液动潜孔锤钻技术进展

液动潜孔锤钻技术进展

液动潜孔锤（以下简称液动锤或击床）的检测是过去回收孔锤后的一种新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点,是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低、钻孔质量差的有效钻探技术。1液体锤的研究和应用我国是目前世界上开展液动锤技术研究和应用工作做得最好的国家之一。勘探所在该领域处于领先,主要体现在以下几个方面。1.1这项技术在中国首次得到了研究于1958年开始系统的专题研究,1961年列为地质部重点项目,除去“文革”期间被迫中断外,一直坚持研究开发工作。1.2研究和开发液体锤的品种和规格最为多1.2.1冲锤下行冲击解决(1)正作用式:阀和冲锤的回程运动依靠各自弹簧,而冲程依靠水击驱动冲锤下行产生冲击能量。(2)反作用式:利用冲洗液的压力增高推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量,当阀门打开,液流畅通工作室压力降低,工作弹簧释放储存能量驱动冲锤下行产生冲击。(3)双作用式:冲锤的回程及冲程运动均依靠冲洗液的压力驱动,当冲锤下行时产生冲击能量。(4)复合作用式:综合以上3种作用形式中的任2种研发的新产品。(5)中空贯通式:配合气举、水力中心反循环钻进研发,它与普通液动锤的区别在于沿其轴线从上到下设有一个贯通的柱状孔,在钻进中构成反循环连续输送岩心(样)通道。因此心部的全部零件都是贯通的,如逆止阀、缸座、活塞及钻头等都是筒状。(6)与其他技术结合的派生产品(如绳索取心式、液气两用式等)。1.2.2规格规格钻具直径从43~580mm六个系列近40种规格产品(见表1)。1.3先进设备及其设备从小口径岩心钻探,正在向水文水井、锚固施工、水下炸礁、廊道施工、科学钻探等领域拓展。已取得良好的经济效益和社会效益。(1)据不完全统计,从20世纪80年代以来,我所各种类型的液动锤在全国推广1000余台套,基本覆盖了全国除西藏、台湾、香港、澳门、海南外的大部分省市,应用部门包括地质、核工业、有色、煤田、水电、建材、化工等系统。也有部分国外公司引进液动锤。冲击回转钻探累计进尺超过100万m,获得较理想的破碎岩石效果,在中硬、坚硬和硬脆岩层中的技术经济指标均优于回转钻进,钻速提高30%~60%甚至数倍,成本降低约15%,钻孔的垂直度得到改善。地质系统至20世纪80年代末岩心钻探平均台月效率突破400m,同第二个五年计划初期相比,提高近1倍。其中在全国推广金刚石液动冲击回转钻探是一个重要原因。(2)中国大陆科学钻探是国家重点工程项目,它的实施从钻探技术的角度将是全面检验和提高我国钻探技术水平的一个极好的机会。其2000m先导孔采用了具有中国特色的先进技术:螺杆马达/液动锤/金刚石取心钻进工艺方法。勘探所研发的YZX127型液动锤自2001年8月到2002年4月CCSD先导孔施工结束(2046.54m),共计下井127回次,累计进尺548.26m,最大井深2025.17m(先导孔结束)。平均钻进效率1.11m/h,最高达2.97m/h。平均回次长度4.317m,最高7.82m(满管,占30%以上)。通过与回转钻进效果对比,采用该液动锤可提高钻进效率和回次长度1倍以上。连续5个回次无检修正常工作(为确保下井正常工作施工单位要求应进行检修),并创造了日进尺最高记录17.04m。尤其在先导孔施工后期,随着液动锤性能进一步完善,对现场条件适应性更强,其取得的钻进效果更加理想,甚至出现在1900~2000m深孔段施工效率超过500m浅孔段施工效率的情况。该阶段液动锤使用18回次,累计进尺129.34m,平均回次长度7.19m(满管)。平均钻进效率1.32m/h。由于时效提高、回次长度增加,辅助时间大幅度减少,根据现场指挥部统计,在CCSD先导孔使用液动锤可节约钻时1040h,经济效益十分显著。自2002年10月10日主孔取心钻进开工以来,由于设备、孔内等多方面原因,一度出现了钻进施工不正常,遇到了钻具折断、钻头异常磨损和岩心易堵、采取率低、回次进尺短等技术难题。中国大陆科学钻探工程中心邀请以赵国隆为首的5名钻探专家到科钻一井现场,与现场工程技术人员一起对钻探中存在的问题进行了分析与研究。提出暂时停止采用顶驱和绳索取心方法施工,先采用先导孔钻进方法(螺杆马达+液动锤+金刚石取心钻进方法)施工。该方法的优点是:(1)钻杆柱不回转,可减轻功耗和钻具磨损,有利于保护井壁,减少事故;(2)冲击载荷碎岩,可明显提高钻进效率和回次进尺长度;(3)钻压低(10~20kN),有利于防斜和降斜。按照专家建议,现场指挥部指令我所继续提供YZX127液动锤配合螺杆钻金刚石取心钻头进行主孔钻进,现已取得了明显进展,钻探生产恢复正常。从2002年12月5日开始使用YZX127液动锤到2003年1月16日孔深2442.71m,累计使用44回次(第42~86回次),总进尺为298.08m(2144.05~2442.71m,除了主孔第46回次0.58m采用了螺杆钻绳索取心钻具钻进外),钻进时间247.59h,达到的技术经济指标是:机械钻速1.2m/h,较回转提高近1倍。岩心采取率为80%以上,回次长度基本都是满管。平均20h完成一个回次,日进尺8m,前景令人鼓舞。这也是液动锤取心钻进取得显著效果的最新世界记录。1.4提高转钻具的工作性能在部、局、院、所的支持下,始建于1981年的多功能冲击回转实验室研究实验条件得到进一步完善,可对各种冲击回转钻具如液动锤、气动潜孔锤、非开挖气动夯管锤等进行系统的调试及性能测试、寿命试验,同时还可进行学术交流活动及岩样钻进实验。目前已基本可满足石油钻进用液动锤调测试要求,测试软件经3次大的升级,真正实现了随机、实时、快速、准确的水平。除保证我所科研和产品开发需要外,还为国内石油系统5个单位6种液动锤进行了10余次性能调测试。1.5钻头技术的发展液动锤技术获国家发明、实用新型专利及原地矿部科技成果二、三等奖多项,是一项具有中国特色的先进技术。从1985年以来我国此项技术的发展引起德国、英国、加拿大、澳大利亚、日本、美国、韩国、古巴等国外同行的关注,其中德国、加拿大、澳大利亚等国在钻探技术方面比较先进的公司多次派人前来我所考察和洽购产品,已经有部分产品出口。该领域技术研究紧密结合国家发展计划及生产现场实际开展工作,除了促进技术进步和为国民经济发展服务外,还锻炼培养了一批专门的人才,为保证该技术不断发展打下了良好的基础。2液动锤试验技术我所从1958年起率先立项开始液动锤技术研究,经过几代人不懈努力,取得上述成果,也表明我所在此领域的研究处于领先。尤其近几年,在理论和技术上有新的突破,应用领域进一步拓展。我们的体会是:理论的创新推动技术的进步;技术的进步引发产品性能的提升;产品性能的提升促进竞争力的增强。主要体现在:(1)首次实现了在液动锤的工作过程中采用容积式工作原理,大幅度提高了液动锤冲击功,扩展了液动锤的应用领域——满足不同钻进要求(取心或全面钻进);其结构获国家发明专利(专利号:ZL99100660.7)。(2)设计中运用计算机技术,对液动锤的内部动力过程和工作性能进行模拟电算,根据确定的结构编制计算机计算程序,总结出各个参数的相互关系,合理选择确定液动锤的参数匹配;并在上述工作的基础上研究开发出液动锤图纸CAD专用绘图软件。(3)液动锤性能测试采用微机无损检测技术,具有随机、实时、快速、准确的特点,水平居国内领先。(4)液动锤结构简单、且对泥浆的要求低,与国外近年的液动锤相比具有更好的实用性。(5)通过设置的减压结构解决了由于液动锤的直径增加后导致工作钻压增加的问题,使液动锤可应用在小钻压钻进工艺中;采用的分流方式使得液动锤的流量可适应不同的钻进工艺需求。(6)配套牙轮钻头、球齿钎头进行全面钻进,实现体积破碎,时效与纯回转相比效率提高126%;通过较深钻井证明阀式液动锤对背压的敏感性并不高,从而验证了室内试验和理论分析的结果,为否定“阀式液动潜孔锤受背压影响在深孔难以应用”的论点提供了有力的证明。3液动锤使用展望液动锤钻探经过几十年的开发和实践,证明是对付坚硬和复杂岩层的先进钻探技术。各种液动锤已经形成一类新型孔底动力机,并将在今后得到更深入和更高层次的发展。首先,随着高科技和电子技术的发展,冲击回转钻探的理论研究水平将有重大的突破,各种不同结构型式的液动锤其冲锤和各运动部件的力学特性表达式将得到改进和充实,利用计算机模拟仿真将对液动锤的结构、参数设计进一步简化、优化和科学化。对液动锤性能参数的测试方法将会更加准确、直观和智能化,新型先进专业化的传感器和普及型的高速摄影测试技术将得到应用。为迎接市场环境的挑战,液动锤的品种和型号将适当减少和进一步优化并普遍实现批量规模制造。并会由于冲击功增大而在其加工精度、选材、热处理防腐处理等方面积极借鉴和参考风动潜孔锤相关技术,切实解决目前液动锤在易损件寿命、对冲洗液适应性、入孔工作可靠性存在的不足,使其逐步达到或超过目前风动潜孔锤的水平。液动锤将向多功能、广用途方向发展。继续保持在岩心钻探、水文水井钻探应用的同时,将重点向石油、天然气及地热钻探领域发展,这是根据国民经济和环境可持续发展战略对水、油、气等资源的需求所决定。将液动锤钻探技术向这方面发展,会有广阔的市场前景,这主要应解决易损件寿命、冲洗液适应性、深孔背压、入井性能稳定可靠性以及液动锤性能与牙轮钻头匹配性等问题。绳索取心液动锤与涡轮钻或螺杆钻及长寿命钻头或不提钻换钻头相融合的钻进系统研究,将会在科学深钻施工中发挥积极作用。积极研发贯通式液动锤与双壁钻具融合技术,