一种可回转冲击式破岩钻具研制

杨光 1、 2、 3 亓燕秋 1、 2、 3 付新鹏 1、 2、 3

1.中煤特殊凿井有限责任公司，安徽合肥 230001

2.煤矿深井建设技术国家工程实验室（淮北），安徽淮北 235000

3.安徽省特殊凿井工程技术研究中心，安徽合肥 230001

摘要：回旋钻机凿井法作为特殊凿井的主要工法之一，其在硬岩施工效率一直受到成本与环境因素的限制。结合回转钻机凿井法的发展趋势，考虑影响钻机钻井的影响因素，诸如：钻机能力、破岩刀具、钻渣携带以及钻机机械化、智能化等因素，通过冲击钻机冲击破岩原理引用到回转钻机上，开发出可实现冲击破岩联合回转钻机的复合新型可回转冲击式破岩钻具。该钻具把传统低成本冲击钻机冲击破岩原理引用到回转钻机上，通过调整钻具的结构以及改变钻具的工作原理，在不需要改变任何钻进设备的前提下提高破岩效率，达到施工效率高、降低施工成本的目的。

关键词：特殊凿井；回转钻机；冲击破岩；破岩效率

0. 引言

随着我国经济发展，桥梁工程逐渐从陆地、内河走向海洋，而且直径也越来越大，对桥梁灌注桩成孔时间要求越来越短，如何提高钻孔灌注桩尤其是大直径硬岩桩的施工效率成了目前钻孔施工行业共同探索和为之奋斗的目标。特殊凿井法作为井（桩）工程施工的主要工法之一，近年来随着科技的发展，大型装备出现，其适用范围越来越广，为祖国基本建设的发展发挥了重要作用。特殊凿井法中目前在桥梁工程、市政污水处理工程、海洋风电工程等的桩基施工中，应用最广的为冲击钻机凿井法、回旋钻机凿井法、旋挖钻机凿井法，这几种凿井法各有特点，受各种因素限制。总的来说，回旋钻机凿井应用最为广泛，适应性最强，也是最安全的一种特殊凿井法^[1、2]，但是回旋钻机凿井法在硬岩施工效率也是一直受限，如何提高回旋钻机在硬岩施工中的效率，是迫切需要解决的一个难题。本文重在研制一套可回转冲击式破岩钻具，并对其破岩破岩机理进行了研究，以达到提高破岩效率，实现高效低成本的目的。

0. 可回转冲击式破岩技术的基本原理

   1. 技术路线

可回转冲击式破岩钻井新技术的基本思路，是把传统低成本冲击钻机冲击破岩原理引用到回转钻机上，解决传统冲击钻机受其结构和提升方式限制以及提升力小锤头重量和作业深度限制，回转钻机具有大提升力，可以加大冲击钻头重量和实现深孔施工，克服传统冲击钻机的缺点；利用回转钻机反循环携带钻渣功能，便于携带钻渣，克服传统冲击钻机钻渣靠泥浆浮力上升排渣不畅的缺点；利用回转钻机回转功能，可以边冲击边回旋，有利于清理孔底工作面岩；利用回转钻机钻具至地面钻机采用钻杆钢性连接，保证冲击大直径钻头在工作中不会侧翻且能安装扶正器有利于保证孔（井）的垂直度。

为了实现可回转冲击式破岩的目的，研制新型回转破岩钻具是必须的。其主要考虑以下几个因素：

1、钻机能力。从原来上讲，加大钻机提升力、扭矩，采用大钻压、大扭矩施工，无疑会提高回旋钻机钻进效率^[3]，但是这样带来钻机制造成本、运输成本、施工耗能等诸多方面的成本的急剧增加，经济性很差，同时钻机重量太大、结构太大、功率太大在实际施工中受制约因素也就会很多，可操作性也极差。

2、破岩刀具。随着科技发展，破岩刀具也在不断更新发展，从原来的铸齿滚刀逐步发展为合金焊齿滚刀只到目前应用较广的合用球齿滚刀^[4]，在一定程度上提高了回旋钻机在硬岩施工中的效率，但是施工成本也是极高，一把球齿合金滚刀目前市场价1.4万元，就一个直径4米钻头而言，一次装刀就需要24-26把，使用寿命一般也就30米左右，折合费用1.2万元/米左右刀具费，成本也是极高。

3、钻渣携带。破碎的岩屑是否能及时携带也是制约回旋钻机钻进效率的一个主要因素^[5]，目前回旋钻机大多采用气举反循环原理通过高速流动的泥浆携带工作面破碎的岩屑，此种方式清楚工作岩屑相比冲击钻机正循环原理携带岩屑效果要好很多^[6]，所以在这方面很难在有大的突破。

4、提高钻机机械化、智能化程度。通过提高钻机机械化、智能化程度，可降低非钻井辅助作业时间，提高纯钻机时间，也是提高回旋钻机效率因素之一，但是这要有一定科技支撑，也不是轻易就能实现的。

通过上述四个方面综合分析，通过提高钻机能力实现高效钻进需要付出昂贵的代价且受制约因素多；钻渣携带方式采用气举反循原理进行岩屑携带已是目前比较成功和理想的方式 ，在一定时间内很难有重大突破；通过提高钻机机械化、智能化程度要受科技发展程度制约。目前唯一可行的是在不改钻机主体结构和工作原理基础上如何改变回旋钻机破岩机理上进行研究和探索，才是主要的方向。

0. 2. 破岩工作机理

可回转冲击式破岩钻井新技术的破岩工作机理，是把传统低成本冲击钻机冲击破岩原理引用到回转钻机上，在传统回旋钻机导向器中心筒筒内设置上下滑动轨道和环向传扭结构，使冲击钻头能顺着上下滑动轨道在导向器中心筒筒内做上下滑动，冲击钻头向上滑动由安装在导向器与冲击钻头间的大提升油缸驱动，在给油缸有杆腔供油时冲击钻头上升，当控制手柄将油缸两腔油路串通时冲击钻头下落，为实现冲击钻头快速下放，达到冲击破岩效果；利用回转钻机反循环携带钻渣功能，便于携带钻渣，克服冲击钻机钻渣靠泥浆浮力上升排渣不畅的缺点；利用回转钻机回转功能，可以分别冲击分别回旋，有利于清理孔底工作面岩；利用回转钻机钻具至地面钻机采用钻杆钢性连接，保证冲击大直径钻头在工作中不会侧翻且能安装扶正器有利于保证孔（井）的垂直度。

0. 可回转冲击式破岩钻具的结构及工作原理

2.1 基本结构

冲击钻具由钻杆、过渡钻杆、导向器组件、油缸组件、冲击钻头、压缩弹簧组件6大部分构成^[7]，其中钻杆和过渡钻杆均可利用原钻机原配置，结构示意图所示。

1-钻杆 2-过渡钻杆 3-油缸组件 4-导向器 5-冲击钻头 6-弹簧组件

图1 可回旋冲击钻具结构示意图

2.2 工作原理

（1）回转冲击破岩。在传统回旋钻机导向器中心筒筒内设置上下滑动轨道和环向传扭结构，使冲击钻头能顺着上下滑动轨道在导向器中心筒筒内做上下滑动，冲击钻头向上滑动由安装在导向器与冲击钻头间的大提升油缸驱动，在给油缸有杆腔供油时冲击钻头上升，当控制手柄将油缸两腔油路串通时冲击钻头下落，为实现冲击钻头快速下放，达到冲击破岩效果，在导向器筒体内与冲击钻头之间装有压缩弹簧，当冲击钻头上升时，弹簧被压缩，形成弹簧对冲击钻头向下推动的弹簧力，只要转换油缸供油方向，使油缸两腔油路串通，在冲击钻头自重和弹簧推力共同作用下，使冲击钻头快速下放，实现对岩面的冲击。

（2）多样化破岩。为实现全断面冲击破岩和回转切割凸点岩面，可在一个方位冲击一定时间后通过钻机回转功能，驱动钻杆，带动冲击钻头进行回转换位冲击，也可采用回转切割或磨削方式破岩实现多种破岩方式。

（3）气举循环排渣。采用气举反循环工作原理携带钻渣，孔内钻具外泥浆自上而下流动，使破碎的岩块随着流动泥浆自工作面通过冲击钻头吸收口，经过钻杆排至地面进行分离处理，处理过洁净泥浆又自行流入孔内，实现泥浆往复循环有效携带钻渣。

图2（a）冲击钻头上升 图2（b）冲击钻头下放冲击

图2 可回旋冲击钻具破岩工作原理示意图图

2.3 影响破岩效率的关键参数

在现场应用中，为提高可回转冲击式破岩钻具的破岩效果，有必要对影响其破岩效率的关键参数进行深入研究和优化优化。根据分析，影响可回转冲击式破岩钻具破岩效率的关键参数主要包括：钻压、转速、冲击频率、冲击功、排量等。

1）钻压是影响可回转冲击式破岩钻具破岩效率的主要参数。在正常钻进过程中，钻压的作用主要表现为将钻头压持在井底，使钻头牙齿与地层保持紧密接触，减少钻头齿与地层岩石间冲击功的传递损失。冲击钻井中，钻压的作用主要表现在可以提高冲击作用力的峰值。在冲击作用力衰减过程中，仍可使钻头齿对地层岩石的作用力达到一定值而破碎岩石；在冲击作用力消失后，仍可使地层岩石产生未形成岩屑的破裂。

2）转速和冲击频率存在一定的匹配关系。地层的岩性不同，转速和冲击频率的匹配关系也不同。频率高而转速低，岩石重复破碎；频率低而转速高，又会造成两次冲击坑穴间脊部岩石宽度增加，不能产生足够的“体积破碎”。因此，转速和冲击频率的匹配是否合理会影响破岩效果。

3）冲击功是决定可回转冲击式破岩钻具破岩效率的主要参数。目前，研究冲击功对破岩效率影响的方式主要是室内试验。在冲击功较低时，破碎比功随着冲击功增大而降低，且降低的速度较快，破岩效率提高较快；随着冲击功进一步增大，破碎比功的降低速度和破岩效率的提高速度减缓；当冲击功增加到一定值时，破碎比功接近于恒定值，破岩效率保持稳定。

4）排量是影响可回转冲击式破岩钻具破岩效率的重要参数。排量直接影响冲击功和冲击频率，而冲击功和冲击频率是影响破岩效率的关键参数。冲击器工作是通过高速流体的能量推动冲锤实现的，因此排量决定着冲击器的冲击功和冲击频率，可以通过调节泵排量间接调整冲击频率和冲击功，以达到高效破岩的目的。

2.4 预期效果

通过可回转冲击钻具的应用，即在对原设备不做变动情况下实现低成本高效施工，势必为施工企业获得好的收益，又可为业主方降低项目成本投入，实现双方共赢，为回旋钻机作为特殊凿井一种主要工法的更关阔推行赢得先机，推动特殊凿井这一工法的发展与进步，为祖国建设继续添砖加瓦，发挥主力军作用。预期可达到如下效果：

1、大大避免回转钻机采用滚动破岩原理破岩的昂贵的刀具费用，实现低成本施工；

2、采用冲击钻具施工也不需要钻机同时开启所有电机工作，只需要开启部分电机即可，大大降低钻机耗能，达到环保施工和低成本施工要求。

3、低成本施工的特点大大提高钻井法施工社会效应，有利于本行业发展和与其它行业竞争能力，争取更大市场。

0. 结论

（1）针对传统的回旋钻机的局限性，为发挥回旋钻井和冲击钻井的集中优势，首次提出适用于硬岩及非均质底层的可回转冲击式破岩钻井新技术。

（2）研究分析认为，可回转冲击式破岩钻具可通过回转和冲击的联动提高破岩效率，从而提高回旋钻机在硬岩施工中的效率。

（3）通过可回转冲击钻具的应用，即在对原设备不做变动情况下实现低成本高效施工，势必为施工企业获得好的收益，又可为业主方降低项目成本投入，实现双方共赢。

参考文献

[1] 崔云龙. 简明建井工程手册.煤炭工业出版社,ISBN:7502019412019.2003-1-1.

[2] 刘志强. 竖井掘进机凿井技术.煤炭工业出版社,ISBN:9787502067618.2019-1.

[3] 张幼振,徐信芯,阚志涛.煤矿坑道回转钻进动力学研究现状与展望[J].煤炭科学技术,2019,47(01):145-151.

[4] 周书宇. 复合岩层中TBM滚刀破岩试验及数值模拟研究[D].河南大学,2019.

[5] 樊敬亮,付连红,颜春波,沈海姣,吕国军,付鹏.机械回旋钻机穿越硬可塑黏性土层的关键施工工艺研究[J].河南科学,2017,35(09):1483-1486.

[6] 任建中.正循环钻孔灌注桩施工方法探讨[J].江苏水利,2007(10):16-17.

[7] Xinxin Zhang,Shaohe Zhang,Yongjiang Luo,Dongyu Wu. Experimental study and analysis on a fluidic hammer—an innovative rotary-percussion drilling tool[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering,2019,173.

投稿日期：2020-6

作者简介：杨光(1976.11.1)，男，安徽淮北市人，高级工程师，中煤特殊凿井有限责任公司安徽钻井分公司副总经理、总工程师，主要研究方向：特殊凿井技术及施工管理

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