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（Pan American pertroleum Co）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 Γ—7 和 Γ—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 100μm 过滤，直径为 96mm 的液动锤钻 120mm 孔，泵量在 160—330L/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 YZ－54－Ⅱ型、原长春地质学院的射流式 SC—54 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 ZF—54 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 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 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；ZL 02 1 25436.2）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， （50～150rpm）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。