液動錘套管起拔器的研制與應(yīng)用

孫 天, 苗曉曉, 葉蘭肅, 劉建福, 王建興, 孫秀梅, 劉莎莎, 王越光

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河 065201)

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液動錘套管起拔器的研制與應(yīng)用

孫 天, 苗曉曉, 葉蘭肅, 劉建福, 王建興, 孫秀梅, 劉莎莎, 王越光

(河北省地礦局探礦技術(shù)研究院，河北 三河 065201)

液動錘套管起拔器的原理是利用沖洗液作為動力介質(zhì)，推動沖擊錘產(chǎn)生振動，將機(jī)械應(yīng)力波通過液動錘傳至套管，使其松動后拔起。新研制的液動錘套管起拔器減輕了普通蠻力起拔方法對套管的損傷，節(jié)約鉆探成本。本文介紹了雙作用和正作用兩種液動錘套管起拔器的起拔原理以及工作方法，并介紹了其在河北省遵化市西山帶鐵礦區(qū)進(jìn)行野外試驗中取得的效果。

液動錘套管起拔器；雙作用液動錘；正作用液動錘

目前常用的套管起拔方法是使用液壓千斤頂強(qiáng)力頂出套管。在拔起套管時，靜拉力較大，套管經(jīng)常發(fā)生拉斷、滑扣，造成套管材料的浪費(fèi)。國內(nèi)套管起拔問題多年來未引起重視，輔助性機(jī)具研究少有開展，新型器具亟待開發(fā)，研制新的輔助性起拔器具有現(xiàn)實(shí)意義[1]。

新研制的液動錘套管起拔器，是利用高壓沖洗液作為動力介質(zhì)，通過液動錘轉(zhuǎn)換為較高頻率的沖擊推動沖擊錘產(chǎn)生機(jī)械功，將機(jī)械應(yīng)力波通過液動錘傳至套管，通過持續(xù)對套管進(jìn)行沖擊振動，使其與圍巖松動后拔起。從而改善套管拔起效果，提高套管起拔效率，減少套管損傷，降低鉆探成本[2-3]。

1 常用起拔套管方法存在的問題

鉆探工作對象為地表下面的巖土，其地層情況復(fù)雜多變，可預(yù)測性差，在膨脹性巖層,如頁巖、淤泥和粘土等地層對套管擠壓，粘、卡、吸嚴(yán)重時，普通起拔方法很難將套管較完整的取出。目前國內(nèi)起拔套管基本沿用20世紀(jì)七八十年代的技術(shù)和工具，起拔套管一般用升降機(jī)采用多股鋼絲繩強(qiáng)力起拔，但常因孔內(nèi)情況復(fù)雜或孔內(nèi)管材較長，卡、夾、粘、吸較嚴(yán)重，套管不易起拔；還有使用人工打吊錘的方法，該方法可以使套管產(chǎn)生松動后順利起拔，但人工勞動強(qiáng)度大，費(fèi)時費(fèi)力；此外，用千斤頂強(qiáng)力起拔，千斤頂起拔力大，在未降低套管起拔阻力的情況下將套管拔出，容易將套管拔斷或脫扣。目前常用起拔器為液壓型千斤頂，在拔起套管時，靜拉力較大，套管易發(fā)生拉斷、滑扣，造成套管材料的浪費(fèi)[1]，且易引發(fā)孔內(nèi)事故。

2 液動錘套管起拔器的設(shè)計原則

(1)滿足在現(xiàn)有常規(guī)配套用泥漿泵(如BW-250、BW-320型)的條件下使用，沖洗液采用清水或無固相泥漿，以便于推廣應(yīng)用；

(2)在保證起拔器正常工作的前提下，能適應(yīng)較大泵量，以增大向上起拔的沖擊功，增加起拔套管成功的概率；

(3)起拔器內(nèi)部的液流通道要設(shè)計的更加合理，簡化結(jié)構(gòu)，減小系統(tǒng)阻水，提高有效作用系數(shù)；

(4)起拔器的運(yùn)動部件要選擇強(qiáng)度較大的材料，提高熱處理質(zhì)量，增加耐磨性和抗沖擊；

(5)通用性好，與套管聯(lián)接的接頭設(shè)計為可更替型，使之可用于處理多種規(guī)格套管的起拔[3-4]。

比較國內(nèi)外多種型號液動沖擊器工作原理、實(shí)用效果和已有實(shí)際工作經(jīng)驗，雙作用液動錘有低頻、大沖程、大沖擊功的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)中彈簧易損構(gòu)件很少(或者沒有)，有利于延長起拔器的使用壽命，節(jié)約成本，因此作為機(jī)具研制的首選方案。但其上、下活閥閉水密封完全依賴活動部件緊密配合度，對機(jī)件加工精度、裝配工作要求極高，在野外復(fù)雜工作條件下，可能影響實(shí)際作業(yè)穩(wěn)定性。正作用液動錘的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，密封基本依靠密封膠圈，加工難度小，使用維護(hù)極其方便，穩(wěn)定性好。為了保證野外實(shí)際工作連續(xù)穩(wěn)定，設(shè)計了雙作用原理和正作用原理2種液動錘起拔器機(jī)型[3,5,7]。

3 YQS-108型雙作用液動錘套管起拔器設(shè)計

3.1 總體結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)主要由上閥配水機(jī)構(gòu)、活塞沖錘機(jī)構(gòu)、下閥配水機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、連接機(jī)構(gòu)、密封機(jī)構(gòu)及參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成(見圖1)[5-6]。

3.1.1 上閥配水機(jī)構(gòu)

1—提引接頭；2—噴嘴座；3—上砧；4—噴嘴；5—活閥墊；6—滑套；7—上活閥；8—閥座；9—壓蓋；10—上膠圈；11—通氣管；12—活塞桿；13—沖錘；14—密封套；15—密封圈；16—高壓管；17—下閥套；18—下活閥；19—高壓膠管接頭；20—下砧；21—套管連接扣

圖1 雙作用液動錘套管起拔器結(jié)構(gòu)圖

主要由提引接頭、噴嘴座、噴嘴、上活閥、閥座等組成[2,5-6]。

3.1.2 活塞沖錘機(jī)構(gòu)

主要由活塞桿、沖錘、下閥套組成[2,5-6]。

3.1.3 下閥配水機(jī)構(gòu)

主要由下閥套、下活閥組成[2,5-6]。

3.1.4 傳動機(jī)構(gòu)

主要由上砧、滑套、密封套、高壓管、下砧等組成，它們之間采用方形扣連接成一剛性整體，將液動錘起拔器和套管連接，沖錘向上沖擊時，沖擊力就能通過這組剛性體傳遞給套管。其中下砧絲扣可以根據(jù)不同口徑的套管扣型加工接頭，實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格套管的起拔[2,5-6]。

3.1.5 規(guī)格及相關(guān)性能參數(shù)

起拔器質(zhì)量：85 kg；

起拔器外徑：108 mm；

起拔器總長：1450 mm；

沖錘行程：14～23 mm；

上活閥行程：4～13.3 mm；

下活閥行程：2.6～15.2 mm；

自由行程：2.4～3.8 mm；

工作泵壓：2～4 MPa；

工作泵量：90～200 L/min；

沖擊功：50～120 J。

3.2 工作原理

沖擊工作過程有4種工作狀態(tài)循環(huán)往復(fù)。參見圖2[2,5-6]。

3.2.1 上沖前期狀態(tài)

由于部件自重作用，使下閥套f被壓緊到下砧上，上活閥a在高壓噴嘴射流的卷吸作用下迅速上行，先于沖錘運(yùn)動，到達(dá)其上限位置后等待沖錘；此時排水通道被下活閥e截斷產(chǎn)生水擊增壓，致使起拔器D腔內(nèi)的液體壓力急劇升高，建立起沖錘的下端面與上端面之間的壓差，驅(qū)動沖錘上行，加速向上死點(diǎn)上行。與此同時，由于下閥套f上的橫向開孔g連通D腔，高壓液流會對下活閥的上斷面產(chǎn)生向下的作用力，使下活閥緊緊的關(guān)閉下砧排水孔，確保沖錘上升初級階段保持高壓。

3.2.2 上沖后期階段

當(dāng)沖錘加速上行一段后，即沖錘帶動下活閥打開排水孔，整個D腔內(nèi)的水壓力下降，但沖錘靠慣性作用下繼續(xù)帶動下活閥上行，與上活閥下端接觸同時沖擊上砧做功。

圖2 雙作用液動錘套管起拔器工作原理

3.2.3 沖錘上沖結(jié)束階段

由于沖錘上活塞桿與上活閥接觸封閉水路，在C腔內(nèi)產(chǎn)生水擊效應(yīng)，壓力劇增使上活閥與沖錘同步加速下行。

3.2.4 沖錘下沖階段

下行過程中，上活閥被閥座阻止，上活閥與活塞桿的封閉被打開，液流通暢，上活閥由于射吸作用又上行回到上死點(diǎn)；沖錘則靠慣性和自重繼續(xù)下行，直到下活閥再次封閉水路，D腔產(chǎn)生水擊增壓，開始下一個工作循環(huán)。

3.3 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計

3.3.1 射吸式上閥配水機(jī)構(gòu)設(shè)計

為減少液能損失，增加沖擊力，并能配合下活閥封閉、打開水路，達(dá)到配水作用，研究設(shè)計了射吸式上活閥結(jié)構(gòu)(見圖3)。上活閥設(shè)計為中空式異徑柱狀結(jié)構(gòu)，閥的下開孔呈傘狀，上活閥上端配有高壓噴嘴，工作時泥漿泵排出的液流經(jīng)噴嘴噴射后形成高壓液流，由于射吸作用，上活閥到達(dá)上死點(diǎn)。待活塞桿到達(dá)上死點(diǎn)與上活閥接觸后封水，高壓液流推動上活閥和活塞桿一起向下運(yùn)動。上活閥以此做軸向往復(fù)運(yùn)動，起到配水作用。該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是沒有閥簧，但要求加工精度較高[5-6]。

3.3.2 下活閥配水機(jī)構(gòu)設(shè)計

下活閥設(shè)計為三階式中空塔形異徑結(jié)構(gòu)，見圖4。中間設(shè)計成迷宮密封。其作用是在沖錘回程過程中打開排水通道泄流，減少沖錘運(yùn)動阻力，使沖錘返回起始位置。而在沖錘上沖擊時，又靠該裝置截流，封閉水路，來產(chǎn)生瞬間高壓，對沖程做功，上述作用靠下閥本身3種不同直徑所構(gòu)成的面積差來完成，對比有簧下活閥更加簡單耐用[5-6]。

圖3 射吸式上閥結(jié)構(gòu)示意 圖4 下活閥

4 ZQ-108型正作用液動錘套管起拔器設(shè)計

4.1 總體結(jié)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由下閥配水機(jī)構(gòu)、沖錘機(jī)構(gòu)、沖擊能量傳遞機(jī)構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)見圖5[7-8]。

4.1.1 配水機(jī)構(gòu)

主要由匯水接頭、阻水墊、阻水環(huán)、活閥、閥簧、閥殼、閥座組成，它是沖錘沖擊行程的配水機(jī)構(gòu)[2,7-8]。

4.1.2 活塞沖錘機(jī)構(gòu)

由活塞桿、沖錘、錘簧墊、沖砧組成，其中沖錘、活塞桿、沖砧三者間靠錐體剛性相連為一體，工作時依靠水壓向上沖擊，通過錘簧和自重復(fù)位，以此對頂砧施以反復(fù)沖擊[2,7-8]。

1—提引接頭；2—低壓水管接頭；3—頂砧；4—沖程調(diào)節(jié)母；5—導(dǎo)正套；6—外殼；7—錘簧；8—沖砧；9—錘簧墊；10—沖錘；11—活塞桿；12—中接頭；13—密封圈；14—壓蓋；15—閥程墊；16—閥簧墊；17—閥座；18—閥殼；19—閥簧；20—活閥；21—阻水環(huán)；22—阻水墊；23—匯水接頭；24—進(jìn)水接頭；25—高壓膠管接頭；26—套管接頭

圖5 正作用液動錘套管起拔器結(jié)構(gòu)

4.1.3 沖擊能量傳送機(jī)構(gòu)

由頂砧、導(dǎo)正套、外殼、中接頭、閥殼、進(jìn)水接頭、套管接頭等組成，其中頂砧-外殼-中接頭-閥殼-匯水接頭-套管接頭之間采用方形扣連接成一剛性整體，與液動錘起拔器和套管連接，沖錘向上沖擊時，沖擊力就能通過這組剛性體傳遞給套管。其中套管接頭絲扣可以根據(jù)不同口徑的套管扣型加工接頭，實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格套管的起拔[2,7-8]。

4.1.4 規(guī)格及相關(guān)性能參數(shù)

起拔器質(zhì)量：72.5 kg；

起拔器外徑：108 mm；

起拔器總長：1550 mm；

沖錘行程：14～19 mm；

閥程：11～16 mm；

自由行程：3～5 mm；

錘簧預(yù)壓：-1～+2 mm；

工作泵壓：2～4 MPa；

工作泵量：90～200 L/min；

沖擊頻率：25～45 Hz；

沖擊功：30～100 J。

4.2 工作原理

沖擊工作過程有4種工作狀態(tài)循環(huán)往復(fù)[7-8](參見圖6)。

4.2.1 啟動及加速上升階段

沖錘f在錘簧g的作用下處于下位，其中心孔被活閥e截住，液流被阻，液壓急劇增高而產(chǎn)生水錘效應(yīng)，在液壓作用下，沖錘和活閥一同上行，壓縮閥簧b和錘簧g。

4.2.2 沖錘慣性上升階段

當(dāng)活閥上行到一定位置時，活閥被閥座c限制，活閥停止運(yùn)行并與沖錘脫開，液流經(jīng)沖錘中心孔而流出，液壓下降，活閥在閥簧作用下返回原位；沖錘在動能作用下利用慣性繼續(xù)運(yùn)行。

4.2.3 沖擊階段

沖錘在慣性作用下繼續(xù)上行，沖擊頂砧o，沖擊能量經(jīng)頂砧、外殼等傳至套管，達(dá)到向上起拔的目的。

4.2.4 沖錘回程階段

沖擊之后，沖錘在錘簧力和自重力作用下彈回，其活塞頂端面又與活閥接觸，關(guān)閉水路，完成一個沖擊周期，如此周而復(fù)始的連續(xù)工作。

圖6 正作用液動錘套管起拔器工作原理

4.3 閥式配水結(jié)構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)液動錘阻流的工作原理，配水機(jī)構(gòu)設(shè)計阻流環(huán)及活閥，以達(dá)到儲能增壓作用，形成瞬間沖擊力。在設(shè)計優(yōu)選結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)時，確定阻流環(huán)節(jié)流孔直徑，并且更換較方便。

為減少液能損失，增強(qiáng)沖擊效果，設(shè)計了阻流環(huán)和活閥結(jié)構(gòu)，見圖7?；铋y的形狀相當(dāng)于紡錘體，活閥上端呈尖形便于分散液流，克服其復(fù)位時液體動壓阻力。閥周邊開3個縱向通槽形成3個翼端，活閥回到上死點(diǎn)時,其頸部堵住阻流環(huán)中心孔(插入深度1.5 mm左右)，阻截液流并儲存液能，阻流環(huán)旁側(cè)2個小孔限控液流[8]。

5 野外生產(chǎn)試驗及應(yīng)用效果

兩種液動錘套管起拔器樣機(jī)研制成功后在河北省遵化市西山帶鐵礦區(qū)進(jìn)行了3輪野外生產(chǎn)試驗，先后在ZK701、ZK801、ZK1801三個鉆孔進(jìn)行了套管起拔試驗，共起拔出?108 mm套管185.48 m，?89 mm套管354.71 m，取得了較好的試驗效果，得到了機(jī)場工作人員的好評。

圖7 阻流環(huán)及活閥

5.1 施工場地情況

礦區(qū)地層上部為第四系覆蓋層，基本為河流沉積物，主要為松散無膠結(jié)砂層、土層和卵石層造成取心困難;下部為較完整基巖，主要以角閃斜長片麻巖、石英巖為主。當(dāng)鉆孔地層鉆進(jìn)不順利工期較長或鉆孔設(shè)計很深時，均使套管在孔內(nèi)停留時間較長，與地層粘接強(qiáng)度增大，提高了套管起拔的難度。

采用聚丙烯酰胺無固相沖洗液，性能指標(biāo)為：密度1.03 g/cm3；粘度21 s；失水量12 mL/30 min；含砂量0.02%；pH值8.8。

機(jī)場配備設(shè)備器具：XY-44型巖心鉆機(jī)，卷揚(yáng)單繩最大提升拉力45 kN；手動分離式液壓千斤頂(5～75 t)；AG13-20型A型鉆塔，額定承載能力20 t；BW250型泥漿泵；YQS-108型雙作用液動錘套管起拔器、ZQ-108型正作用液動錘套管起拔器各1套；1 in鋼絲編織專用高壓膠管15 m。

5.2 輔助起拔試驗情況及效果

套管起拔方式分為3種：(1)鉆機(jī)卷揚(yáng)直接強(qiáng)力拔起套管,其特點(diǎn)是持續(xù)向上拉力，拉力有限，不能超過鉆塔承載力；(2)采用鉆機(jī)卷揚(yáng)+液動錘起拔器強(qiáng)力振動起拔套管，特點(diǎn)是可以在強(qiáng)力拉直套管的同時，通過連續(xù)的向上沖擊震動力，可以減輕巖層對套管的粘結(jié)、擠壓作用；(3)千斤頂+鉆機(jī)卷揚(yáng)+液動錘起拔器靜頂力振動起拔套管，其特點(diǎn)是向上拉力可以拉直套管；向上靜頂力(千斤頂起升力可達(dá)到750 kN)可以最大限度的頂起套管；向上沖擊震動力，可以減輕巖層對套管的粘結(jié)、擠壓作用。其中第二種和第三種方法較好地體現(xiàn)了液動錘起拔器對套管安全起拔的輔助作用。

現(xiàn)場起拔狀態(tài)見圖8。

圖8 起拔器現(xiàn)場工作狀態(tài)圖

5.2.1 ZK1801孔套管起拔情況

ZK1801終孔后一日開始套管起拔試驗，試驗采用YQS-108型雙作用液動錘起拔器。

首先使用鉆機(jī)卷揚(yáng)強(qiáng)力起拔?89 mm套管，拉力120～140 kN，鉆塔有輕微晃動，嘗試幾次后未將套管拔出。然后采用第二種方式起拔套管，開啟泥漿泵，調(diào)至二擋(泵量90 L/min)，起拔器成功啟動工作，卷揚(yáng)拉力150～170 kN，通過83 min的連續(xù)向上沖擊作用，最終順利完全起拔出?89 mm套管65.47 m。

在起拔?108 mm套管過程中，采用第一、二兩種起拔方法，拉力器荷載至140 kN，均無法拔出?108 mm套管，后采用第三種方法，千斤頂起升力295～393 kN，經(jīng)過280 min的向上的靜頂力沖擊振動起拔，完全拔出?108 mm套管62.10 m。

5.2.2 ZK701孔套管起拔情況

ZK701終孔當(dāng)日開始套管起拔試驗，試驗采用YQS-108型雙作用液動錘起拔器。

首先起拔第二級套管，規(guī)格?89mm，單獨(dú)采用鉆機(jī)卷揚(yáng)強(qiáng)力起拔?89 mm套管，拉力120～140 kN，未能拔出套管；隨即采用第二種方法起拔，開啟泥漿泵調(diào)至三擋(泵量145 L/min)，起拔器對套管連續(xù)沖擊作用了2 h多，卷揚(yáng)拉力120～140 kN，套管未能拔出。最后采用第三種方式，千斤頂起升噸位295～393 kN，經(jīng)過110 min起拔，套管被強(qiáng)力拔斷，拔出?89 mm套管289.24 m，剩余23.12 m ?89 mm套管未能拔出。

在以往套管回收中，遇到此種情況只能采用千斤頂強(qiáng)力起拔，套管往往在離地面淺孔處即被拔斷，造成套管大量浪費(fèi)。若再采用反絲鉆桿反套管的情況將大大消耗時間，且不能保證剩余套管仍能較好起拔，可見起拔器所產(chǎn)生沖擊振動功對套管的成功起拔有很好的輔助作用。

在起拔?108 mm套管過程中，先采用鉆機(jī)卷揚(yáng)強(qiáng)力起拔，拉力120～140 kN，起拔無效；后采用方式二，開啟泥漿泵調(diào)至三擋，經(jīng)過230 min的起拔器對套管的連續(xù)向上沖擊作用，拉力120～140 kN，將?108 mm套管全部起拔出來，共62.22 m。

5.2.3 第三輪套管起拔情況

ZK801孔于終孔當(dāng)晚開始套管起拔試驗，在鉆機(jī)卷揚(yáng)的拉力作用下強(qiáng)力起拔?89 mm套管，順利拔出?89 mm套管61.91 m。

在起拔?108 mm套管過程中。采用強(qiáng)力起拔方式起拔無果后，采用第二種方式起拔，因套管埋藏過長，起拔器與鉆機(jī)卷揚(yáng)連續(xù)工作將近200 min，拉力120～140 kN，將套管全部順利拔出，起拔?108 mm套管58.16 m。3種套管起拔方法情況對比見表1。

試驗表明，雙作用液動錘套管起拔器在沖擊功大小、沖程可調(diào)節(jié)范圍和結(jié)構(gòu)耐用性方面表現(xiàn)良好；正作用液動錘套管起拔器啟動可靠性、工人操作使用簡易。與以往普通起拔套管方法相比較，使用液動錘起拔器后起拔完整度高，套管損害?。黄鸢翁坠芊奖?、安全，省時省力，降低了工人勞動強(qiáng)度，取得了較好的試驗效果，受到了機(jī)場工作人員的好評。

表1 3種起拔方式起拔套管情況對比

6 總結(jié)和建議

(1)液動錘套管起拔器配水機(jī)構(gòu)簡單，提高套管拔起完整性，效果顯著。配套現(xiàn)場泥漿泵即可滿足要求，無需其它動力裝置，節(jié)省人工，適用于野外機(jī)臺生產(chǎn)條件。

(2)雙作用套管起拔器沖擊功大，起拔效果明顯，但野外使用時初次啟動不靈敏，需要工作人員掌握一定技巧才能啟動。使用正作用液動錘套管起拔器時，起拔效果略低于雙作用型，但參數(shù)調(diào)節(jié)簡單，啟動穩(wěn)定可靠。

(3)經(jīng)過3次套管起拔試驗，通過改進(jìn)，起拔器性能不斷提高，建議繼續(xù)對機(jī)具進(jìn)行研究改進(jìn)，大幅度提高沖擊功，增加振動起拔能力，使其能更好的適應(yīng)復(fù)雜地層的套管起拔。

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Development and Application of Hydraulic Hammer Casing Puller/

SUNTian,MIAOXiao-xiao,YELan-su,LIUJian-fu,WANGJian-xing,SUNXiu-mei,LIUSha-sha,WANGYue-guang

(The Institute of Exploration Technology, Hebei Provincial Bureau of Ge-exploration and Mineral Development, Sanhe Hebei 065201, China)

The principle of the hydraulic hammer casing puller is taking flushing fluid as the power medium to drive the hammer to vibrate and send the mechanical stress wave through the hydraulic hammer to the casing so as to pull it loose and then pull it out. By the newly developed hydraulic hammer casing puller, the damage to casing caused by pulling method of common brute force can be reduced with drilling cost saving. In this paper, the pulling principle and working method of double acting and positive acting hydraulic hammer casing puller are introduced, good results have been achieved in field tests carried out in Zunyi Xishandai iron mine of Hebei Province.

hydraulic hammer casing puller; double action hydraulic hammer; positive action hydraulic hammer

2016-12-27；

2017-05-12

孫天，男，漢族，1988年生，勘查技術(shù)與工程專業(yè)，從事鉆探技術(shù)研究工作，河北省三河市燕郊經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)燕靈路口西50米地質(zhì)隊，591774822@qq.com。

P634.4+9

A

1672-7428(2017)06-0006-07