系列高效液動錘的研究與應用

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),并隨鉆孔之延深而潛入鉆孔中對鉆頭施加沖擊負荷。我國該技術處于世界先進水平。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構為錘、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),無法滿足多種應用領域的需要。

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)結構簡單、易損件壽命長且更換方便。

2.1.2 結構及工作原理

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)明專利的雙噴嘴復合式液動錘為其基本結構,以適應生產(chǎn)條件、高效、方便為著力點,對液動錘進行技術提升和完善。

2.1.2.1 結構

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構示意圖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 結構特點

密封副少、運動副不用橡膠件、科學分流。

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)周而復始。

2.2 新型高效系列液動錘突破的關鍵技術

(1)與傳統(tǒng)液動錘比較,該高效系列液動錘結構簡化,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。結構調(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)通過科學合理的液動錘分流設計,使液動錘具有可調(diào)式、多孔分流結構,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構優(yōu)化、表面硬化處理措施、解決適應現(xiàn)場大泵量而研究的分流裝置等方面取得顯著的進步。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。研制的分流機構可提高液動錘的流量,可有效地適應大泵量鉆井工藝,較好地滿足了石油、天然氣、地熱深井、高溫、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系列液動潛孔錘結構參數(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,鉆進效率相對較低,尤其是在堅硬“打滑”巖層,鉆進效率尤其低下。為解決這一突出問題,將鉆進效率較高的液動錘鉆探技術和繩索取心技術相結合,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,回次進尺增加 25%以上,成本降低 10%以上。但早期的由于液動錘結構比較復雜,易損件較多,工作的可靠性較差等原因,使其在實際應用中受到限制。為此,我們選擇采用了取得兩項專利,并經(jīng)過中國大陸科學鉆探科鉆 1井 5000 m深度 3000余米鉆探進尺考驗并經(jīng)本項目完善提高的 YZX系列液動錘與繩索取心技術相結合,使得該系列的繩沖鉆具在適應性、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構

(1)外總成:與繩取鉆桿相連接的彈卡擋頭 +彈卡室 +上擴孔器 (內(nèi)裝上扶正環(huán))+上外管 +承沖環(huán)接頭 +下外管 +下擴孔器 (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:打撈定位機構 +YZX系列液動錘+傳功環(huán) +單動機構 +上下分離機構 +調(diào)整機構 +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構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,簡化了鉆具結構;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;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,還要保證到位的準確性,沖擊功傳遞裝置采用具有相互限制的剛性結構。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,并在試驗臺進行高強度沖擊試驗,結果證明采用的加工工藝符合設計要求。同時,為防止承沖環(huán)接頭因管壁薄和應力集中的雙重作用發(fā)生斷裂,增加安全性,特別設計了減應力槽,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效率。

(5)解堵塞。當發(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時效,克服鉆進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,進尺達 50萬m,取得顯著的技術和經(jīng)濟效果。

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)鉆進速度提高。在不同地層采用液動錘后,鉆進速度和回次進尺較回轉(zhuǎn)鉆進都有明顯的提高。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提高 2.5倍,平均機械鉆速 1.19 m/h,較回轉(zhuǎn)鉆進提高 3.6倍。

(3)回次進尺增加、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,回次進尺增加 1.5倍。

(4)可滿足不同鉆頭進行不同勘探目的鉆進,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、水井全面和擴孔鉆探、牙輪全面石油鉆井,能夠適應不同深度鉆井條件。

(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構和性能研究,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,該系列液動錘結構簡單、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性。尤其是為滿足石油鉆井泵量條件設計的分流結構,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的結構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)鉆進方法完成該回次或本牙輪鉆頭的完整鉆井壽命,而不用當時提鉆,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是一項新工藝,具有設備投資少、鉆進速度快、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工程公司 2292 m跟管鉆進實際,有效地證明了這一點。

(8)根據(jù)液動錘技術研究進展以及生產(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展和成果深化應用,它以其先進的性能、簡便的操作,在生產(chǎn)實際中效果顯著,并且將巖心內(nèi)管從標準的 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 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于加長巖心管的設想變成了現(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 結語

綜上所述,該項目全面完成規(guī)定的任務,從液動錘的結構原理、具體結構、關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、實用高效的機具,將我國在此領域的研究與應用水平大幅度提升,保持了我國在世界的領先水平。

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