岩石钻头性能分析

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1、水平导向钻机岩石钻头性能分析水平导向钻机岩石钻头性能分析 现在运用水平导向钻机进行非开挖施工的过程中， 遇到岩石地质的情况越来越多， 为克 服这种特殊地质，特别是针对强度达到 8000psi（55Mpa）以上至 45000psi（310Mpa）的中 高硬质岩石， 各钻机厂家或配套厂家分别推出了各具特色的岩石钻进系统， 按其工作原理可 大致分为以下四种： 潜孔式岩石钻头， 孔底泥浆马达驱动的岩石钻头， 双钻杆式的岩石钻头， VERMEER 专利的 RS6/RS8 岩石钻头，这些岩石钻进系统均有自身的优点与缺陷，以及适 用的范围，本文将从这些钻头的结构方面对它们进行分析，讲述它们的性能特点。 潜孔

2、式岩石钻进系统：潜孔式岩石钻进系统： 潜孔式岩石钻头采用中高压空压机作为动力源， 空压机应满足以下要求: 输出空气压力 值需在 200i- 250psi（14.5- 17.5bar）之间，能力应在 12m3/min 以上，潜孔式岩石钻进系统不 采用常见的泥浆系统，而是采用一种特殊的泡沫混合发生装置，这种装置将水，聚合物，与 泡沫剂搅拌混合，形成一种特殊的钻进液，并用泵将其压送至油雾混合器，在高压空气的抽 带下，与润滑油一起经钻杆进入潜孔岩石钻头内，并从钻头喷嘴射出，形成大量的承载强度 非常高的泡沫，对钻头进行润滑冷却，同进它还有一个最重要的作用，即用泡沫将切削下来 的岩屑从钻孔内带出， 而潜孔

3、式钻头在未遇到前进阻力或者说阻力值很小的情况下将不会动 作，而在遇到一定的阻力时将进行往复式的敲击动作，形式切削过程，导向则采用偏心的导 向钻头进行偏磨的方式，即如转向目标为 12 点钟方位，则需从 10 点开始旋转推进一直到 2 点钟，然后向后拉钻杆，再旋转至 10 钟方位，进行下一步切削，对于装备了电脑控制自动 偏磨导向的钻机(例如一些型号的 VERMEER 钻机)而言，导向非常轻松，速度很快，对于没 有装备自动导向装置的钻机而言，则需用人工完成，对操作员的要求较高，同时钻机需装备 专用的推进压力调节装置，因为推进压力过大会造成钻头的损坏以及敲击切削过程的中断。 潜孔式岩石钻进系统适用于中

4、小型钻机的中短距离的各种硬度的岩石钻进， 采用普通钻 杆，使用普通的无线探棒，钻头的更换非常容易，对环境的污染很小，同时采用不同切削形 式的切削钻头，适合不同类型的岩石(包括破碎岩层及鹅卵石)，但不适合于一般的松软土质 地层。钻进速率较高，导向时斜率改变值可达每 3 米 3- 4%，钻进液的用量非常小，但对空 压机的要求较高， 同时还需专门的泡沫发生系统， 目前国内市场上的钻机中只有 VERMEER 钻机及少量的国产钻机配备有潜孔式岩石钻进行系统。 孔底泥浆马达驱动的岩石钻进系统孔底泥浆马达驱动的岩石钻进系统 孔底泥浆马达驱动的岩石钻进系统由高压的大流量的泥浆作为动力源， 高压泥浆经钻 杆内腔

5、输送，来冲击驱动泥浆马达旋转，从而来带动三牙轮刀头进行旋转切削，它一般由探 棒室，泥浆马达，导向弯节以及三牙轮切削刀头等几部份组成。整个岩石钻进系统的尺寸较 大， 外径尺寸越大的钻头产生的扭矩越大， 对于较小外径尺寸的钻头， 由于产生的扭矩较小， 会导致切削能力的降低， 所适用的岩石硬度将受到一定的限制， 它的导向是靠导向弯节来实 现的，当需要进行导向钻进时， 停止旋转钻杆，并将其锁定在所需的钟面角上， 仅靠推进 来进行导向钻进， 由于导向弯节联接钻杆及泥浆马达， 这样三牙轮刀头与钻杆轴线之间就有 一个很小的偏心夹角，当钻杆停止旋转直线推进时，三牙轮钻头就沿着这一角度偏向钻进， 从而产生导向。

6、 导向速率的大小与导向弯节的夹角密切相关， 对于一般的泥浆马达岩石钻进 系统，由于设计与制造的原因，探棒室位于泥浆马达与钻杆之间，与三牙轮切削刀头的距离 较远(达 6m 以上)，所以导向系统反映的数据不是实际上切削刀头处的实时数据，它具有一 个延迟误差， 当然， 也有例外， VERMEER 专利的 SWB 泥浆马达采用特殊的驱动联接装置，PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http:/探棒室被设计与三牙轮钻头相连，所以可以反映实时数据。 泥浆马达驱动的岩石钻进系统适用于中大型钻机适合于中长距离的岩石钻进，配备不 同的三牙轮刀头

7、及不同的导向弯节，可适用各种土质及各种硬度的岩层，通用性非常好，它 使用普通钻杆，采用无线或有线导向系统，外形尺寸也较其它的钻进工具大了许多，同时， 由于所需的泥浆消耗量很大，所以钻进成本较高，对环境的污染也较大，需要专门的泥浆回 收循环再利用系统来减小污染及降低泥浆成本， 泥浆马达的生产厂家国内国外都有很多， 而 更高的传动效率及更长的使用寿命则是泥浆马达岩石钻进系统的最大卖点。 双钻杆系统 双钻杆系统也称杆中杆系统，就是一根钻杆由内外钻杆两部份组成，并可相互独立的 旋转，内钻杆由独立的动力装置驱动，并与三牙轮切削头相连，三牙轮与外钻杆之间具有一 个导向弯节，它的导向原理与泥浆马达驱动的岩石

8、钻头一样，当进行直线钻进时，内外钻杆 同时旋转，当进行导向钻进时，通过旋转外钻杆来选择所需的钟面角，然后锁定外钻杆的旋 转，单独旋转内钻杆，带动三牙轮刀头进行导向切削。 双钻杆系统的新颖之处在于用内钻杆取代了泥浆马达， 用内钻杆直接驱动三牙轮钻头， 减小了泥浆的消耗量，同时，内钻杆本身的机械尺寸决定了它的机械特性，它不可能传递较 大的扭矩，因此只有选择小尺寸的三牙轮刀头及支撑轴承，影响了使用寿命，对付硬质岩石 的能力也较泥浆马达弱，由于内钻杆减小了外钻杆内腔的有效截面，降低了泥浆通过率，因 而需用另外一套普通钻杆来满足回扩时对泥浆的需求，两套不同钻杆系统的更换较为麻烦， 另外它使用特殊的微型无

9、线探棒，探深较浅，一般只达 10- 15 英尺。双钻杆系统现在用于 DW 的两种小型钻机上，由于它的类似泥浆马达的能力，故可适用于大多数岩层。 RS6/RS8 岩石钻头岩石钻头 RS6/RS8 岩石钻头是一种超出常规思维的系统， 它永远都是在折线钻进， 三牙轮刀头通 过探棒室上的联接器及内部的驱动轴与钻杆相连， 而探棒室是与钻杆偏心的， 探棒室的定位 转动是靠一个特殊的离合器与钻杆的啮合来实现的。 在普通钻进情况下， 探棒室与钻杆是分 离的，探棒室靠外面的稳定装置卡在岩石上，保持静止，由于它偏心于钻杆，如此时为 12 点方位，三牙轮钻头就会一直沿着 12 点方向钻进，如想进行直线钻进，则在 1

10、2 点方位钻进 2- 3 英尺之后，再缓慢旋转同时回抽钻杆几英寸，使钻杆与探棒室啮合，将探棒室旋转定位 于 6 点钟方位，再停止旋转钻杆，直推钻杆使钻杆与探棒室分离，然后进行钻进，所以使用 RS6/RS8 岩石钻头进行直线钻进时， 就需不停的改变钟面角， 直线就永远靠下图中的折线来 完成的 6 点方向前进 2 英尺 6 点方向前进 2 英尺 12 点方向前进 2 英尺 12 点方向前进 2 英尺 钻进方向钻进方向 RS6/RS8 的三牙轮刀头是靠普通钻杆直接驱动的， 传递力矩很大， 故能选择配备有大锥 形轴承的大外径尺寸的三牙轮刀头，能轻松对付高硬度的岩层，它们的切削外径分别达到 171mm/

11、6 3/4”(RS6)，222mm/8 3/4”(RS8)，即使不用回扩也能满足小管道的回拖需求，同时 三牙轮刀头的使用寿命也大大提高，RS6/RS8 的泥浆用量很少，仅需 10gpm(38L/min)，与 一般土壤钻进没有什么区别，使用普通无线探棒，RS6 的外形长度只有 1.5m 左右，安装方PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http:/式与普通钻头几乎一样，更换非常方便。 由于 RS6/RS8 本身的特性，也决定了它的使用范围，它不适合于土壤以及漂石，河底 砂砾层的导向钻进，特别适合于各种硬度的均匀岩层的中短距离的钻进

12、。目前 RS6/RS8 用 于 VERMEER 的 D24X40A 至 D100X120 的钻机上， 由于采用了标准的 API 连接螺纹， 故也 可适用于其它品牌的钻机。 总的来说， 现在的岩石钻进系统以孔底泥浆马达驱动的岩石钻进系统适用范围最广， 其 它几种方式都具有特定的适用范围， 需根据工程的具体情况来进行选择， 所有的岩石钻进系 统都对推进压力有明确限制，压力过大对三牙轮刀头都会产生不利的影响，同时，施工过程 中都必须确保岩屑的排出，否则，会造成卡钻，岩石钻进与土壤钻进的最大一个不同之处在 于，在土壤中导向时，如有偏差可回抽钻杆进行调整，而在岩石中则不可能，这样就需在施 工前做好详尽的施工计划，确保施工的顺利进行。 随着水平导向钻机应用的日益普遍，各种新技术不断涌出，因此，有理由相信，为满足 不断增多的各种不同的岩石钻进需求， 各钻机厂商会及配套厂家会推出更多的更先进的岩石 钻进系统。 PDF created with FinePrint pdfFactory trial version http:/