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地热打井技术科钻一井液动锤在先导孔的应用与改进
1．基本情况。
先导孔取心初期，由于取心钻具尚未完善，所以暂未试用液动锤技术。在螺杆马达提钻取心钻进进入正轨后，2001年8月开始试用YZX127阀式液双作用动锤和KSC127射流式液动锤。液动锤在先导孔中的应用可分为三个阶段：第一阶段，液动锤初步试用，暴露出了两种液动锤对现场条件的不适应性，在这个阶段液动锤穿插在正常生产过程中试用；第二阶段，液动锤探索和改进，液动锤的性能有所改善和提高，仍不能满足取心钻进施工的要求；第三阶段，YZX127阀式双作用液动锤性能明显改善，基本适应了现场取心钻进的施工要求，被普遍采用，并取得了优良的经济效益。
1)第一阶段(218. 44～789. 60m)。
第PH66回次(井深218. 44m)首次采用YZX127液动锤，液动锤在工作了20min后停止了工作，出于安全因素考虑，起钻检查液动锤，发现液动锤内的上阀被泥砂卡死。该回次钻进表明：采用YZX127液动锤可大幅度提高钻进效率，机械钻速达到2.97m/h，远高于常规回转钻进。随后，YZX127液动锤穿插应用，液动锤工作稳定时可以大幅度提高钻进效率和回次进尺。PH142回次出现钻头打滑，钻进效率极低(只有0. 03m/h)，PH143回次加上了YZX127液动锤，钻进效率提高到1. 2lm/h，显示出液动锤对提高钻进效率的卓越表现。但是，多数情况下，液动锤的阀被泥浆中的砂粒卡死，液动锤不能启动或连续完成一个回次的钻进，于是停止了试用。随后在室内进行了改进和台架试验。该阶段YZX127液动锤一共下井14个回次，累计进尺22. 88m，平均机械钻速0. 74m/h。
从PH238回次(井深578. 90m)开始试用KSC127射流式液动锤，机械速度和回次进尺有明显的提高。KSC127液动锤稳定性比该段YZX127阀式双作用液动锤高，但是使用一段时间后稳定性有所降低；KSC127液动锤即使不工作也不会导致泵压升高，但存在元件耐冲蚀性、密封性能和装配间隙调节难以控制等问题。经过改进有所提高，最终还不甚理想。该阶段KSC127液动锤一共下井20个回次，累计进尺60. 85m，平均机械钻速1.26m/h。
该阶段共使用液动锤钻进了34个回次。
两种液动锤都根据各自存在的问题进行了改进，穿插在螺杆马达提钻取心钻进过程中进行试验。这个阶段YZX127液动锤的改观并不理想，KSC127液动锤的性能表现较好，进尺较多。从第PH326回次(井深789. 60m)到第PH470回次（井深1208. Olm），YZX127液动锤使用了6个回次，累计进尺13. 4m，平均效率为0.64 m/h; KSC127液动锤使用了72个回次，累计进尺243. 06m,平均效率为1.06m/h，平均回次长度3.38m。
3)第三阶段(1209. 61—2046. 54m)。
根据前两个阶段试用中存在的问题，对YZX127液动锤进行了一次彻底的改进，完成了室内改进试验后，于2001年12月底开始试用。YZX127液动锤井下稳定工作概率从30%提高到90%，还解决了液动锤不工作时堵塞循环通道而憋泵的问题，液动锤的寿命大幅度提高。
这一阶段，两类液动锤都具有了一定的实用性，取心钻进施工开始全面应用液动锤。为了进一步筛选性能比较好的液动锤，提高液动锤入井的成功比率，保证良好的使用效果，现场对两种液动 锤进行了全面对比。下钻前在井口进行液动锤工作试验，井口试验通过才可以入井，每个圆次交替采用两种液动锤o-在这个阶段．YZX127_液动锤工作效果优良，钻进进尺占60%。从第471回次(井深1209. 61 m)到终孑L的第657回次(井深2046. 54m)，KSC127液动锤累计下井51个回次，进尺250. 89m，平均效率为1.07m/h，平均回次长度4.92m；YZX127液动锤累计下井107个回次，进尺512. OOm，平均效率为1.16m/h，平均回次长度4.79m。
在不断改进液动锤的同时，对液动锤的工作环境也进行了改善，在钻井液中加入1%的GLUB润滑剂，提高钻井液的润滑性，加强泥浆固相控制。这些措施明显提高了液动锤的稳定性和使用寿命，减小岩心进入内管的阻力，进一步提高了钻进效率和回次进尺长度。
第三阶段绝大多数回次采用了液动锤钻进(表8-22)，由于液动锤工作稳定性和可靠性的提高，回次长度提高明显，达到了89%。岩心采取率从55%提高到82. 5%，说明液动锤对提高岩心采取率有较大的作用。
在先导孑L取心钻进阶段，由于两种液动锤的结构和工作原理不同，在使用中遇到的问题及解决办法也不同，下面分别进行论述。
2．KSC127型射流式液动锤的应用与改进。
1)存在问题及改进措施。
(1)内缸侧通道密封泄露。由于泥浆排量较大、压力高，射流式液动锤内缸侧面的长方形流体通道周边的“0”形密封圈容易发生泄露。泄露一旦产生，很短时间内便会冲蚀出沟槽，使高压腔与低压腔沟通，液动锤停止工作。针对此问题，对内缸的密封结构做了两种改进。
原内缸侧流道采用单“0”形密封圈结构，改为双层“0”形密封圈结构，改进后密封效果良好，试验中再未出现泄漏问题，有效解决了内缸泄漏问题。
原内缸侧流道采用外通道式结构，即流体通道由内缸和外缸之间的配合密封而成，改为内通道式结构，即在内缸体上加工弧形排水孔，形成流体的侧通道，从根本上解决泄漏问题。
试制了两个新内缸，试验中泄漏问题解决了，但结构复杂，寿命低。
射流元件在射流式液动锤中属易损件，在岩心钻探中应用，平均寿命为60～lOOh。但在科钻一井中试用，射流元件工作腔冲蚀严重，寿命很短，一般只有十余小时。分析其原因主要是：泵量过大，致使元件射流的速度超高，加剧了元件工作腔的磨损；泥浆固相含量虽控制较好，并未超标，但小于固相指标的微颗粒浓度较大，泥浆高速射流对元件造成了严重的冲蚀与磨损，使液动锤工作失效。
现场采用了两种改进措施：
射流元件工作腔增加硬质合金衬板，主射流冲蚀的范围内均处于硬质合金保护之下，从而提高射流元件的工作寿命。
增大喷嘴断面积，以降低射流的喷射流速。元一件喷嘴的宽度由5mm加大到8mm，使其断面积增大了60%，喷嘴的流速由92. 3m/s降低到53. 6m/s，减轻了对元件的冲蚀与磨损，提高了射流元件的工作寿命。
(2)液动锤设计的额定流量与现场流量不匹配。按施工设计的钻孔直径及泥浆上返流速，液动锤的设计额定流量为5～6L/s。因现场施工方案采用了螺杆马达，泵量为9～12L/s。过大的泵量导致了液动锤内部各流道流速增高，尤其是射流元件喷嘴流速过高，造成磨损加剧，缩短了液动锤的使用寿命。过大的泵量，同时造成泵压增高，引起液动锤内部各处密封产生泄漏。
解决现场泵量偏大的问题，采取了分流的措施。在调整垫片上增设两个分流孔（图8-29），孔的直径由计算确定，分流量为总流量的1/4～1/3。
进入到液动锤的总流量经分流后分配给射流元件，进入到液动锤缸体内做功的泥浆只为总泵量的2/3～3/4，使液动锤处在额定范围内工作，提高了液动锤的工作寿命和可靠性。实际应用结果表明，效果良好。但由于时间仓促，分流孔没来得及镶硬质合金喷嘴，调整垫片的分流孔冲蚀很快，寿命太短。加镶硬质合金喷嘴后，该方案应是一种可行的方案。
2) KSC127型射流式液动锤的应用情况。
(1) KSC127型射流式液动锤首轮试用效果。KSC127型射流式液动锤于2001年9月20-22日首次下井试验。液动锤钻进与常规钻进交互进行。
从237～244回次连续统计8个回次（其中4个回次为常规钻进，4个回次为液动锤钻进）。
初步试验结果表明：采用液动锤钻进，机械钻速提高54%，回次进尺长度提高139%，岩心采取率提高到100%。试验的4个回次中，均因机上余尺打完或岩心管内岩心已满而提钻，未发生岩心卡堵。
(2)冲击回转钻进应用效果分析。统计PH340回次(井深823. 79m)至PH469回次(井深1208. 01m)的连续130个回次钻进数据，其中KSCl27型射流式液动锤钻进72个回次，常规回转钻进58个回次。
先导孔采用射流式液动锤钻进，由于泥浆排量较大，射流式液动锤某些结构不适应，存在液动锤工作寿命偏低、非正常钻进回次所占的比率较大等问题，先导孔的液动锤钻进过程应属于试验应用阶段，出现的问题在先导孔阶段已逐步得到解决。
3．YZX127阀式双作用液动锤的应用与改进。
1)存在问题与解决方法。
在科钻一井先导孔取心钻进施工中，YZX127液动锤遇到了许多难题，为解决这些问题，两次在冲击回转试验台进行改进与调试，在1200m以下的井段才得到连续的使用。改进工作主要有以下几方面(谢文卫等，2005)。
(1)泵量匹配。先导孔取心钻进采用螺杆马达作为回转动力，螺杆马达与液动锤同为井底动力机，依靠循环泥浆提供动力，因此要求液动锤泵量与螺杆马达泵量匹配(7～12L/s)，否则相互产生影响。
在设计YZX127时，已考虑到适应较宽的泵量和冲击功适应范围，在行程和泵量等方面都留有较大的可调节余地。根据现场螺杆马达要求的泵量，通过调节液动锤的内部零件参数，使液动锤的泵量范围由3～6. 5L/s提高到7～12L/s，实现了泵量与螺杆马达的泵量匹配。
(2)冲击功的匹配。先导孔取心钻进施工主要采用金刚石单动双管取心钻具，采用液动锤的主要目的是提高机械钻速、减少岩心堵塞、提高回次进尺长度和岩心采取率，要求液动锤的冲击功在不降低钻头寿命的范围内，且不引发井下事故。
YZX127液动锤的上阀行程和自由行程具有很大的调节范围。为适应小冲击功的要求，将上阀行程调整到20mm以下，同时将自由行程调整到10mm以上，减小液动锤的有效做功行程，增加阻力行程，这样既可实现小冲击功输出，同时也可使液动锤适应大泵量的工作条件。
(3)活塞寿命。YZX127液动锤室内寿命试验中，零件在清水介质中连续工作了70h后，直径最大配合间隙只增加0. 23mm。而现场使用的动力介质是泥浆，含砂量虽然不高，但是细且硬的固相成分积累较多时，大幅度降低液动锤的活塞使用寿命。普通合金钢材料的活塞工作6h后，直径配合间隙增至0. 6mm，采用氮化工艺处理的活塞工作6～8h后，0.2～0. 4mm氮化处理层也磨损殆尽，因此泥浆中的固相研磨颗粒对零件的磨蚀作用是不可轻视的。
针对这个问题，对活塞副配合面进行了耐磨材料热喷涂处理工艺，大幅度提高了活塞使用寿命。在使用中曾经有一套液动锤连续工作5个回次（第PH532～PH536回次）不检修，取得了累计工作时间17. 58h、累计进尺26. 30 m、平均回次长度5.26 m（岩心简装满）、平均机械钻速1. 50m/h的好成绩，该液动锤在检修时尚可继续使用（图8-31）。通过理论分析和计算发现在进行液动锤设计时，应适当在活塞的参数匹配方面作考虑。当活塞副发生一定程度的磨损后，液动锤的参数匹配关系并未破坏，虽然液动锤的能量利用效率会有所降低，但液动锤依然可以正常工作。在科钻一井先导孔的后期应用中，采用此思路改进了液动锤，用普通合金钢材料表面淬火的活塞达到了合金粉末热喷涂处理活塞的寿命。
(4)疲劳强度问题。YZX127液动锤在先导孔应用之前，出现过零件冲击疲劳断裂问题，分别从材料选择和热处理、零件结构设计方面着手予以解决。
零件材料和热处理方面：首先分析该零件出现问题的原因，将材料的强度和耐冲击疲劳性能作为重点。对我国现有的各种高强度合金钢进行调研，筛选出几种品质性能高的钢材作为备选，然后针对此类钢材的热处理和机加工性能再次进行对比，同时也从国内钢材供应角度综合进行考虑，确定关键零件的材料和热处理工艺。
零件结构方面：设计时应将零件的尖角、过渡台阶等容易产生应力集中的部位全部圆角化处理，简化零件的结构，避免应力集中。根据在大口径硬岩钻进试验中发现的上阀多次断裂的问题，采用新的上阀结构设计，很好地满足了零件工作所需的结构参数和强度要求，从而大幅度提高零件 容易断裂部位的强度，避免此类问题的再次产生。
为验证改进是否有效，该液动锤送到现场前在室内试验台上通过了70h连续寿命试验，证明零件的强度满足了设计要求。在先导孑L施工期间，除了出现一批零件的上阀由于加工原因而在工作6--8h后断裂外，没有再出现过其他的强度问题。
(5)对泥浆的适应性问题。对泥浆的适应性问题是YZX127液动锤应用中遇到的最难解决的问题，投入的时间、精力和物力最多。认识和解决这一问题经历了3个阶段。
第一阶段：采用最初改进后的样机，改进主要是降低液动锤的冲击功和提高泵量适用范围。该阶段液动锤下井后启动成功率不高，地表检修发现：
液动锤上阀的配合间隙中存在结实的泥垢，将上阀或心阀卡死。其原因是由于活塞配合间隙与岩石中的小裂隙类似，根据泥浆的堵漏特性，一旦有直径与间隙尺寸相近的固相颗粒进入活塞间隙就可能导致架桥，然后泥浆中的各种组分在泥浆压力差的作用下失水，像封堵地层裂隙一样将该间隙封堵起来，从而导致上阀或心阀卡死，使液动锤不能工作。然后，由于液动锤不工作导致内部液体的流动稳定，在井底马达的高速旋转作用下产生离心效应，在外管内壁结了很厚的泥皮（图8-32）。另外当零件卡死后，间隙密封部位由于零件没有运动换位，导致泥浆长期定位冲蚀而形成坑槽，致使零件的过早报废。
零件卡死的情况在室内调试和其他野外生产试验的清水钻进中没有发生过，初步分析其主要原·因是由于零件受到泥浆驱动的动力比较低所致，通过提高上阀和心阀的驱动动力应该能够解决泥浆中的固相阻卡问题。
现场应用结果显示：该阶段一共下井14回次，完全正常工作的回次只有7回次，累计进尺只有22. 88m，平均回次长度1.63m，平均钻进效率0.74m/h。在该阶段只能说液动锤显示了提高钻进效率的端倪。
第二阶段：针对第一阶段存在的问题和分析，对液动锤进行了第二轮改进：提高上阀上下面积差；提高心阀的质量；适当减小心阀的中心孔直径：改进上阀的上活塞密封结构。由于每回次下钻到底时需要磨合钻头或将钻头提离孔底循环，液动锤不能启动工作，活塞副处于静止状态，泥浆中的固相颗粒更容易聚积造成卡死。于是设计了启动阀组件，使液动锤防空打机构闭合时可以产生突然的激动效果，提高液动锤下井启动成功率。
采用经过改进的液动锤，试验结果显示液动锤的启动性能依然没有明显的提高，这条思路不能有效地解决泥浆固相阻卡问题。该阶段液动锤的累计进尺只有13. 44m，平均回次长度2.23m，平均钻进效率0. 63m/h。
第三阶段：总结前两个阶段的经验，从强制解决改为疏导解决活塞遇卡问题，增大密封副螺旋槽的尺寸、延长密封面的长度、适当增加活塞的配合间隙，从而减少泥浆中固相颗粒在活塞间隙停留的概率，在不减少密封有效接触面积条件下，提高冲锤、上阀和心阀的运动动力，合理匹配参数，并室内试验台进行了第三次改进液动锤的调试和测试。
第三次改进后的液动锤在科钻一井现场试用取得了满意的效果，液动锤工作稳定性大幅度提高，启动成功率达到95%以上。除由于装配不当或上阀断裂、过度磨损等原因导致不正常工作外，只要正确装配都可入井正常工作。该阶段液动锤共计使用107回次，累计进尺512. OOm，平均效率为1. 16m/h，平均回次长度4.79m。比第一阶段的钻进效率提高57%，回次长度提高194%。
值得一提的是该阶段后期，进一步完善了液动锤的结构，对泥浆的性能进行了改进，在泥浆中加入润滑剂，液动锤的零件摩擦阻力降低，工作性能和磨损情况也大为改观。1832. 8～2025. 17m井段是液动锤钻进技术在先导孔应用中的最好阶段，施工效率甚至超过500m浅孑L段的施工效率，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（岩心简装满），平均钻进效率1. 32m/h，比第一阶段的钻进效率提高78%，回次长度提高340%。YZX型阀式液动锤通过在科钻一井先导孑L中的不断改进，性能不断提高，已经适应钻进施工应用的需求。
2) YZX127阀式双作用液动锤的应用情况。
自2001年8月到2002年4月，YZX127液动锤在先导孔施工中累计下井127回次，总进尺548. 28m。图8-34展示了YZX127液动锤的总体统计结果：平均机械钻速1.llm/h(最高钻速2. 97m/h)，平均回次长度4.32m(最高8.72m)。与纯回转驱动相比机械钻速提高52.3%，回次长度提高100. 1%。
YZX127液动锤使用经历J，三个阶段的不断改进，应用效果逐步提高。
YZX127阀式液动锤在先导孔应用中表现更高的钻进效率、稳定的工作状态、维修成本低、结构参数调节范围宽、现场适应性广的特点。
4．先导孔阶段液动锤应用总结。
从液动锤在科钻一井先导孔中的应用，可得出以下认识。
(1)阀式液动锤可用于深井钻进施工：在先导孔由浅到深的应用过程中，液动锤的工作性能和效率未受到明显的影响，由于液动锤的工作稳定性和适应性的改善，深井段的钻进效率和回次长度比浅井段有所提高，证明阀式液动锤对背压的敏感性并不高，成功地在2000m的深井中得到应用。
(2)改善泥浆性能：严格控制固相含量，提高泥浆的润滑性能，可以明显提高液动锤的应用效果。
(3)进一步提高阀式液动锤的性能：零件的使用寿命有待进一步提高，其中零件的疲劳强度问题已基本解决．但是活塞密封配合面的寿命还需要进一步深入研究，以延长每次检修后液动锤的连续工作寿命。
(4)液动锤的结构应进一步简化：为了减少更换易损件的成本，设计结构上相对复杂；在寿命提高的基础上，如果进一步简化结构，将会进一步减少使用中存在的问题，提高液动锤稳定性。
1)取得的成果。
液动锤在先导孔中的应用是逐步改进提高的过程，根据其应用效果可分为三个阶段。第一阶段：液动锤的初步试用，暴露出了两种液动锤对现场条件的不适应性，射流式液动锤表现较好；第二阶段：液动锤的探索和改进阶段，性能有所提高但是尚未能完全满足施工要求，该技术已在多数取心钻进回次中使用；第三阶段：YZX127阀式双作用液动锤取得突破，性能明显改善，基本适应了现场使用的要求并得到普遍的应用，同时现场通过在泥浆中加入润滑剂，改善了液动锤的使用环境，进一步提高了液动锤的工作性能，获得了明显的经济效益。先导孔取心钻进后期，液动锤性能更加稳定，钻进效率、回次进尺长度、岩心采取率提高明显（表8-28）。由于采用了液动锤技术，取心钻进施工避免了大钻压钻进，对先导孔井斜控制起到了非常重要的作用。
液动锤除了有提高钻进效率的作用外，另外一项重要的优点是减少岩心堵塞、增加回次进尺，平均回次进尺由纯回转钻进2. 18m提高到4.09m，这样可减少起钻次数达60%以上，节约了大量的起下钻时间，对先导孔的提前完工、大幅度降低施工日费起到了重要的作用。
2)存在的问题。
两种液动锤在先导孔应用过程中遇到了前所未有的难题，这些问题在地质勘探中是难以遇到的。通过努力，克服了众多的难题，进一步提高了液动锤技术水平，较好地适应了现场较为复杂的施工环境。
KSC127射流式液动锤在前期的应用效果相对较好，但是由于其自身的核心一射流元件的耐冲蚀性较为敏感，机械加工和装配要求高，虽然经过不断的改进，但后期使用效果仍没有明显提高。
YZX127阀式双作用液动锤开始阶段对现场条件适应性较差，但经过多次改进，先导孑L后期阀式双作用液动锤的适应性和工作稳定性得到了较好地解决。
两种液动锤都存在密封性能不足，导致内部零件意外冲蚀损伤的情况经常出现，整机工作寿命不高。
先导孔取心初期，由于取心钻具尚未完善，所以暂未试用液动锤技术。在螺杆马达提钻取心钻进进入正轨后，2001年8月开始试用YZX127阀式液双作用动锤和KSC127射流式液动锤。液动锤在先导孔中的应用可分为三个阶段：第一阶段，液动锤初步试用，暴露出了两种液动锤对现场条件的不适应性，在这个阶段液动锤穿插在正常生产过程中试用；第二阶段，液动锤探索和改进，液动锤的性能有所改善和提高，仍不能满足取心钻进施工的要求；第三阶段，YZX127阀式双作用液动锤性能明显改善，基本适应了现场取心钻进的施工要求，被普遍采用，并取得了优良的经济效益。
1)第一阶段(218. 44～789. 60m)。
第PH66回次(井深218. 44m)首次采用YZX127液动锤，液动锤在工作了20min后停止了工作，出于安全因素考虑，起钻检查液动锤，发现液动锤内的上阀被泥砂卡死。该回次钻进表明：采用YZX127液动锤可大幅度提高钻进效率，机械钻速达到2.97m/h，远高于常规回转钻进。随后，YZX127液动锤穿插应用，液动锤工作稳定时可以大幅度提高钻进效率和回次进尺。PH142回次出现钻头打滑，钻进效率极低(只有0. 03m/h)，PH143回次加上了YZX127液动锤，钻进效率提高到1. 2lm/h，显示出液动锤对提高钻进效率的卓越表现。但是，多数情况下，液动锤的阀被泥浆中的砂粒卡死，液动锤不能启动或连续完成一个回次的钻进，于是停止了试用。随后在室内进行了改进和台架试验。该阶段YZX127液动锤一共下井14个回次，累计进尺22. 88m，平均机械钻速0. 74m/h。
从PH238回次(井深578. 90m)开始试用KSC127射流式液动锤，机械速度和回次进尺有明显的提高。KSC127液动锤稳定性比该段YZX127阀式双作用液动锤高，但是使用一段时间后稳定性有所降低；KSC127液动锤即使不工作也不会导致泵压升高，但存在元件耐冲蚀性、密封性能和装配间隙调节难以控制等问题。经过改进有所提高，最终还不甚理想。该阶段KSC127液动锤一共下井20个回次，累计进尺60. 85m，平均机械钻速1.26m/h。
该阶段共使用液动锤钻进了34个回次。
两种液动锤都根据各自存在的问题进行了改进，穿插在螺杆马达提钻取心钻进过程中进行试验。这个阶段YZX127液动锤的改观并不理想，KSC127液动锤的性能表现较好，进尺较多。从第PH326回次(井深789. 60m)到第PH470回次（井深1208. Olm），YZX127液动锤使用了6个回次，累计进尺13. 4m，平均效率为0.64 m/h; KSC127液动锤使用了72个回次，累计进尺243. 06m,平均效率为1.06m/h，平均回次长度3.38m。
3)第三阶段(1209. 61—2046. 54m)。
根据前两个阶段试用中存在的问题，对YZX127液动锤进行了一次彻底的改进，完成了室内改进试验后，于2001年12月底开始试用。YZX127液动锤井下稳定工作概率从30%提高到90%，还解决了液动锤不工作时堵塞循环通道而憋泵的问题，液动锤的寿命大幅度提高。
这一阶段，两类液动锤都具有了一定的实用性，取心钻进施工开始全面应用液动锤。为了进一步筛选性能比较好的液动锤，提高液动锤入井的成功比率，保证良好的使用效果，现场对两种液动 锤进行了全面对比。下钻前在井口进行液动锤工作试验，井口试验通过才可以入井，每个圆次交替采用两种液动锤o-在这个阶段．YZX127_液动锤工作效果优良，钻进进尺占60%。从第471回次(井深1209. 61 m)到终孑L的第657回次(井深2046. 54m)，KSC127液动锤累计下井51个回次，进尺250. 89m，平均效率为1.07m/h，平均回次长度4.92m；YZX127液动锤累计下井107个回次，进尺512. OOm，平均效率为1.16m/h，平均回次长度4.79m。
在不断改进液动锤的同时，对液动锤的工作环境也进行了改善，在钻井液中加入1%的GLUB润滑剂，提高钻井液的润滑性，加强泥浆固相控制。这些措施明显提高了液动锤的稳定性和使用寿命，减小岩心进入内管的阻力，进一步提高了钻进效率和回次进尺长度。
第三阶段绝大多数回次采用了液动锤钻进(表8-22)，由于液动锤工作稳定性和可靠性的提高，回次长度提高明显，达到了89%。岩心采取率从55%提高到82. 5%，说明液动锤对提高岩心采取率有较大的作用。
在先导孑L取心钻进阶段，由于两种液动锤的结构和工作原理不同，在使用中遇到的问题及解决办法也不同，下面分别进行论述。
2．KSC127型射流式液动锤的应用与改进。
1)存在问题及改进措施。
(1)内缸侧通道密封泄露。由于泥浆排量较大、压力高，射流式液动锤内缸侧面的长方形流体通道周边的“0”形密封圈容易发生泄露。泄露一旦产生，很短时间内便会冲蚀出沟槽，使高压腔与低压腔沟通，液动锤停止工作。针对此问题，对内缸的密封结构做了两种改进。
原内缸侧流道采用单“0”形密封圈结构，改为双层“0”形密封圈结构，改进后密封效果良好，试验中再未出现泄漏问题，有效解决了内缸泄漏问题。
原内缸侧流道采用外通道式结构，即流体通道由内缸和外缸之间的配合密封而成，改为内通道式结构，即在内缸体上加工弧形排水孔，形成流体的侧通道，从根本上解决泄漏问题。
试制了两个新内缸，试验中泄漏问题解决了，但结构复杂，寿命低。
射流元件在射流式液动锤中属易损件，在岩心钻探中应用，平均寿命为60～lOOh。但在科钻一井中试用，射流元件工作腔冲蚀严重，寿命很短，一般只有十余小时。分析其原因主要是：泵量过大，致使元件射流的速度超高，加剧了元件工作腔的磨损；泥浆固相含量虽控制较好，并未超标，但小于固相指标的微颗粒浓度较大，泥浆高速射流对元件造成了严重的冲蚀与磨损，使液动锤工作失效。
现场采用了两种改进措施：
射流元件工作腔增加硬质合金衬板，主射流冲蚀的范围内均处于硬质合金保护之下，从而提高射流元件的工作寿命。
增大喷嘴断面积，以降低射流的喷射流速。元一件喷嘴的宽度由5mm加大到8mm，使其断面积增大了60%，喷嘴的流速由92. 3m/s降低到53. 6m/s，减轻了对元件的冲蚀与磨损，提高了射流元件的工作寿命。
(2)液动锤设计的额定流量与现场流量不匹配。按施工设计的钻孔直径及泥浆上返流速，液动锤的设计额定流量为5～6L/s。因现场施工方案采用了螺杆马达，泵量为9～12L/s。过大的泵量导致了液动锤内部各流道流速增高，尤其是射流元件喷嘴流速过高，造成磨损加剧，缩短了液动锤的使用寿命。过大的泵量，同时造成泵压增高，引起液动锤内部各处密封产生泄漏。
解决现场泵量偏大的问题，采取了分流的措施。在调整垫片上增设两个分流孔（图8-29），孔的直径由计算确定，分流量为总流量的1/4～1/3。
进入到液动锤的总流量经分流后分配给射流元件，进入到液动锤缸体内做功的泥浆只为总泵量的2/3～3/4，使液动锤处在额定范围内工作，提高了液动锤的工作寿命和可靠性。实际应用结果表明，效果良好。但由于时间仓促，分流孔没来得及镶硬质合金喷嘴，调整垫片的分流孔冲蚀很快，寿命太短。加镶硬质合金喷嘴后，该方案应是一种可行的方案。
2) KSC127型射流式液动锤的应用情况。
(1) KSC127型射流式液动锤首轮试用效果。KSC127型射流式液动锤于2001年9月20-22日首次下井试验。液动锤钻进与常规钻进交互进行。
从237～244回次连续统计8个回次（其中4个回次为常规钻进，4个回次为液动锤钻进）。
初步试验结果表明：采用液动锤钻进，机械钻速提高54%，回次进尺长度提高139%，岩心采取率提高到100%。试验的4个回次中，均因机上余尺打完或岩心管内岩心已满而提钻，未发生岩心卡堵。
(2)冲击回转钻进应用效果分析。统计PH340回次(井深823. 79m)至PH469回次(井深1208. 01m)的连续130个回次钻进数据，其中KSCl27型射流式液动锤钻进72个回次，常规回转钻进58个回次。
先导孔采用射流式液动锤钻进，由于泥浆排量较大，射流式液动锤某些结构不适应，存在液动锤工作寿命偏低、非正常钻进回次所占的比率较大等问题，先导孔的液动锤钻进过程应属于试验应用阶段，出现的问题在先导孔阶段已逐步得到解决。
3．YZX127阀式双作用液动锤的应用与改进。
1)存在问题与解决方法。
在科钻一井先导孔取心钻进施工中，YZX127液动锤遇到了许多难题，为解决这些问题，两次在冲击回转试验台进行改进与调试，在1200m以下的井段才得到连续的使用。改进工作主要有以下几方面(谢文卫等，2005)。
(1)泵量匹配。先导孔取心钻进采用螺杆马达作为回转动力，螺杆马达与液动锤同为井底动力机，依靠循环泥浆提供动力，因此要求液动锤泵量与螺杆马达泵量匹配(7～12L/s)，否则相互产生影响。
在设计YZX127时，已考虑到适应较宽的泵量和冲击功适应范围，在行程和泵量等方面都留有较大的可调节余地。根据现场螺杆马达要求的泵量，通过调节液动锤的内部零件参数，使液动锤的泵量范围由3～6. 5L/s提高到7～12L/s，实现了泵量与螺杆马达的泵量匹配。
(2)冲击功的匹配。先导孔取心钻进施工主要采用金刚石单动双管取心钻具，采用液动锤的主要目的是提高机械钻速、减少岩心堵塞、提高回次进尺长度和岩心采取率，要求液动锤的冲击功在不降低钻头寿命的范围内，且不引发井下事故。
YZX127液动锤的上阀行程和自由行程具有很大的调节范围。为适应小冲击功的要求，将上阀行程调整到20mm以下，同时将自由行程调整到10mm以上，减小液动锤的有效做功行程，增加阻力行程，这样既可实现小冲击功输出，同时也可使液动锤适应大泵量的工作条件。
(3)活塞寿命。YZX127液动锤室内寿命试验中，零件在清水介质中连续工作了70h后，直径最大配合间隙只增加0. 23mm。而现场使用的动力介质是泥浆，含砂量虽然不高，但是细且硬的固相成分积累较多时，大幅度降低液动锤的活塞使用寿命。普通合金钢材料的活塞工作6h后，直径配合间隙增至0. 6mm，采用氮化工艺处理的活塞工作6～8h后，0.2～0. 4mm氮化处理层也磨损殆尽，因此泥浆中的固相研磨颗粒对零件的磨蚀作用是不可轻视的。
针对这个问题，对活塞副配合面进行了耐磨材料热喷涂处理工艺，大幅度提高了活塞使用寿命。在使用中曾经有一套液动锤连续工作5个回次（第PH532～PH536回次）不检修，取得了累计工作时间17. 58h、累计进尺26. 30 m、平均回次长度5.26 m（岩心简装满）、平均机械钻速1. 50m/h的好成绩，该液动锤在检修时尚可继续使用（图8-31）。通过理论分析和计算发现在进行液动锤设计时，应适当在活塞的参数匹配方面作考虑。当活塞副发生一定程度的磨损后，液动锤的参数匹配关系并未破坏，虽然液动锤的能量利用效率会有所降低，但液动锤依然可以正常工作。在科钻一井先导孔的后期应用中，采用此思路改进了液动锤，用普通合金钢材料表面淬火的活塞达到了合金粉末热喷涂处理活塞的寿命。
(4)疲劳强度问题。YZX127液动锤在先导孔应用之前，出现过零件冲击疲劳断裂问题，分别从材料选择和热处理、零件结构设计方面着手予以解决。
零件材料和热处理方面：首先分析该零件出现问题的原因，将材料的强度和耐冲击疲劳性能作为重点。对我国现有的各种高强度合金钢进行调研，筛选出几种品质性能高的钢材作为备选，然后针对此类钢材的热处理和机加工性能再次进行对比，同时也从国内钢材供应角度综合进行考虑，确定关键零件的材料和热处理工艺。
零件结构方面：设计时应将零件的尖角、过渡台阶等容易产生应力集中的部位全部圆角化处理，简化零件的结构，避免应力集中。根据在大口径硬岩钻进试验中发现的上阀多次断裂的问题，采用新的上阀结构设计，很好地满足了零件工作所需的结构参数和强度要求，从而大幅度提高零件 容易断裂部位的强度，避免此类问题的再次产生。
为验证改进是否有效，该液动锤送到现场前在室内试验台上通过了70h连续寿命试验，证明零件的强度满足了设计要求。在先导孑L施工期间，除了出现一批零件的上阀由于加工原因而在工作6--8h后断裂外，没有再出现过其他的强度问题。
(5)对泥浆的适应性问题。对泥浆的适应性问题是YZX127液动锤应用中遇到的最难解决的问题，投入的时间、精力和物力最多。认识和解决这一问题经历了3个阶段。
第一阶段：采用最初改进后的样机，改进主要是降低液动锤的冲击功和提高泵量适用范围。该阶段液动锤下井后启动成功率不高，地表检修发现：
液动锤上阀的配合间隙中存在结实的泥垢，将上阀或心阀卡死。其原因是由于活塞配合间隙与岩石中的小裂隙类似，根据泥浆的堵漏特性，一旦有直径与间隙尺寸相近的固相颗粒进入活塞间隙就可能导致架桥，然后泥浆中的各种组分在泥浆压力差的作用下失水，像封堵地层裂隙一样将该间隙封堵起来，从而导致上阀或心阀卡死，使液动锤不能工作。然后，由于液动锤不工作导致内部液体的流动稳定，在井底马达的高速旋转作用下产生离心效应，在外管内壁结了很厚的泥皮（图8-32）。另外当零件卡死后，间隙密封部位由于零件没有运动换位，导致泥浆长期定位冲蚀而形成坑槽，致使零件的过早报废。
零件卡死的情况在室内调试和其他野外生产试验的清水钻进中没有发生过，初步分析其主要原·因是由于零件受到泥浆驱动的动力比较低所致，通过提高上阀和心阀的驱动动力应该能够解决泥浆中的固相阻卡问题。
现场应用结果显示：该阶段一共下井14回次，完全正常工作的回次只有7回次，累计进尺只有22. 88m，平均回次长度1.63m，平均钻进效率0.74m/h。在该阶段只能说液动锤显示了提高钻进效率的端倪。
第二阶段：针对第一阶段存在的问题和分析，对液动锤进行了第二轮改进：提高上阀上下面积差；提高心阀的质量；适当减小心阀的中心孔直径：改进上阀的上活塞密封结构。由于每回次下钻到底时需要磨合钻头或将钻头提离孔底循环，液动锤不能启动工作，活塞副处于静止状态，泥浆中的固相颗粒更容易聚积造成卡死。于是设计了启动阀组件，使液动锤防空打机构闭合时可以产生突然的激动效果，提高液动锤下井启动成功率。
采用经过改进的液动锤，试验结果显示液动锤的启动性能依然没有明显的提高，这条思路不能有效地解决泥浆固相阻卡问题。该阶段液动锤的累计进尺只有13. 44m，平均回次长度2.23m，平均钻进效率0. 63m/h。
第三阶段：总结前两个阶段的经验，从强制解决改为疏导解决活塞遇卡问题，增大密封副螺旋槽的尺寸、延长密封面的长度、适当增加活塞的配合间隙，从而减少泥浆中固相颗粒在活塞间隙停留的概率，在不减少密封有效接触面积条件下，提高冲锤、上阀和心阀的运动动力，合理匹配参数，并室内试验台进行了第三次改进液动锤的调试和测试。
第三次改进后的液动锤在科钻一井现场试用取得了满意的效果，液动锤工作稳定性大幅度提高，启动成功率达到95%以上。除由于装配不当或上阀断裂、过度磨损等原因导致不正常工作外，只要正确装配都可入井正常工作。该阶段液动锤共计使用107回次，累计进尺512. OOm，平均效率为1. 16m/h，平均回次长度4.79m。比第一阶段的钻进效率提高57%，回次长度提高194%。
值得一提的是该阶段后期，进一步完善了液动锤的结构，对泥浆的性能进行了改进，在泥浆中加入润滑剂，液动锤的零件摩擦阻力降低，工作性能和磨损情况也大为改观。1832. 8～2025. 17m井段是液动锤钻进技术在先导孔应用中的最好阶段，施工效率甚至超过500m浅孑L段的施工效率，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（岩心简装满），平均钻进效率1. 32m/h，比第一阶段的钻进效率提高78%，回次长度提高340%。YZX型阀式液动锤通过在科钻一井先导孑L中的不断改进，性能不断提高，已经适应钻进施工应用的需求。
2) YZX127阀式双作用液动锤的应用情况。
自2001年8月到2002年4月，YZX127液动锤在先导孔施工中累计下井127回次，总进尺548. 28m。图8-34展示了YZX127液动锤的总体统计结果：平均机械钻速1.llm/h(最高钻速2. 97m/h)，平均回次长度4.32m(最高8.72m)。与纯回转驱动相比机械钻速提高52.3%，回次长度提高100. 1%。
YZX127液动锤使用经历J，三个阶段的不断改进，应用效果逐步提高。
YZX127阀式液动锤在先导孔应用中表现更高的钻进效率、稳定的工作状态、维修成本低、结构参数调节范围宽、现场适应性广的特点。
4．先导孔阶段液动锤应用总结。
从液动锤在科钻一井先导孔中的应用，可得出以下认识。
(1)阀式液动锤可用于深井钻进施工：在先导孔由浅到深的应用过程中，液动锤的工作性能和效率未受到明显的影响，由于液动锤的工作稳定性和适应性的改善，深井段的钻进效率和回次长度比浅井段有所提高，证明阀式液动锤对背压的敏感性并不高，成功地在2000m的深井中得到应用。
(2)改善泥浆性能：严格控制固相含量，提高泥浆的润滑性能，可以明显提高液动锤的应用效果。
(3)进一步提高阀式液动锤的性能：零件的使用寿命有待进一步提高，其中零件的疲劳强度问题已基本解决．但是活塞密封配合面的寿命还需要进一步深入研究，以延长每次检修后液动锤的连续工作寿命。
(4)液动锤的结构应进一步简化：为了减少更换易损件的成本，设计结构上相对复杂；在寿命提高的基础上，如果进一步简化结构，将会进一步减少使用中存在的问题，提高液动锤稳定性。
1)取得的成果。
液动锤在先导孔中的应用是逐步改进提高的过程，根据其应用效果可分为三个阶段。第一阶段：液动锤的初步试用，暴露出了两种液动锤对现场条件的不适应性，射流式液动锤表现较好；第二阶段：液动锤的探索和改进阶段，性能有所提高但是尚未能完全满足施工要求，该技术已在多数取心钻进回次中使用；第三阶段：YZX127阀式双作用液动锤取得突破，性能明显改善，基本适应了现场使用的要求并得到普遍的应用，同时现场通过在泥浆中加入润滑剂，改善了液动锤的使用环境，进一步提高了液动锤的工作性能，获得了明显的经济效益。先导孔取心钻进后期，液动锤性能更加稳定，钻进效率、回次进尺长度、岩心采取率提高明显（表8-28）。由于采用了液动锤技术，取心钻进施工避免了大钻压钻进，对先导孔井斜控制起到了非常重要的作用。
液动锤除了有提高钻进效率的作用外，另外一项重要的优点是减少岩心堵塞、增加回次进尺，平均回次进尺由纯回转钻进2. 18m提高到4.09m，这样可减少起钻次数达60%以上，节约了大量的起下钻时间，对先导孔的提前完工、大幅度降低施工日费起到了重要的作用。
2)存在的问题。
两种液动锤在先导孔应用过程中遇到了前所未有的难题，这些问题在地质勘探中是难以遇到的。通过努力，克服了众多的难题，进一步提高了液动锤技术水平，较好地适应了现场较为复杂的施工环境。
KSC127射流式液动锤在前期的应用效果相对较好，但是由于其自身的核心一射流元件的耐冲蚀性较为敏感，机械加工和装配要求高，虽然经过不断的改进，但后期使用效果仍没有明显提高。
YZX127阀式双作用液动锤开始阶段对现场条件适应性较差，但经过多次改进，先导孑L后期阀式双作用液动锤的适应性和工作稳定性得到了较好地解决。
两种液动锤都存在密封性能不足，导致内部零件意外冲蚀损伤的情况经常出现，整机工作寿命不高。
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