贯通式潜孔锤及反循环钻进研究与应用

本成果包括3项专题成果，即：1、贯通式潜孔冲击器；2、反循环连续取心（样）专用柱齿钻头的研制；3、反循环连续取心（样）钻进机理及工艺方法的研究。 贯通式潜孔冲击器为无阀型，其工作原理是靠活塞相对缸体往复运动机械地自行启闭进气口与排气口而实现配气。 贯通式潜孔锤与双壁钻杆实行反循环连续取心（样）钻进，主要是利用潜孔锤破岩效率高，反循环系统洗井介质上返流速高，携带能力强可及时排除岩碴（或岩心），用双壁钻杆输送压缩空气和护壁，能有效地使碎岩钻进、提取岩心（样）和洗井护壁三者形成连续的钻探系统。 为研究反循环连续取心（样）钻机理，创造性地设计了FM－40型反循环模拟实验台，用以研究观测岩心上返速度与风速的关系，喷射负压与喷射速度的关系，喷射角度对负压的影响等规律，摸索有关反循环连续取心（样）技术参数，对贯通式潜孔锤和钻头设计以及今后的生产具有重要的指导意义和实用价值。 这套钻具可应用于水文地质、矿产地质勘探、钻凿水井、工程钻孔等方面，尤其在较大口径的硬岩、卵砾石、破碎漏失等地层中使用效果更佳。

该项目通过采用计算机仿真优化设计和室内外实验，成功研发了11种规格的贯通式潜孔锤和5种规格的双壁钻具：运用多喷嘴引射器原理和计算流体力学技术研发了反循环取心型钻头，中心凸块防堵型钻头，内喷射孔防漏型钻头，复合结构型钻头等多种类型的反循环钻头，可满足各种复杂条件下的钻探需求。研发的贯通式潜孔锤，反循环钻头及双壁钻具在地质岩心钻探工程和硬岩水文水井钻凿工程中得到了应用。在新疆白干湖钨锡矿勘探矿区的复杂地层采用潜孔锤反循环连续取心钻进，台月效率达到1200米，是常规金刚石钻进的6倍；岩心采取率达到100%，解决了该矿区的存在的钻进效率低、岩心采取率底、钻探事故多的技术难题。在栾川钼矿坚硬和十分破碎、采用常规方法难于钻进成孔的地层，采用该方法钻进获得了很好的效果：机械钻速大4-11米/小时、岩心采取率接近100%。在硬岩水井钻进施工中，采用该方法使机械钻速和台月效率成倍增长，钻进成本显著降低。

第一章　气动潜孔锤概述

第一节　气动潜孔锤发展概况

第二节　气动潜孔锤的分类和钻进特点

第三节　气动潜孔锤钻进适用地层和应用领域

第四节　气动潜孔锤发展趋势

第二章　气动潜孔锤数学力学模型

第一节　气动潜孔锤工作原理

第二节　物理模型及模型假设

第三节　气体状态方程与能量方程

第四节　焓、比焓及比热容

第五节　稳定流基本方程

第六节　管内气流参数变化与管道截面变化的关系

第七节　气体流速及流量的计算

第八节　气体能量平衡微分方程

第九节　耗气量与有效热效率方程2100433B