液動(dòng)潛孔錘用于干熱巖鉆進(jìn)的優(yōu)化與試驗(yàn)

王躍偉，李 寬，張恒春，齊力強(qiáng)，楊澤英，薛倩冰，賈明浩

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

0 引言

資源與能源是人類(lèi)發(fā)展永恒的主題，極大推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的歷次工業(yè)革命都是在新的能源品種發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的［1］。我國(guó)連續(xù)多年實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速增加，同時(shí)對(duì)能源的需求也迅猛增長(zhǎng)，2017年我國(guó)能源消費(fèi)31.32億噸油當(dāng)量，占全球能源消費(fèi)總量的23.2%，其中，煤炭在全部能源消費(fèi)中占比60%，石油占比19%，天然氣占比7%，化石能源占比達(dá)86%，非化石能源僅占14%，能源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失衡［2］?；剂蠈儆诤慕咝阅茉矗枰獢?shù)百萬(wàn)年甚至更久才能生成，消耗速度遠(yuǎn)超生成速度，對(duì)化石燃料的過(guò)度依賴導(dǎo)致能源危機(jī)頻發(fā)。同時(shí)化石燃料燃燒產(chǎn)生過(guò)多二氧化碳，能源消費(fèi)產(chǎn)生的排放占全球排放總量的2/3［3］，是加快全球變暖的重要因素之一，給人類(lèi)帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

在應(yīng)對(duì)氣候變化和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的雙重需求驅(qū)動(dòng)下，全球能源轉(zhuǎn)型正在發(fā)生深刻變化，我國(guó)更是提出了碳達(dá)峰碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)。干熱巖是一種新型清潔能源，儲(chǔ)量巨大，資源豐富，分布廣泛，我國(guó)陸區(qū)地下3～10 km范圍內(nèi)干熱巖資源量折合標(biāo)準(zhǔn)煤856萬(wàn)億t。根據(jù)國(guó)際干熱巖標(biāo)準(zhǔn)，以其2%作為可開(kāi)采資源量計(jì)，約為2015年全國(guó)能源總消耗量的4000倍［4］。目前我國(guó)干熱巖勘探開(kāi)發(fā)尚處于探索階段，鉆探是大多數(shù)能源勘探與開(kāi)發(fā)中不可或缺的重要技術(shù)手段，干熱巖鉆進(jìn)面臨的較大難題是溫度高、強(qiáng)度高、硬度大、研磨性強(qiáng)，采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝方法，存在鉆進(jìn)效率低、鉆井周期長(zhǎng)、材料消耗大、鉆進(jìn)成本高等劣勢(shì)。

液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的技術(shù)，相對(duì)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)可大幅度提高機(jī)械鉆速、回次進(jìn)尺和鉆頭壽命［5-9］。液動(dòng)潛孔錘是液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的核心技術(shù)之一，在孔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)下對(duì)鉆頭產(chǎn)生高頻連續(xù)的沖擊載荷，從而提高碎巖效率，不需要增加額外設(shè)備和動(dòng)力即可實(shí)現(xiàn)硬巖地層快速鉆進(jìn)效果，同時(shí)利于井眼保直，是干熱巖井鉆進(jìn)的較好選擇。制約其在干熱巖勘探開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的因素主要有密封材料對(duì)高溫環(huán)境的適應(yīng)性，以及液動(dòng)潛孔錘對(duì)全面鉆進(jìn)泵量的適應(yīng)性等。

1 液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 YZX系列液動(dòng)潛孔錘基本結(jié)構(gòu)

YZX系列液動(dòng)潛孔錘的基本結(jié)構(gòu)延續(xù)了在大陸科學(xué)鉆探工程中應(yīng)用效果顯著的雙噴嘴復(fù)合式結(jié)構(gòu)［10-14］，并在此基礎(chǔ)上運(yùn)用了水力學(xué)理論對(duì)噴嘴處的結(jié)構(gòu)和整體流道進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化，提高了液動(dòng)潛孔錘的工作穩(wěn)定性。YZX系列液動(dòng)潛孔錘的結(jié)構(gòu)如圖1所示［15-17］。

圖1 YZX178型液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of YZX178 hydraulic DTH hammer

鉆具下入井內(nèi)未至井底時(shí)，上閥，上活塞、沖錘體、下活塞、傳功座及花鍵軸（與鉆頭相連）在重力作用下皆處于下限位置，鉆具下部通道順暢，鉆井液可直接排出，無(wú)法滿足液動(dòng)潛孔錘工作條件，確保沖孔和起下鉆過(guò)程中鉆具不出現(xiàn)空打情況，保證井內(nèi)安全。鉆頭到達(dá)井底后，傳功座進(jìn)入下缸套并封閉內(nèi)部通道，沖錘（包括上活塞、沖錘體和下活塞）下腔壓力升高，建立起沖錘的下端面與上端面之間的壓差，驅(qū)動(dòng)沖錘上行。上閥在噴嘴處高速射流的卷吸作用下迅速上行，先于沖錘運(yùn)動(dòng)，到達(dá)其上限位置后等待沖錘上行。當(dāng)沖錘到達(dá)上限位置時(shí)，上閥下端面與沖錘上端面形成密封，迅速關(guān)閉了沖錘中心通道，產(chǎn)生的水擊作用推動(dòng)上閥和沖錘一起下行。與此同時(shí)，沖錘下腔高壓消失。上閥到達(dá)下限位置后，沖錘上端面與上閥下端面脫離，打開(kāi)了沖錘中心的通道，沖錘在重力和慣性作用下繼續(xù)下行，并沖擊花鍵軸。中心通道打開(kāi)后沖錘下腔恢復(fù)高壓，并于沖擊完成后抬錘上行開(kāi)始下一次沖擊。

1.2 YZX178型液動(dòng)潛孔錘高溫適應(yīng)性改進(jìn)

干熱巖地層溫度通常在180℃以上，針對(duì)干熱巖鉆進(jìn)高溫硬巖工作環(huán)境，對(duì)原有YZX178型液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行了耐溫性改進(jìn)。主要思路是提高采用O形圈的耐高溫性能。

項(xiàng)目組廣泛調(diào)研市場(chǎng)上現(xiàn)有O形圈耐溫情況，找到了一種某公司生產(chǎn)的價(jià)格相對(duì)較低的進(jìn)口材料制成的耐高溫O形圈（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“進(jìn)口O形圈”），與目前液動(dòng)潛孔錘常用的多種O形圈一起，利用WGZ型精密鼓風(fēng)干燥箱（圖2）進(jìn)行了高溫試驗(yàn)，溫度設(shè)置為200℃。試驗(yàn)進(jìn)行5.5 h后，常用的O形圈表面便出現(xiàn)了大量裂紋（見(jiàn)圖3a），且在外力作用下非常容易發(fā)生斷裂，完全失效；而進(jìn)口O形圈50 h后性能依然良好（見(jiàn)圖3b），且具有良好的拉伸能力。

圖2 WGZ型精密鼓風(fēng)干燥箱Fig.2 WGZ type precision blast drying oven

圖3 國(guó)產(chǎn)O形圈與進(jìn)口O形圈200℃高溫環(huán)境放置后性能對(duì)比Fig.3 Performance comparison between domestic O-rings and imported O-rings after placement in the high temperature environment of 200°C

雖然干熱巖地層溫度一般在180℃以上，但通常正常鉆進(jìn)時(shí)循環(huán)溫度≯150℃，上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在YZX178型液動(dòng)潛孔錘中采用的進(jìn)口O形圈完全可以滿足干熱巖鉆進(jìn)耐溫要求。

1.3 YZX178型液動(dòng)潛孔錘泵量適應(yīng)性改進(jìn)

包括YZX系列液動(dòng)潛孔錘在內(nèi)的很多液動(dòng)潛孔錘，其泵量適應(yīng)性往往存在“小口徑不夠吃，大口徑吃不了”的情況，針對(duì)提高大口徑液動(dòng)潛孔錘的泵量適應(yīng)性，項(xiàng)目組提出一種砧閥式結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)砧閥的閥孔大小來(lái)滿足不同的泵量輸入條件，或在相同泵量條件下降低工作壓降，同時(shí)還可以明顯降低水墊效應(yīng)，提高能量利用率，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 砧閥式液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of the hammer with the valve in the anvil

液動(dòng)潛孔錘不工作或液動(dòng)潛孔錘下腔壓力不足以頂開(kāi)砧閥簧時(shí)，限位帽與砧閥頭之間通過(guò)錐面形成密封；液動(dòng)潛孔錘工作時(shí)在沖擊發(fā)生前的沖程后半程，隨沖錘組件的高速運(yùn)動(dòng)，壓縮液動(dòng)潛孔錘下腔工作介質(zhì)，導(dǎo)致下腔壓力升高，砧閥組件受到高壓作用砧閥壓縮砧閥簧沿導(dǎo)向座下移，限位帽與砧閥頭間的通道打開(kāi)，快速提高了中間通道的過(guò)水面積，部分液體分流經(jīng)中心通道流過(guò)，迅速降低下腔壓力，從而消除或大大降低水墊效應(yīng)對(duì)沖擊功的影響，提高液動(dòng)潛孔錘輸出的沖擊功。而在抬錘過(guò)程，由于下活塞區(qū)壓力降低，砧閥在砧閥簧的彈性力作用下上行，部分或全部封閉過(guò)水通道，加速抬錘。

1.4 YZX178型液動(dòng)潛孔錘室內(nèi)試驗(yàn)

YZX178型液動(dòng)潛孔錘在我所液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)（見(jiàn)圖5），最大輸入泵量達(dá)1800 L/min，與干熱巖鉆進(jìn)生產(chǎn)實(shí)踐中所用泵量較為匹配。

陳小華：10個(gè)O2O大敗，9個(gè)是因?yàn)槌渲?，至少有十幾二十家?lái)找過(guò)58到家。最近有一個(gè)主流的基金投資公司，我曾經(jīng)勸他，今年你正好是0的時(shí)候，把公司賣(mài)了還有機(jī)會(huì)，但他跟我說(shuō)，有投資人的壓力，要撐下去?？墒荗2O別看公司很強(qiáng)大，很多公司規(guī)模很大，但其實(shí)非常脆弱，只要給提供服務(wù)的人開(kāi)不出工資，無(wú)論你原來(lái)有多少單，都瞬間沒(méi)了。

圖5 YZX178型液動(dòng)潛孔錘室內(nèi)試驗(yàn)Fig.5 YZX178 hammer laboratory test

試驗(yàn)結(jié)果表明，YZX178型液動(dòng)潛孔錘通過(guò)調(diào)整閥孔大小可以適應(yīng)800～1800 L/min的超大泵量范圍，均能獲得較好的工作狀態(tài)。在相同泵量條件下，隨著閥孔孔徑增大，液動(dòng)潛孔錘工作壓降進(jìn)一步降低。部分性能參數(shù)如表1所示。

表1 YZX178型液動(dòng)潛孔錘性能參數(shù)Table 1 YZX178 hammer performance parameters

2 YZX178型液動(dòng)潛孔錘用于干熱巖鉆進(jìn)試驗(yàn)

YZX178型液動(dòng)潛孔錘配合牙輪鉆頭在某干熱巖井進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，試驗(yàn)于井深2030.46 m時(shí)開(kāi)始，試驗(yàn)井段為2030.46～2041.04 m。主要目的是驗(yàn)證其在干熱巖鉆進(jìn)中的提速效果，并探索較優(yōu)工藝參數(shù)。

配合YZX178型液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)的鉆頭為史密斯8 1/2 ST RJ2952，鉆 具 組合 為：?215.9 mm牙輪×0.25 m+YZX178型液動(dòng)潛孔錘×2.73 m+? 172 mm DC×82.42 m+411×4A10接 頭×0.50 m+?114 mm HWDP×56.50 m+4A11×410接頭×0.50 m+?127mm DP。

試驗(yàn)開(kāi)始前在井口進(jìn)行了動(dòng)作試驗(yàn)，確保液動(dòng)潛孔錘可正常工作后方可下井。液動(dòng)潛孔錘到井底后先以防空打狀態(tài)循環(huán)1個(gè)周期以上方可開(kāi)始鉆進(jìn)，鉆頭跑合時(shí)采用鉆壓≯20 kN，泵量為1440 L/min，立壓顯示7.5～8.0 MPa，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速56 r/min，正常鉆進(jìn)時(shí)鉆壓基本維持在30～40 kN。

井深＞2039 m后鉆速明顯變慢，立壓與最開(kāi)始相比減少1 MPa。由于鉆速較慢，適當(dāng)加大鉆壓并在40～60 kN范圍內(nèi)調(diào)整鉆壓，但效果仍然不如鉆壓30～40 kN時(shí)好。鉆至2041 m時(shí)鉆時(shí)已超過(guò)1 h，由于這是YZX178型液動(dòng)潛孔錘在干熱巖井第一次應(yīng)用，擔(dān)心其沖擊功過(guò)大給鉆頭帶來(lái)過(guò)大損傷而引發(fā)井內(nèi)事故，不得不提鉆。

液動(dòng)潛孔錘提出井后再次進(jìn)行井口試驗(yàn)，液動(dòng)潛孔錘仍然可以正常工作。鉆頭除掉了一個(gè)水眼外，牙齒及保徑基本無(wú)磨損，軸承完好，亦無(wú)崩齒現(xiàn)象。圖6為鉆頭入井前和出井后情況對(duì)比。

圖6 鉆頭入井前及出井后情況對(duì)比Fig.6 Comparison of drill bits before tripping-in and tripping-out of the well

3 液動(dòng)潛孔錘用于干熱巖鉆進(jìn)試驗(yàn)效果分析

YZX178型液動(dòng)潛孔錘首次在干熱巖井中成功應(yīng)用，初步顯示了其在干熱巖等堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)的可行性和高效性，且與螺桿鉆具相比具有一定優(yōu)勢(shì)。

3.1 具有一定高效性

表2 相鄰井段不同鉆進(jìn)工藝機(jī)械鉆速對(duì)比Table 2 Comparison of mechanical drilling rates between different drilling processes in adjacent well sections

圖7～圖9為采用牙輪鉆頭鉆進(jìn)的相鄰井段鉆時(shí)對(duì)比情況，其中3K06回次采用螺桿+牙輪鉆頭鉆進(jìn)工藝，提鉆后鉆頭磨損很輕，1978～2028 m井段平均鉆時(shí)為36.13 min/m；3K08回次采用液動(dòng)潛孔錘+牙輪鉆頭鉆進(jìn)工藝，提鉆后鉆頭基本沒(méi)有磨損，2031～2041 m井段平均鉆時(shí)為39.03 min/m；3K09回次采用螺桿+牙輪鉆頭鉆進(jìn)工藝，提鉆后鉆頭磨損很?chē)?yán)重，外徑磨至207 mm，截取前半段鉆頭尚未有較大磨損的2041～2091 m井段，平均鉆時(shí)為40.70 min/m。

圖7 3K06回次1978～2028 m井段鉆時(shí)曲線Fig.7 Drilling time curve of 3K06 run over of 1978～2028m well section

圖8 3K08回次2031～2041 m井段鉆時(shí)曲線Fig.8 Drilling time curve of 3K08 run over of 2031～2041m well section

圖9 3K09回次2041～2091 m井段鉆時(shí)曲線Fig.9 Drilling time curve of 3K09 run over of 2041～2091m well section

3.2 與螺桿鉆具對(duì)比的優(yōu)勢(shì)

由于缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，本次液動(dòng)潛孔錘應(yīng)用于干熱巖鉆進(jìn)試驗(yàn)回次及進(jìn)尺均較少，但取得的數(shù)據(jù)基本證明，在機(jī)械鉆速方面，液動(dòng)潛孔錘+牙輪鉆頭鉆進(jìn)與螺桿+牙輪鉆頭鉆進(jìn)十分接近，均能在較大程度上提高干熱巖等硬巖地層機(jī)械鉆速。與螺桿鉆具相比，液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)有以下技術(shù)特點(diǎn)或優(yōu)勢(shì)。

（1）液動(dòng)潛孔錘鉆具耐高溫性能更強(qiáng)。O形圈目前是限制液動(dòng)潛孔錘高溫適應(yīng)性的唯一零件，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)證實(shí)，進(jìn)口材料制成的O形圈可在200℃高溫環(huán)境放置50 h而保持良好的工作性能。螺桿鉆具中的定子普遍采用橡膠材料，目前國(guó)產(chǎn)螺桿鉆具普遍耐溫小于150℃，雖然可通過(guò)進(jìn)口橡膠材料等措施提高其溫度適應(yīng)性，但整體成本過(guò)高，限制了其在干熱巖鉆進(jìn)中應(yīng)用。而YZX178型液動(dòng)潛孔錘僅需要幾個(gè)O形圈，每個(gè)O形圈成本不到10元，與鉆具整體成本相比成本基本沒(méi)有增加。另外，在保證加工精度的前提下，可擺脫對(duì)橡膠材料的依賴從而實(shí)現(xiàn)金屬密封，更適應(yīng)干熱巖的高溫條件。

（2）采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)需要更小的工作壓降。螺桿鉆具的工作壓降普通在5 MPa左右，而液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)所需壓降只有其50%左右，輸入功率也隨之降低一半，在綠色節(jié)能方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

（3）采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)需要更小的轉(zhuǎn)速。采用液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)所需轉(zhuǎn)速較小，往往只需要40～70 r/min，而螺桿鉆具本身提供的轉(zhuǎn)速將近200 r/min，較高的轉(zhuǎn)速同時(shí)也增加了鉆頭的磨損速度，降低了鉆頭的壽命。

（4）液動(dòng)潛孔錘方便更換易損件。目前液動(dòng)潛孔錘基本可以連續(xù)工作60 h以上，出井后僅需要現(xiàn)場(chǎng)更換易損件即可重新下井、繼續(xù)工作，使用非常方便，且使用成本較低。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，螺桿鉆具壽命大多在150 h左右，之后需要送回到廠家重新注膠翻新，增加了運(yùn)輸和維護(hù)成本，且現(xiàn)場(chǎng)需要配置多套螺桿鉆具。

4 總結(jié)與展望

YZX178型液動(dòng)潛孔錘首次在干熱巖鉆井中成功應(yīng)用，初步展示了其應(yīng)用于干熱巖等高溫堅(jiān)硬地層鉆進(jìn)的可行性和高效性。液動(dòng)潛孔錘在干熱巖鉆井中應(yīng)用，其機(jī)械鉆速與螺桿鉆具接近，均能在較大程度上提高機(jī)械鉆速，且具有節(jié)能環(huán)保、安全性高、維護(hù)方便、節(jié)約成本、高溫適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

液動(dòng)潛孔錘的工作壽命受鉆井液等諸多因素影響較大，尤其鉆井液中固相顆粒在高速射流作用下對(duì)閥和活塞等易損件的沖蝕作用。提高液動(dòng)潛孔錘工作壽命，更好地與牙輪鉆頭壽命相匹配，是其應(yīng)用于干熱巖開(kāi)發(fā)中急需解決的問(wèn)題，建議從以下3方面進(jìn)行相關(guān)研究：一是優(yōu)化鉆井液流動(dòng)通道，降低鉆井液噴射速度，減少對(duì)液動(dòng)潛孔錘相應(yīng)零件的沖蝕；二是優(yōu)化液動(dòng)潛孔錘易損件材質(zhì)，以提高其工作壽命；三是開(kāi)展易損件表面硬化工藝研究，使其具有外硬內(nèi)韌的特性。