液動潛孔錘鉆技術(shù)進展

液動潛孔錘鉆技術(shù)進展

液動潛孔錘（以下簡稱液動錘或擊床）的檢測是過去回收孔錘后的一種新方法。它較好地利用了堅硬巖石脆性大而抗剪強度較低不耐沖擊力的弱點,是解決堅硬巖層和某些復(fù)雜巖層鉆探效率低、鉆孔質(zhì)量差的有效鉆探技術(shù)。1液體錘的研究和應(yīng)用我國是目前世界上開展液動錘技術(shù)研究和應(yīng)用工作做得最好的國家之一?？碧剿谠擃I(lǐng)域處于領(lǐng)先,主要體現(xiàn)在以下幾個方面。1.1這項技術(shù)在中國首次得到了研究于1958年開始系統(tǒng)的專題研究,1961年列為地質(zhì)部重點項目,除去“文革”期間被迫中斷外,一直堅持研究開發(fā)工作。1.2研究和開發(fā)液體錘的品種和規(guī)格最為多1.2.1沖錘下行沖擊解決(1)正作用式:閥和沖錘的回程運動依靠各自彈簧,而沖程依靠水擊驅(qū)動沖錘下行產(chǎn)生沖擊能量。(2)反作用式:利用沖洗液的壓力增高推動沖錘上行壓縮工作彈簧儲存能量,當閥門打開,液流暢通工作室壓力降低,工作彈簧釋放儲存能量驅(qū)動沖錘下行產(chǎn)生沖擊。(3)雙作用式:沖錘的回程及沖程運動均依靠沖洗液的壓力驅(qū)動,當沖錘下行時產(chǎn)生沖擊能量。(4)復(fù)合作用式:綜合以上3種作用形式中的任2種研發(fā)的新產(chǎn)品。(5)中空貫通式:配合氣舉、水力中心反循環(huán)鉆進研發(fā),它與普通液動錘的區(qū)別在于沿其軸線從上到下設(shè)有一個貫通的柱狀孔,在鉆進中構(gòu)成反循環(huán)連續(xù)輸送巖心(樣)通道。因此心部的全部零件都是貫通的,如逆止閥、缸座、活塞及鉆頭等都是筒狀。(6)與其他技術(shù)結(jié)合的派生產(chǎn)品(如繩索取心式、液氣兩用式等)。1.2.2規(guī)格規(guī)格鉆具直徑從43~580mm六個系列近40種規(guī)格產(chǎn)品(見表1)。1.3先進設(shè)備及其設(shè)備從小口徑巖心鉆探,正在向水文水井、錨固施工、水下炸礁、廊道施工、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域拓展。已取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益。(1)據(jù)不完全統(tǒng)計,從20世紀80年代以來,我所各種類型的液動錘在全國推廣1000余臺套,基本覆蓋了全國除西藏、臺灣、香港、澳門、海南外的大部分省市,應(yīng)用部門包括地質(zhì)、核工業(yè)、有色、煤田、水電、建材、化工等系統(tǒng)。也有部分國外公司引進液動錘。沖擊回轉(zhuǎn)鉆探累計進尺超過100萬m,獲得較理想的破碎巖石效果,在中硬、堅硬和硬脆巖層中的技術(shù)經(jīng)濟指標均優(yōu)于回轉(zhuǎn)鉆進,鉆速提高30%~60%甚至數(shù)倍,成本降低約15%,鉆孔的垂直度得到改善。地質(zhì)系統(tǒng)至20世紀80年代末巖心鉆探平均臺月效率突破400m,同第二個五年計劃初期相比,提高近1倍。其中在全國推廣金剛石液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是一個重要原因。(2)中國大陸科學(xué)鉆探是國家重點工程項目,它的實施從鉆探技術(shù)的角度將是全面檢驗和提高我國鉆探技術(shù)水平的一個極好的機會。其2000m先導(dǎo)孔采用了具有中國特色的先進技術(shù):螺桿馬達/液動錘/金剛石取心鉆進工藝方法?？碧剿邪l(fā)的YZX127型液動錘自2001年8月到2002年4月CCSD先導(dǎo)孔施工結(jié)束(2046.54m),共計下井127回次,累計進尺548.26m,最大井深2025.17m(先導(dǎo)孔結(jié)束)。平均鉆進效率1.11m/h,最高達2.97m/h。平均回次長度4.317m,最高7.82m(滿管,占30%以上)。通過與回轉(zhuǎn)鉆進效果對比,采用該液動錘可提高鉆進效率和回次長度1倍以上。連續(xù)5個回次無檢修正常工作(為確保下井正常工作施工單位要求應(yīng)進行檢修),并創(chuàng)造了日進尺最高記錄17.04m。尤其在先導(dǎo)孔施工后期,隨著液動錘性能進一步完善,對現(xiàn)場條件適應(yīng)性更強,其取得的鉆進效果更加理想,甚至出現(xiàn)在1900~2000m深孔段施工效率超過500m淺孔段施工效率的情況。該階段液動錘使用18回次,累計進尺129.34m,平均回次長度7.19m(滿管)。平均鉆進效率1.32m/h。由于時效提高、回次長度增加,輔助時間大幅度減少,根據(jù)現(xiàn)場指揮部統(tǒng)計,在CCSD先導(dǎo)孔使用液動錘可節(jié)約鉆時1040h,經(jīng)濟效益十分顯著。自2002年10月10日主孔取心鉆進開工以來,由于設(shè)備、孔內(nèi)等多方面原因,一度出現(xiàn)了鉆進施工不正常,遇到了鉆具折斷、鉆頭異常磨損和巖心易堵、采取率低、回次進尺短等技術(shù)難題。中國大陸科學(xué)鉆探工程中心邀請以趙國隆為首的5名鉆探專家到科鉆一井現(xiàn)場,與現(xiàn)場工程技術(shù)人員一起對鉆探中存在的問題進行了分析與研究。提出暫時停止采用頂驅(qū)和繩索取心方法施工,先采用先導(dǎo)孔鉆進方法(螺桿馬達+液動錘+金剛石取心鉆進方法)施工。該方法的優(yōu)點是:(1)鉆桿柱不回轉(zhuǎn),可減輕功耗和鉆具磨損,有利于保護井壁,減少事故;(2)沖擊載荷碎巖,可明顯提高鉆進效率和回次進尺長度;(3)鉆壓低(10~20kN),有利于防斜和降斜。按照專家建議,現(xiàn)場指揮部指令我所繼續(xù)提供YZX127液動錘配合螺桿鉆金剛石取心鉆頭進行主孔鉆進,現(xiàn)已取得了明顯進展,鉆探生產(chǎn)恢復(fù)正常。從2002年12月5日開始使用YZX127液動錘到2003年1月16日孔深2442.71m,累計使用44回次(第42~86回次),總進尺為298.08m(2144.05~2442.71m,除了主孔第46回次0.58m采用了螺桿鉆繩索取心鉆具鉆進外),鉆進時間247.59h,達到的技術(shù)經(jīng)濟指標是:機械鉆速1.2m/h,較回轉(zhuǎn)提高近1倍。巖心采取率為80%以上,回次長度基本都是滿管。平均20h完成一個回次,日進尺8m,前景令人鼓舞。這也是液動錘取心鉆進取得顯著效果的最新世界記錄。1.4提高轉(zhuǎn)鉆具的工作性能在部、局、院、所的支持下,始建于1981年的多功能沖擊回轉(zhuǎn)實驗室研究實驗條件得到進一步完善,可對各種沖擊回轉(zhuǎn)鉆具如液動錘、氣動潛孔錘、非開挖氣動夯管錘等進行系統(tǒng)的調(diào)試及性能測試、壽命試驗,同時還可進行學(xué)術(shù)交流活動及巖樣鉆進實驗。目前已基本可滿足石油鉆進用液動錘調(diào)測試要求,測試軟件經(jīng)3次大的升級,真正實現(xiàn)了隨機、實時、快速、準確的水平。除保證我所科研和產(chǎn)品開發(fā)需要外,還為國內(nèi)石油系統(tǒng)5個單位6種液動錘進行了10余次性能調(diào)測試。1.5鉆頭技術(shù)的發(fā)展液動錘技術(shù)獲國家發(fā)明、實用新型專利及原地礦部科技成果二、三等獎多項,是一項具有中國特色的先進技術(shù)。從1985年以來我國此項技術(shù)的發(fā)展引起德國、英國、加拿大、澳大利亞、日本、美國、韓國、古巴等國外同行的關(guān)注,其中德國、加拿大、澳大利亞等國在鉆探技術(shù)方面比較先進的公司多次派人前來我所考察和洽購產(chǎn)品,已經(jīng)有部分產(chǎn)品出口。該領(lǐng)域技術(shù)研究緊密結(jié)合國家發(fā)展計劃及生產(chǎn)現(xiàn)場實際開展工作,除了促進技術(shù)進步和為國民經(jīng)濟發(fā)展服務(wù)外,還鍛煉培養(yǎng)了一批專門的人才,為保證該技術(shù)不斷發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。2液動錘試驗技術(shù)我所從1958年起率先立項開始液動錘技術(shù)研究,經(jīng)過幾代人不懈努力,取得上述成果,也表明我所在此領(lǐng)域的研究處于領(lǐng)先。尤其近幾年,在理論和技術(shù)上有新的突破,應(yīng)用領(lǐng)域進一步拓展。我們的體會是:理論的創(chuàng)新推動技術(shù)的進步;技術(shù)的進步引發(fā)產(chǎn)品性能的提升;產(chǎn)品性能的提升促進競爭力的增強。主要體現(xiàn)在:(1)首次實現(xiàn)了在液動錘的工作過程中采用容積式工作原理,大幅度提高了液動錘沖擊功,擴展了液動錘的應(yīng)用領(lǐng)域——滿足不同鉆進要求(取心或全面鉆進);其結(jié)構(gòu)獲國家發(fā)明專利(專利號:ZL99100660.7)。(2)設(shè)計中運用計算機技術(shù),對液動錘的內(nèi)部動力過程和工作性能進行模擬電算,根據(jù)確定的結(jié)構(gòu)編制計算機計算程序,總結(jié)出各個參數(shù)的相互關(guān)系,合理選擇確定液動錘的參數(shù)匹配;并在上述工作的基礎(chǔ)上研究開發(fā)出液動錘圖紙CAD專用繪圖軟件。(3)液動錘性能測試采用微機無損檢測技術(shù),具有隨機、實時、快速、準確的特點,水平居國內(nèi)領(lǐng)先。(4)液動錘結(jié)構(gòu)簡單、且對泥漿的要求低,與國外近年的液動錘相比具有更好的實用性。(5)通過設(shè)置的減壓結(jié)構(gòu)解決了由于液動錘的直徑增加后導(dǎo)致工作鉆壓增加的問題,使液動錘可應(yīng)用在小鉆壓鉆進工藝中;采用的分流方式使得液動錘的流量可適應(yīng)不同的鉆進工藝需求。(6)配套牙輪鉆頭、球齒釬頭進行全面鉆進,實現(xiàn)體積破碎,時效與純回轉(zhuǎn)相比效率提高126%;通過較深鉆井證明閥式液動錘對背壓的敏感性并不高,從而驗證了室內(nèi)試驗和理論分析的結(jié)果,為否定“閥式液動潛孔錘受背壓影響在深孔難以應(yīng)用”的論點提供了有力的證明。3液動錘使用展望液動錘鉆探經(jīng)過幾十年的開發(fā)和實踐,證明是對付堅硬和復(fù)雜巖層的先進鉆探技術(shù)。各種液動錘已經(jīng)形成一類新型孔底動力機,并將在今后得到更深入和更高層次的發(fā)展。首先,隨著高科技和電子技術(shù)的發(fā)展,沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的理論研究水平將有重大的突破,各種不同結(jié)構(gòu)型式的液動錘其沖錘和各運動部件的力學(xué)特性表達式將得到改進和充實,利用計算機模擬仿真將對液動錘的結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計進一步簡化、優(yōu)化和科學(xué)化。對液動錘性能參數(shù)的測試方法將會更加準確、直觀和智能化,新型先進專業(yè)化的傳感器和普及型的高速攝影測試技術(shù)將得到應(yīng)用。為迎接市場環(huán)境的挑戰(zhàn),液動錘的品種和型號將適當減少和進一步優(yōu)化并普遍實現(xiàn)批量規(guī)模制造。并會由于沖擊功增大而在其加工精度、選材、熱處理防腐處理等方面積極借鑒和參考風(fēng)動潛孔錘相關(guān)技術(shù),切實解決目前液動錘在易損件壽命、對沖洗液適應(yīng)性、入孔工作可靠性存在的不足,使其逐步達到或超過目前風(fēng)動潛孔錘的水平。液動錘將向多功能、廣用途方向發(fā)展。繼續(xù)保持在巖心鉆探、水文水井鉆探應(yīng)用的同時,將重點向石油、天然氣及地?zé)徙@探領(lǐng)域發(fā)展,這是根據(jù)國民經(jīng)濟和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對水、油、氣等資源的需求所決定。將液動錘鉆探技術(shù)向這方面發(fā)展,會有廣闊的市場前景,這主要應(yīng)解決易損件壽命、沖洗液適應(yīng)性、深孔背壓、入井性能穩(wěn)定可靠性以及液動錘性能與牙輪鉆頭匹配性等問題。繩索取心液動錘與渦輪鉆或螺桿鉆及長壽命鉆頭或不提鉆換鉆頭相融合的鉆進系統(tǒng)研究,將會在科學(xué)深鉆施工中發(fā)揮積極作用。積極研發(fā)貫通式液動錘與雙壁鉆具融合技術(shù),