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。     

空气反循环钻头井底流场分析及结构优化

为改善空气潜孔锤反循环钻进技术在大口径嵌岩桩施工中的应用效果,运用Fluent软件对嵌岩桩施工用反循环钻头底喷孔水平倾角θ_d和扩压槽水平倾角θ_k做了进一步的分析和研究,得到θ_d和θ_k对反循环钻头抽吸系数ω的影响规律。在分析中发现原有反循环钻头中心贯通孔结构设计中的不足之处,并进行了优化,优化后的反循环钻头抽吸效果明显增强。采用优化后的结构加工了一个直径为660 mm的反循环钻头,并进行现场钻进试验,试验效果良好,平均钻进效率为6.00 m/h,成功嵌入微风化岩层表面,能够满足嵌岩桩施工对嵌入微风化岩层和孔壁稳定、无塌孔的要求。     

气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

气动潜孔锤作为一种高效冲击破岩工具,在国内外矿山事故钻孔救援中发挥了重要作用。笔者从破岩机理、结构型式、钻井方法与规程等方面阐述了气动潜孔锤的技术特点,着重分析了气动潜孔锤反循环类型及其特征。结合山西王家岭煤矿透水事故、山东平邑石膏矿坍塌事故、山东笏山金矿坍塌事故等成功救援案例,阐述了气动潜孔锤正循环钻进、气动潜孔锤与泥浆螺杆组合纠偏钻进在小直径钻孔中应用情况,以及气动潜孔锤随钻测量技术的研究进展。对于较浅小直径钻孔,气动潜孔锤采用保直钻进工艺可直接命中井下巷道;对于较深小直径钻孔,采用气动潜孔锤与泥浆螺杆纠偏组合钻进,方可命中井下巷道。结合国内外地面大直径救援钻孔成功案例,以及矿山大直径工程钻孔典型案例,介绍了气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等推广应用情况,气动潜孔锤下排渣最大钻深达688 m,气动潜孔锤反循环最大钻深达654.1 m。针对我国矿山开采逐渐向深部发展,矿山分布散、区域广,地质类型多、差异大的特点,面向复杂地层深孔救援,分析了小直径钻孔气动潜孔锤技术存在的不足之处,重点分析了大直径救援孔气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等技术面临的主要问题,明确其复杂地层钻进时技术缺陷实质,建议进一步开展气动冲击定向钻进技术、大直径钻孔气液双循环钻进技术的研究。      

旋挖钻机用气动潜孔锤反循环硬岩钻进技术

为解决旋挖钻机在硬岩地层中施工困难的问题,借鉴地质钻探领域成熟的工艺方法,研制了适用于旋挖钻机用的空气潜孔锤反循环钻进工艺方法及设备。该工艺方法在不改变旋挖钻机任何结构的情况下,配套空气潜孔锤反循环钻具即可实现硬岩的快速钻进,解决了大口径钻探排渣困难的难题,且能够达到环保的要求。气动潜孔锤反循环钻具的设计全面考虑了大口径桩基施工及潜孔锤应用特点,气水龙头的双通道、大通孔设计满足进气排渣要求,反循环双壁钻杆为同心式,密封可靠,钻具的连接采用六方快速连接。通过在厦门地铁施工试验,验证了其可行性。     

贯通式潜孔锤反循环气体钻井系统压力分布模型

随着贯通式潜孔锤全孔反循环钻进技术及配套装备的不断发展和完善,其应用日益广泛,用于油气勘探开发气体钻井领域时施工井眼直径和井深大,合理工艺参数的确定十分关键。基于贯通式潜孔锤双壁钻具系统的结构特点,研究建立了中心反循环排渣通道和环状注气通道内压力分布模型,介绍了潜孔锤内部和反循环钻头上压耗计算方法。系统压力分布模型的建立为确定合理注气参数奠定了基础,为高压注气设备的合理选配提供了依据,对保证良好的钻进效果具有重要的意义。      

小秦岭复杂地层潜孔锤反循环钻探技术试验研究

贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进技术具有效率高、钻孔质量好、钻探成本低等特点,尤其对复杂地层有较强的适应性。在反循环钻头及钻具进行优化组合的基础上,结合小秦岭金矿田程村矿区钻探项目开展野外生产试验。试验结果表明：潜孔锤反循环钻进系统对复杂地层条件适应性强,解决了该矿区的系列钻探技术难题。试验深化了对贯通式潜孔锤反循环钻探机理和反循环钻头结构的创新研究,对贯通式潜孔锤及配套钻具的进一步合理优化,实现高效率、低成本、短工期和良好的地质利用效果提供了技术支撑。     

潜孔锤反循环钻进工艺在拉拉铜矿的试验应用

针对现有露天矿区空气钻孔作业存在的粉尘污染、岩矿心（样）丢失严重等问题。采用贯通式空气潜孔锤反循环钻进工艺在四川拉拉铜矿露天矿区进行了生产性试验,检验贯通式潜孔锤在露天矿区的钻进效率、粉尘控制以及岩心（样）采取率情况。试验共完成了3个试验孔,进尺483 m,平均钻进效率为8.83 m/h,岩心（样）总长度252.43 m,反循环效果良好,且不同的钻具组合对反循环形成效果无影响,试验现场无粉尘弥散现象。     

反循环钻头参数优选系统的建立

气动贯通式潜孔锤钻进技术以其独特的技术优势在岩土与钻探界广泛应用.然而在复杂地层钻进中,由于钻头结构不够合理,反循环往往形成困难或难以形成,使该技术的应用受到限制.针对该问题,作者运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的科学研究手段,对影响反循环形成的钻头新增引射孔各参数、底喷孔各参数以及其它相关参数进行优化设计,得到一系列适合不同规格钻头的相关参数值及其回归方程.将研究结论与专家的经验总结汇合编写了钻头参数优选系统.研究结论应用于生产试验中,岩矿芯采取率达到98%以上,反循环形成顺利,岩矿芯完整度好.     

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。     

正循环潜孔锤实现反循环钻进双壁钻具配套研制

空气潜孔锤反循环钻进因其具有较强的携屑能力、上返冲洗液不冲刷孔壁、钻进速度快等优势,是施工大口径钻孔和抢险救援孔的首选方案。但由于反循环潜孔锤技术还不够成熟,制造成本高,使用寿命短,因此开展了用正循环潜孔锤实现反循环钻进工艺方法的研究。研制了这种工艺配套的钻具,包括大口径双壁钻杆、双壁稳定器、阻风环、正反接头等。研制的钻具在山东平邑石膏矿坍塌事故处理中得到了实践验证,完全能够达到预期目标,能够为大口径潜孔锤反循环钻进工艺推广提供硬件支撑。     

基于LS-DYNA的贯通式潜孔锤反循环钻头强度的优化分析

通体花键式贯通式潜孔锤反循环钻头在实际施工中尾部较易损坏,影响反循环钻头的使用寿命。为提高反循环钻头的使用寿命,对反循环钻头尾部结构进行了优化设计,并采用非线性动力学仿真软件LS-DYNA对改进前后的反循环钻头进行了仿真分析。分析结果表明：由于在冲锤的高频冲击作用下,反循环钻头尾部易出现较大的局部应力集中,导致钻头体出现疲劳破坏;通过对钻头尾部结构设计优化后,与通体花键式反循环钻头相比,新结构钻头在无泄风槽情况下,应力集中值减小44%,在有泄风槽的情况下,应力集中值减小19%。数值模拟分析表明,优化后能大幅度提高钻头寿命。     

QFGZ型潜孔锤反循环跟管钻头的研制

为实现在复杂地层用同步跟管钻进工艺钻凿直径较大的桩孔和水井,设计了一种气动潜孔锤反循环跟管钻进钻头。介绍了该钻头的结构组成、工作原理和设计特点。与常规设计相比,该新型钻头流道设计可以增强排渣效果,保持孔底干净,减少重复破碎,提高钻进效率;边齿数量较多,耐磨损能力强,有利于提高使用寿命。     

FGC－15型大直径单头潜孔锤钻具系统研制

大直径单头潜孔锤与三通道气水龙头、主动钻杆、三通道钻杆、加重导正器配套，可实现大直径潜孔锤碎岩钻进、泵吸反循环排渣、泥浆护壁、压气闭路循环等相结合的先进钻进工艺，是解决大直径硬质基岩及卵砾石钻进的有效机具。文中介绍了钻具研制过程及设计内容。     

贯通式空气反循环潜孔锤连续取心锤头改进与试验效果

贯通式空气反循环潜孔锤连续取心技术主要适用于干旱无水或缺水地区的地质钻探工作。为了了解该工艺的普遍适用性,在某大水矿区进行了一系列试验,通过对锤头和钻杆的局部改造,解决了钻探、取心、治水等一系列重大难题,为提高该工艺的普遍适用性和推广性提供了可靠的技术支撑。