冲击回转碎岩机理解析及应用

冲击载荷碎岩的特点是接触应力瞬间可达极高值，应力比较集中，所以尽管岩石的动硬度要比静硬度大，但仍易产生裂纹。而且冲击速度愈大，岩石脆性愈大，有利于裂隙发育。因此，用不大的冲击能（例如数十焦耳），就可以破碎极坚硬的岩石。

在冲击回转碎岩过程中，钻头刃具上同时作用有轴向静压力PJ、冲击力PC和回转力矩M。刃具除冲击碎岩外，同时还有切削碎岩作用。所以，具有冲击碎岩和回转碎岩两者的特征，互相补充，发挥各自优点。冲击回转碎岩与纯回转碎岩过程的对比示于图9-21。

图9-21　冲击回转碎岩与纯回转碎岩过程的对比示意图

钻进不同性质的岩石，冲击碎岩和回转切削碎岩所起的作用是不相同的。

在坚硬、脆性岩石中由于动载破碎岩石瞬时应力集中，主要是冲击力作用的结果，钻具的回转只是移动切削具的位置，改变冲击点，在移动中将裂隙发育的岩脊切削掉。而且，这种效果将随岩石脆性的增大而更为显著。

对于中硬、塑性较大的岩石，其破碎方式仍然是以回转切削为主，冲击作用是辅助性的。冲击作用在岩石中形成裂纹，为回转钻进切入岩石和切削岩石创造了十分有利的条件。

对于塑性大的岩石，冲击力的碎岩作用不大，大部分冲击能量为岩石的塑性变形所吸收，不能导致大的体积破碎和分离，而回转切削破岩作用处于主导地位。(www.xing528.com)

所以，根据冲击碎岩和回转碎岩作用的主次，可将冲击回转钻进分为冲击回转碎岩和回转冲击碎岩两种形式。

1）冲击回转碎岩

冲击回转碎岩主要以冲击载荷碎岩为主，钻进硬岩时，液动冲击器的轴向载荷对于岩石破碎不起实质性作用。轴向载荷主要是保证钻头与岩石紧密接触并克服反弹力，以便冲击功能完全传递给岩石。轴向载荷仅使坚硬岩石引起弹性变形，而动载或冲击能量对岩石破碎产生更大的作用，岩石在冲击脉冲作用下发生破碎。回转力矩主要是使切削具沿孔底剪切两次冲击间残留下的岩脊。因此，拟订最佳回转速度时，应能够将中间凸起的扇形岩脊剪碎。对于脆性岩石来说，利用这种冲击剪崩和回转剪切作用，造成大颗粒岩体的剥离作用。随着岩石的脆性与硬度增大，碎岩效果愈加显著。这种碎岩方法要求冲击器具有低频率、大冲击功，气动潜孔锤即属此类。

2）回转冲击碎岩

回转冲击碎岩是把高频低冲击功加在一般回转钻进的硬质合金钻头或金刚石钻头上。与纯回转钻进相比，冲击之后的孔底表面将布满裂纹，使后期分离岩石颗粒变得更容易，从而明显提高了钻进速度。金刚石液动冲击回转钻进的机械钻速比纯回转高0.5～1倍，而每米钻探成本降低10%～13%。它主要用于小口径钻进，高频低冲击功的液动冲击器即属此类。