深孔繩索取心液動(dòng)錘鉆具的研制與應(yīng)用

楊澤英， 齊力強(qiáng)， 崔淑英， 王躍偉， 蘇長(zhǎng)壽， 王建華

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000)

1 概述

傳統(tǒng)的地質(zhì)巖心鉆探以小口徑金剛石鉆探為主，需要高速回轉(zhuǎn)磨削、地表驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，隨著孔深的增加，設(shè)備功耗損失、鉆桿磨損均大大提高，且易引發(fā)孔內(nèi)事故。繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)將繩索取心和液動(dòng)錘沖擊回轉(zhuǎn)兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，不僅能減少提下鉆輔助時(shí)間，提高臺(tái)月效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，更具有鉆進(jìn)速度快，回次進(jìn)尺長(zhǎng)，鉆孔質(zhì)量?jī)?yōu)等優(yōu)點(diǎn)，在深孔中應(yīng)用還因?yàn)闆_擊碎巖作用，使得碎巖所需轉(zhuǎn)速和鉆壓均可降低20%～30%，能進(jìn)一步減少設(shè)備功耗損失，降低孔內(nèi)事故風(fēng)險(xiǎn)，且更容易保證鉆孔垂直度。

到2012年底，繩索取心液動(dòng)錘鉆具成功應(yīng)用深度已達(dá)2211.4 m(直徑75 mm)和1461.3 m(直徑96 mm)。隨著新一輪能源探采施工孔深的增加，對(duì)鉆具的整體強(qiáng)度、安全性、穩(wěn)定性、工作壽命、高背壓適應(yīng)性、密封件的耐溫性能等技術(shù)指標(biāo)均提出了更高的要求。在地調(diào)項(xiàng)目“3000 m深孔繩索取心液動(dòng)錘及鉆進(jìn)工藝研究與應(yīng)用”支持下，課題組對(duì)此與多位專(zhuān)家進(jìn)行技術(shù)交流與溝通，并針對(duì)原有鉆具中存在的問(wèn)題進(jìn)行了深入剖析，在原有SYZX系列鉆具的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一系列的改進(jìn)與完善，重點(diǎn)開(kāi)展了繩索取心液動(dòng)錘外總成螺紋分析與優(yōu)選、單動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化、提高液動(dòng)錘工作壽命、新型陶瓷耐磨材料嘗試、受沖擊易損件材質(zhì)優(yōu)化及熱處理工藝改進(jìn)等工作，以滿足深孔鉆進(jìn)工況對(duì)繩索取心液動(dòng)錘鉆具的性能要求。

2 主要研究?jī)?nèi)容

2.1 提高鉆具的整體安全性

為提高鉆具整體強(qiáng)度及安全性，采用有限元分析法對(duì)N規(guī)格繩索取心液動(dòng)錘外總成現(xiàn)有的螺紋標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其安全性排序?yàn)椋杭雍?老地標(biāo)>新地標(biāo)40>新地標(biāo)30>冶標(biāo)>NQ(各標(biāo)準(zhǔn)螺紋參數(shù)參見(jiàn)表1)。

由此對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)等作如下調(diào)整。

(1)N規(guī)格繩索取心液動(dòng)錘外總成聯(lián)接螺紋采用加厚螺紋標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，并嚴(yán)格加工時(shí)的公差與配合及光潔度要求。

表1 螺紋參數(shù)

(2)圖1為繩索取心鉆具原有的上部結(jié)構(gòu)，為減少薄弱環(huán)節(jié)，將上擴(kuò)孔器(無(wú)論是熱壓燒結(jié)還是電鍍加工，其基體材料均為45鋼，而彈卡擋頭、彈卡室及上外管均采用XJY850調(diào)質(zhì)管材加工，和合金鋼材料相比，45鋼的機(jī)械性能差了很多，是外總成上部的薄弱環(huán)節(jié))和彈卡擋頭做成一體，彈卡擋頭外部鑲焊硬質(zhì)合金塊，起扶正耐磨作用。去掉了原外總成上的上擴(kuò)孔器，將上扶正環(huán)放置在上外管中。

(3)外總成的承沖環(huán)接頭和下外管均采用XJY850調(diào)質(zhì)管材加工，鉆具的整體強(qiáng)度得到充分保證。改進(jìn)后的外總成上部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1外總成上部的原有結(jié)構(gòu)

圖2 外總成上部改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)

2.2 單動(dòng)機(jī)構(gòu)改進(jìn)

原有的繩索取心液動(dòng)錘鉆具沿用繩索取心鉆具的單動(dòng)結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖3)。拔斷巖心時(shí)，緩沖彈簧壓縮，會(huì)擠壓下盤(pán)推力軸承；軸承磨損后，調(diào)整其間隙時(shí)，受到花螺母孔位和軸上開(kāi)口銷(xiāo)孔位的限制，容易過(guò)松或過(guò)緊，影響單動(dòng)效果和軸承工作壽命。改進(jìn)后的單動(dòng)機(jī)構(gòu)參見(jiàn)圖4。

(1)將緩沖彈簧和單動(dòng)軸承分別置于彈簧腔和軸承腔中，采用自鎖螺母調(diào)整鎖定軸承的軸向位置，改善軸承的受力狀態(tài)。

圖3原有鉆具的單動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖4 改進(jìn)后的單動(dòng)機(jī)構(gòu)

(2)采用韌性更好的材料加工單動(dòng)軸，并將螺紋部分由M22X2.5變?yōu)镸24X2。

(3)選用自潤(rùn)滑軸承代替原來(lái)的黃銅軸承。

(4)改變油嘴位置到上分離接頭中，更方便生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)加注潤(rùn)滑脂。

2.3 提高液動(dòng)錘工作壽命

液動(dòng)潛孔錘采用泥漿作為工作介質(zhì)，泥漿在循環(huán)清理鉆屑過(guò)程中使其本身含有了大量的固相顆粒，造成了極其惡劣的磨粒磨損狀況；液動(dòng)潛孔錘在工作過(guò)程中缺乏有效的潤(rùn)滑，導(dǎo)致零件中存在嚴(yán)重的黏著磨損；零件工作過(guò)程中高頻的強(qiáng)力沖擊和振動(dòng)導(dǎo)致出現(xiàn)振動(dòng)磨損(黏著磨損)；高速流動(dòng)的泥漿裹挾著堅(jiān)硬顆粒對(duì)液動(dòng)潛孔錘內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕等等。上述情況同時(shí)存在，且其惡劣程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)機(jī)械零件的工作環(huán)境。

液動(dòng)錘運(yùn)動(dòng)密封副采用間隙配合，磨損對(duì)液動(dòng)錘的影響表現(xiàn)為：(1)磨損使得間隙變大，因?yàn)檠a(bǔ)償變大的間隙，需要更高的泵量和泵壓才能保證液動(dòng)錘正常工作；(2)磨損過(guò)度，間隙達(dá)到一定程度后，需要的泵壓太高，會(huì)超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具對(duì)泵壓的承受能力，也會(huì)導(dǎo)致液動(dòng)錘內(nèi)腔體的壓力難以建立或不同腔體之間的壓差偏離設(shè)計(jì)值過(guò)大而破壞了其工作條件；(3)零件的磨損，導(dǎo)致零件間的配合尺寸出現(xiàn)較大變化，零件間的位置關(guān)系破壞也會(huì)停止工作；(4)裹挾著大量固體顆粒的高速泥漿對(duì)液動(dòng)潛孔錘內(nèi)部零件產(chǎn)生沖蝕，導(dǎo)致零件外形發(fā)生變化，流場(chǎng)形態(tài)隨之改變，破壞了液動(dòng)潛孔錘設(shè)計(jì)的工作條件等等。種種情況都導(dǎo)致了液動(dòng)潛孔錘停止工作，而需要更換新的零件，這一過(guò)程表現(xiàn)為液動(dòng)錘的工作壽命。

為增加運(yùn)動(dòng)密封副的耐磨性能進(jìn)而增加液動(dòng)錘的工作壽命，曾嘗試采用底端留臺(tái)階，上端采用彈性擋圈限位的方法將陶瓷襯套加放到Y(jié)ZX73型液動(dòng)錘的上缸套中(參見(jiàn)圖5)，增加上缸套的耐磨性，減少易損件數(shù)量，結(jié)果由于組合零件過(guò)多，組裝后同軸度受影響，使得上活塞偏磨明顯，液動(dòng)錘啟動(dòng)泵壓變高，該方案被擱置。后采取在原有材料和加工工藝的基礎(chǔ)上，增加鍛造工藝，以減少基材缺陷，提高其耐沖擊性能，增加其工作壽命。生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，增加鍛造工藝后，運(yùn)動(dòng)密封副工作壽命由原來(lái)的120 h左右(清水作沖洗液)，增加到200 h以上。

圖5 液動(dòng)錘上缸套結(jié)構(gòu)變化示意

2.4 提高受沖擊部件的質(zhì)量穩(wěn)定性

原有的液動(dòng)錘錘軸，受沖擊部位需要局部淬火，以增加其局部硬度而其余部分保持其韌性。針對(duì)這個(gè)零件，我們反復(fù)試驗(yàn)材料、淬火介質(zhì)、修改零件結(jié)構(gòu)和工藝，始終無(wú)法獲得性能穩(wěn)定的成品：不是淬硬了碎裂掉塊，就是淬軟了打堆，甚至從硬層和軟層的分界處整體斷裂(參見(jiàn)圖6)。碎塊掉落后，還會(huì)造成下缸套的損壞。液動(dòng)錘產(chǎn)生的沖擊功大約是同直徑低風(fēng)壓氣動(dòng)錘的60%，為提高錘軸的質(zhì)量穩(wěn)定性，我們到氣動(dòng)潛孔錘生產(chǎn)廠家走訪調(diào)研后，決定采用氣動(dòng)潛孔錘相關(guān)零件的材料和熱處理工藝試制錘軸。通過(guò)室內(nèi)測(cè)試和生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，證明其質(zhì)量穩(wěn)定性問(wèn)題得到徹底解決，性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求，且生產(chǎn)成本在可承受范圍，也適宜規(guī)?；a(chǎn)。究其原因，加工用材料相同，加工工藝也相差不大，只是最后的局部淬火，由于熱處理中溫度、時(shí)間和淬火介質(zhì)等相關(guān)因素控制得當(dāng)，淬火部位硬度值穩(wěn)定適中，零件的質(zhì)量得到了充分保證，推向市場(chǎng)的產(chǎn)品整體質(zhì)量得到提高。

圖6 損壞后的錘軸

2.5 優(yōu)化傳功結(jié)構(gòu)

液動(dòng)錘復(fù)合在內(nèi)總成的打撈定位機(jī)構(gòu)下部，其產(chǎn)生的沖擊功通過(guò)位于內(nèi)總成的傳功環(huán)傳遞到位于外總成的承沖環(huán)上，進(jìn)而傳遞到下外管、鉆頭上。鉆進(jìn)過(guò)程中，傳功環(huán)靠臺(tái)階懸掛在承沖環(huán)上，由于沖洗液中固相成分的沉積作用，易使得傳功環(huán)和承沖環(huán)之間的導(dǎo)向斜面空間被固相沉積物填充，使得回次結(jié)束打撈內(nèi)總成時(shí)，因內(nèi)總成和外總成不易分開(kāi)造成打撈失敗。優(yōu)化傳功結(jié)構(gòu)采用減少固相物堆積空間，減少粘滯阻卡幾率，更有利于打撈時(shí)內(nèi)外總成的分離。生產(chǎn)試驗(yàn)表明效果很好。優(yōu)化后的傳功結(jié)構(gòu)如圖7所示。

原結(jié)構(gòu)(圖7a)設(shè)計(jì)時(shí)，偏重考慮了傳功環(huán)進(jìn)入承沖環(huán)時(shí)的導(dǎo)向作用，傳功環(huán)坐落到承沖環(huán)上后，承沖環(huán)導(dǎo)向角與傳功環(huán)之間形成的空間較大，且成楔形，不僅造成沖洗液中的固相物易沉積，而且易產(chǎn)生粘滯阻卡；承沖環(huán)去掉導(dǎo)向斜面改短后(圖7b),固相物堆積空間只是由于裝配公差產(chǎn)生的，比較小，而且由于內(nèi)總成自身較長(zhǎng)，居中性較強(qiáng)，去掉導(dǎo)向斜面后不影響內(nèi)總成投放到位，是比較理想的結(jié)構(gòu)；只是改短后的結(jié)構(gòu)會(huì)造成零件尺寸的改變，會(huì)對(duì)生產(chǎn)和售后服務(wù)增加額外工作，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了承沖環(huán)保持原長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)(圖7c),該結(jié)構(gòu)雖然不及圖7(b)結(jié)構(gòu)理想，但比圖7(a)結(jié)構(gòu)效果優(yōu)越。

圖7傳功結(jié)構(gòu)

2.6 降低水墊阻力

在液動(dòng)錘工作原理確定的前提下，通過(guò)對(duì)YZX系列液動(dòng)錘的流場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)造成沖錘向下運(yùn)功沖擊砧子的過(guò)程中液流通道阻力過(guò)大，是造成該系列液動(dòng)錘泵壓較高的原因之一。采取在砧子增設(shè)分流孔，以降低液流阻力，可使得液動(dòng)錘更好的適應(yīng)深孔環(huán)境，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。

2.7 研制耐高溫密封圈

針對(duì)深孔高溫環(huán)境，我們委托專(zhuān)業(yè)單位研制了耐高溫的O形密封圈，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 耐高溫O形密封圈測(cè)試數(shù)據(jù)

注：表中所列的老化后的實(shí)測(cè)值是在空氣環(huán)境中，260 ℃持續(xù)142 h后的結(jié)果。根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果該密封圈尚在未失效的范圍內(nèi)。

泥漿環(huán)境下，YZX178型液動(dòng)錘的應(yīng)用孔深達(dá)5450.74 m，該回次進(jìn)尺19.03 m，用時(shí)21 h，井底循環(huán)液溫度為175 ℃，液動(dòng)錘在該次生產(chǎn)試驗(yàn)中O形密封圈沒(méi)有失效。

2.8 加長(zhǎng)巖心管的設(shè)計(jì)與思考

由于孔深使得打撈內(nèi)總成時(shí)間變長(zhǎng)，為了減少輔助時(shí)間，設(shè)計(jì)了5 m長(zhǎng)巖心內(nèi)管的繩索取心液動(dòng)錘鉆具。該設(shè)計(jì)方案是內(nèi)管設(shè)計(jì)成5 m長(zhǎng)單根，下外管分上下兩段，中間接擴(kuò)孔器(有利于鉆具外總成的扶正)并加放下扶正環(huán)(有利于內(nèi)總成的導(dǎo)正和居中)；要求加工內(nèi)外管時(shí)，首先挑選符合直度要求的管材，嚴(yán)格對(duì)同軸度的要求；其次要求加工螺紋時(shí)，一定要測(cè)量、卡正，保證螺紋連接后的同軸度。

加長(zhǎng)到5 m的巖心內(nèi)管鉆具使用效果很好：在內(nèi)蒙古赤峰市雙山子銅多金屬礦區(qū)共完成了4個(gè)孔的施工，不管是破碎、節(jié)理發(fā)育、構(gòu)造泥夾層，每個(gè)回次巖心都是5 m長(zhǎng)，巖心采取率100%，減少了輔助時(shí)間，提高了鉆進(jìn)效率。

應(yīng)該注意的是，巖心內(nèi)管加長(zhǎng)，下外管也要相應(yīng)加長(zhǎng)，位于上下外管之間的傳功臺(tái)階到鉆頭距離增加，經(jīng)下外管傳遞的沖擊功損失增加，傳遞到鉆頭上的部分減少。對(duì)于特別堅(jiān)硬地層，需要高沖擊功的情況下，為減少?zèng)_擊功損失，不應(yīng)采用加長(zhǎng)的巖心管鉆具。

3 鉆具的生產(chǎn)試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)系列改進(jìn)后的深孔繩索取心液動(dòng)錘鉆具，通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，完全滿足深孔鉆探環(huán)境的要求。

3.1 SYZX75型繩索取心液動(dòng)錘鉆具

2013年SYZX75(N規(guī)格)型繩索取心液動(dòng)錘鉆具在“中國(guó)巖金勘查第一深鉆”(三山島西嶺礦區(qū)ZK96-5孔，設(shè)計(jì)孔深4000 m)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，取得了很好的效果。

從孔深3381.77 m開(kāi)始使用該套鉆具，直到4006.17 m終孔，連續(xù)鉆進(jìn)了624.4 m。結(jié)果表明，在深孔硬、脆、碎地層中應(yīng)用繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn),具有可大幅度提高回次進(jìn)尺、增加鉆頭壽命、減少輔助工作時(shí)間等優(yōu)勢(shì)?；卮芜M(jìn)尺平均提高約40%，在特別破碎地層回次進(jìn)尺提高150%；鉆頭壽命平均延長(zhǎng)20 m；小時(shí)效率提高60%，臺(tái)月效率提高56%。有效地解決了回次進(jìn)尺短的問(wèn)題，彰顯了繩索取心液動(dòng)錘的先進(jìn)性和優(yōu)越性。

鉆具經(jīng)受了4000 m深度的工況考驗(yàn)，創(chuàng)國(guó)內(nèi)外小口徑繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)最深紀(jì)錄,入選2013年度探礦工程十大新聞。

3.2 SYZX96型繩索取心液動(dòng)錘鉆具

2015年，SYZX96(H規(guī)格)型繩索取心液動(dòng)錘鉆具在新疆昌吉廟爾溝煤層氣勘查工地廟煤1井進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)孔深達(dá)到2215.81 m，創(chuàng)同規(guī)格繩索取心液動(dòng)錘鉆具應(yīng)用孔深紀(jì)錄。本次試驗(yàn)有179 m的工作量是在2000 m以深完成的，鉆具在使用過(guò)程中工作性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、零件強(qiáng)度及溫度適應(yīng)性等方面均承受住了考驗(yàn)，鉆具的螺紋聯(lián)接強(qiáng)度沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，完全能夠滿足2000 m鉆深的工作要求，并充分體現(xiàn)了鉆具在提高鉆速、增加回次進(jìn)尺以及保證巖心采取率等方面的優(yōu)勢(shì)。

3.3 SYZX122型繩索取心液動(dòng)錘鉆具

2015年配合地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“3500 m深部地質(zhì)勘查全液壓鉆探裝備配套示范”研制的高沖擊功的YZX89型液動(dòng)錘，與P(S122)規(guī)格繩索取心鉆具有機(jī)組合，形成的SYZX122型繩索取心液動(dòng)錘鉆具，在山東招遠(yuǎn)的試驗(yàn)孔鉆進(jìn)中，2套鉆具從開(kāi)孔使用，一直到691.2 m孔深結(jié)束，除了因操作失誤造成1套鉆具的單動(dòng)軸彎曲以外，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有更換任何其他零件；在可鉆性8級(jí)以上的強(qiáng)研磨花崗巖為主的巖層中，最高機(jī)械鉆速達(dá)3 m/h；因鉆孔孔斜要求≯1°/1000 m，鉆進(jìn)速度受到嚴(yán)格控制，在既控制孔斜不超標(biāo)，又能保持一定的鉆進(jìn)速度，該鉆具起到了重要作用；在鉆進(jìn)過(guò)程中，即使遇到破碎地層，也能基本保證滿管的回次進(jìn)尺，還取出了3 m長(zhǎng)的整根巖心(參見(jiàn)圖8)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算、分析探索、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改進(jìn)等綜合研究，使得液動(dòng)錘技術(shù)得到進(jìn)一步提高：鉆具強(qiáng)度提高，安全性得到保證，零部件壽命延長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)更加合理，整體質(zhì)量得到提高，可以更好地適應(yīng)深孔工況對(duì)鉆具的嚴(yán)格要求。繩索取心液動(dòng)錘鉆具的最深應(yīng)用記錄N(SYZX75型)規(guī)格4006.17 m,H(SYZX96型)規(guī)格2215.81 m，P(SYZX122型)規(guī)格691.2 m。生產(chǎn)試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)系列改進(jìn)的繩索取心液動(dòng)錘鉆具完全滿足深孔工況的復(fù)雜環(huán)境，在深部鉆探中具有大幅度提高回次進(jìn)尺、增加鉆頭壽命、減少輔助工作時(shí)間等顯著優(yōu)勢(shì)，成為我國(guó)深孔施工特有的、性能優(yōu)越的鉆探器具。

圖8 SYZX122型繩索取心液動(dòng)錘鉆具取出的巖心

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