蘇長壽,謝文衛(wèi),楊澤英,孟義泉,王建華

液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是在回轉(zhuǎn)鉆探的基礎(chǔ)上通過利用沖洗液驅(qū)動的液動潛孔錘 (簡稱液動錘)對破碎巖石的鉆頭施加一定頻率的沖擊能量,用來加速碎巖,也就是鉆頭上帶有沖擊負(fù)荷的回轉(zhuǎn)鉆探。鉆孔時液動錘安裝在鉆桿與巖心管或鉆頭之間 (取心或全面鉆進(jìn)),并隨鉆孔之延深而潛入鉆孔中對鉆頭施加沖擊負(fù)荷。我國該技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。但隨著我國實施“攻深找盲”深部找礦戰(zhàn)略,從口徑到深度都對設(shè)備、鉆具提出更高的要求,傳統(tǒng)液動錘不論從滿足不同口徑、不同深度、不同應(yīng)用要求都存在諸多問題,為此,在科技部科研院所專項資金項目支持下,我們開展了新型高效系列液動錘的研究與開發(fā),以滿足市場不斷提高的要求。

1 傳統(tǒng)液動錘存在的主要問題

1.1 正作用液動錘存在的主要缺陷

(1)閥、錘的工作彈簧對沖擊能量影響大,彈簧壽命在高頻沖擊作用下易損壞 (一般不超過 40 h)。

(2)對孔深的適應(yīng)性敏感,受背壓影響明顯 (孔深一般在 500 m以淺)。

(3)不正常工作時將截斷液流通道,必須提鉆檢查,否則將會出現(xiàn)燒鉆事故。

1.2 傳統(tǒng)雙作用液動錘存在的主要缺陷

傳統(tǒng)的雙作用液動錘主要結(jié)構(gòu)為錘、閥,其工作均為利用各自的上下活塞面積差,并通過處于砧頭處的固定式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生的壓力增高而推動。因此存在以下問題:

(1)運動密封副多 (最少 4道),造成對沖洗液質(zhì)量要求高、運動阻卡幾率大;

(2)固定式節(jié)流環(huán)對沖錘下行做功將產(chǎn)生一定的阻尼作用;

(3)對孔深的適應(yīng)性較敏感,受背壓影響較明顯 (孔深一般在 700 m以淺)。

1.3 受鉆孔口徑的限制

傳統(tǒng)的液動錘所鉆口徑范圍較小 (尤其是大直徑),無法滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需要。

2 YZX新型高效系列液動錘的研究

2.1 工作原理的研究與確定2.1.1 工作原理的確定原則

(1)適用孔深大 (大于 3000 m),能量要提高(較傳統(tǒng)提高 20%以上);

(2)在由于各種原因液動錘不工作時可不提鉆采取常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法以滿足完成整個回次或牙輪鉆頭井內(nèi)完整壽命;

(3)結(jié)構(gòu)簡單、易損件壽命長且更換方便。

2.1.2 結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)上述對傳統(tǒng)液動錘的分析及新型液動錘工作原理的確定原則,我們采用取得發(fā)明專利的雙噴嘴復(fù)合式液動錘為其基本結(jié)構(gòu),以適應(yīng)生產(chǎn)條件、高效、方便為著力點,對液動錘進(jìn)行技術(shù)提升和完善。

2.1.2.1 結(jié)構(gòu)

其主要零件有上閥組件、外管、沖錘組件和傳功座、鉆頭 (接頭 )等 (參見圖 1)。

圖1 YZX系列高效液動潛孔錘結(jié)構(gòu)示意圖1—上接頭;2—頂套;3—噴嘴;4—上缸套;5—閥;6—上活塞套;7—調(diào)節(jié)墊;8—扶正套;9—上活塞;10—重錘;11—外管;12—下缸套;13—下活塞;14—調(diào)節(jié)墊;15—傳功座套;16—傳功座;17—短接;18—卡瓦;19—花鍵套;20—花鍵軸

2.1.2.2 結(jié)構(gòu)特點

密封副少、運動副不用橡膠件、科學(xué)分流。

2.1.2.3 工作原理

由地面泥漿泵輸出的沖洗液通過鉆桿到達(dá)液動錘的上接頭,并經(jīng)過噴嘴高速噴射出,在閥程區(qū)產(chǎn)生一低壓區(qū),誘使上閥逆流向上運動,而此液流將繼續(xù)通過上活塞和沖錘抵達(dá)沖錘下腔形成高壓,使沖錘在其上下活塞面積差的作用下快速上行并與已經(jīng)處于上限位的上閥接觸,將高速流動的沖洗液流截斷,從而產(chǎn)生水擊,使原處于低壓區(qū)的上閥區(qū)變成高壓區(qū),下腔則成為低壓區(qū)。此水擊快速推動上閥和沖錘下行,上閥運行一段距離 (稱為閥程)后在限位臺階作用下停止運動,沖錘則在慣性和由于閥、錘打開沖洗液暢通的液流共同作用下繼續(xù)向下運動直至沖擊傳功座將沖擊能量輸出,這樣成為一個工作周期。如此循環(huán)周而復(fù)始。

2.2 新型高效系列液動錘突破的關(guān)鍵技術(shù)

(1)與傳統(tǒng)液動錘比較,該高效系列液動錘結(jié)構(gòu)簡化,密封副由 4道減少到 2道,有效地降低了運動件的阻卡幾率。結(jié)構(gòu)調(diào)整參數(shù)由 5個減少到 2個,取消了原有液動錘固定式節(jié)流環(huán),減少擊砧時的水墊作用,使液動錘在相同輸入能量時輸出的沖擊能量提高了 25%～50%。同時該系列液動錘具有工作穩(wěn)定、操作簡便,即使由于特殊原因不工作時也不會像傳統(tǒng)液動錘迅速截斷水路造成燒鉆事故,而能保證現(xiàn)場采取常規(guī)回轉(zhuǎn)方法鉆完本回次或完成牙輪鉆頭的井內(nèi)壽命,這一優(yōu)勢可以極大地改善現(xiàn)場安全使用液動錘的可靠性,有顯著的實用意義。

(2)通過科學(xué)合理的液動錘分流設(shè)計,使液動錘具有可調(diào)式、多孔分流結(jié)構(gòu),有效地解決液動錘工作泵量與鉆井現(xiàn)場所用泵量不匹配 (相差 50%)的矛盾 (傳統(tǒng)液動錘沒有解決此問題)。

(3)通過不同下活塞固結(jié)方式的試驗,很好地解決了作為液動錘重要的易損部件——下活塞的現(xiàn)場更換,可極大的方便生產(chǎn)現(xiàn)場使用并節(jié)約成本。

(4)對液動錘的關(guān)鍵部件——上下密封副,從材質(zhì)、熱處理工藝和表面耐磨工藝經(jīng)過多輪試驗的研究,確定了新的材質(zhì)及熱處理工藝,使得承受沖擊零部件在表面具有較好的耐沖擊時心部具有應(yīng)有的韌性,從而提高綜合性能;通過泥漿壽命試驗,將主要易損件壽命在含砂量≤0.2%條件下從 10 h提高到 50 h,而在實際使用中超過了 70 h。

2.3 系列高效液動潛孔錘規(guī)格及參數(shù)

通過近 5年的研發(fā),完成了一個根據(jù)發(fā)明專利原理研制的高效液動潛孔錘產(chǎn)品系列,見圖 2和表1(8種規(guī)格,口徑 54～178 mm)。形成了一個可基本覆蓋地質(zhì)巖心鉆探、地質(zhì)災(zāi)害治理鉆探、水文水井鉆探、石油天然氣鉆井的滿足不同鉆探目的要求的完整的液動錘系列,并在提高易損件壽命的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面硬化處理措施、解決適應(yīng)現(xiàn)場大泵量而研究的分流裝置等方面取得顯著的進(jìn)步。使其工作能量較傳統(tǒng)液動錘提高 25%以上,易損件在泥漿中壽命從 10 h提高到 50 h,在清水中提高到 100 h。研制的分流機(jī)構(gòu)可提高液動錘的流量,可有效地適應(yīng)大泵量鉆井工藝,較好地滿足了石油、天然氣、地?zé)嵘罹⒏邷?、大泵量、高泵壓鉆井環(huán)境。

圖2 YZX系列液動錘實物圖片

表1 YZX系列液動潛孔錘結(jié)構(gòu)參數(shù)表

3 SYZX系列繩索取心液動錘的研究

在成功研發(fā)出上述 YZX系列高效液動潛孔錘的基礎(chǔ)上,根據(jù)液動錘研究水平的提高以及拓展液動錘的功能和生產(chǎn)現(xiàn)場需要,我們還適時地研發(fā)了SYZX系列繩索取心液動錘,其實物見圖 3、圖 4,性能參數(shù)見表 2。

繩索取心鉆探以其少提大鉆增加純鉆進(jìn)時間,提高臺月效率,減輕勞動強度等優(yōu)勢獲得了非常廣泛的應(yīng)用。其存在的主要問題是繩索取心鉆探用的鉆頭底唇面較厚,克取巖石面積較大,鉆進(jìn)效率相對較低,尤其是在堅硬“打滑”巖層,鉆進(jìn)效率尤其低下。為解決這一突出問題,將鉆進(jìn)效率較高的液動錘鉆探技術(shù)和繩索取心技術(shù)相結(jié)合,研制出了繩索取心液動錘,取得了良好的鉆探效果:時效一般提高30%以上,回次進(jìn)尺增加 25%以上,成本降低 10%以上。但早期的由于液動錘結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,易損件較多,工作的可靠性較差等原因,使其在實際應(yīng)用中受到限制。為此,我們選擇采用了取得兩項專利,并經(jīng)過中國大陸科學(xué)鉆探科鉆 1井 5000 m深度 3000余米鉆探進(jìn)尺考驗并經(jīng)本項目完善提高的 YZX系列液動錘與繩索取心技術(shù)相結(jié)合,使得該系列的繩沖鉆具在適應(yīng)性、工作穩(wěn)定性、易損件壽命等諸多方面具有明顯的優(yōu)勢。

3.1 SYZX系列繩索取心液動錘的總體結(jié)構(gòu)

(1)外總成:與繩取鉆桿相連接的彈卡擋頭 +彈卡室 +上擴(kuò)孔器 (內(nèi)裝上扶正環(huán))+上外管 +承沖環(huán)接頭 +下外管 +下擴(kuò)孔器 (內(nèi)裝下扶正環(huán))+鉆頭。

圖3 SYZX75繩索取心液動錘實物圖片

圖4 SYZX96繩索取心液動錘實物圖片

表2 SYZX系列繩索取心液動錘鉆具主要性能參數(shù)

(2)內(nèi)總成:打撈定位機(jī)構(gòu) +YZX系列液動錘+傳功環(huán) +單動機(jī)構(gòu) +上下分離機(jī)構(gòu) +調(diào)整機(jī)構(gòu) +內(nèi)巖心管 +卡簧座 (內(nèi)裝擋圈和卡簧)。

3.2 SYZX系列繩索取心液動錘的特點

(1)內(nèi)置的 YZX系列液動錘采用雙噴嘴配流結(jié)構(gòu)并與錘閥各自具有的面積差而運動,減少了密封副的數(shù)量,簡化了鉆具結(jié)構(gòu);無易損壞的彈簧零件,鉆具壽命長;取消了固定式節(jié)流環(huán),擊砧水墊影響小,有利于深孔鉆進(jìn);長度縮短,鉆具的總體長度也隨之縮短;沖擊功高,可大幅提高鉆進(jìn)效率。

(2)內(nèi)外管間及閥錘高低壓區(qū)的密封均采用金屬機(jī)械式密封,耐磨性能高,壽命長。

(3)為增加傳功環(huán)和承沖環(huán)的的受力面積,又不至于因沖擊產(chǎn)生的輕微變形影響其正常功能,還要保證到位的準(zhǔn)確性,沖擊功傳遞裝置采用具有相互限制的剛性結(jié)構(gòu)。為保證在高強度沖擊作用下傳功環(huán)和承沖環(huán)不會相互卡死,我們在材料選擇及加工工藝上作了多次改進(jìn),并在試驗臺進(jìn)行高強度沖擊試驗,結(jié)果證明采用的加工工藝符合設(shè)計要求。同時,為防止承沖環(huán)接頭因管壁薄和應(yīng)力集中的雙重作用發(fā)生斷裂,增加安全性,特別設(shè)計了減應(yīng)力槽,使傳功裝置簡單可靠,更換方便。

(4)傳功裝置既能傳遞沖擊功,又能起到到位報信的功能。若內(nèi)總成投放不到位,沖洗液從內(nèi)總成和外巖心管之間通過,只有少量沖洗液能進(jìn)入液動錘,使液動錘不能正常工作——沖擊頻率很低或不工作。當(dāng)內(nèi)管總成到位——傳功環(huán)坐落在承沖環(huán)上,內(nèi)總成處于懸掛狀態(tài),防空打間隙在重力作用下閉合;送入孔內(nèi)的沖洗液流到承沖環(huán)時,因通路封閉,被迫全部進(jìn)入液動錘內(nèi),由于正常壓差的建立,液動錘開始正常工作,從而實現(xiàn)到位報信功能。同時,液動錘利用沖洗液所攜帶的能量驅(qū)動其內(nèi)部的沖錘產(chǎn)生一定頻率的向下沖擊運動,通過傳功環(huán)傳到承沖環(huán)上,承沖環(huán)再將其傳到巖心外管一直到鉆頭上,實現(xiàn)對孔底的鉆頭施加沖擊從而提高鉆進(jìn)效率。

(5)解堵塞。當(dāng)發(fā)生巖心堵塞時,傳功環(huán)相對承沖環(huán)上移,沖擊功直接作用在巖心內(nèi)管上,利用沖擊振動即可消除巖心堵塞。

(6)該系列繩沖鉆具保留了原有繩沖鉆具具有的上下分離接頭裝置,以保證撈取巖心時將內(nèi)總成分離成上下兩部分,防止因提出的內(nèi)總成過長,造成其彎曲或折斷。分離方法是當(dāng)下分離接頭提到孔口時,用墊叉將其叉住,擋環(huán)上移,即可拆開上、下分離接頭。然后使打撈器與組合式提引接頭相連,再將下分離接頭及以下部分提出。投放過程則相反。

發(fā)揮繩索取心不提鉆取心的優(yōu)勢,配合液動錘的沖擊振動,不僅因碎巖方式變化而大幅提高鉆進(jìn)時效,克服鉆進(jìn)堅硬巖層時的打滑現(xiàn)象,還使得巖心堵塞的幾率大大降低。該產(chǎn)品 2008年、2009年合計在生產(chǎn)現(xiàn)場使用量超過 300臺套,進(jìn)尺達(dá) 50萬m,取得顯著的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

4 生產(chǎn)試驗效果

(1)總的試驗工作量。通過課題組與各試驗使用單位的通力合作與密切配合,新系列液動錘共計完成試驗鉆進(jìn)工作量 18915.41 m,其中井深 3000 m以淺的工作量 17442.36 m;3000 m以深的工作量1473.05 m。由于效果顯著,“SYZX75繩索取心液動錘”被評為 2008年度探礦工程十大新聞之一。

(2)鉆進(jìn)速度提高。在不同地層采用液動錘后,鉆進(jìn)速度和回次進(jìn)尺較回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)都有明顯的提高。其中昆明工程勘察公司于 2006年 4～6月在云南威信縣麟鳳鄉(xiāng) 801孔矛口灰?guī)r、峨眉山玄武巖地層時效提高 50%,回次長度增加 15%。甘泉秦泰公司 32516石油鉆井隊 2007年 8月在陜西靖邊縣五里灣鄉(xiāng)柳 86-54井于泥巖、礫石層、砂巖、灰?guī)r及互層中時效提高 29.4%。福建地質(zhì)八隊在細(xì)粒石英花崗巖、強硅化花崗巖等Ⅹ～Ⅻ級地層平均臺效461 m,臺效比普通繩索取心鉆進(jìn)提高 2.5倍,平均機(jī)械鉆速 1.19 m/h,較回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)提高 3.6倍。

(3)回次進(jìn)尺增加、鉆頭壽命延長。山東地質(zhì)三隊金剛石鉆頭壽命提高 15%～80%,回次進(jìn)尺增加 18%;吉林核工業(yè)鉆探隊鉆頭壽命提高數(shù)倍,回次進(jìn)尺增加 1.5倍。

(4)可滿足不同鉆頭進(jìn)行不同勘探目的鉆進(jìn),該系列液動錘配套金剛石取心鉆頭、球齒全面硬質(zhì)合金鉆頭、牙輪鉆頭完成巖心鉆探、水井全面和擴(kuò)孔鉆探、牙輪全面石油鉆井,能夠適應(yīng)不同深度鉆井條件。

(5)液動錘無故障工作時間延長。根據(jù)前述對液動錘主要密封副結(jié)構(gòu)和性能研究,使得該系列液動錘的實際使用壽命有較大的提高,從原來的 10～20 h提高到 40 h,使其與石油鉆井常用的牙輪鉆頭壽命差距縮小,并為進(jìn)一步提高積累有益的經(jīng)驗。

(6)液動錘啟動容易、操作維修方便。試驗表明,該系列液動錘結(jié)構(gòu)簡單、組配容易、強度高、調(diào)節(jié)方便,易于操作維修保養(yǎng),泵量范圍大,對沖洗液有較強的適應(yīng)性。尤其是為滿足石油鉆井泵量條件設(shè)計的分流結(jié)構(gòu),很好地解決了液動錘與現(xiàn)場泵量相差很大的矛盾。同時該系列液動錘科學(xué)的結(jié)構(gòu)使得在由于各種原因不工作時,仍然可保證現(xiàn)場采取回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法完成該回次或本牙輪鉆頭的完整鉆井壽命,而不用當(dāng)時提鉆,可有效地防止燒鉆事故和減輕勞動強度。

(7)液動潛孔錘跟管鉆進(jìn)是一項新工藝,具有設(shè)備投資少、鉆進(jìn)速度快、環(huán)境污染少等優(yōu)點。通過北京京佑恒公司和黑龍江巖土基礎(chǔ)工程公司 2292 m跟管鉆進(jìn)實際,有效地證明了這一點。

(8)根據(jù)液動錘技術(shù)研究進(jìn)展以及生產(chǎn)現(xiàn)場需求,研究開發(fā)的 SYZX系列繩索取心液動錘,是該系列液動錘的功能擴(kuò)展和成果深化應(yīng)用,它以其先進(jìn)的性能、簡便的操作,在生產(chǎn)實際中效果顯著,并且將巖心內(nèi)管從標(biāo)準(zhǔn)的 3 m加長到 4 m和 5 m,大幅度地提高純鉆時間利用率 (提高 55%～75%),在吉林核工業(yè)系統(tǒng)使用,巖心采取率達(dá) 100%,時效提高,鉆具、鉆頭壽命延長,工人勞動強度明顯降低。將我國鉆探專家們關(guān)于加長巖心管的設(shè)想變成了現(xiàn)實。山東地質(zhì)三隊在孔斜方面取得非常理想效果,在兗州顏店鐵礦區(qū) ZH001使用繩索取心液動錘每百米偏斜由 6.03°降到了 1.75°。

5 結(jié)語

綜上所述,該項目全面完成規(guī)定的任務(wù),從液動錘的結(jié)構(gòu)原理、具體結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵零部件以及全方位、廣范圍的室內(nèi)外試驗,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。為生產(chǎn)現(xiàn)場提供了一種簡單、實用高效的機(jī)具,將我國在此領(lǐng)域的研究與應(yīng)用水平大幅度提升,保持了我國在世界的領(lǐng)先水平。

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