液壓式鉆機

依靠鉆具的回轉(zhuǎn)運動破碎巖層而成孔。主要有大、小鍋錐鉆機，正、反循環(huán)轉(zhuǎn)盤式鉆機，液壓動力頭式鉆機，潛孔振動回轉(zhuǎn)式鉆機等。簡單的回轉(zhuǎn)式鉆機只有鉆進裝置，結(jié)構(gòu)完善的回轉(zhuǎn)式鉆機則有鉆進裝置和循環(huán)洗井裝置兩部分組成。轉(zhuǎn)盤式水井鉆機的鉆具包括鉆桿和鉆頭。常用鉆桿的名義直徑有60、73、89和114毫米4種。鉆頭分全面鉆進用鉆頭和環(huán)狀鉆進用鉆頭兩大類。

大、小鍋錐 利用其鍋錐形鉆具旋轉(zhuǎn)切削土層。根據(jù)鉆具的大小分別稱為大鍋錐和小鍋錐，可由人力或動力驅(qū)動。切下的土屑落到鍋內(nèi)，提升到地面卸出，其結(jié)構(gòu)簡單,工效低,只能用于一般土層或砂卵石直徑不大于10厘米、含量不超過50%的地層。小鍋錐開孔直徑0.55米，鉆井深度80~100米;大鍋錐開孔直徑1.1米，鉆井深度30~40米。

正、反循環(huán)泥漿洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機 常用的回轉(zhuǎn)式鉆機(圖1),即正循環(huán)泥漿洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機由塔架、卷揚機、轉(zhuǎn)盤、鉆具、泥漿泵、水龍頭和電動機等組成。作業(yè)時，動力機通過傳動裝置驅(qū)動轉(zhuǎn)盤，由主動鉆桿帶動鉆頭以30~90轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)破碎巖層。泥漿由泥漿泵抽吸加壓后通過鉆桿上方的水龍頭壓入空心鉆桿，向下流入鉆頭，由水口射出，以冷卻、潤滑鉆頭;井底巖屑通過鉆桿外的環(huán)形通道被帶出井口，在沉淀池沉淀后，泥漿流回泥漿池供循環(huán)使用。反循環(huán)泥漿洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機的鉆進方式和結(jié)構(gòu)與上述基本相同，但泥漿的循環(huán)方式相反:泥漿在沉淀池沉淀后從井口自行流入井底，攜帶巖屑的泥漿則由砂石泵經(jīng)鉆頭水口通過鉆桿內(nèi)腔向上抽吸出井，回到沉淀池。這種方式稱泵吸反循環(huán)。也可用水泵將加壓水流從井底通過噴嘴射入鉆桿內(nèi)腔，形成攜帶巖屑的上升水流，稱射流反循環(huán)。鉆機在鉆桿內(nèi)可形成很高的上升流速，排出巖屑和卵石的能力較強，因而鉆進速度較快。適用于土層、一般砂層和卵石直徑小于鉆桿內(nèi)徑的松散地層，所用鉆桿的內(nèi)徑較大,一般為150~200毫米，最大可達(dá)300毫米。但因受泵的抽吸或壓送能力的限制,鉆井深度一般在150米以內(nèi)，井深在50米以內(nèi)時排屑效率較高。

壓氣洗井轉(zhuǎn)盤式鉆機 是在轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式鉆機上用空氣壓縮機代替泥漿泵，用壓縮空氣代替泥漿洗井。通常采用反循環(huán)方式,又稱氣舉反循環(huán)(圖2)。即將壓縮空氣通過供氣管路送至井內(nèi)氣水混合室，使其與鉆桿內(nèi)的水流摻混，形成比重小于 1的摻氣水流。在鉆桿外圍環(huán)形水柱的重力作用下，鉆桿內(nèi)的摻氣水流挾帶巖屑不斷上升并排出井外，流入沉淀池，沉淀后的水流以自流方式流回井內(nèi)。采用這種鉆機在井深較大時(50米以上)，排屑能力大于采用泵吸或射流反循環(huán)的鉆機，因而適用于井深較大的情況和缺水的干旱地區(qū)，以及寒帶凍土地層。

有的轉(zhuǎn)盤式鉆機同時備有泥漿泵和空氣壓縮機，可根據(jù)情況選用不同的洗井方式。

液壓動力頭式鉆機 回轉(zhuǎn)式鉆機的一種。由液壓馬達(dá)通過減速器驅(qū)動，并以沿塔架上下移動的動力頭代替轉(zhuǎn)盤式鉆機上的轉(zhuǎn)盤和水龍頭，驅(qū)動鉆桿和鉆頭旋轉(zhuǎn)切削巖層?？捎弥睆竭_(dá)1米的大型鉆頭鉆鑿大口徑水井,其特點是鉆進速度快，鉆具的裝卸和下井管較簡便，接長鉆桿時無需提升鉆具，簡免了卷揚機、提升滑車、轉(zhuǎn)盤、水龍頭、方鉆桿等一系列部件。

潛孔振動回轉(zhuǎn)式鉆機 是以振動和回轉(zhuǎn)運動相結(jié)合的方式鉆進巖層的一種回轉(zhuǎn)式鉆機。鉆具由鉆頭、振動器、消振器和導(dǎo)向筒等組成(圖3)。振動器產(chǎn)生的激振力使整個鉆具作錐擺運動。鉆頭通過摩擦圈套裝在振動器外殼的外面，一方面隨振動器作頻率約為1000轉(zhuǎn)/分、振幅約9毫米的水平圓周振動;另一方面又繞振動器軸線作3~12轉(zhuǎn)/分的低速旋轉(zhuǎn)運動以破碎巖層，而鉆桿則不轉(zhuǎn)，并借消振器避免將振動傳給鉆桿。采用壓縮空氣反循環(huán)方式洗井，使巖屑通過位于振動器中心的導(dǎo)管和鉆桿內(nèi)腔排出井外。這種鉆機結(jié)構(gòu)簡單，鉆進效率高。井孔直徑為600毫米左右,鉆進深度可達(dá)150米。

靠鉆具的垂直往復(fù)運動，使鉆頭沖擊井底以破碎巖層。其結(jié)構(gòu)簡單,但沒有循環(huán)洗井系統(tǒng),巖屑的清除與鉆機不能同時進行，因而工效較低。鉆井深度一般在250米以內(nèi),有的可達(dá)500~600米。主要類型如下述。

沖抓錐 一種簡單的沖擊式鉆機，利用鉆具本身的重量沖擊地層。鉆具的下端是幾個可以張合的尖角形抓瓣，當(dāng)鉆具在自身重量作用下向下運動時,抓瓣張開,各抓瓣尖端在直徑約1米的圓周上切入巖層,然后由卷揚機通過鋼絲繩提升鉆具，抓瓣在閉合過程中將巖屑抓入尖錐體內(nèi)，提出井口后再張開抓瓣卸出巖屑。沖抓錐的鉆井深度通常為40~50米，最深可達(dá)100~150米。

鋼絲繩沖擊式鉆機 由桅桿和其頂端的提升滑輪、鋼絲繩、沖擊機構(gòu)、鉆具(包括鉆桿和鉆頭)、電動機等組成(圖4)。作業(yè)時,電動機通過傳動裝置驅(qū)動沖擊機構(gòu)，帶動鋼絲繩使鉆具作上下往復(fù)運動。向下運動時靠鉆具本身重量使鉆頭切入并破碎巖層，向上運動則靠鋼絲繩的牽引。鉆具下落的高度即沖程大小，根據(jù)巖層情況確定，一般為0.5~1米，硬巖層用大值;沖擊頻率常用為30~60次/分。切下的巖屑用抽砂筒清出地面，也可用將鉆頭與抽砂筒合成一體的抽筒鉆具，鉆進與清除巖屑同時進行，使切下的巖屑直接進入抽筒，積滿后提升鉆具，將巖屑倒出。為提高鉆頭的耐磨性和鉆進速度，常在鉆頭端部堆焊鎢鋼粉，成為合金補焊鉆頭。

有兩種類型:一類是在轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式鉆機的基礎(chǔ)上增設(shè)沖擊機構(gòu),以回轉(zhuǎn)鉆進為主,當(dāng)遇到卵石層時用沖擊鉆進的兩用水井鉆機，對各種地層的適應(yīng)性較強;另一類是將沖擊與回轉(zhuǎn)作用結(jié)合在一起鉆進的水井鉆機,如風(fēng)動潛孔錘鉆機。它所使用的潛孔錘鉆具(圖5)由缸套和在缸套中上下運動的活塞等組成。缸套下端與鉆頭連接，上端通過螺紋接頭與鉆桿相連，由空氣壓縮機提供的0.7~1.4兆帕的高壓空氣通過活塞上方的逆止閥、空氣分配器和活塞下方的進氣口，推動活塞沖擊頻率作為 700~1200次/分的上下往復(fù)運動，使活塞頻繁地沖擊鉆頭，以增強鉆頭鉆進巖層的能力。與此同時，鉆具以35~60轉(zhuǎn)/分的較低轉(zhuǎn)速作回轉(zhuǎn)運動。由活塞上、下空腔排出的空氣，向下進入鉆頭，起冷卻鉆頭的作用，并將孔底巖屑帶出井口。其回轉(zhuǎn)和循環(huán)洗井部分的結(jié)構(gòu)與用壓縮空氣洗井的轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)式鉆機基本相同，所用鉆頭為碳化鎢球齒鉆頭或牙輪鉆頭等。風(fēng)動潛孔錘鉆機可用于硬巖層深井的鉆進，鉆進速度高，且鉆井速度不因鉆進深度的增加而降低，鉆出的井孔較直。

為了適應(yīng)不同地層鉆進的需要，提高鉆進效率，水井鉆機正向多用途鉆機及全液壓傳動與操縱的方向發(fā)展:即一臺鉆機備有多種設(shè)備和附件，可采用沖擊式、回轉(zhuǎn)式和潛孔錘等多種鉆井方式;還可采用泥漿洗井、壓縮空氣洗井和正、反循環(huán)洗井等方法。

液壓式鉆機又稱油壓式鉆機，油壓式鉆機是我國現(xiàn)在普遍生產(chǎn)的一種回轉(zhuǎn)式鉆機。它比手把式鉆機有以下優(yōu)點:

①能夠根據(jù)壓力指示器的度數(shù)精確地保持孔底壓力;

②操作時大大減輕了工人的勞動強度;

③可以預(yù)防因鉆具突然下落，給進把翻轉(zhuǎn)造成傷人事件;

④卡鉆或處理故障時，可以作為油壓千斤頂使用;

⑤有的機架安有移動油缸，可自動將回轉(zhuǎn)器移離空口;

⑥有的配備擰管機，可自動擰卸鉆桿。

該式鉆機使用金剛石、硬質(zhì)合金、鉆粒鉆頭及魚尾鉆頭等，可進行取心鉆進和不取心的全孔鉆進，并用卷揚機亦能配合進行沖擊鉆進。

沖擊鉆機往往根據(jù)傳動原理分為了液壓式?jīng)_擊鉆和氣動式?jīng)_擊鉆。其中使用的最為廣泛的就是液壓式?jīng)_擊鉆，它實現(xiàn)了傳動損耗低，和無極變速等優(yōu)點。而氣動沖擊鉆機則傳動效率要稍微差些，且傳動力較差。