液動潛孔錘在巖石中的應用

液動潛孔錘在巖石中的應用

1重新進行了沖擊回轉(zhuǎn)鉆探中國是一個較好的國家，在研究和應用液體錘技術方面取得了良好的進展?？碧郊夹g研究所于1958年開始系統(tǒng)的研究,1961年列為地質(zhì)部重點項目,除去“文革”期間被迫中斷外,一直堅持研究開發(fā)工作。同時,從上世紀70年代開始長春地質(zhì)學院、遼寧省地質(zhì)局九隊、核工業(yè)部地質(zhì)局等對此作了很多試驗研究,但大規(guī)模的開發(fā)工作是從1978年開始實施的。全國有近十個單位相繼建立了沖擊回轉(zhuǎn)鉆探試驗臺,設立專題開展系統(tǒng)的研究開發(fā)。經(jīng)過數(shù)年的工作,至1983年左右地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術研究所的正作用式YZ-54-Ⅱ型、長春地質(zhì)學院的射流式SC-54型、遼寧省地質(zhì)局九隊的雙作用式SH-54型、冶金部探礦技術研究所的正作用式TK型、河北省地礦局綜合研究隊的正作用式ZF-54型、云南省地礦局探礦研究室的SX射吸式液動錘,核工業(yè)部江西264隊的雙作用式YE型等液動錘先后分別通過所屬各部的鑒定。這批成果迅速在施工中得到推廣應用。從此,這項新技術進入了一個新的發(fā)展時期。進入21世紀以來,隨著大陸科學鉆探和新一輪地質(zhì)大調(diào)查的實施,該技術的研究與應用取得了突破性的進展。2基本分類及液體動孔錘的鉆孔優(yōu)勢2.1沖錘下行沖擊產(chǎn)生的作用形式1)正作用式。閥和沖錘的回程運動依靠各自彈簧,而沖程依靠水擊驅(qū)動沖錘下行產(chǎn)生沖擊能量;2)反作用式。利用沖洗液的壓力增高推動沖錘上行壓縮工作彈簧儲存能量,當閥門打開,液流暢通,工作室壓力降低,工作彈簧釋放儲存能量驅(qū)動沖錘下行產(chǎn)生沖擊;3)雙作用式。沖錘的回程及沖程運動均依靠沖洗液的壓力驅(qū)動,當沖錘下行時產(chǎn)生沖擊能量;4)復合作用式。綜合以上3種作用形式中的任二種研發(fā)的產(chǎn)品;5)中空貫通式。是配合氣舉、水力中心反循環(huán)鉆進而研發(fā)的,它與普通液動錘的區(qū)別在于沿其軸線從上到下設有一個貫通的柱狀孔,在鉆進中構成反循環(huán)連續(xù)輸送巖芯(樣)的通道;6)與其他技術結合的派生產(chǎn)品(如繩索取芯式、液氣兩用式等)。2.2提高鉆頭壽命及鉆孔質(zhì)量1)在可鉆性6～7級,堅硬致密“打滑”巖層中鉆速可提高15%～70%;2)采用金剛石液動錘鉆進時,鉆頭壽命可提高30%;3)鉆進裂隙及節(jié)理發(fā)育的巖層,巖芯不易堵塞,回次長度可提高30%以上;4)在大部分易斜地層中可減少鉆孔彎曲程度,提高了鉆孔質(zhì)量;5)可節(jié)約生產(chǎn)費用15%～20%。2.3傳統(tǒng)液動錘的主要缺點2.3.1下易損壞1)閥、錘的工作彈簧對沖擊能量影響大,彈簧壽命在高頻沖擊作用下易損壞(一般不超過40h);2)對孔深的適應性敏感,受背壓影響明顯(一般用于500m孔深以淺);3)不正常工作時將截斷液流通道,必須提鉆檢查,否則將會出現(xiàn)燒鉆事故。2.3.2臥式節(jié)流環(huán)破乳技術存在的問題傳統(tǒng)的雙作用液動錘主要結構為錘、閥工作均為利用各自的上下活塞面積差,并通過處于砧頭處的固定式節(jié)流環(huán)產(chǎn)生的壓力增高推動。因此存在:1)運動密封副多,對沖洗液質(zhì)量要求更高、運動阻卡機率大;2)固定式節(jié)流環(huán)對沖錘下行做功將產(chǎn)生一定的阻尼作用;3)對孔深的適應性較敏感,受背壓影響較明顯(一般用于700m孔深以淺)。3新型高效液動錘的研究與開發(fā)傳統(tǒng)的液動錘已經(jīng)不能適應當前不斷加深的鉆孔、鉆遇巖石硬度大、破碎裂隙多的新形勢,為此我們進行了系列高效液動錘的研究開發(fā),以創(chuàng)新液動錘的工作原理基礎,以適應生產(chǎn)條件、高效、方便為著力點,對液動錘進行技術提升和完善。研制的系列高效液動潛孔錘的規(guī)格及參數(shù)參見文獻1。3.1新型液體錘的結構和工作原理1結構結構其主要由上閥組件、外管、沖錘組件和傳功座、鉆頭(接頭)等組成(見圖1)。2結構特征密封副少、運動副不用橡膠件、科學分流。3沖錘+壓錘由地面泥漿泵輸出的沖洗液通過鉆桿到達液動錘的上接頭,并經(jīng)過噴嘴高速噴射出,在閥程區(qū)產(chǎn)生一低壓區(qū),誘使上閥逆流向上運動,而此液流將繼續(xù)通過上活塞和沖錘抵達沖錘下腔形成高壓,使沖錘在其上下活塞面積差的作用下快速上行并與已經(jīng)處于上限位的上閥接觸,將高速流動的沖洗液流截斷,從而產(chǎn)生水擊,使原處于低壓區(qū)的上閥區(qū)變成高壓區(qū),下腔則成為低壓區(qū)。此水擊快速推動上閥和沖錘下行,上閥運行一段距離(稱為閥程)后,在限位臺階作用下停止運動,沖錘則在慣性和由于閥、錘打開沖洗液暢通的液流共同作用下繼續(xù)向下運動直至沖擊傳功座將沖擊能量輸出,這樣完成一個工作周期。3.2液動錘的應用1)與傳統(tǒng)液動錘比較,該高效系列液動錘結構簡化,密封副由4道減少到2道,有效地降低了運動件的阻卡機率。結構調(diào)整參數(shù)由5個減少到2個,取消了原有液動錘固定式節(jié)流環(huán),減少擊砧時的水墊作用,使液動錘在相同輸入能量時輸出的沖擊能量提高了25%～50%。同時該系列液動錘具即使由于特殊原因不工作時,也不會像傳統(tǒng)液動錘迅速截斷水路造成燒鉆事故,具有顯著的實用意義。2)通過科學合理的液動錘分流設計,使液動錘具有可調(diào)式、多孔分流結構,有效地解決了液動錘工作泵量與鉆井現(xiàn)場所用泵量不匹配(相差50%)的矛盾(傳統(tǒng)液動錘沒有解決此問題)。3)通過不同下活塞固結方式的試驗,很好地解決了作為液動錘重要的易損部件——下活塞的現(xiàn)場更換,極大地方便了生產(chǎn)現(xiàn)場使用并節(jié)約了成本。4)對液動錘的關鍵上下密封副,從材質(zhì)、熱處理工藝和表面耐磨工藝的研究,經(jīng)過多輪試驗,確定了新的材質(zhì)及熱處理工藝,使得承受沖擊的零部件在表面具有較好的耐沖擊時心部具有應有的韌性,從而提高了綜合性能;通過泥漿壽命試驗,將主要易損件壽命在含砂量≤0.2%條件下從10h提高到40h,而在實際使用中超過了70h。3.3液動錘高頻振動由于是在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎上增加液動錘,因此對設備不需要做改變,但由于液動錘高頻振動,在使用時應注意設備的緊固件防松問題。我們推薦,在大直徑、淺孔進行液動錘鉆探時,可配套減震穩(wěn)流平壓的空氣室,這樣對穩(wěn)定液動錘性能、保護泥漿泵及地面設備都有明顯的效果。3.4微膠囊的使用液動錘是在含有固相及微粒鉆削的泥漿環(huán)境下高頻往復運動,因此采用高質(zhì)量泥漿并且用好則顯得十分重要。否則會加劇液動錘零件磨損,影響使用壽命,還可能阻卡使液動錘不工作。因此有必要對泥漿提出較為嚴格的要求:潤滑性能好、含砂量低、粘度一般不大于30s,含砂量不大于0.1%、密度1.1g/cm3;在條件許可時,推薦使用泥漿潤滑劑將更能提高液動潛孔錘性能并延長使用壽命。在使用大直徑液動錘鉆進時,更應重視泥漿的凈化工作,在有條件時最好配備凈化設備,或采取多級沉淀方式,同時注意對泥漿泵的吸水蓮蓬頭增加過濾裝置。3.5使用技術和注意事項以桿為例，用繩子法取芯液3.5.1鉆參數(shù)的選擇11壓力和旋轉(zhuǎn)繩索取芯沖擊回轉(zhuǎn)鉆進均為金剛石鉆進,故所用鉆壓、轉(zhuǎn)速基本等同或略低于普通繩索取芯鉆進。2泵壓的最大適用范圍繩沖鉆進中的液動錘系靠泥漿泵產(chǎn)生的高壓液流驅(qū)動,在其工作范圍內(nèi)泵量越大,沖擊頻率、沖擊功也越高,所以在泵及鉆孔條件允許的情況下,最好是用較大的泵量,隨著鉆孔深度的增加,鉆孔環(huán)狀空間產(chǎn)生的壓力降增大,為保證液動錘正常工作和設備安全,可適當降低泵量。泵壓的適用范圍為0.5～4.5MPa?？梢栽谶m應孔內(nèi)其他鉆進因素要求的情況下,隨著井深的增加,同樣的地層鉆進所需的沖擊功也會增加,在進行深部井段施工中,應該在安全前提下盡量使液動錘的泵壓保持在推薦工作范圍的較高值。3.5.2螺紋和內(nèi)管總成的安裝1)按照使用指南認真調(diào)整液動錘的結構參數(shù)及彈卡鉗與彈卡擋頭之間、卡簧座與鉆頭胎體內(nèi)臺階之間隙。由于該類型鉆具與常規(guī)繩取鉆具相比,長度和重量均增加,鉆具水平放置測出的距離有誤,應該將鉆具懸吊起來,使鉆具的減振等影響縱向尺寸因素消除,這樣測出的尺寸才能保證,否則會造成卡簧座坐到鉆頭內(nèi)臺階無法正常使用問題。2)檢查各絲扣連接情況,外管總成的螺紋連接處要涂抹絲扣油,以增加螺紋的密封性能,并方便擰卸。內(nèi)管總成的螺紋應擰緊,尤其是液動錘外管、卡簧座等處,以防鉆進過程中倒扣,擰卸應使用專用自由鉗,避免因外管壁薄而將管子壓扁或引起變形。檢查錘軸、錘套是否靈活,組裝錘軸、錘套及傳功環(huán)時,其上的密封圈部位處應涂抹黃油,以防裝配時被絲扣劃傷。3)孔口試驗。將鉆具外管總成下到孔內(nèi),在井口固定好,將液動錘內(nèi)管總成投入到外管總成內(nèi),此時內(nèi)管總成到位并坐落在承沖環(huán)上,然后將鉆具與鉆機主動鉆桿連接上緊,將主動鉆桿吊起,使鉆具處于懸吊狀態(tài)。將主動鉆桿水龍頭、穩(wěn)壓罐與水泵用高壓膠管依次連接緊密。然后開泵送沖洗液,當泵量為52L/min時,泵壓達到0.5MPa,液動錘開始低頻小功沖擊啟動;當泵量換為90L/min時,泵壓此時達1.6～2MPa,液動錘頻率增大,停待數(shù)分鐘,液動錘工作正常,無停止沖擊現(xiàn)象出現(xiàn);泵量換至145L/min,此時泵壓達到3MPa,液動錘劇烈沖擊,沖擊功明顯增大。同時在各個狀態(tài)下將鉆具來回上提和下放數(shù)次,液動錘的啟動性能和防空打性能均工作正常。通過井口試驗,對液動錘的工作情況有了大體的了解,也對泵壓及高壓膠管的顫動聲有了明顯的了解?？梢罁?jù)孔內(nèi)的試驗情況和鉆進需要對液動錘的沖擊頻率、沖擊功、泵量、泵壓等參數(shù)做出合理的調(diào)整,以使液動錘達到正常工作和滿足鉆進需要。3.5.3液動錘的鉆進1)用打撈器將內(nèi)管總成吊起,待彈卡鉗進入鉆桿后松開打撈器?？紤]到巖芯內(nèi)管與液動錘連接長度大,該鉆具在設計時設置了分離機構,可以先將巖芯內(nèi)管用分離提引接頭放入外管內(nèi),然后與液動錘連在一起再共同放入孔中。2)內(nèi)管總成到位后,將鉆具下到距孔底0.5m左右的地方,泵入一定泵量,用輕壓慢轉(zhuǎn)掃孔到底,此時液動錘應低頻小功開始工作,待一切正常后再增壓和適當調(diào)大泵量,進入正常鉆進。如果液動錘不工作,則應將鉆具提離孔底,用改變泵量的方法進行調(diào)整,直至液動錘工作為止。并逐步調(diào)整泵量到標稱值,使鉆具工作正常,并且用手摸高壓膠管能感覺到震動,泵壓表指針將指示到2MPa以上。3)在關泵或某些原因停止鉆進時,鉆具應提離孔底0.3m左右再停泵。4)為了防止鉆具(特別是內(nèi)管總成)螺紋松扣,在鉆具較長時間提離孔底的情況下,應關閉泵,避免液動錘長時間空打。5)巖芯內(nèi)管總成所有帶螺紋的部分都要擰緊,防止由于液動錘振動將其松開。6)每次下大鉆后,必須沖孔,以便將鉆桿內(nèi)的沖洗液排出,深孔(大于500m)沖孔10min以上,尤其要保證傳功環(huán)處清潔,否則會出現(xiàn)由于阻卡而提不動內(nèi)管總成。7)用泥漿開孔下完套管后,使用金剛石鉆頭正常鉆進時,必須將攪拌機及管路、泥漿槽清理干凈,再用無固相或低固相優(yōu)質(zhì)泥漿鉆進。8)下大鉆時,最好將內(nèi)管總成后下,這樣可減少或避免在傳功環(huán)處存砂和夾阻。4泥漿泵鉆孔深度由于驅(qū)動液動錘的動力源就是普通回轉(zhuǎn)鉆探用的泥漿泵,而泥漿泵目前的泵壓可以達到7～12MPa甚至更高,故鉆孔深度可達數(shù)千米以上,完全可以滿足鉆孔目前不斷加深的需求。況且對鉆機、泵等并無苛刻的要求,易于推廣應用。4.1液動錘巖芯技術由勘探技術研究所研發(fā)的YZX127液動潛孔錘,在中國大陸科學鉆探CCSD-1井施工中,配合組合鉆探工藝:螺桿馬達/液動錘/金剛石取芯工藝,效果顯著。自2001年8月到2005年1月13日,YZX127液動錘在CCSD-1井共計下井505回次,累計進尺3526.3m,井深5118.2m,在可鉆性8～9級榴輝巖和片麻巖中,平均鉆進時效1.32m,最高鉆進時效2.46m,較回轉(zhuǎn)提高近一倍?；卮螡M管率達95%以上。巖芯采取率為90%以上,取得了良好的效果,顯著地改善了鉆探施工的經(jīng)濟技術指標,同時表明該液動潛孔錘對深孔的適應性。這也是液動潛孔錘取芯鉆進且取得顯著效果的最新世界記錄。4.2地層鉆進設計YZX98液動潛孔錘于2006年4月到5月中旬,在昆明工程勘查院威信縣麟鳳鄉(xiāng)小壩村801孔進行生產(chǎn)性使用。此孔為坑口電站用煤豎井井筒檢測孔。要進行水文、煤層等多項實驗檢測內(nèi)容,要求分級進行水文檢測,因此,鉆進則需采用鉆、擴、封、測多種工序,要求全孔取芯,孔斜不大于1°/100m。地層為矛口灰?guī)r、峨眉山玄武巖,可鉆性6～8級,局部巖石破碎。采用XY-5鉆機、50外絲鉆桿、BW320泥漿泵、120kW柴油發(fā)電機組、17.5m角鋼四方塔、Ф112mm/78mm金剛石單管鉆頭。設計孔深700m(實際終孔702m)。全孔漏水,水位68m。累計液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進進尺310m,平均時效1.5m,最高時效2m,與回轉(zhuǎn)比較,時效提高50%以上;平均日進尺20m。累計鉆進120個回次,平均回次長度2.58m,滿管率80%?；卮伍L度較回轉(zhuǎn)提高15%。4.3液動潛孔錘+雙管鉆進現(xiàn)場應用效果該技術應用到災害治理錨固跟管鉆進施工,與氣動潛孔錘比較,在降低噪聲和空氣污染方面,具有顯著的效益;由于是潛孔沖擊,與液壓頂部沖擊對鉆具的損傷和能量的衰減都有明顯的改善。北京京有恒公司、黑龍江巖土基礎工程公司利用YZX98液動潛孔錘配套錨固雙管鉆進,在作為2008年奧運會重點工程項目——北京飯店二期改擴建工程和沈陽地鐵小什字站基礎錨固鉆探中,鉆進近百孔,進尺2000余米,鉆進效率達1m/min。兩地的應用取得了以下經(jīng)驗:1)由于利用鉆探常規(guī)配套的泥漿泵,設備配套方便,投資小。2)利用泥漿泵為動力源,對環(huán)境污染少,噪聲小。對操作人員保護好。護壁效果優(yōu)良。3)液動潛孔錘啟動靈活,操作方便,工作穩(wěn)定可靠,無故障時間長(大于70h),易損件現(xiàn)場更換方便。4)與頂部沖擊比較,采用液動潛孔錘潛孔沖擊,能量損失少,對鉆具(尤其是鉆桿和套管螺紋)損傷小。4.4確保了鉆頭檢驗福建省地勘局第八地質(zhì)大隊應用SYZX75繩索取芯液動錘,在武坪縣悅洋銀多金屬普查項目施工的ZK49-7孔和12排ZK803孔等十余孔使用鉆進2200余米,取得以下效果:1)鉆進效率大幅度提高。在悅洋銀多金屬普查項目施工的ZK49-7孔,可鉆性5～6級灰?guī)r中取得8h進尺42m,較同條件繩取回轉(zhuǎn)鉆進提高近3倍;在12排ZK803孔可鉆性8～9級的片麻巖中,8h班進尺10m以上,較同條件繩取回轉(zhuǎn)鉆進提高近2倍。2)由于時效大幅度提高,動力燃油費用明顯下降,由37元/m下降到21元/m。3)對金剛石鉆頭胎體壽命沒有明顯影響。4)在完整地層回次滿管率達90%以上,在破碎地層回次長度提高60%以上。4.5使用syzx65同城大跨索取芯液動錘鉆具提升鉆頭速度內(nèi)蒙古赤峰市雙山子銅多金屬礦普查,此礦區(qū)位于一個大的構造帶上,巖石為花崗巖、正長巖、雜色復合成分的角礫巖、混合花崗巖組成,軟硬變化頻繁,節(jié)理發(fā)育,構造泥多,非常破碎,采取常規(guī)繩索取芯鉆探,巖芯采取率低,無固相沖洗液無法將絕大部分巖粉攜帶出來,造成孔內(nèi)巖粉過多,顆粒過大,重復破碎嚴重。有的機臺因此提前終孔;也有的機臺因此燒鉆;還有由于孔內(nèi)巖粉過多造成鉆頭磨損過快,使得進尺成本過高。由于節(jié)理發(fā)育、破碎,鉆進中極易發(fā)生巖芯堵塞,回次進尺在0.2～2m之間,提取巖芯頻繁,輔助時間過多,臺月效率低。在使用了SYZX75繩索取芯液動錘鉆具,大大提高了進尺速度,降低了材料消耗,取得了良好的效果。1)提高了鉆進速度,巖芯采取率100%。在ZK2615孔使用SYZX75繩索取芯液動錘,巖芯管長是3m,完成進尺967.92m。該孔巖石破碎,還有構造泥。使用了液動錘,每個回次都取出了3m的巖芯,巖芯采取率100%,有一個回次,3m巖芯管兩邊各1m巖石,中間1m是構造泥。地質(zhì)人員對巖芯采取率非常滿意。在ZK3412孔使用了液動錘,巖芯管加長到4m,完成進尺812m,不管是破碎還是構造泥,每個回次都是提出4m長的巖芯,采取率100%。在ZK2613孔中又把巖芯管加長到5m,進行鉆進試驗,結果非常成功。不管是破碎、節(jié)理發(fā)育、構造泥夾層,每個回次巖芯都是滿管5m,取芯率100%。2)降低了材料消耗。例如,一套巖芯內(nèi)外管就完成3個孔,即進尺2605.92m,巖芯內(nèi)管沒有一根損壞。3)提高了鉆頭的壽命。在ZK1615孔,孔深860～967.92m中,金剛石鉆頭的胎體硬度為HRC38～42,單個鉆頭進尺160m;在ZK0850孔,孔深在50～230m中,金剛石鉆頭的胎體硬度為HRC15～20,單個鉆頭進尺180m,壽命最短為單個鉆頭進尺是74m(金剛石鉆頭胎體硬度HRC10～15)。4)減少了輔助時間,提高了鉆進時間利用率,時間效率最低55%,最高75%。例如把內(nèi)管下到鉆桿內(nèi),可以對上主動鉆桿,用沖洗液往下沖,使內(nèi)管的下沉速度加快,到位后液動錘工作,就有沖錘振動聲傳到孔上,同時水壓也上升0.8MPa以上,這樣就可以開始鉆進,比普通繩索取芯下內(nèi)管方便多了,也省時間。5)孔內(nèi)故障少。4.6地層開軸地層取芯機構山東省地礦局第三地質(zhì)大隊2008年在兗州顏店鐵礦勘查中,鉆遇地層以白云巖、云