科钻一井液动锤前期研究与试验

  针对地层坚硬、破碎、强致斜等情况，为了降低成本、提高钻进效率、减少起下钻次数，科钻一井施工设计将液动锤冲击回转钻进技术作为钻进施工的重要技术手段。在工程的论证阶段，科钻中心投入了一定的资金组织大口径、长寿命液动锤的研究。最初，工程初步设计确定液动锤应用在金刚石取心钻进上，考虑到国内有研究单位和施工单位在大口径、高冲击功的液动锤研究方面取得了一定的成功，所以在扩孔钻进或全面钻进也试用了液动锤冲击回转钻进，以提高钻进效率和减少钻孔弯曲。
 
  在科钻一井项目启动阶段，科钻中心2000年设立了两个大口径全面钻进液动锤的研究项目：
 
  < SYZX273液动潜孔锤的研究》和《用于科学深钻射流式液动锤研制》。同时，根据计划采用绳索取心钻进工艺的技术思路，又设立了《KS-152绳索取心液动冲击器总成的研究》的研究项目。
 
  钻探子工程的设计中，在全面钻进、提钻取心钻进和绳索取心钻进工艺中将液动锤技术作为重要的施工技术手段之一，并根据液动锤钻进工艺的需要，进行了相关技术和工具的准备工作。1999年6～7月，科钻中心为了给科钻一井施工做必要的液动锤技术准备，在预先导孔CCSD-PP2的施工后，进行了一次大直径液动锤全面钻进试验，对射流式液动锤和阀式双作用液动锤锤进行了试验和对比，找出了各自的不足和优势，以促进其技术的完善。
 
  1．液动锤工作原理。
 
  科钻中心根据不同类型液动锤的应用情况，选择了阀式双作用液动锤和射流式液动锤；根据研究单位的研究实力和研究方向的侧重点不同，选择了勘探技术研究所研发阀式双作用液动锤，原长春地质学院研发射流式液动锤。
 
  1)射流式液动锤的结构与工作原理。
 
  (1)结构。射流式液动锤主要由射流元件、内缸、活塞、冲锤、砧子及外管等组成。
 
  (2)射流式液动锤的工作原理。高压泥浆经上接头进入，通过射流元件喷嘴产生高速射流束，射流的附壁效应使其附壁于一侧．经射流元件的输出道进入内缸，推动活塞冲锤运动。内缸另一侧的泥浆经射流元件非附壁一侧的输出道由射流元件的排空孔排出射流元件外，经射流元件和内缸外侧的通道及砧子、下接头中心孔进入单动双管钻具。射流元件为双稳态对称型，射流束可交替附壁于任一侧壁。当冲锤运动到上下死点时缸体内流体水击压力瞬间骤增，产生压力信号，通过射流元件底板、盖板上的信号孔和控制道推动附壁的射流束切换于另一侧，从而完成射流的切换和冲锤运动的换向。
 
  (3)射流式液动锤的特点：①射流束的附壁与切换原理，决定了该类液动锤不受孔内围压及孑L深的影响，利于深孔钻进；②整套液动锤仅有活塞冲锤为运动件，利于提高液动锤的工作寿命与可靠性；③活塞冲锤冲击行程可较大幅度调节，从而改变冲击频率和单次冲击功；④液动锤内部所有流道均为常通型，即使液动锤不工作，泥浆也可通过；当冲锤以最大冲击速度撞击砧子时，缸体内的流体可实现差动回路，即缸体排水一侧的泥浆，可进入缸体的另一侧，以补充活塞高速运动瞬间泥浆排量的不足。
 
  2)阀式双作用液动锤的结构与工作原理。
 
  (1)结构。阀式双作用液动锤利用阀与冲锤运动和位置配合来实现对液流的控制，从而使冲锤产生稳定的往复冲击运动。
 
  (2)工作原理：①起始状态。阀和冲锤处于下限位置，当泥浆流过液动锤时，由于砧子中心的节流孔的作用，使得液动锤内节流孔以上泥浆通道（图中红色带箭头线条所示区域）建立起与环空的压力差。②阀先上行。阀上行动力为钻井液对上阀上下密封面积差产生的作用力，阀开始加速向上运动。③阀到上限位。上阀在加速运动的过程中率先到达上限位置，并停止运动。④冲锤上行。
 
  冲锤此时在其上下活塞密封面积差产生的作用力的作用下向上加速运动，冲锤的上行加速度低于上阀的上行加速度，如果在流量和压力比较低的情况下冲锤开始上行的时间要晚于阀。当压力比较高时，两者的上行运动起始时间可能会相同，但是冲锤的加速度低，其速度较慢。⑤锤阀闭合封闭液路。冲锤以较低的速度上行，到达上限位置时间滞后于上阀，其上限位置即实现与阀的接触，阀的下端面封闭了冲锤的中心通孔，阻断了液路的通道。⑥锤阀共同受力下行。当冲锤上活塞端面接近上阀的下端面时，上阀的下端面与上活塞内孔之间形成截流，上阀开始由静止状态逐渐加速向下运  动。同时，冲锤也开始进入减速运动阶段，当冲锤与上阀接触后，二者克服泥浆压力差共同减速继续上行，直到速度为零而转入向下冲击行程阶段，此时下腔的流体通过砧子中心的节流孔向外排出。⑦阀到下限位冲锤继续下行。冲锤与上阀受压力差的作用向下加速运动，由于阀到达下限位而停止运动，冲锤继续下行，打开冲锤上活塞与上阀之间的液流通道，冲锤下腔压力逐渐建立起来；此时冲锤受到上下活塞面积差产生的上举力作用，冲锤继续下行进入了减速冲击行程阶段。⑧冲锤打击砧子起始状态。在冲锤继续下行直到打击砧子，将其携带的动能传递给砧子，又恢复到了起始状态：阀和冲锤再次进入回程加速阶段，开始下一个冲击过程。
 
  (3)阀式双作用液动锤具有以下特点：①采用容积式工作原理，能量利用率高，可以输出较大的冲击功；②配套简单，操作方便，启动灵活；③易损件成本低，维修简单，费用低；④参数调整范围大，可适应多种钻进工艺需求，如全面球齿钻头钻进和金刚石钻头取心钻进。
 
  2．初步试验情况。
 
  1)基本情况。
 
  液动锤初次试验在江苏省东海县毛北村进行，试验钻孔距CCSD -PP2钻孔约20m，设计孔深lOOm。液动锤钻进孔段的钻孔直径分别为：上部孔段采用球齿冲击钻头钻进，孔径158mm;下部孔段采用牙轮钻头钻进，孔径152. 4mm。
 
  2)试验结果分析。
 
  根据此次液动锤钻进试验结果，可得出以下结论(张伟等，2005)。
 
  (1)液动锤钻进是大直径硬岩钻进的有效方法。试验结果表明：在较软的片麻岩中，液动锤钻进的钻速达到了5m/h;在坚硬的片麻岩中，液动锤钻进的钻速接近于3m/h，远高于在相距20m的预先导孔CCSD-PP2的相同孔段的取心钻进。钻速提高主要是因为液动锤的冲击动载加强了牙轮钻头合金齿对孔底岩石的冲击动载作用。
 
  (2)牙轮钻头可作为大直径硬岩液动锤全面钻进的配套钻头。在钻进的第二阶段，岩石突然变硬，采用球齿冲击钻头钻进时液动锤提供的冲击能量不足以在岩石中产生体积破碎，碎岩形式是疲劳破碎，钻进效率低。钻头合金齿的相对磨损却很快。齿磨钝后，钻进效率更低，形成恶性循环。
 
  在第三阶段，采用牙轮钻头钻进，钻进速度明显改善(从0. 83m/h提高到2.93m/h)，钻头合金齿磨损轻微，属于正常范围。牙轮钻头能有效钻进的原因如：①在钻进期间的任一瞬时，牙轮钻头上与地层接触的齿数较少，故在相同的液动锤冲击能量条件下，牙轮钻头作用于地层的碎岩比功较离。②牙轮钻头本身就具有冲击碎岩作用，叠加了液动锤的冲击作用后，更容易在坚硬岩石中产生体积破碎。③由于岩石能产生体积破碎和牙轮齿换位磨损这两个因素，钻头齿磨损轻微，能在较长时间内保持有效的工作状态。
 
  (3)射流式和阀式双作用两种液动锤皆适用于硬岩大直径全面钻进。此次试验采用了两种液动锤：KSC127型射流式双作用液动锤和YZXl27型阀式双作用液动锤。
 
  (4)牙轮钻头能承受较高能量的冲击作用。对于液动锤与牙轮钻头配合使用，人们普遍担心的是，牙轮钻头能否承受高能量的冲击作用，使这一钻进系统在高效工作的同时，还具有较长的寿命。最主要的担心是钻头的轴承和合金齿，对于小直径钻头尤其如此，因为小钻头的轴承和合金齿更小、更弱。但是试验结果表明，试验采用的牙轮钻头能够承受较高能量的冲击作用。
 
  试验中采用了两只6H637型三牙轮钻头——一种适用于硬岩的滑动密封轴承镶齿钻头。l 8钻头进尺26. 44m，其中在较软岩石中进尺4.3m，在硬岩无冲击条件下进尺1.78m．与液动锤配合使用进尺20. 36 m。2#钻头进尺24. 52m，全部在硬岩以及与液动锤配合使用的条件下钻进。至试验结束，两只钻头牙齿和轴承的磨损程度都较轻。钻头齿的齿形无明显变化，无掉齿和断齿。两只钻头的6个牙轮中，仅有一个牙轮有较为明显的旷动，其他的旷动不大。
 
  3)问题和不足。
 
  (1)试验条件主要有两点不足：①钢绳加压给进方式，由于现场条件所限，无法测量实际的钻压：该加压装置的能力较低，试验钻进的钻压偏低。②名义功率120kW发电机组的柴油机已使用20多年，机组的输出功率远低于其名义功率，不能满足90kW水泵系统的需求，液动锤不能获得足够的水力功率，其输出参数（冲击功和冲击频率）和碎岩效果受到一定的影响。
 
  (2)孔斜控制措施不当。本次试验的目的之一是检验液动锤钻进在孔斜控制方面的作用，但是试验钻孔井斜比较大(表8-18)，液动锤在井斜控制方面的效果没有得到体现。分析认为，一些其他致斜因素的影响超过了液动锤钻进井斜控制的作用。除地层强致斜外，还有一些原因：①开孔时没有一套刚性好、扶正的粗径钻具，开孔钻进便造成了孔斜；②孔底钻具组合只有两个扶正器，彼此相距很短（2m左右），扶正和保直效果差；③扶正接头直径与钻头相差太多(钻头158mm，接头151mm)，使防斜效果不好的双扶正器系统防斜效果更差；④采用地表主动钻杆和钢绳加压系统，钻具刚性差，受压产生弯曲且运动不平稳，钻进时牙轮钻头跳动严重，这也是钻孔严重倾斜的重要影响因素之一。
 
  (3)液动锤钻具问题。①KSC127型射流式液动锤。KSC127钻具下孔17次，有6次未能正常工作，其中1次是因为接钻杆时带入碎石造成液路堵塞，其余5次未正常工作的原因是缸体内的轴向间隙调整不合适。②YZX127阀式双作用液动锤。
 
  YZX127钻具下孔12次，每次下孔液动锤皆正常工作。但是4次因零部件断裂而提钻，其中花键轴与下扶正接头的丝扣连接断裂1次，液动锤上阀断裂2次，活塞断裂1次。
 
  YZXl27液动锤钻具中冲锤的质量与被冲击部分的质量之比严重失衡。合理的质量比应大于或等于1：1，而试验中YZX127钻具实际的质量比是0.42：1(冲锤质量23kg，被冲击部分的质量55kg)，导致冲锤每次冲击时产生反弹损失部分冲击能量，影响了冲击功的有效发挥并增加了液动锤内部零件的工作负荷。另外，花键轴与下扶正器连接的冲击功传递效率低，影响钻进效果。
 
  大直径硬岩液动锤全面钻进试验获得了较圆满的成功。通过试验，了解了大直径硬岩液动锤全面钻进的可行性、配套钻头的适应性和钻进工艺参数；检验了不同类型液动锤的使用效果，发现了不足，明确了进一步改进和完善的方向。此次试验为科钻一井施工采用液动锤技术积累了宝贵的经验。
 
  试验对这两类液动锤全面钻进效率进行了对比两者差距不大。总体上，阀式液动锤具有较好的稳定性和较高的钻进效率，但是液动锤内部零件存在诸多问题，有待改进。