磨的合理使用方法。     

潜孔锤钻进在复杂地层中应用

在潜孔锤的结构形式、钻具匹配、钻头类型、钻凿工艺等方面研究的基础上,对潜孔锤套管隔离护孔法钻进;贯通式潜孔锤用于复杂地层钻进;大直径潜孔锤在孤石、漂石地层中钻进等实际应用和效果作了简明介绍。     

集束式反井气动潜孔锤钻进工艺在大口径煤矿排水孔施工中的应用

针对在大口径瓦斯排放孔或大口径矿山应急救援钻孔施工中要求时间较短,而应用常规组合牙轮钻头或组合滚刀钻头施工时,由于钻孔口径较大,钻杆柱与钻孔环状间隙大,钻井液上返速度很慢,排除岩粉困难,钻进效率低的问题,以国内外反向钻进用牙轮钻头或滚刀钻头为基础,参考非开发回拖式扩孔钻进的施工经验,研发了集束式反井气动潜孔锤钻进工艺。在内蒙古黄玉川大口径煤矿排水孔施工的经验表明,在钻穿巷道顶板的大口径钻孔施工时,集束式反井气动潜孔锤及反井钻进工艺取代常规组合滚刀反井钻进工艺,可以大大提高了钻进效率,对类似钻孔的施工有很好的参考价值。     

小秦岭复杂地层液动锤绳索取心钻探试验研究

小秦岭地区是我国主要的矿产资源地,属于严重的破、碎、硬、漏等复杂地层,特别是岩石结构致密、颗粒细、研磨性较弱的坚硬地层,采用传统回转钻进工艺时,钻头经常出现"打滑"现象,从而导致钻头寿命低、钻探效率低、事故率高、钻探成本高等问题。针对这些问题并结合生产,本文选择了3处典型复杂地层进行了液动潜孔锤+绳索取心"二合一"和传统金刚石绳索取心钻探试验。试验结果表明:与传统金刚石绳索取心钻进工艺相比,液动锤平均回次进尺可提高44%,机械钻速提高21.34%~30.3%,平均综合钻探成本降低了21%~28%,其中钻头费用可降低66.5%。同时,由于碎岩方式的改变,液动潜孔锤钻探具有钻孔防斜效果好、事故率低、钻头使用寿命长等特点。     

潜孔锤-旋挖组合钻进技术在硬岩桩基工程中的应用

旋挖钻进技术具有经济、快捷、环保等优点,在桩基工程中得到广泛应用,但常规旋挖钻机在钻凿硬岩（抗压强度>80 MPa）时,进尺非常缓慢。为解决采用旋挖钻进技术钻凿硬岩时进尺缓慢的问题,考虑到潜孔锤具有对硬脆性岩石施工速度快的优点,探索将潜孔锤与旋挖钻机组合使用。基于官井基地滑坡治理工程中抗滑桩的施工,对潜孔锤-旋挖组合钻进成孔技术进行介绍,对其碎岩成孔机理进行分析,验证了潜孔锤-旋挖组合钻进成孔技术的可行性,可为硬岩桩基工程的施工提供有益参考。     

潜孔锤钻进工艺及技术问题探讨

在介绍国内外潜孔锤钻进配套设备及工具性能、规格的基础上，对比了其在钻进深度、钻进效率、使用寿命、钻进参数选择等方面的差异。指出制约当前潜孔锤钻进的技术问题主要有水文地质问题、岩石破碎程度、风压、孔径、泡沫冲洗液等因素，并对不同岩性地层条件下如何选择适用钻头类型进行了探讨。     

跟管钻进用潜孔锤扩孔钻头

除常规钻直孔用的钻具外，日本利根公司又研制了跟管钻进用气动潜孔锤扩孔钻头。·潜孔锤扩孔钻头（见下表）虽然用气动潜孔锤钻进硬岩层的效率最高，但由于强力冲击影响围岩，在覆盖层或裂隙性发育的不稳     

两种贯通潜孔锤反循环钻头应用效果及理论分析

对于矿区钻孔作业存在的粉尘污染严重、岩矿心采取困难等问题,常规金刚石钻进取心难以满足现场施工要求。采用贯通式潜孔锤反循环连续取心技术替代常规金刚石取心工艺,在保证了较高钻进效率的同时,可有效解决干旱缺水矿区存在的取心及其引起的污染问题,保障施工人员的身体健康。为此,笔者所在课题组研发了两种新型潜孔锤反循环钻头并进行了野外试验,同时,运用LSDYNA数值模拟对设计的两种反循环钻头进行了强度分析。试验结果表明,两种钻头均具有较好的碎岩钻进效果,但花键内喷孔式反循环钻头易发生断裂;数值模拟分析结果显示,钻头的最大应力远高于材料疲劳极限是造成钻头破坏的根本原因,数值模拟结果与试验结果取得了较好的一致性。由此证实了花键内喷孔式反循环钻头结构存在缺陷,设计时应尽量避免在内喷孔周围设置环槽,以保证钻头体强度。     

内喷孔式反循环钻头结构优化设计及CFD模拟分析

为解决贯通式潜孔锤反循环连续取心（样）技术在钻进“硬、脆、碎”等复杂地层时反循环排不出渣或者排渣不彻底的现象,在现有贯通式潜孔锤反循环连续取心钻头结构的基础上,优化设计一种新型内喷孔式反循环钻头,能在孔底形成强有力的多股引射抽吸流场,并模拟分析了内喷孔轴线水平偏角和内喷孔轴线与钻头中心的偏距2个结构参数对新型反循环钻头结构抽吸能力的影响。通过模拟分析的验证,此种反循环钻头的结构更加简单,反循环效果比较优良。     

潜孔锤反循环钻进技术及应用

贯通式潜孔锤的研制为流体介质反循环开辟了通道，采用计算机模拟仿真电算方法，实现了潜孔锤的计算机辅助设计，优化了潜孔锤性能，将多喷嘴引射器原理用于钻头的结构设计，使反循环形成稳定可靠，并能取出柱状岩矿心，在复杂地层地质岩心勘探，水文水井钻凿，大直径硬岩基桩孔钻进等领域全面应用，取得了显著经济与社会效益。     

潜孔锤钻进技术发展水平

本文从潜孔锤的口径、钻头、工作介质、钻进深度、结构和技术参数等方面阐述了当前潜孔锤技术的发展现状和水平。     

采用中空式潜孔锤进行反循环钻进

专门为反循环取样钻进设计的BULROC-6型中空式潜孔锤，在钻进中能使岩屑通过钻头与锤体的中心孔返到地面。这种中空式潜孔锤能有效地避免用普通潜孔锤进行反循环钻进时所造成的混样问题。岩心钻探成本昂贵，且在破碎地层中钻进时，岩心采取率极低，因而岩心钻探往往无法应用。所以，在不要求采取岩心的部位，就可通过双壁钻杆连续反循环钻进采取样品。在坚硬地层中可用三牙轮钻头或潜孔锤钻进，在软地层可采用硬质合金凿刀钻头。     

潜孔锤钻进技术的发展

潜孔锤钻进方法通常用于在坚硬地层中钻进孔径为１１４￣１７８ｍｍ的爆破孔,具有鲇孔直且精度高、规格范围广、钻头费用低等优点。文中还介绍了几种新型的潜孔锤钻机。     

硬岩钻进用石油钻头研究现状及发展趋势

能源与矿产的持续安全供给是经济快速增长的保证,而中硬岩层钻进一直限制着油气钻井向深部发展。针对硬岩地层钻进,地质行业主要采用金刚石钻头钻进,而油气钻井行业除按传统方法采用牙轮钻头和金刚石钻头钻进之外,也逐渐开展了PDC钻头钻进硬岩的研究。本文分别介绍了牙轮钻头、金刚石钻头和PDC钻头在油气勘探硬岩钻进中的应用研究现状。其中,牙轮钻头研究主要集中在增强轴承密封性能、改进布齿结构和提高切削齿强度三个方面,而金刚石钻头研究则集中在碎岩机理、金刚石参数和胎体性能,以及钻头结构三个方面。提出了三类钻头的研究方向和发展趋势,为硬岩钻探技术发展提供参考。     

潜孔锤钻进

前 言潜孔锤钻进技术是在矿山潜孔钻的工艺方法和钻具结构性能的基础上，扩大应用于水井钻探及地质钻探等方面的一种新型钻进方法，其主要特点是：回转速度低，扭距小，钻压小，钻头寿命长，冲击碎岩效率高，并具有防、纠斜效用；在进行全面钻进时，可