氣動潛孔錘雙沖擊跟管鉆進技術(shù)

鄭英飛，王茂森，岳文斌

(吉林大學建設(shè)工程學院，吉林 長春 130026)

1 概述

鉆探過程中，經(jīng)常要穿過復雜的第四系地層，也經(jīng)常要對付穩(wěn)定性差的風化破碎帶、裂隙溶洞和松軟地層等，導致鉆進困難，甚至是難以成孔。氣動潛孔錘跟管鉆進技術(shù)，是針對復雜地層鉆探的工藝方法，在鉆進的同時，套管能夠隨之下入已完成的孔內(nèi)，起保護孔壁、隔離含水層的作用。潛孔錘跟管鉆進，從理論上講，鉆頭偏心塊打開的成孔直徑要大于套管的直徑，套管依靠自重應(yīng)該能順利跟進，但事實上，在跟進一段距離之后，由于鉆孔的不規(guī)則，套管受到孔壁的摩擦力作用，必須依靠潛孔錘的沖擊作用才能跟進，因此降低了鉆進的效率。在跟進一定的深度后，由于潛孔錘的沖擊力不足以克服套管所受的摩擦力，套管與鉆頭不再保持同步，套管不再跟進，管靴與套管連接處的最薄弱的部分受到孔壁摩擦力和潛孔錘沖擊力的雙向拉應(yīng)力的作用，容易發(fā)生斷裂。為了克服套管所受到的摩擦力，本文設(shè)計了潛孔錘套管振擊器，在地面對套管施加作用力，使套管能夠與鉆頭保持同步，增大了套管跟管深度，避免了套管最薄弱部位容易發(fā)生斷裂情況的發(fā)生。潛孔錘雙沖擊跟管鉆進示意圖如圖1所示:在孔內(nèi)，潛孔沖擊器產(chǎn)生沖擊力，通過導正器、管靴將沖擊波傳遞到套管上;在孔口，沖擊器產(chǎn)生沖擊力，傳遞到下板、套管接頭上，對套管產(chǎn)生向下的作用力。這樣套管同時受到孔內(nèi)潛孔沖擊器的作用力和孔口沖擊器的作用力，形成了雙沖擊跟管鉆進?？卓诓糠钟缮习迮錃夂?、上接頭、沖擊器、下板、下接頭和套管接頭組成，稱為振擊器。

潛孔錘雙沖擊跟管鉆進技術(shù)的設(shè)計，是為了使套管擺脫兩端受拉的狀態(tài)，避免套管發(fā)生斷裂。雙沖擊跟管就是在地面上放置振擊器，在套管受到潛孔沖擊器沖擊力的同時，在地面上對套管上端施加額外的沖擊力，使套管在受到向下的沖擊力和向上的摩擦力的同時，套管上端受到向下的沖擊力作用，保證套管能夠順利跟進。在套管上端施加力的作用，不僅使得套管不再處于兩端受拉應(yīng)力的狀態(tài)，解決了套管發(fā)生斷裂的問題，而且還能夠增加潛孔錘跟管鉆進的最大深度。同時，當鉆進過程中出現(xiàn)卡鉆、埋鉆的現(xiàn)象時，可以反轉(zhuǎn)振擊器，向上沖擊鉆具，提拔鉆具。

圖1 雙沖擊跟管鉆進示意圖

2 振擊器的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示為設(shè)計的套管振擊器剖切圖。

圖2 套管振擊器剖切圖

如圖2所示，套管振擊器由上板配氣盒、上板插板、上接頭、潛孔錘、下接頭、下板、下板插板、套管接頭、排氣孔、銷釘、螺母等構(gòu)成。工作原理:空壓機產(chǎn)生的高壓氣體，大部分通過鉆桿進入孔內(nèi)潛孔沖擊器中，驅(qū)動沖擊器產(chǎn)生沖擊力，沖擊鉆頭破碎巖石。一部分壓縮空氣通過上板配氣盒中的進氣孔進入上板腔體中，然后壓縮氣體進入上接頭中間的通孔中，上接頭連接沖擊器，壓縮氣體通過驅(qū)動沖擊器活塞做往復運動，產(chǎn)生的沖擊力沖擊下板，下板將沖擊力傳遞給套管接頭，進而沖擊套管，使套管上端受到向下的沖擊力，隨著鉆頭下入已鉆成的孔內(nèi)。廢棄的壓縮空氣通過下接頭末端的排氣孔排出。在選擇沖擊器時選擇氣動沖擊器，用氣動沖擊器可以直接使用空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣，不需要增加額外的設(shè)備，而且還可以增加空壓機的使用效率，減少空壓機的氣體損失。

套管振擊器上端是由上板配氣盒、上板插板、上接頭組成的，配氣盒與上接頭之間為焊接連接，配氣盒與插板之間為銷釘連接。上板配氣盒為鋼板焊接而成，通過不同大小的鋼板焊接可以形成密閉的腔體，上接頭為普通沖擊器上接頭改裝而成，將普通上接頭的錐形螺紋部分改為帶有臺階的結(jié)構(gòu)，臺階部分焊接在密閉腔體中，一方面保證了整個進氣通道的密閉性，另一方面，在振擊器工作過程中產(chǎn)生的振動不至于分離上接頭與上板。配氣盒中有進氣通道，壓縮空氣由此進入密閉腔體中。上板插板與上板之間為銷連接，在鉆進過程中，在接鉆桿和套管時，插板可以隨時拆卸和安裝。空壓機的膠管連接在上板配氣盒的進氣口處，通過進氣通道進入腔體中，然后分別進入左右上接頭，通過上接頭的中心通道，進入氣動沖擊器，驅(qū)動活塞進行往復運動。

套管振擊器下端是由下板、下板插板、下接頭組成，下板是整體的一塊鋼板，承受沖擊器產(chǎn)生的沖擊力，下板底端做成錐形形狀，便于與套管接頭的連接。下接頭由普通的金剛石鉆頭改裝而成，保留花鍵以上的部分，將鉆頭體改變?yōu)橹睆礁〉闹锌战Y(jié)構(gòu)。下接頭穿過下板，通過螺母的連接固定在下板下端，保持振擊器整體的結(jié)構(gòu)，下接頭的排氣孔水平排出氣體，避免了垂直排出會對振擊器產(chǎn)生反沖擊作用。下板與插板之間銷連接，便于拆卸，壓縮空氣在驅(qū)動活塞往復運動之后，其中的廢氣通過下接頭排出，沖擊器產(chǎn)生的沖擊力沖擊下板。由于下板承受沖擊的作用，因此在制造時下板的厚度要大于上板的厚度。

套管接頭是錐形接頭，上端與下板底端的錐形部位連接，錐連接不僅有利于沖擊力的傳遞，而且在拆卸過程中也比較方便。接頭下端為外螺紋部分，與套管內(nèi)螺紋連接。沖擊力通過套管接頭作用在套管上，使套管跟隨鉆頭進入孔內(nèi)，套管接頭避免了沖擊力與套管的直接接觸容易對套管螺紋進行破壞的情況。

3 套管振擊器的特點

振擊器上板配氣盒由普通的鋼板焊接而成，不僅能保證密閉性，而且在現(xiàn)場施工時，材料比較普遍，在加工和更換過程中能更為方便。

振擊器上板插板與上板配氣盒、下板插板與下板之間均為銷釘連接，在鉆探過程中可以隨時取出插板，接鉆桿和套管，然后再將插板安裝，方便可靠。

振擊器上、下接頭由普通的沖擊器上接頭和鉆頭改裝而成，在設(shè)計加工過程中，能節(jié)省時間。

振擊器中的沖擊器選用氣動沖擊器，工作介質(zhì)為壓縮空氣，不需要額外增加設(shè)備，由一個空壓機產(chǎn)生的壓縮空氣可以同時供潛孔沖擊器和振擊器中沖擊器同時工作。

整套振擊器，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸較小，在現(xiàn)場施工作業(yè)時，能夠順利攜帶和搬遷。

4 振擊器沖擊力的計算

沖擊器工作時，活塞在壓縮空氣的驅(qū)動下運行到?jīng)_擊器內(nèi)缸底部，在極短時間內(nèi)產(chǎn)生一個極大的沖擊力，沖擊在下接頭上，通過下板、套管接頭傳遞到套管上。沖擊器活塞在潛孔錘內(nèi)部，活塞沖擊力的計算一般運用動量定理，動量表達式如下式:

式中:F——沖擊力，kN;m——活塞的質(zhì)量，kg;V1——沖擊末速度，m/s;V2——沖擊初速度，m/s;t——接觸時間，ms。

以GM3.5HD高氣壓潛孔沖擊器為例，活塞的質(zhì)量為5.1 kg，氣動沖擊器沖擊末速度為8～10 m/s，接觸時間一般為0.832 ms。計算出的沖擊力為平均的沖擊力，最大的沖擊力為平均沖擊力的2倍?？梢郧蟮?，平均沖擊力為49 kN，因此最大的沖擊力為98 kN。本文設(shè)計的振擊器為雙沖擊器結(jié)構(gòu)，因此振擊器可以產(chǎn)生的最大沖擊力為196 kN。

目前，套管在孔內(nèi)的摩擦力沒有一定的公式計算，因為套管長度不斷的增加，摩擦系數(shù)在各個地層也不相同。本文以剛套管下入卵礫石20 m深為例，來估算套管所受的下入阻力，如表1所示。

表1 套管沉入阻力計算值

由表1可以看出，當套管直徑為114 mm時，可以估計的沉入阻力為60～300 kN之間，而振擊器可以產(chǎn)生的最大沖擊力為196 kN，因此，振擊器的存在，可以抵消一大部分甚至是全部的摩擦力，使套管不再兩端受拉，提高了套管的使用壽命，同時也使套管能夠更順利的跟進。

5 套管跟管鉆進最大深度的計算

圖3所示為潛孔錘跟管鉆進單偏心套管受力的示意圖，沖擊導正器承受鉆機鉆壓P和沖擊器施加的沖擊力F作用，套管則承受跟管鉆壓P2、套管自重G、部分沖擊力F'以及鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的摩擦力Rf。套管自重G=lc，c為單位長度套管所受到的重力，l為跟進套管總長度。鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的摩擦力Rf:

式中:d——跟管外直徑，m;q——鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的單位摩擦阻力，kPa;f——摩擦系數(shù);θ——鉆孔傾角，(°)。

圖3 套管受力示意圖

在地層表面，開始跟進套管時，當孔壁地層與套管外表面摩擦力Rf＜P2+Gcosθ時，套管在跟管鉆壓P2和套管自重沿進尺方向上分力Gcosθ作用下跟進。當跟管鉆進深度逐漸增大，跟進深度達到l0時刻，套管受力條件滿足Rf=P2+Gcosθ時:

l0即為套管依靠本身自重力作用，不額外消耗鉆進鉆壓P1以及潛孔錘的沖擊功A時，套管能夠跟進的最大深度。

當套管依靠本身自重力不足以跟進，鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的摩擦力Rf滿足P2+Gcosθ＜Rf＜P1+P2+Gcosθ，即額外耗用鉆進鉆壓跟進套管時:

當鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的摩擦力Rf＞P+Gcosθ=P1+P2+Gcosθ時，套管除承受管外孔壁的摩擦阻力、套管本身自重和鉆進鉆壓外，還將承受沖擊器的部分沖擊力F'。即潛孔錘沖擊功一部分用于破碎孔底巖石，另一部分則需要對克服孔壁摩擦做功，帶動套管跟進。

隨著套管跟進深度增大，當鉆孔內(nèi)壁對套管外表面的摩擦力Rf=P+Gcosθ+F'，F(xiàn)'→F時即跟管耗用全部鉆壓和沖擊力時，跟管深度達到了最大值lmax:

lmax即為理論計算所得的潛孔錘跟管鉆進最大深度。

由式(4)、式(5)可以得出，在不同大小摩擦力的作用下，跟管最大深度取決于套管所受向下的所有力之和。由式(5)可知，在不消耗沖擊器沖擊力F'時，套管所能跟進的最大深度為l0'。當增加了振擊器之后，振擊器會產(chǎn)生一個向下的沖擊力，增加了套管在不消耗潛孔錘沖擊力的情況下所能跟進的最大深度。因此，振擊器的存在，不僅增加了套管跟進的最大深度，同時也使孔內(nèi)潛孔錘能夠更加高效的工作，提高了鉆進的速度。

6 結(jié)論

本文為了解決潛孔錘跟管鉆進過程中容易出現(xiàn)的套管斷裂和跟管深度過小的情況，采取了潛孔錘雙沖擊跟管鉆進技術(shù)，在地面上增加了振擊器，通過理論的分析與計算，證明了套管振擊器的存在能夠在潛孔錘跟管鉆進中起到增加套管下入深度、避免套管兩端受拉發(fā)生斷裂、增加了空壓機的氣體使用率等作用，提高了套管螺紋的使用壽命。目前該振擊器正在生產(chǎn)制造階段，其實用價值有待在下一步的生產(chǎn)試驗中驗證。

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