王躍偉， 陸洪智， 齊力強， 楊澤英， 張 濤， 蘇長壽， 梁 楠

(1.中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國地質大學〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

多年生產實踐證實，液動沖擊回轉鉆進技術可大幅度提高鉆進速度、回次進尺和鉆頭壽命，是一種高效、優(yōu)質、低耗的技術[1-4]。液動沖擊器(又稱液動潛孔錘，簡稱液動錘)是液動沖擊回轉鉆進技術的核心，在孔內循環(huán)介質驅動下對鉆頭產生高頻連續(xù)的沖擊載荷，從而實現(xiàn)沖擊回轉鉆進。

該技術目前在地質勘探，尤其是小口徑巖心鉆探領域應用十分廣泛，且效果明顯[5-10]，但在石油、地熱、煤層氣等其他鉆井領域應用較少。首先，幾十年以來，各行業(yè)有自己的隊伍、院校、科研院所，交叉較少，缺乏交流。其次，液動錘隨口徑增大沖擊功也大大提高，相同材質及熱處理工藝條件下液動錘壽命有所降低，限制其在石油、地熱等行業(yè)應用。第三，液動潛孔錘理論研究較少，難以針對不同工況進行相對精準的性能調節(jié)，無法適應上述所述行業(yè)的要求。

目前國內進行液動潛孔錘研究單位較多[11-21]，但理論研究較少，吉林大學從仿真計算、數值模擬等角度對射流式液動潛孔錘進行過一些理論研究[22-25]，勘探技術研究所對雙噴嘴復合液動錘建立水力學模型探討噴嘴結構及運動參數對性能影響[19]，此外鮮有此方面的研究。建立液動錘結構參數及泵量、泵壓等輸入性能參數與沖擊功和沖擊頻率之間的關系，進而開展液動潛孔錘基礎理論研究，提高其研究水平和適用范圍，迫切需求建立一個可以進行液動錘性能測試的實驗平臺。

1 實驗臺方案設計

多參數液動潛孔錘測試平臺主要由數據采集和處理模塊、循環(huán)動力模塊和機械固定模塊3個主要模塊組成，如圖1所示。

圖1液動潛孔錘性能測試實驗臺示意
Fig.1Performance test bench of hydraulic down-hole hammers

1.1 數據采集和處理模塊

數據采集和處理模塊是液動潛孔錘性能測試實驗臺的核心，由數據采集處理軟件系統(tǒng)、數據采集卡、可進行計算和顯示的PC機、不同功能的傳感器及其他元件組成。

沖擊功的測量采用壓電石英力傳感器，其原理為壓電效應。當壓電傳感器受到力作用后，其內部的壓電元件上也受到同樣的力，根據壓電效應原理，壓電元件的兩面就會產生與這個力成正比的電壓，通過測此電壓即可測得作用力，再根據力與功之間的標定來計算沖擊功。根據沖擊功曲線相鄰兩個波峰的時間差計算沖擊頻率。

液體壓力采用傳感器測量，工作原理是靠其內部彈性膜片上粘貼的電阻應變計敏感元件組成電橋，在壓力作用下彈性膜片產生應變，應變計感受此應變并使應變計橋臂電阻發(fā)生變化。給應變計電橋加額定激勵電壓，即可得到與壓力呈線性關系的電壓變化，通過測量電壓即可測出壓力值。

泵量采用流量傳感器測量。流量傳感器中有液體通過時使其內部電路的磁阻發(fā)生變化，產生與流量成正比的電壓脈沖信號，通過測脈沖信號的電壓值即可測出流量值。流量傳感器測量原理為通過磁場中的流體在切割磁感線時會產生的與流量成正比的感應電動勢，通過測量這個感應電動勢計算出液體流量。

1.2 循環(huán)動力模塊

循環(huán)動力模塊由泥漿泵、進水管路、出水管路、穩(wěn)壓罐、調節(jié)閥、背壓閥、泵壓表等組成。三臺不同排量泥漿泵并聯(lián)，輸出泵量范圍為0～1800 L/min，最大輸出泵壓為10 MPa。穩(wěn)壓罐可大大減小進入液動錘工作介質的壓力波動。調節(jié)閥可對進水管路進行分流，在理論上實現(xiàn)無級調節(jié)泵量。背壓閥放置于液動錘出口，模擬孔底背壓條件，開展液動錘背壓適應性研究。

1.3 機械固定模塊

機械固定模塊主要為液動錘固定臺架，臺架由液壓控制，含兩個同步油缸和鏈條倍速機構，結構如圖2所示，技術參數見表1。

圖2 液動錘固定臺架結構示意Fig.2 Structure of the hydraulic hammer fixing stand

表1 液動錘固定臺架技術參數Table 1 Technical parameters of the hydraulic hammer fixing stand

2 沖擊功標定

2.1 沖擊模型

如圖3所示，設沖錘組件以速度v沖擊鐵砧，沖擊力以沖擊波的形式傳遞至傳感器，傳感器受壓產生電荷，再由電荷放大器處理，產生電壓信號。沖錘沖擊鐵砧后發(fā)生反彈，沖擊過程為非完全彈性碰撞，傳感器上部鐵砧和下層底座都會受壓并產生變形。

圖3 沖擊模型Fig.3 Impact model

建模時可以將傳感器上部鐵砧和下部底座看作一個剛度很大的彈簧，勁度系數分別為k1、k2，中間的傳感器看作一個不變形的剛體。沖擊過程中，上彈簧的形變?yōu)閤1，下彈簧的形變?yōu)閤2。在該數學模型中，沖錘下一次的下落過程中，把接觸時刻的動能轉換為兩個剛度很大的彈簧的彈性勢能，達到最大形變xmax時，傳感器所受的力為Fmax。隨后彈簧恢復形變，將沖錘反彈，但在彈簧恢復的過程中，傳感器和底座有限位，阻滯很大，彈簧只把部分彈性勢能轉換為沖錘的反彈動能。

接觸時刻的動能E=mv2/2(其中：m為沖錘組件質量，v為發(fā)生沖擊時沖錘組件末速度)。達到最大形變時，彈簧存儲的總彈性勢能：

(1)

以沖擊時刻的動能作為沖擊功W，則沖擊功W與彈簧總彈性勢能P相等：

(2)

由胡克定理可知：

(3)

把公式(2)和公式(3)變形可得：

(4)

彈簧達到最大形變時，傳感器近似看作受力平衡，則：

Fmax=F1max=F2max

(5)

把公式(5)帶入到公式(4)中：

(6)

令1/k=1/k1+1/k2，即k為上下兩個彈簧的串聯(lián)剛度，則：

(7)

串聯(lián)剛度k是與傳感器、試驗工裝相關的系數，而沖擊功與最大沖擊力的平方成正比。

2.2 測定串聯(lián)剛度k

采用沖擊力法測沖擊功受沖擊部件形狀、尺寸、質量、材料等因素影響較大，故在沖擊標定過程中應采用待測液動錘的沖錘組件，最大程度模擬液動錘測試的環(huán)境和條件進行標定。此處以YZX108型液動錘為例。

傳感器安裝與液動錘測試保持一致，以YZX108型液動錘下接頭作為沖擊鐵砧，直接坐于圖4所示的底座上。沖錘在不同高度多次(試驗中取5次)反復做自由落體運動，壓電石英傳感器測出每一組沖擊力數值，再由沖錘組件的質量和自由落體的高度計算出沖錘組件沖擊鐵砧時的沖擊功。由于阻力、碰撞接觸條件不同，且試驗過程受人的操作行為影響較大，故應剔除明顯的異常數據，最終的有效數據取平均值。

1-鐵砧；2-適應套；3-上蓋板；4-上墊片；5-傳感器；6-下墊片；7-下蓋板；8-定位銷；9-基座；10-出水管；11-背壓閥

圖4壓電石英傳感器安裝示意
Fig.4Installation schematic diagram of the piezoelectric quartz sensor

試驗完成后用計算機對采集到的數據進行回歸分析，如圖5所示，x軸為測量的沖擊力，y軸為根據沖錘組件質量及下落高度計算的沖擊功。最終回歸方程式為y=0.0014x2-0.0001x，相關性R2=0.9998。0.0001x與0.0014x2相差3個數量級以上，根據式(7)，應該是由試驗過程中操作差異、外界干擾、測量誤差等原因導致，故應略去，因此可以確定串聯(lián)剛度k值，即1/(2k)=0.0014。

圖5 串聯(lián)剛度k反演數據Fig.5 Inversion data of serial stiffness k

3 實驗臺調試

液動潛孔錘性能測試實驗臺組裝完成后于勘探技術研究所沖擊回轉試驗室進行了室內調試，調試采用YZX108型液動潛孔錘[26]，該液動錘沖錘組件質量23.8 kg。測試中液動錘自由行程為15 mm。

流量傳感器、壓力傳感器直接通過螺紋連接到管路上，壓電石英傳感器設計的安裝方式如圖5所示。壓電石英傳感器上下各有一壓片，通過螺桿緊固。再通過上下兩個蓋板將壓電石英傳感器置于一個相對密封的腔內，阻止水從外部流入，上下蓋板間通過直鍵和鍵槽定位，避免發(fā)生相對轉動。連接好管路，傳感器數據線與采集板連好，安裝好的實驗臺如圖6所示。

圖6 液動潛孔錘性能測試實驗臺調試Fig.6 Commissioning of the hydraulic down-hole hammer performance test bench

調試過程中采集到的波形圖如圖7所示。

圖7液動潛孔錘性能測試軟件系統(tǒng)界面
Fig.7Software system interface for hydraulic down-hole hammer performance tests

根據測試結果，泵量600 L/min時，YZX108型液動錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。

4 結論

研制的多參數液動潛孔錘測試平臺通過沖擊力與沖擊功標定的方法對液動錘輸出性能參數進行無損測試，為提高液動錘的研究設計水平和速度起到了一定的作用。該測試平臺硬件配套齊全，0～30 L/s的泵量范圍基本可滿足現(xiàn)有規(guī)格液動錘的測試需求，全液壓臺架大大提高了測試安全性，降低了勞動強度。根據調試結果，泵量600 L/min時，YZX108型液動錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。