哪些方面会影响回转冲击式水井钻机施工效率 - 嘉匠机械

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哪些方面会影响回转冲击式水井钻机施工效率

影响回转冲击式水井钻机施工效率的因素很多,其中地层岩土性质、钻具、扭矩、转速、进给压力、冲击器的性能、钻进介质等都是影响钻孔速度与钻进效果的重要因素。

各种水井钻机的施工现场图片

(1)地层岩土性质

岩土是水井钻机的工作对象。土和岩石的物理及力学性质是影响钻进效果的主要因素。土的物理性质在一定程度上决定了它的力学性质,土的基本物理性质指标有土颗粒度、天然密度、干密度、含水率、饱和度、孔隙率和孔隙比。土的力学性质是指土在外力作用下所表现的性质,主要包括在压应力作用下体积缩小的压缩性和在剪应力作用下抵抗剪切破坏的抗剪性,其次是在动荷载作用下所表现的一些性质。所以土的力学性质是影响钻进效果的主要因素。水井钻机在土层钻进多以切削钻进为主,故不讨论土层中冲转钻进效果的影响因素。

在岩石和砂卵石层中使用冲击回转钻进,一般来说,岩石的结构越致密,胶结越牢固,则岩石的硬度越高,钻进难度越大。在冲击钻进时,需要消耗能量来克服岩石弹性塑性变形。岩石的弹性及塑性对冲击回转钻进有如下关系:岩石弹性越大,消耗能量也越大,即钻进速度慢;岩石塑性越大,消耗的能量也越大,即钻进速度慢。岩石的脆性则有利于冲击回转钻进,脆性越大,抗拉能力越弱,消耗能力就越小,即钻进速度快。

(2)钻具

液动冲击回转钻机的钻具型号可以和回转钻进工艺通用。不同的成孔直径选用相对应的钻具型号。

钻头的直径、刃具结构形状等影响着冲击回转钻进的速度。钻头直径越大,钻机所承受的旋转阻力矩越大,钻进速度随着钻头直径的增大而减。钻头刃具形状也对破岩钻孔速度有很大影响,主要与钻头的钻刃角度有关。钻刃前角大时,则钻头锋利,易于钻进,但钻刃容易磨损或者崩断。钻刃前角小时,钻头摩擦损耗小,但钻进速度慢。同样钻头钻刃前后角之间的刀尖角越小,破岩钻进越容易,但钻刃的坚固性将越差或者崩断。因此可以根据岩石的硬度来选择钻头的结构。

一般来说,钻杆越长,且消耗在钻杆及连接处的冲击能量越大。钻头与钻杆、钻杆与钻杆之间的连接方式影响着冲击能量的传递,从而也影响冲击回转钻孔的速度。从顶驱液压冲击回转钻进受力分析来看,钻具传递冲击力以及摩擦力,钻具的材质对钻进速度也有影响。

由此可见,钻具性能的好坏直接影响钻孔速度的快慢。为了保证钻孔质量和速度。必须选择合适的钻具,使其具有较好的承载能力及耐磨性能。

(3)扭矩

在冲击回转钻进时。钻具承受着两种力矩作用,一是阻力矩;二是动力头驱动钻具旋转扭矩,要使钻井机旋转钻进,扭矩必须大于阻力矩。水井钻机的旋转扭矩要克服的阻力有:钻头与孔底、孔壁以及岩屑之间的摩擦阻力;钻杆与孔壁及循环液之间旋转的各种阻力。另外,因为存在瞬间的“超载”阻力,这种“超载”阻力是正常破岩阻力的1.5倍以上,对于岩土工程钻进来说,岩石、土层及砂卵石层的”超载”阻力差别非常大,钻井机克服“超载”阻力问题更为突出,设计多功能水井钻机的旋转扭矩时必须考虑这种实际情况。当钻压增大时,钻具所受到的阻力矩也将增大,因此水井钻机的旋转扭矩与钻压也有关。旋转扭矩的大小影响着钻进速度的快慢,通常扭矩越大,钻孔的速度越快。

(4)转速

转速的大小也影响回转冲击式水井钻机的钻进效果。在某种范围内,钻孔速度与转速的增加成正比。钻具的转速主受取决于钻头钻刃(齿)的直径和切线速度。苏联专家比留科夫研究认为:钻齿对岩石的接触时间不能小于0.02-0.03s。对某一种岩石都有一个最优转速,若低于最优转数的情况下。转数越高,钻进速度越快,若超过最优转速,钻进速度则降低。此理论认为:当钻井机转速超过最优转数后,被破碎下来的岩屑来不及排除而造成重复破碎,导致钻速下降。

(5)进给压力

在旋转切削破岩钻孔时,由于岩石的反作用力会使钻头脱离岩石而产生的现象称为回弹现象。为了使钻头与岩石能保持良好的接触,必须对钻具施加轴向推进力(一般称为进给压力)。同时进给压力也能使钻刃切入岩石,使岩石内部形成破坏应力,有利于破碎岩石。进给压力对冲击回转钻进效果和钻具磨损有影响。

在钻头研磨时,钻头切削刃不能切入岩石,由摩擦力形成对岩石的表面磨削,这时钻速很低,钻速与进给压力是线性关系;当进给压力接近岩石抗压强度时,钻头切削刃侵入岩石,在其岩石上产生裂隙,经钻具重夏作用产生破碎。在这个区域,钻速与进给压力是非线性关系,钻速增长率与进给压力成正比;当进给压力大于或等于岩石的抗压强度时,钻头侵入岩石,产生体积破碎,钻进速度提高,在这个区域,钻速与进给压力成正比。

进给压力过大容易引起钻具弯曲,出现钻孔偏斜等情况。过大的进给压力还会使旋转阻力增加,转速降低,甚至停转,导致钻井机与钻具磨损量明显增大甚至被破坏。过小的进给压力不能保证钻头与岩体之间切削接触时间和必要的切削破坏,同杆会导致钻孔速度下降。所以,施加进给压力时,要充分考虑各种因素。

进给压力的大小与岩石也有很大关系。对于硬度不大和研磨性不强的岩石,应采用较大的进给压力;而对于坚硬和研磨性较强的岩石,应采用较小的进给压力。

(6)冲击器性能

冲击回转钻进的效果与冲击器的性能密切相关, 冲击器的基本参数包括冲击频率、冲击能等,它们与钻进时破碎岩石的效果密切相关。良好的冲击器应具备两个指标:较长的钻具寿命和较高的碎岩效率。以往的研究表明:影响冲击器性能的不仅仅是冲击频率和冲击能,还和冲击器冲锤的重量、形状、行程大小及冲击速度等都有密切关系。

(7)冲洗介质对钻进速度的影响

冲洗介质对冲击回转的钻进速度的影响比较复杂,主要与冲洗介质的性质和冲洗介质的压力、流量等因素有关。在岩土钻井工程实际中,使用的冲洗介质主要有清水、空气和泥浆。由于空气潜孔锤在钻井工程中得到了广泛的应用,因此,空气不仅承担了钻头的冷却、稳定孔壁、冲洗钻屑的作用。同时还要驱动孔底的潜孔锤冲击,所以对冲洗介质(空气)要求就更高了,一般来说,大风量和高风压能够取得很好的钻进速度。若在复杂地层中使用顶驱冲击回转跟管钻进工艺时,由于套管承担了护壁的主要作用,冲洗介质(清水或空气、泥浆)能够满足钻头的冷却和及时排出钻屑即可。


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