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液动冲击回转钻探技术的研究与应用(之一)

发布时间:2013年12月31日
来源:探矿工程在线

 

液动冲击回转钻探技术的研究与应用(之一)

 

苏长寿, 谢文卫

(中国地质调查局勘探技术研究所,河北 廊坊 065000)

 

1  岩心钻探施工中存在的主要问题

1)硬岩钻进时效低;

2)破碎地层易堵回次进尺短;

3)钻孔易斜。

 

2  液动冲击回转钻探的基本概念及特点

2.1  基本概念

液动冲击回转钻探是在回转钻探的基础上通过利用冲洗液驱动处于井底的液动潜孔锤(简称液动锤)对破碎岩石的钻头施加一定频率的冲击能量,用来加速碎岩,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与岩心管或钻头之间(取心或全面钻进),并随钻孔之延深而潜入钻孔中对钻头施加冲击负荷。(见图1

1  液动锤钻探与回转钻探对比

2.2  主要特点

液动潜孔锤钻探是对常规回转钻探的重大改革,是继现代金刚石钻探和空气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。

2.3  主要优缺点

2.3.1  与常规回转钻进相比

1)充分利用现场常规配套设备,基本不改变现有操作规程;

2)由于泥浆泵的泵压容易达到较高值,因此液动锤适应孔深更大(目前已经达到5118m);

3)硬岩地层钻进时效高;

4)破碎地层不易堵心,回次进尺长;

5)有效延长钻头寿命;

6)一定程度减轻孔斜强度;

7)能量消耗较低,环境污染少;

8)不怕含水层,护壁能力强;

9)操作容易维修方便。

2.3.2  与同样具有冲击功能的气动潜孔锤比较(见表 1

1  液动潜孔锤与气动潜孔锤的比较 

项目

液动潜孔锤

气动潜孔锤

设备配套

常规回转用设备简单

专门配置

功率消耗

适应孔深

大(目前已达5118m)

较浅

钻遇含水层

正常

有影响

钻进效率

较低

排岩削速度

一般

对环境污染

护壁能力

较差

对循环介质要求

严格

一次性

全面或取心

取心为主

全面为主

 

3  液动潜孔锤的分类

按照液动锤工作原理及主体结构大致可分为以下类别(见图 2)。

2  我国研制的主要液动锤类型

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)。

 

4  传统液动锤存在的主要缺陷

4.1  正作用液动锤存在的主要缺陷

1)阀、锤的工作弹簧对冲击能量影响大、弹簧寿命在高频冲击作用下易损坏(一般不超过40h);

2)对孔深的适应性敏感,受背压影响明显(一般在500m孔深以内);

3)不正常工作时将截断液流通道,必须提钻检查,否则将会出现烧钻事故。

4.2  传统双作用液动锤存在的主要缺陷

传统的双作用液动锤主要结构为锤、阀工作均为利用各自的上下活塞面积差,并通过处于砧头处的固定式节流环产生的压力增高推动。因此存在:

1)运动密封副多(最少4道),对冲洗液质量要求更高、运动阻卡几率大;

2)固定式节流环对冲锤下行做功将产生一定的阻尼作用;

3)对孔深的适应性较敏感,受背压影响较明显(一般在700m孔深以内)。

 

5  高效液动潜孔锤的研究与开发

根据上述简要分析可以看出,传统的液动锤已经不能适应当前不断加深的钻孔、钻遇岩石硬度大、破碎裂隙多的新形势,为此我们进行系列高效液动锤研究开发。

5.1  工作原理的研究与确定

5.1.1  工作原理及结构的确定原则

1)适用孔深大(大于3000m),能量要提高(较传统提高20%以上);

2)在由于各种原因液动锤不工作时可不提钻采取常规回转钻进方法以满足完成整个回次或牙轮钻头井内完整寿命;

3)结构简单、易损件寿命长且更换方便。

5.1.2  结构及工作原理

根据上述对传统液动锤的分析及新型高效液动锤工作原理和结构的确定原则,我们采用取得发明专利的双喷嘴复合式液动锤为其基本结构,以适应生产条件、高效、方便为着力点,对液动锤进行技术提升和完善。

1)基本结构:其主要零件有上阀组件、外管、冲锤组件和传功座、钻头(接头)等(参见图 3)。

3  YZX系列高效液动潜孔锤结构示意图

1-上接头;2-顶套;3-喷嘴;4-上缸套;5-阀;6-上活塞套;7-调节垫;8-扶正套; 9-上活塞;10-重锤;11-外管;12-下缸套;13-下活塞;14-调节垫;15-传功座套 16-传功座;17-短接; 18-卡瓦;19-花键套;20-花键轴

2)结构特点:密封副少、运动副不用橡胶件、科学分流。

3)工作原理:由地面泥浆泵输出的冲洗液通过钻杆到达液动锤的上接头,并经过喷嘴高速喷射出,在阀程区产生一低压区,诱使上阀逆流向上运动,而此液流将继续通过上活塞和冲锤抵达冲锤下腔形成高压,使冲锤在其上下活塞面积差的作用下快速上行并与已经处于上限位的上阀接触,将高速流动的冲洗液流截断,从而产生水击,使原处于低压区的上阀区变成高压区,下腔则成为低压区。此水击快速推动上阀和冲锤下行,上阀运行一段距离(称为阀程)后在限位台阶作用下停止运动,冲锤则在惯性和由于阀、锤打开冲洗液畅通的液流共同作用下继续向下运动直至冲击传功座将冲击能量输出,这样成为一个工作周期。如此循环周而复始。

5.2  新型高效系列液动锤突破的关键技术

1)与传统液动锤比较,该高效系列液动锤结构简化,密封副由4道减少到2道,有效地降低了运动件的阻卡几率。结构调整参数由5个减少到2个,取消了原有液动锤固定式节流环,减少击砧时的水垫作用,使液动锤在相同输入能量时输出的冲击能量提高了25%~50%。同时该系列液动锤具有工作稳定、操作简便,即使由于特殊原因不工作时也不会像传统液动锤迅速截断水路造成烧钻事故,而能保证现场采取常规回转方法钻完本回次或完成牙轮钻头的井内寿命,这一优势可以极大地改善现场安全使用液动锤的可靠性,有显著的实用意义。

2)通过科学合理的液动锤分流设计,使液动锤具有可调式、多孔分流结构,有效地解决液动锤工作泵量与钻井现场所用泵量不匹配(相差50%)的矛盾,传统液动锤没有解决此问题。

3)通过不同下活塞固结方式的试验,很好地解决了作为液动锤重要的易损部件——下活塞的现场更换,可极大的方便生产现场使用并节约成本。

4)对液动锤的关键部件——上下密封副,从材质、热处理工艺和表面耐磨工艺经过多轮试验的研究,确定了新的材质及热处理工艺,使得承受冲击零部件在表面具有较好的耐冲击时心部具有应有的韧性,从而提高综合性能;易损件在泥浆中寿命从10h提高到50h,在清水中提高到100h。

5.3  系列高效液动潜孔锤规格及参数

通过近5年的研发,根据发明专利原理研制的高效液动潜孔锤产品系列,可基本覆盖地质岩心钻探、地质灾害治理钻探、水文水井钻探、石油天然气钻井的满足不同钻探目的要求的完整的液动锤系列,共8种规格,口径54~178mm。见图 4图 5

4  YZX小口径系列液动锤

5  YZX大口径系列液动锤

 

6  SYZX系列绳索取心液动锤的研究

6.1  绳索取心钻探技术的主要特点

6.1.1  绳索取心钻探技术的主要特点

绳索取心钻进是一种先进的岩心钻探工艺,它改变了传统岩心钻探的基本操作程序。它采用大内直径的钻杆,在钻具里面套装一根取心管,在钻进过程中,岩心缓慢地装在取心管内。当回次进尺终了,岩心装满取心管需要提取岩心时,不用提升全套钻柱,而是采用绞车和钢丝绳将打捞器下放到孔内,将取心管连岩心一并提至地表。然后将空的取心管投到孔内(自重投入、干孔用钢丝绳送入,仰孔或水平孔用泵送入),继续钻进,从而实现了不提大钻取心,由于金刚石钻头的寿命比常规取心钻进回次长度高很多倍,因此采用绳索取心钻探时只有当钻头已经磨钝需要更换时(或发生孔内异常情况),才需要提出孔内全套钻柱。

6.1.2  绳索取心钻进技术的优点

与常规钻进相比,绳索取心钻进技术有以下优点:

1)纯钻进时间利用率大幅度提高,有利于提高台月效率;

2)钻杆和粗径钻具几乎同径,减少了钻进途中掉块、垮孔现象,非常有利钻穿复杂地层;

3)钻具的横向振动减轻,有利于保护岩矿心和提高钻头寿命。

因此,采用绳索取心钻进工艺能提高钻探生产效率和质量、降低生产成本和孔内事故的发生频率、减轻操作人员的劳动强度。

6.1.3  绳索取心钻进工艺存在的缺点

1)钻头壁厚,比普通钻头增加约26.8~36.6%(因型号不同有所差异)。剋取岩石面积增加约21.4~28.7%。使机械钻速下降,部分抵消了提高时间利用率的作用;尤其是在坚硬“打滑”地层中钻进,“打滑”不进尺的现象更为严重。

2)在破碎易堵的岩层中钻进时,岩心堵塞问题无法避免,包括进口的性能最好的绳索取心钻具,仍然造成频繁的打捞岩心,直接限制了生产效率的提高。

6.2  液动潜孔锤钻探技术的主要特点

液动潜孔锤钻进的不足:与普通回转钻进工艺一样,每个取心回次需要升降钻具,纯钻进时间利用率不高。劳动强度较大。

6.3  绳索取心液动锤的研究

通过上述的介绍可以看出,在钻探生产施工中,任何一项新机具和工艺的出现,都有其促进技术进步和提高生产效率的优势,也不能完全解决所有存在的问题,需要经过不断的改进、或与其它工具或工艺结合配套完善,才能真正发挥其优势和作用,并逐渐成熟地应用于生产并被使用者接受。因此,如果将上述两项技术进行科学结合,将其优势叠加,长项互补,将各自的不足消减,从而形成一种新的高效钻具,这是我们开展绳索取心液动锤研究的主要出发点。

基本思路:绳索取心钻探技术是一项先进的岩心钻探技术,通过几十年的研究使用和完善,已经成为我国岩心钻探技术的主体技术。因此,绳索取心液动锤的研发,其指导思想就必须是在以绳索取心钻具为基础,增加冲击功能,通过设计专用的连接、传动、传功、悬挂密封以其定位机构,将两种钻具进行科学合理的组合,使其实现投放、定位、传功、传扭、提拉伸缩打捞等一系列钻进功能,形成一种新的钻进和取心工具。

总体结构设计:根据上述基本思路,我们在绳索取心钻具和液动潜孔锤钻具的基础钻具选择上,采取了如下做法。由于目前绳索取心钻具品种多,规格全,因此,以S型作为基本机型,并在产品的面上兼顾所有在用的绳索取心钻具;而在液动潜孔锤的选择上采用上述介绍的YZX系列高效液动锤。图 6为该新型钻具(SYZX系列)的总体结构示意图。

6  SYZX系列绳索取心液动锤

SYZX系列绳索取心液动锤的总体结构分解为外总成和内总成。

1)外总成:与绳取钻杆相连接的弹卡挡头+弹卡室+上扩孔器(内装上扶正环)+上外管+承冲环接头+下外管+下扩孔器(内装下扶正环)+钻头。见图7。

7  绳索取心液动锤外总成

2)内总成:打捞定位机构+YZX系列液动锤+传功环+单动机构+上下分离机构+调整机构+内岩心管+卡簧座(内装挡圈和卡簧)。见图 8

8  绳索取心液动锤内总成

工作原理:SYZX系列绳索取心液动锤钻具是由双喷嘴复合式液动潜孔锤与绳索取心钻具结合而成的。主要由打捞系统、冲击系统(液动锤)传功及单动系统、岩石破碎和采集系统等组成。液动锤主要由上喷嘴、阀、上活塞(下喷嘴)、冲锤、下活塞、活塞套和锤轴等机构组成。

启动时,工作液体从钻杆内孔中通过经弹卡架上的径向导流孔进入液动锤由上喷嘴喷出,高速射流的卷吸作用将上缸套上腔介质抽往下腔,上腔迅速降压,同时由于下喷嘴的节流作用,上缸套下腔的压力升高;使阀迅速上行至上限。进入下腔的液流,经下喷嘴高速喷出,同样由于卷吸作用使锤体腔内压力下降,而与冲锤连接的下活塞底部由于水路被截断,压力升高,于是,形成压差,使冲锤上行抵达行程上限,上活塞与阀接触关闭水路,至此回程结束。冲程时,由于冲锤上活塞顶部与活阀下端闭合,高速液流被迅速切断而产生水击,上腔压力猛增;与此同时,冲锤下腔压力急剧下降,故上、下腔间压力差推动冲锤活塞和活阀向下运动。活阀抵达行程下限后,冲锤活塞因惯性继续向下运动,直至冲击砧子(锤轴接头),并将冲击力传递到传功环、承冲环、承冲环接头、下外管到钻头为止实现对钻头的冲击,而冲洗液则在通过液动锤花键轴内孔经轴接头的径向孔进入内外管环状间隙直达钻头。活阀与冲锤活塞又进入下一循环的回程,如此周而复始地产生冲击。

该系列钻具的结构特点:

1)该系列钻具可与目前现场使用的各种型号、规格的绳索取心钻具配套。

2)内置的YZX系列液动锤采用双喷嘴配流结构并与锤阀各自具有的面积差而运动,减少了密封副的数量,简化了钻具结构;无易损坏的弹簧零件,钻具寿命长;取消了固定式节流环,击砧水垫影响小,有利于深孔钻进;冲击功高,可大幅提高钻进效率。

3)内外管间及阀锤高低压区的密封均采用金属机械式密封,耐磨性能高,寿命长。见图 9

9  金属机械式密封

4)为增加传功环和承冲环的的受力面积,又不至于因冲击产生的轻微变形影响其正常功能,还要保证到位的准确性,冲击功传递装置采用具有相互限制的刚性结构。为防止承冲环接头因管壁薄和应力集中的双重作用发生断裂,增加安全性,特别设计了减应力槽,使传功装置简单可靠,更换方便。见图 10

10  刚性制约的传功装置

5)传功装置既能传递冲击功,又能起到到位报信的功能。若内总成投放不到位,冲洗液从内总成和外岩心管之间通过,只有少量冲洗液能进入液动锤,使液动锤不能正常工作——冲击频率很低或不工作。当内管总成到位——传功环坐落在承冲环上,内总成处于悬挂状态,防空打间隙在重力作用下闭合;送入孔内的冲洗液流到承冲环时,因通路封闭,被迫全部进入液动锤内,使其开始正常工作,从而实现到位报信功能。同时,液动锤利用冲洗液所携带的能量驱动其内部的冲锤产生一定频率的向下冲击运动,通过传功环传到承冲环上,承冲环再将其传到岩心外管一直到钻头上,实现对孔底的钻头施加冲击从而提高钻进效率。

6)设置全方位(3600)内管总成打捞矛头(见图 11), 以最大限度地保证内管总成打捞的安全性与可靠性,并极大地方便现场操作。

11  全方位内管总成打捞矛头

7)解堵塞。当发生岩心堵塞时,传功环相对承冲环上移,冲击功直接作用在岩心内管上,利用冲击振动即可消除岩心堵塞。

8)该系列绳冲钻具保留了原有绳冲钻具具有的上下分离接头装置,以保证捞取岩心时将内总成分离成上下两部分,防止因提出的内总成过长,造成其弯曲或折断

该系列绳索取心液动锤的结构示意见图 12

12  SYZX系列绳索取心液动潜孔锤钻具实物

 

7  三合一(绳索取心+液动锤+螺杆马达)钻具

利用螺杆马达作为孔底动力,钻杆不回转减少了与孔壁的摩擦力及对孔壁的敲击,孔内事故少的优点;利用液动潜孔锤给予钻头施以一定能量的高频振动,钻进效率高,岩心堵塞机会少的优点;利用绳索取心不提大钻取心、劳动强度低、辅助时间少的优点,研究成功了具有创新及多项高新技术集成的¢157mm液动锤+螺杆马达+绳索取心三合一组合钻具,利用各自的优越性,形成新的组合钻探技术。它是钻探技术的一场革命,它改变了传统的钻进工艺。这一技术在中国大陆科学钻探工程中心的支持下,试验成功,并获得了国家发明专利,具有独立的自主知识产权。(目前正在进行小直径钻具的研制。)

三合一钻具的主要参数:

钻具总长:约16.64米钻杆规格:Ф139.7/Ф110mm

钻头外径:Ф157 mm 钻头内径:Ф85mm (唇厚36)

外岩心管规格: Ф146×18 mm 内岩心管规格: Ф97×4.5 mm

取心长度:4.5m 液动锤规格:YZX98

螺杆马达规格:C5LZ95×7.0 螺杆马达排量:5-13.3 L/s

输出扭矩:1490 N.m 输出转速:140~320 r/min

 

(未完待续)

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