9.1　概述

冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。叠加的冲击脉冲将使破碎过程的能量消耗降低，因为大部分岩石（尤其是脆性岩石）在动载作用下强度会降低。在岩石上施加冲击脉冲可使切削单元切入岩石的深度增加，并在孔底岩石中造成以裂纹形式出现的残余应变，最终钻头在冲击脉冲、轴向载荷和回转切削共同作用下完成岩石破碎。因此，冲击回转钻进在其适应的岩层中可以取得比纯回转钻进更高的效率。

冲击回转钻进最适用于粗颗粒的不均质岩层，在可钻性Ⅵ～Ⅷ级，部分Ⅸ级的硬—坚硬岩石中，钻进效果尤为突出。冲击回转钻具与硬质合金钻头、金刚石钻头及牙轮钻头配合使用，不仅可提高钻进效率和钻头寿命（金刚石液动冲击回转钻进效率比纯回转提高0.5～1倍，而每米钻探成本降低10%～13%），而且可克服裂隙地层堵心，坚硬致密地层“打滑”，以及某些地层的孔斜等问题。冲击回转钻进已广泛应用于地质岩心钻探、工程地质钻探、水文水井钻探、石油钻井、地震孔以及岩土工程的大口径桩基孔施工领域。

冲击回转钻进的核心部件是专用孔底冲击动力机——冲击器，根据驱动介质类型可分为液动冲击器和气动冲击器（亦称气动潜孔锤）。

液动冲击器以高压水或泥浆作为驱动介质，借助专用阀来实现机具中水流通道的突然改变，从而引发异常高的压力来驱动活塞（锤头）冲击铁砧，冲击能以冲击脉冲的形式沿岩心管传递到钻头上。苏联在地质钻探液动冲击器研究和生产应用方面卓有成效，据文献介绍，苏联应用液动冲击器取心钻进的最大深度曾达2000m。在20世纪70年代到80年代末，我国地质、冶金、煤炭等部门也研制了多种形式和规格的小口径液动冲击器，累计钻探进尺达数百万米，取得了良好的经济效益。进入20世纪90年代，液动冲击回转钻进技术在石油钻进领域也得到空前重视。近年来，国内地质勘探行业还出现了液动冲击器与绳索取心和水力反循环连续取心相结合的技术方法，进一步拓展了液动冲击器的应用领域。液动冲击器在钻探现场的连接方式如图9-1所示，如果使用的液动冲击器没有特殊要求，只需在普通回转钻进的基础上把钻头更换为冲击回转钻头，并在岩心管上部增加孔内冲击器，即可实现冲击回转钻进。液动冲击器按工作中的运动过程和液流分配方法分类。

气动冲击器用压缩空气作为驱动介质。由于其单次冲击功大，上返岩屑风速高，机械钻速明显高于液动冲击器，使钻探成本明显下降。气动冲击回转钻进在永冻层地区、荒漠无人区和高原地区、干旱缺水地区和严重漏水地区的钻探工作中非常有效。近年来又出现了一些新的进展，如：用于反循环连续取心的贯通式气动冲击器，用潜孔锤偏心扩孔钻头进行跟管钻进，大口径集束式潜孔锤，潜孔锤解卡装置等。另外，值得一提的是近年来油气钻井行业大量采用空气潜孔锤+球齿或牙轮钻头的钻井技术，取得了前所未有的高效率。

图9-1　液动冲击器现场连接方式示意图

1—钻头；2—岩心管；3—冲击器；4—钻杆；5—水龙头；6—高压软管；7—沉淀池；8—立管；
9—高压管；10—压力表；11—空气室；12—泥浆池；13—莲蓬头；14—泥浆泵；15—电动机

考虑到近年来国内外水文水井钻孔、工程地质勘查钻孔和大口径基础工程施工的工作量剧增，我们把上述领域仍广泛采用的钢丝绳冲击钻进和振动钻进方法也列入这一章的内容。与冲击回转钻进的区别在于：这两种钻进方法仅靠冲击、振动来破碎（切入）岩土，而回转仅是无动力驱动的一种随机现象，或者完全不回转。据统计，当今美国钢丝绳冲击钻这种古老的钻进方法完成的工作量仍占10%，而在各国的工程取样和海底浅层取样工作中振动钻进仍是其他方法不可取代的。