液动潜孔锤钻进技术及应用.doc

液动潜孔锤钻进技术及应用中国地质调查局勘探技术研究所苏长寿液动潜孔锤钻探是在回转钻探的基础上通过利用现场泥浆泵输出的冲洗液驱动液动潜孔锤（简称液动锤或冲击器）其内部的冲锤对钻头施加一定频率和能量的冲击功，加速碎岩，也就是钻头上带有冲击负荷的回转钻探。钻孔时液动锤安装在钻杆或岩心管与钻头（取心或全面钻进）之间，随钻孔之延深而潜入钻孔中对钻头施加冲击负荷，它是在冲击和回转的共同作用下碎岩，因此可大幅度提高硬岩钻进时效，减轻孔斜，降低成本，提高综合效益。液动潜孔锤钻探是对现有回转钻探的重大改革，是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。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。一、液动潜孔锤目前的研究水平和应用程度： 利用回转钻探时泥浆泵冲孔和冷却钻头剩余的液能驱动液动锤而实现液动冲击回转钻探的设想始于1887年，德国沃布什曼发明的这种钻探法曾在英国获得专利，但直到上世纪60年代，此技术在美国和原苏联及东欧一些国家均尚处于实验阶段。美国60年代初潘美石油公司（PanAmericanpertroleumCo）曾研制过两种尺寸的液动潜孔锤并作过一些试验；原苏联钻井技术研究所曾研制成BBO-5A型液动锤并用直径145mm的钻头在石油钻井中钻进到2200m，但结构中的弹簧易损坏需改进。地质钻探中前苏联在70年代发展较成熟的液动锤型号为7和9型，直径分别为56和76mm，80年代初还研制成两种直径分别为59和76mm的绳索取芯式液动锤，但我国当时缺乏具体资料，以后查知其结构特点均为正作用式；瑞典卢基公司的G-Drill-AB分公司研制了一种叫Wassara的液动锤，所用的冲洗液经100m过滤，直径为96mm的液动锤钻120mm孔，泵量在160330L/min，泵的输出压力达18Mpa。可钻进40m。钻速提高2倍。对配套设备有比较苛刻要求。 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。主要体现： 1、勘探技术研究所于1958年开始系统的专题研究，1961年列为原地质部重点项目，除去“文革”期间被迫中断外，一直坚持研究开发工作。同时，从上世纪70年代（1975年）左右原长春地质学院、辽宁地质局九队、原核工业部地质局等对此作了很多试验研究，但大规模的开发工作是从1978年实行改革开放之后才得以顺利进行。全国有近十个单位相继建立了冲击回转钻探试验室（台），并设立专题开展系统的研究开发。 经过数年的工作，至1983年左右原地质矿产部勘探技术研究所的正作用式YZ54型、原长春地质学院的射流式SC54型、原辽宁地矿局九队的双作用式SH-54型、原冶金部探矿技术研究所的正作用式TK型、原河北地矿局综合研究队的正作用式ZF54型、原云南地矿局探矿研究室的SX射吸式液动锤，原核工业部江西264队的双作用式YE型等液动锤先后分别通过所属各部的鉴定，这批成果迅速在施工中得到推广应用。从此，这项新技术进入了一个新的发展时期直到上世纪90年代中期。进入21世纪，利用大陆科学钻探和 新一轮地质大调查的落实，该技术的研究与应用取得突破性进展。2、研究开发液动锤的品种和规格最多1）、工作原理和结构型式（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：综合以上三种作用形式中的任二种研发的产品。（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，在钻进中构成的反循环连续输送岩心（样）的通道。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）2）、口径规格钻具直径从43mm-580mm六个系列近40种规格产品。3）、持续推出最新技术产品以YZX系列液动潜孔锤为标志，在技术研究和应用达到国际先进水平。3、应用领域广泛、效果显著从小口径岩心钻探，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，从上世纪80年代以来，由地矿、冶金、煤炭等部门研发的各种类型的液动锤在全国推广达3000余台套，基本覆盖了全国除西藏、台湾、香港、澳门、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500万米，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3060%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80年代末岩心钻探平均台月效率突破400米，同第二个五年计划初期相比，提高近1倍。其中在全国推广小口径金刚石绳索取心和液动冲击回转钻探是重要原因。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来看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。它是石油钻井设备与金刚石钻探工艺的科学结合。由中国地质调查局勘探技术研究所研发（获两项中国国家发明专利ZL99100660.7；ZL02125436.2）的YZX127液动潜孔锤，在此工程中，配合属世界首创的具有中国特色的组合钻探工艺：螺杆马达+液动锤+金刚石取心工艺，效果显著。自2001年8月到2005年1月13日CCSD1井施工YZX127液动锤共计下井505回次，累计进尺3526.3米，井深5118.2米，在可钻性8-9级榴辉岩和片麻岩中，平均钻进效率1.32m/小时，最高钻进效率2.46米，较回转提高近一倍。回次满管率达95%以上。岩心采取率为90%以上,取得了良好的效果，显著地改善钻探施工的经济技术指标，同时表明该液动潜孔锤对愈来愈深孔的适应性。这也是液动潜孔锤取心钻进且取得显著效果的最新世界记录。该项技术于2005年6月下旬通过由国土资源部科技司组织的有5位院士在内的18人专家组评审验收，评价为：硬岩深井取心钻探技术达到国际先进水平，螺杆马达+液动锤+双管取心居国际领先水平。获06年部科技成果一等奖。3）、该技术应用到灾害治理锚固跟管钻进施工，与气动潜孔锤比较，在噪音和空气污染方面，具有显著的优势；由于是潜孔冲击，与液压顶部冲击对钻具的损伤和能量的衰减都有明显的改善。北京京有恒公司、黑龙江岩土基础工程公司利用YZX98液动潜孔锤配套锚固双管钻进，在作为2008年奥运会重点工程项目北京饭店二期改扩建工程和沈阳地铁小什字站基础锚固钻探中，钻进近百孔，进尺2000余米，时效达1m/分。充分表明具有以下特点：（1）、动力头液动潜孔锤跟管钻进是一项新工艺，利用钻探常规配套设备，投资少，钻进速度快、环境污染少；（2）、利用泥浆泵为动力源,对环境污染少,噪音小。对操作人员保护好。护壁效果优良。（3）、液动潜孔锤启动灵活，操作方便。工作稳定可靠。无故障时间长（大于70小时），易损件现场更换方便。（4）、与顶部冲击比较，采用液动锤潜孔冲击，能量损失少，对钻具（尤其是钻杆和套管螺纹）损伤小。4、该领域研究实验条件得到进一步完善，水平居国内领先。始建于1981年的勘探技术研究所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潜孔锤、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，测试软件经三次大的升级，真正实现了随机、实时、快速、准确的水平。除保证科研和产品开发需要外，还为国内石油系统五个单位6种液动锤进行了10余次性能调测试。5、技术先进、引起国外同行的关注液动潜孔锤技术获国家发明、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。6、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，还锻炼培养了一批在研究开发方面的专门人才，为保证该技术不断发展打下良好的基础。综上所述，液动锤在理论和技术上有新的突破，应用领域进一步拓展。主要体现在：1）首次实现了在液动潜孔锤的工作过程中采用容积式工作原理，大幅度提高了液动潜孔锤冲击功，扩展了液动潜孔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，对液动潜孔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，合理选择确定了液动潜孔锤的参数匹配；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）液动潜孔锤结构简单、且对泥浆的要求低，采用科学合理的分流方式使得液动潜孔锤的流量可适应不同的钻进工艺需求。5）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潜孔锤对背压的敏感性并不高，从而表明新型YZX阀式液动锤受背压影响不大可用于深孔钻进。二、液动潜孔锤钻探技术主要特点： 利用现场常规设备，配套方便，投资少; 适用孔深大；(目前最大井深已达5129m)潜孔钻进，能量损失小，对钻具（尤其是钻杆螺纹）损伤低； 给钻头施加的载荷是高频脉动载荷，应力集中，瞬时可达极高值，易使岩石产生体积破碎，提高钻效，同时在破碎地层可有效减少岩心堵塞，提高回次长度。 与回转相比，钻压和转速较低，切削刃具磨损小，降低井斜强度； 在冲击和回转的联合作用下，改变了冲击载荷的传递方向，充分发挥了冲击动载和静压回转切削的联合作用碎岩，大幅度提高钻进效率30%以上； 液动潜孔锤钻进所需冲洗液排量大，流速高，可减少重复破碎；高频脉动冲击有利金刚石出刃，减少钻头打滑。三、液动潜孔锤钻探技术主要应用领域和使用条件： 适宜在中硬以上粗颗粒不均质地层；与气动潜孔锤比较，更适合于深孔。 使用液动潜孔锤金刚石钻探,可有效钻进坚硬致密“打滑”和容易引起强烈弯曲以及岩石脆碎岩心易堵，回次进尺少的地层. 倾角较大强造斜钻孔易偏斜，导致不能钻穿设计层位的地层。采用硬质合金液动锤钻探后，可以有效减小孔斜，达到地质目的； 在由于其他原因（如回转扭矩不够、井壁不稳定等）不能开高转速或加不上应有的钻压时。 廊道、涵洞等使用气动潜孔锤会出现噪音和灰尘污染的环境时。 小口径地质取心钻探全面钻探 水文水井钻探 地质灾害治理钻探 石油.天然气牙轮钻头全面钻井(正在进一步做工作)四、液动潜孔锤钻探主要配套设备钻机：要求钻机具有一定的回转速度范围，以适应冲击回转钻进相对较低转速，（50150rpm）减少钻头的磨损；泥浆泵：是进行液动锤钻探的主要动力源，应在条件允许时配备标称上限，并留有余地；泥浆泵的泵压应承受大于设计井深在常规钻进条件下循环压力2-5MPa以上的能力，以满足液动潜孔锤冲击回转钻进的泵压需要；并应配备具有抗震性能的压力表，以便及时掌握液动潜孔锤在孔内工作情况。泥浆泵的流量应该尽量平稳，且泵量范围可以调节，以适应各种工况条件下对泵量的需求；泥浆循环管路（地表的管线及井下钻具）应该具有足够的承压能力和密封性能，送水胶管应采取二层钢丝编织，耐压大于8Mpa，并用螺纹连接；通过泥浆粘度试验证明不会对液动潜孔锤的工作性能产生太大的影响，但是原则上只要钻井的其它条件允许，应该尽量采用清水或粘度较低且具有较好的润滑性的泥浆，必要时可添加润滑剂；配套高效的泥浆净化系统：在使用液动潜孔锤时泥浆中的固相颗粒会对液动潜孔锤内部的各个密封运动部位产生磨损和卡阻，固相含量过高会导致液动潜孔锤活塞寿命的大幅度降低，同时还容易导致运动部件的卡死而不工作。五、液动潜孔锤钻探配套钻头液动锤钻探由于是在回转钻探的基础发展及完善，因此大部分回转所用的钻头也可用于液动锤钻探。一）、硬质合金取心钻头硬质合金特点1、切削齿的刃角不对称；2、根部底面多为园弧型3、硬度不低于HRA864、抗弯强度140Kg/mm硬质合金取心钻头特点1、切削齿的刃角不对称2、水口通流面积大3、合金以普通大八角合金、长方片状及带负前角合金为宜二）、硬质合金全面钻头球齿全面钻头（基本与风动钻头相同）1、切削齿以锥球齿为宜；2、水口通流面积大30%;3、推荐底面形状（平底、球弧、中心凹）4、连接形式可采用花键或螺纹(液动锤特点所致)牙轮全面钻头选用石油钻进标准钻头1、轴承以滑动轴承为宜2、密封选用金属密封3、喷嘴应尽可能选用大直径并采用不等径组合三）、金刚石取心钻头(基本与普通回转钻进钻头相同)1、多为孕镶，金刚石最好JR4级，6080目。2、胎体硬度较回转用高HRC5，胎体高度可以到2025mm；3、水口通流面积大30%以上，如直径94mm水口可以有12个；4、推荐唇面形状平底、圆弧、同心圆尖齿5、钻头体材质屈服点590640N/mm六、钻进参数的选择1. 钻压的选择：满足液动潜孔锤工作的基本条件确保钻进状态时液动锤的花键轴与花键套端面闭合，使液动潜孔锤处于有效工作状态。钻压的选择原则为，配套球齿钻头时在满足前一条件的情况下较低为好；如果是配套牙轮钻头使用，则钻压应该在大于基本工作所需钻压的基础上取牙轮钻头推荐工作钻压的60-80%为佳。配套金刚石取心钻进则基本与纯回转相同或略低。2. 转速的选择：转速的选择以钻头的布齿与冲击频率及冲击功等综合考虑为原则。通常钻头切削齿较大、冲击频率较高、冲击功较大时的转速可以高一些，反之则应该适当减小。但是由于不同的钻进方法中的各种情况有所不同，提出以下建议。根据配用钻头的情况，直径73-127mm液动潜孔锤用于全面钻进时回转速度25-40rpm；直径165-273mm液动潜孔锤用于全面钻进时回转速度18-30rpm；当液动潜孔锤与绳索取心钻进或普通提钻取心结合使用时的回转速度比常规回转钻进时的转速降低20%左右。液动潜孔锤配套牙轮钻头使用时转速比无液动潜孔锤钻进降低20-30%为佳。过分提高转速，对提高钻进效率没有太大的意义，反而加剧对钻头的磨损，所以通常在配套球齿钻头使用时，必须限制回转速度（对大口径钻进尤其重要）。3. 流量和泵压的选择：通常来说在液动潜孔锤内部参数一定的条件下，流量越大泵压越高，液动潜孔锤的冲击功和冲击频率也越高。但是在实际使用中，如果液动潜孔锤的泵压过高超过了钻具的安全使用要求，就会导致孔内事故或造成地表设备因负荷过重而经常维修。YZX系列液动潜孔锤的泵量适用范围可以进行调节，其泵压适用范围为1.0-5.0MPa。因而，可以通过在适应孔内其它钻进因素要求的情况下，随着井深的增加，同样的地层钻进所需的冲击功也会增加，所以在进行深部井段的施工中应该尽量使液动潜孔锤的泵压保持在推荐工作范围的上限。4.对冲洗液的基本要求液动锤是在含有固相及微粒钻削的泥浆环境下高频往复运动，因此采用高质量泥浆、并且用好则显得十分重要。否则会加剧液动锤零件磨损、影响使用寿命，还可能阻卡使液动锤不工作。因此有必要对泥浆提出较为严格的要求：润滑性能好、含砂量低、黏度低，黏度一般不大于30秒，含砂量不大于0.5%，密度1.1g/cm；在条件许可时推荐使用泥浆润滑剂（GLUB）将更能提高液动潜孔锤性能并延长使用寿命。泥浆材料推荐具有四低(低粘、低切、低密、低失水）一高（高润滑性）的LBM。七、使用与维修1. 下孔前的准备工作：对钻具的组装进行严格的检查，确保零件的正确组装；在下井前对钻具各部分的连接螺纹按照要求上紧，防止螺纹上扣扭矩不足导致钻具螺纹断裂事故；进行深孔钻进时，在液动潜孔锤与钻铤之间必须加上扶正器，以防孔壁对液动潜孔锤外管的磨损；下井前应对液动潜孔锤进行孔口试冲试验，确保液动潜孔锤工作状态良好。（孔口试冲试验就是在机台上将液动潜孔锤与主动钻杆接好，在液动潜孔锤上施加适量的钻压，然后开泵送入推荐下限需泵量，这时液动潜孔锤的工作应该正常启动工作，然后逐步加大泵量并保证泵压在正常范围之内，同时还应该在此状态下将钻具上提和下放2次以上，以试验液动潜孔锤的启动性能和防空打机构的灵活性）2. 下孔时的操作：避免钻具长期处于悬吊状态冲孔，防止岩粉在活塞间隙的沉积而形成阻卡；扫孔操作时，应该尽量减小钻压，防止液动潜孔锤冲击工作对孔壁造成伤害和孔内事故；同时可采用较小的泵量，让破碎下来的岩屑落入井底。3. 钻进过程中的操作：每次下钻后，在钻头磨合阶段，应该确保此时的钻压小于液动潜孔锤启动工作所需钻压，使液动潜孔锤处于不工作状态，防止冲击导致钻头的损伤；钻头磨合时间应该尽量短，以防止钻具内部活塞部位积砂；开始进行正常钻进时，对钻压的加载速度应该尽量地快，以便液动潜孔锤启动；液动潜孔锤启动后，泵压将指向正常示值，否则说明钻具没有启动，应将钻具提离井底后，再次放到井底加压到正常值；如果反复多次仍然无法确保液动潜孔锤的启动工作，应及时起钻检查；在钻进过程中的各项参数应保持在要求范围之内；为了了解井下液动潜孔锤的工作情况，需要对泥浆泵的压力和流量经常观察，有问题及时处理；泵压突然下降或上升，都表明孔内工具出现了异常问题，也就是说液动潜孔锤可能出现了问题，应该及时尽快做出反应，避免形成井下事故。4. 提钻后的操作：一般要求钻具提出钻孔后，都应该对液动潜孔锤内部零件进行清洗和检查。清洗的目的是防止钻具内的泥浆失水后形成的泥皮在液动潜孔锤内固结，造成零件拆卸困难。观察的重点是密封活塞部位、外管及接头连接扣、冲锤、上阀等零件，对已经出现严重磨损、冲蚀、变形的零件要及时进行更换，避免液动潜孔锤再次下井后出现不能正常工作的情况，或者引起孔内事故。必要时应该对液动潜孔锤的连接螺纹进行探伤检查；液动潜孔锤搬运及拆卸过程中，避免外力对管体的冲击，使外管变形造成内部零件拆卸困难和运动卡阻；推荐使用套管自由钳。与冲锤用锥配合连接的上下活塞，在经过一段时间使用后，如要更换，请用榔头轻轻敲打锥配合部分（注意让冲锤处于自由状态），