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哪些方麵會影響回轉衝擊式水井鑽機施工效率

影響回轉衝擊式水井鑽機施工效率的因素很多,其中地層岩土性質、鑽具、扭矩、轉速、進給壓力、衝擊器的性能、鑽進介質等都是影響鑽孔速度與鑽進效果的重要因素。

各種水井鑽機的施工現場圖片

(1)地層岩土性質

岩土是水井鑽機的工作對象。土和岩石的物理及力學性質是影響鑽進效果的主要因素。土的物理性質在一定程度上決定了它的力學性質,土的基本物理性質指標有土顆粒度、天然密度、幹密度、含水率、飽和度、孔隙率和孔隙比。土的力學性質是指土在外力作用下所表現的性質,主要包括在壓應力作用下體積縮小的壓縮性和在剪應力作用下抵抗剪切破壞的抗剪性,其次是在動荷載作用下所表現的一些性質。所以土的力學性質是影響鑽進效果的主要因素。水井鑽機在土層鑽進多以切削鑽進為主,故不討論土層中衝轉鑽進效果的影響因素。

在岩石和砂卵石層中使用衝擊回轉鑽進,一般來說,岩石的結構越致密,膠結越牢固,則岩石的硬度越高,鑽進難度越大。在衝擊鑽進時,需要消耗能量來克服岩石彈性塑性變形。岩石的彈性及塑性對衝擊回轉鑽進有如下關係:岩石彈性越大,消耗能量也越大,即鑽進速度慢;岩石塑性越大,消耗的能量也越大,即鑽進速度慢。岩石的脆性則有利於衝擊回轉鑽進,脆性越大,抗拉能力越弱,消耗能力就越小,即鑽進速度快。

(2)鑽具

液動衝擊回轉鑽機的鑽具型號可以和回轉鑽進工藝通用。不同的成孔直徑選用相對應的鑽具型號。

鑽頭的直徑、刃具結構形狀等影響著衝擊回轉鑽進的速度。鑽頭直徑越大,鑽機所承受的旋轉阻力矩越大,鑽進速度隨著鑽頭直徑的增大而減。鑽頭刃具形狀也對破岩鑽孔速度有很大影響,主要與鑽頭的鑽刃角度有關。鑽刃前角大時,則鑽頭鋒利,易於鑽進,但鑽刃容易磨損或者崩斷。鑽刃前角小時,鑽頭摩擦損耗小,但鑽進速度慢。同樣鑽頭鑽刃前後角之間的刀尖角越小,破岩鑽進越容易,但鑽刃的堅固性將越差或者崩斷。因此可以根據岩石的硬度來選擇鑽頭的結構。

一般來說,鑽杆越長,且消耗在鑽杆及連接處的衝擊能量越大。鑽頭與鑽杆、鑽杆與鑽杆之間的連接方式影響著衝擊能量的傳遞,從而也影響衝擊回轉鑽孔的速度。從頂驅液壓衝擊回轉鑽進受力分析來看,鑽具傳遞衝擊力以及摩擦力,鑽具的材質對鑽進速度也有影響。

由此可見,鑽具性能的好壞直接影響鑽孔速度的快慢。為了保證鑽孔質量和速度。必須選擇合適的鑽具,使其具有較好的承載能力及耐磨性能。

(3)扭矩

在衝擊回轉鑽進時。鑽具承受著兩種力矩作用,一是阻力矩;二是動力頭驅動鑽具旋轉扭矩,要使鑽井機旋轉鑽進,扭矩必須大於阻力矩。水井鑽機的旋轉扭矩要克服的阻力有:鑽頭與孔底、孔壁以及岩屑之間的摩擦阻力;鑽杆與孔壁及循環液之間旋轉的各種阻力。另外,因為存在瞬間的“超載”阻力,這種“超載”阻力是正常破岩阻力的1.5倍以上,對於岩土工程鑽進來說,岩石、土層及砂卵石層的”超載”阻力差別非常大,鑽井機克服“超載”阻力問題更為突出,設計多功能水井鑽機的旋轉扭矩時必須考慮這種實際情況。當鑽壓增大時,鑽具所受到的阻力矩也將增大,因此水井鑽機的旋轉扭矩與鑽壓也有關。旋轉扭矩的大小影響著鑽進速度的快慢,通常扭矩越大,鑽孔的速度越快。

(4)轉速

轉速的大小也影響回轉衝擊式水井鑽機的鑽進效果。在某種範圍內,鑽孔速度與轉速的增加成正比。鑽具的轉速主受取決於鑽頭鑽刃(齒)的直徑和切線速度。蘇聯專家比留科夫研究認為:鑽齒對岩石的接觸時間不能小於0.02-0.03s。對某一種岩石都有一個最優轉速,若低於最優轉數的情況下。轉數越高,鑽進速度越快,若超過最優轉速,鑽進速度則降低。此理論認為:當鑽井機轉速超過最優轉數後,被破碎下來的岩屑來不及排除而造成重複破碎,導致鑽速下降。

(5)進給壓力

在旋轉切削破岩鑽孔時,由於岩石的反作用力會使鑽頭脫離岩石而產生的現象稱為回彈現象。為了使鑽頭與岩石能保持良好的接觸,必須對鑽具施加軸向推進力(一般稱為進給壓力)。同時進給壓力也能使鑽刃切入岩石,使岩石內部形成破壞應力,有利於破碎岩石。進給壓力對衝擊回轉鑽進效果和鑽具磨損有影響。

在鑽頭研磨時,鑽頭切削刃不能切入岩石,由摩擦力形成對岩石的表麵磨削,這時鑽速很低,鑽速與進給壓力是線性關係;當進給壓力接近岩石抗壓強度時,鑽頭切削刃侵入岩石,在其岩石上產生裂隙,經鑽具重夏作用產生破碎。在這個區域,鑽速與進給壓力是非線性關係,鑽速增長率與進給壓力成正比;當進給壓力大於或等於岩石的抗壓強度時,鑽頭侵入岩石,產生體積破碎,鑽進速度提高,在這個區域,鑽速與進給壓力成正比。

進給壓力過大容易引起鑽具彎曲,出現鑽孔偏斜等情況。過大的進給壓力還會使旋轉阻力增加,轉速降低,甚至停轉,導致鑽井機與鑽具磨損量明顯增大甚至被破壞。過小的進給壓力不能保證鑽頭與岩體之間切削接觸時間和必要的切削破壞,同杆會導致鑽孔速度下降。所以,施加進給壓力時,要充分考慮各種因素。

進給壓力的大小與岩石也有很大關係。對於硬度不大和研磨性不強的岩石,應采用較大的進給壓力;而對於堅硬和研磨性較強的岩石,應采用較小的進給壓力。

(6)衝擊器性能

衝擊回轉鑽進的效果與衝擊器的性能密切相關, 衝擊器的基本參數包括衝擊頻率、衝擊能等,它們與鑽進時破碎岩石的效果密切相關。良好的衝擊器應具備兩個指標:較長的鑽具壽命和較高的碎岩效率。以往的研究表明:影響衝擊器性能的不僅僅是衝擊頻率和衝擊能,還和衝擊器衝錘的重量、形狀、行程大小及衝擊速度等都有密切關係。

(7)衝洗介質對鑽進速度的影響

衝洗介質對衝擊回轉的鑽進速度的影響比較複雜,主要與衝洗介質的性質和衝洗介質的壓力、流量等因素有關。在岩土鑽井工程實際中,使用的衝洗介質主要有清水、空氣和泥漿。由於空氣潛孔錘在鑽井工程中得到了廣泛的應用,因此,空氣不僅承擔了鑽頭的冷卻、穩定孔壁、衝洗鑽屑的作用。同時還要驅動孔底的潛孔錘衝擊,所以對衝洗介質(空氣)要求就更高了,一般來說,大風量和高風壓能夠取得很好的鑽進速度。若在複雜地層中使用頂驅衝擊回轉跟管鑽進工藝時,由於套管承擔了護壁的主要作用,衝洗介質(清水或空氣、泥漿)能夠滿足鑽頭的冷卻和及時排出鑽屑即可。