裝配圖沖擊回轉鉆進技術
裝配圖沖擊回轉鉆進技術,裝配,沖擊,回轉,鉆進,技術
本科生畢業(yè)設計（論文）
專業(yè)文獻閱讀報告
傳統(tǒng)的繩索取心式液動錘缺點：上下一體式，口徑小（鉆孔直徑D95mm，液動錘
直徑d74mm），沖擊功?。╓30J）。而且沖擊功要通過幾米長的巖心外管傳到鉆頭，沖擊功損失大，傳遞效率低： （1）
式中：—沖錘產生的重力；G2—被沖擊件的重力；k—沖擊波損失系數，與沖擊
傳遞距離，沖洗液密度與粘度有關。
從上面的式子可知：在G1一定情況下，被沖擊部分重力及長度越大，越小。繩索取心液動錘的巖心管長度不超過3m，距正規(guī)繩索取心的8~9m還很大，使液動錘和繩索取心技術的高效性大打折扣。另外，當提取巖心時，液動錘部分也一并被提出孔外，做了一部分無用功。
針對以上所述，提出如下設想來解決傳統(tǒng)的繩索取心式液動錘的不足：采用大口徑貫通式液動錘，中間套繩索取心的“貫通式繩索取心液動錘”。
該復合鉆具結構如圖1所示。
繩索取心系統(tǒng)置于貫通式液動錘內，懸掛裝置座于液動錘的上部臺階上，起懸掛和封隔作用，保證液流通過液動錘，其間可設一特定軸承使繩索取心系統(tǒng)不隨液動錘轉動。液動錘下部接專門設計的長壽命取心金剛石鉆頭或取心牙輪鉆頭。液動錘上部可用鉆鋌加壓，鉆鋌適當位置設一繩索取心彈卡接頭。
此設想有以下幾個優(yōu)點：
鉆具結構簡化，部件由SSC系列鉆具的50多件減至20多件，增強了鉆具的安全性。對鉆桿要求低。繩索取心內管長度不受限制，巖心管可加長至8~9m，取心間隔長。沖擊功直接作用于鉆頭，損失小，沖擊鉆進的優(yōu)勢得以發(fā)揮。結構和工藝合理。
總結：由于石油，地熱，水文水井等鉆孔直徑D大于等于152mm，使得貫通式液動錘的結構空間成為可能。
液動錘又叫潛孔液動沖擊器，由于它的結構和工作原理比較獨特，所以具有結構簡單，適用深孔硬巖鉆進等優(yōu)點，在水文水井，地熱井，油氣井以及科學鉆探中都得到了良好的應用。但目前液動錘存在單次沖擊能傳遞效率低，多依靠經驗設計，工作不穩(wěn)定等缺點，所以，本文從潛孔沖擊錘產生的應力波入手，對應力波的傳播過程和波在傳播過程中能量傳遞效率的變化以及波在三維空間中的傳播特征做一些分析，以便對潛孔沖擊錘的設計提供一些使用理論。
鉆探子工程是中國大陸科學鉆探工程的核心與關鍵，是其他工程進行的基礎和前提，是否能夠孫里完成5000m科學鉆探的施工，將直接影響中國大陸鉆探工程的進度和其他目標的實現。為了使大陸科學鉆探工程順利進行，創(chuàng)造性地使用了“液動潛孔錘+螺桿馬達+繩索取心”即“三合一”組合鉆具。實踐結果表明：液動錘鉆進在中硬至堅硬巖層中的技術經濟指標均優(yōu)于常規(guī)回轉鉆進，并且利于防止孔斜和減輕巖心卡堵。
主要研究思路：詳見圖1.1。
沖擊回轉鉆進的工作原理：液動沖擊器安裝在鉆頭和鉆鋌之間。鉆進過程中，液動沖擊器利用高壓水或泥漿做為動力介質，推動沖擊錘和活塞往復運動，連續(xù)不斷地沖擊鉆頭，它產生較高頻率的沖擊載荷直接作用于鉆頭，沖擊功再以應力波（能量）的形式通過 鉆頭傳遞給巖石，通過鉆頭將沖擊能量傳遞給巖石，對巖石產生沖擊破碎作用，使巖石發(fā)生體積破碎。沖擊器在井底巖石中產生的沖擊力，其峰值大約在100s內可從零增加到幾噸，幾十噸，沖擊頻率可達0-50HZ及以上。這種沖擊載荷遠遠超過了巖石的抗破碎強度，加上回轉產生的剪切破巖作用，在井底形成以大的沖擊載荷破巖為住，鉆柱小的靜壓回轉剪切破巖為輔的新的聯合破巖方法，從而改善破巖效果，大大提高鉆進速度。
液動潛孔錘在中國大陸科學鉆探中起著非常大的作用：
1． 很大程度的提高機械鉆速
（1） 液動錘鉆進與相鄰的回轉鉆進比較可知，液動潛孔錘可以很大程度提高機械鉆速，具體數據見表2.1。
（2） 液動潛孔錘與牙輪鉆頭配合使用效果表明，液動池與合理設計的牙輪鉆頭配合使用可以提高機械鉆速。具體數據見表2.2。
2． 大大提高回次進尺
使用螺桿馬達+液動錘和單獨使用螺桿馬達的鉆進效果比較可知，前者除了提高
速外還可以大大地提高回次進尺。具體數據比較見圖2.1，圖2.2及表2.3。
3． 大大提高取心長度。
沖擊回轉鉆進技術的應用前景很可觀，主要表現在以下幾方面：
1． 有效提高硬巖鉆速
2． 防止硬巖及復雜地層鉆井中的井斜問題
3． 減緩鉆頭磨損，延長鉆頭壽命，減少鉆具損壞，降低鉆井成本
沖擊回轉鉆進存在的主要難題
（1） 液動錘在大密度，高黏度條件下的工作性能及工作壽命；
（2） 液動錘在深孔高背壓下的工作性能；
（3） 高溫高壓條件下液動錘的設計；
（4） 沖擊功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關系；
（5） 適合液動錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發(fā)等。
單牙輪鉆頭的單次破碎巖石過程：所謂單次破碎巖石是指單齒圈在巖石表面轉一圈的破巖過程。下面是一組具有代表性的測試曲線來分析其破巖過程，見圖6.1。
重復破碎巖石的過程：
沖擊錘錘體長度的優(yōu)化設計： 上式中，當f(L)=0,L則為最優(yōu)長度。
而根據式（7.4）計算出的傳入巖石能量效率，進一步驗證沖錘質量是否達到最優(yōu)化程度，也可以進一步修正設計值。
所以，式（7.6）可作為直接檢驗沖錘的質量是否是最優(yōu)值，也可以作為求沖錘最優(yōu)質量的參考公式。
如已知求出最優(yōu)沖錘質量M，則結合式（7.8）就可以導出最優(yōu)間距即沖錘行程L。
結論：本文重點從三個方面討論問題：應力傳播過程中沖擊能的變化規(guī)律；沖擊錘與牙輪磚頭的合理匹配原因；在以上兩點基礎上，討論沖擊錘錘體的優(yōu)化設計問題。
通過對三個方面的討論，可以得出以下結論：
（1） 對沖擊錘錘體的優(yōu)化設計必須滿足一定的條件，即沖擊錘與設計合理的牙輪鉆頭的匹配。
（2） 以沖擊錘產生的應力波在傳播過程中沖擊能的變化規(guī)律為主線而得出的沖錘長度的設計值是比較合理的。
（3） 沖錘重量是否合理，可以由沖錘重量合理值，沖錘重量及砧子重量三者之間的關系式來判斷，也可以通過傳入巖石中 沖擊能效率來判斷。
（4） 在合理的沖錘重量及砧子滿足合理振幅的前提下，得出的沖錘行程值與沖錘長度值能較好的匹配。
液動錘（ 又稱液動沖擊器）以高壓鉆井液為動力介質實現沖擊回轉破碎巖石，它在地下幾百米至幾千米的在鉆井中工作。利用隨鉆監(jiān)測儀檢測和記錄井底的鉆井液壓力波形（如圖1），在鉆進回次結束后提出地面，通過現場PC 機讀取測試數據并進行處理，繪出壓力波形圖，可分析得出液動錘的沖擊力與沖擊頻率等數據，獲知其在井內的工作情況，為優(yōu)化鉆進工藝和改進鉆具設計提供依據。
1 設計要求
a） 工作環(huán)境 液動錘工作在深8 000 m 以內的井下，環(huán)境溫度達250 ℃，鉆井液壓力高達100 MPa，故要求壓力傳感器的量程范圍大、溫度穩(wěn)定性好、動態(tài)特性好，且抗沖擊振動耐腐蝕。
b） 數據總存儲量 一個鉆進回次可達100 h（即4 ～ 5 d），需要每間隔一個或幾個小時檢測并記錄壓力波形一次，每次波形不少于100 個周期。由于液動錘的工作頻率為20 Hz，為還原壓力波形，根據香農采樣定理，數據采集頻率應大于240 Hz，于是每次需采集240 ×（100 / 20）= 1 200 點；若每點數據占2 個字節(jié)（10 位AD），則可確定監(jiān)測儀的數據總存儲量應為480 000 字節(jié)，取512 k 字節(jié)。
c） 結構 監(jiān)測儀包括以單片機為核心的控制電路、壓力傳感器和可充電鋰電池等部分，只能安裝在鉆桿的狹小內腔中，故要求元件的體積小、功耗低，電路結構緊湊、集成度高，并解決好隔熱、防水與減震等問題。為此，將電路板與鋰電池封裝在直徑為Ф35 mm 圓柱形探棒中，內部用環(huán)氧樹脂膠填充密封，只在一端露出接口（包括傳感器接口、通訊接口、電源接口和單片機ISP 接口等），探棒與鉆桿之間填塞石棉材料，以利于隔熱與減震；壓力傳感器安裝在鉆桿與液動錘的接頭處，以便測量鉆井液的壓力波形。
2 結構組成
2. 1 壓力傳感器及信號調理電路
選用CYB-10S 型電橋應變式壓力傳感器，由于采用離子束濺射薄膜工藝制作，具有體積小、精度高、穩(wěn)定性好、高頻響等優(yōu)點，且抗沖擊振動和耐腐蝕性好，適用于化工及井下工作環(huán)境。
2. 2 單片機控制系統(tǒng)
單片機控制電路由單片機、實時鐘單元、數據存儲單元、看門狗單元、A/ D 轉換單元以及串口通訊單元等組成。為了實現系統(tǒng)的低功耗和微型化，單片機控制電路的元件均采用SMD 器件，數據訪問采用串行總線方式，如圖3。
2. 3 單片機控制軟件流程
在下井之前，先設定好監(jiān)測儀的工作參數（ 包括開鉆后的起始測試時間和本回次中的測試間隔），然后將監(jiān)測儀安裝在測試管中，隨同液動錘下放到井底；在鉆進過程中，自動進行定時測試，獲取壓力傳感器數據并進行存儲；一個鉆進回次結束后提鉆取出監(jiān)測儀，通過通訊接口與現場PC 機聯機，讀取數據并進行處理，繪出各檢測時刻的壓力波形圖，從而獲得液動錘在井內的工作參數。將測試數據與對應時刻的機臺進尺記錄進行比較和總結，為下一回次鉆進提供參考，有利于實現鉆進規(guī)程的優(yōu)化。在一個鉆進回次中，單片機由定時器定時喚醒，若存儲器未存滿數據，便執(zhí)行一次檢測工作，然后再進入休眠狀態(tài)；如果存儲器已存滿數據，則停止檢測，繼續(xù)休眠，以免破壞已獲得的數據。單片機控制軟件流程如圖4。
1 概述
中國 大 陸 科學鉆探工程是一項重大科學工程.是機遇，也是挑戰(zhàn)。
中國 大 陸 科學鉆探工程是在現代深部鉆探技術和地球物理遙測技術等構成的綜合反債系統(tǒng)荃礎上，在大別一蘇.超高壓變質結晶巖地區(qū)實施井深5000 m的中國第一口科學深鉆井，獲取完整的巖心及液、氣態(tài)樣品，取得原位側井數據，校正地球物理對深部組成與結構的遙側.研究作為建立新地球動力觀窗口的大陸會聚板塊邊緣的深部組成、行為、殼性作用及其動力學，并為資源、能源及地展發(fā)生機創(chuàng)提供新的科學依據，推動我國地球科學在21世紀更好地服務于國家經濟和社會發(fā)展，并在一些重要領域躍居世界前列。這個重大科學工程完工后，將建成亞洲第一個現代深部地質作用長期觀測與實驗墓地。
鉆探 子 工 程是該項目的核心與關健，是其它工程及研究項目核以進行的荃礎和前提，能否順利完成5000 m科學鉆孔的施工.將直接影響中國大陸科學鉆探工程項目的進度及眾多科學目標的實現。
1.1 中國大陸科學鉆探工程的科學目標
(1) 揭 示 超高壓變質巖的形成與折返機理;
(2) 再 造 大陸板塊匯康邊界的深部物質組成與結構;
(3) 建 立結 晶巖地區(qū)地球物理理論模型和解釋標尺;
(4) 研 究板 塊匯聚邊緣的地球動力學過程和殼一投相互作用;
(5) 揭 示 超高壓變質成礦機理，發(fā)現來自地怪深處的新礦物和新物質;
(6) 探 索 現代地殼流體一巖石相互作用與成礦機理;
(7) 研 究 地殼中徽生物類型和潛育條件。
（8) 為 資 撅的開發(fā)及地屁發(fā)生機制的探索提供新的科學依據。
1.2 中國大陸科學鉆探工程的技術目標
(1) 形 成 一套完整的硬巖深孔(5000.)大直徑(終孔直徑《152 mm)金剛石繩索取心鉆進技術體系。
(2) 使 具 有中國特色的液動錘鉆進技術更加完善，進一步提高我國液動錘技術應用效果，擴大包括孔深與孔徑在內的應用領域。
(3) 研 究 與開發(fā)新型的以繩索取心為基礎的組合式取心鉆進系統(tǒng)，如孔底馬達/繩索取心二合一鉆具、液動錘/繩索取心二合一鉆具及其相應的鉆進工藝，其成果將居國際領先地位。
(4) 帶 動 我國鉆探器具和鉆探材料生產制造技術與使用技術的進一步發(fā)展，使其趕超世界先進水平。
(5) 建 立 一個地球物理測井新儀器、新方法、新技術的試驗基地，推動我國測井技術的發(fā)展和應用。
2 項目的實施有助于打破我國鉆井行業(yè)內部門間的門戶之見，發(fā)展組合式鉆探技術
. 由 于長期以來我國鉆井行業(yè)內各部門間缺乏必要的溝通與交流，一些先進的鉆進技術雖在各部門的工作領域被證明為行之有效且取得了顯著的經濟效益與社會效益，但不能在更廣闊的應用領域中發(fā)揮效益，甚至由于存在不同程度的門戶之見，還導致不同部門間的技術封鎖或抵制。而本項目的實施，由于其施工的特殊性.給我國鉆井行業(yè)提供了一個打破門戶之見、充分交流、彼此借鑒、共同提高的大舞臺，因此，將現有各種鉆探技術的優(yōu)點通過技術改造而融合成一全新的鉆探技術體系— 組合式鉆探技術，不僅有利于順利完成本項目的鉆探工程施工，更有利于將在項目實施過程中得到不斷提高與完善的全新鉆探技術體系應用于我國整個鉆井行業(yè)，使其發(fā)揮出巨大的經濟效益與社會效益。
3 項目的實施有助于進一步提高與完獸取心鉆進技術
3.1 面臨的新問題
(1) 深 孔 小環(huán)瞇鉆井水力學研究;
(2) 深 孔 高祖離壓條件下結品巖鉆孔德定性研究；
(3) 深 孔 高沮離壓條件下的巖石力學和巖石破碎機理研究;
(4) 防 斜 糾斜技術方法研究;
(5) 孔 底 工程、地質信息實時檢側、處理、傳送與反饋控制問題研究等;
(6) 高 強 度、高質f繩索取心鉆桿、鉆具的設計、加工和耐造等;
(7) 高 效 率、長壽命金剛石鉆頭的研發(fā)(超硬材料、制造工藝)等。
4 項目的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術的推廣應用
實踐結果表明:液動錘鉆進在中硬一堅硬巖層中的技術經濟指標均優(yōu)于常規(guī)回轉鉆進，且有利于防止孔斜及減輕巖心卡堵。
4.1 需做的研發(fā)工作
(1 )液 動 錘在大密度、高粘度條件下的工作性能及工作壽命;
(2) 液 動 睡在深孔高背壓條件下的工作性能;
(3) 高 沮 高壓條件下液動睡運動機構的設計;
(4) 沖 擊 功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關系;
(5) 適 合 液動錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發(fā)等。
4.2 液動睡鉆進試臉
4.2.1 試臉目標
此次 試 驗 是為中國大陸科學鉆探工程項目的正式實施做準備。試臉欲達到的具體目標如下:
(1 )評 價 在硬巖中進行液動錘全面鉆進的有效性;
(2) 采 用 不同鉆頭對液動睡鉆進效果的影響;
(3)不同的液動睡使用效果對比;
(4)液動錘鉆進減輕孔斜的效果;
(5) 現 有 液動錘系統(tǒng)用于硬巖全面鉆進存在的主要間題。
4.2.2 試驗所得結論
通過 此 次 試臉，得出以下結論:
(1) 液 動 悅鉆進是在硬巖中進行大直徑全面鉆進的有效方法。
(2) 牙 輪 鉆頭配合采用液動錘在硬巖中進行大直徑全面鉆進可取得良好效果。
(3) 試 驗 中采用的2種液動錘皆適用于淺孔和硬巖條件下進行的大直徑全面鉆進。
5 項目的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應用水平的提高
6 結論
(1) 中 國 大陸科學鉆探工程項目的實施既是對我國現有鉆探技術的一個挑戰(zhàn)，同時，更是一個全面提高我國整體鉆探技術水平的、千載難逢的大好機遇;
(2) 項 目 的實施有助于打破我國鉆井行業(yè)內部門間的門戶之見，發(fā)展組合式鉆探技術;
(3) 項 目 的實施有助于進一步提高與完善取心鉆進技術;
(4) 項 目 的實施有助于推動我國液動錘鉆進技術的推廣應用;
(4) 項 目 的實施有助于推動我國金剛石鉆頭應用水平的提高。
潛孔 錘 鉆 進間世于19世紀末，至今已有百余年的歷史。潛孔錘種類很多，但其共同特點是產生沖擊作用的機構均潛人孔內，鉆頭破碎巖石是既沖擊又回轉。按其動力驅動的形式分為液動(水力和高油壓)、氣動、機械式等不同形式。
隨著 對 潛 孔錘破碎巖石機理、各類潛孔錘基礎理論研究、內部動力過程研究以及結構設計、加工制造水平提高，部件材料改進以及與其它多種工藝方法相結合形成潛孔錘多工藝鉆進技術，大大拓寬了它的應用領域。目前潛孔睡鉆進技術已廣泛應用于鉆井工程各個方面，逐步成為一種常規(guī)鉆進方法。近20年來，潛孔錘鉆進技術的理論與實踐方面均取得了突破性進展，使其優(yōu)越性得到充分發(fā)揮。
1 潛孔錘基礎理論的研究
潛孔 錘 工 作原理及參數的確定，傳統(tǒng)方法是采用類比法加實驗研究，不斷修整結構參數.使其性能參數達到設計要求。隨著計算機技術的發(fā)展，使比較復雜的潛孔錘工作過程，通過有限差分原理進行模擬仿真電算，不僅簡化了人工運算分析過程，而且電算結果科學可靠.并應用實驗結果對電算程序進行擬合，使電算結果與實驗結果高度吻合.充分揭示
活塞運動規(guī)律，進行潛孔錘性能參數的優(yōu)化輔助設計，大大縮短潛孔錘研制周期，降低靠經驗設計的盲目性，使?jié)摽族N的性能更可靠。
2 貫通式滋孔錘成功應用是淚孔錘結構設計的創(chuàng)新
實踐 證 明 ，氣動潛孔錘鉆進是一種效率高、鉆孔質量好、成本低的施工方法。但目前氣動潛孔錘鉆進仍以全面破碎的非貫通式潛孔錘為主，采用單壁鉆桿正循環(huán)排屑或取樣，地質資料可靠性差，因而大多局限用于礦山爆破孔、水井、工程施工等鉆孔鉆進。工業(yè)發(fā)達國家在破碎復雜地層中采用潛孔錘雙壁鉆桿反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進〔即CSR鉆進法)，雖然比單壁鉆桿正循環(huán)鉆進前進了一大步，但仍存在下列比較突出問題:
（1）樣 品 為碎屑狀，不能取出塊狀巖心，不便于分析研究地層的原生結構，難以掌握地層變化及巖石物理力學性質。
(2) 在 鉆 具的潛孔錘部位仍為正循環(huán)，在潛孔錘上部需連接一個交叉通道接頭(見圖2)，使巖樣通過接頭的窗口進人鉆桿中心孔，形成反循環(huán)，這樣在破碎地層對孔壁沖蝕會造成超徑和樣品混雜、污染、巖樣漏失，樣品層位顛倒。
貫通 式 潛 孔錘結構設計成功.使?jié)摽族N鉆進應用得到發(fā)展。為使該項技術配套應用復雜地層固體礦產勘探或水文水井鉆鑿，該技術關健是:采用小口徑貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿系統(tǒng)實現潛孔錘碎巖鉆進、反循環(huán)工藝方法及鉆進中連續(xù)獲取巖礦心(樣)、泡沫鉆進等多種工藝方法相結合，有效提高鉆進效率.提離礦心采取率和質t，鉆鑿水井時增大出水量，維護孔壁穩(wěn)定，把碎巖鉆進和提取巖心(樣)統(tǒng)一為邊鉆進、邊排屑、邊取心(樣)3種作業(yè)程序同時進行的鉆探新工藝。
3 射流式液動錘鉆進深度已突破4000 m
4 潛孔搖鉆進應用頓城抽來侶寬廣
隨著 潛 孔 睡本身結構形式的發(fā)展、工作性能的優(yōu)化、鉆頭類型的改進、鉆孔護壁方式的完警，尤其是與其它工藝方法相結合，形成了潛孔錘多工藝鉆進技術，使人們越來越認識到該鉆進方法不僅優(yōu)點突出，而且在復雜地層中鉆進可以解決許多用其它鉆進方法無能為力的難題，因而可拓寬應用領域。
4.1 地質勘探
4.2 工程勘察
在復 雜 地 層施工工程勘察孔時，存在2大技術難題:一是樣品質t及采取率很難滿足樣品分析要求;二是不能為原位鍘試提供較為規(guī)則的鉆孔。即使是采用貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心鉆進方法鉆進砂卵礫石地層.也容易產生樣品分選或原狀結構破壞，為此我們曾研制貫通式潛孔錘氣力噴反鉆具系統(tǒng)。經3個鉆孔進尺20余。試驗.解決了砂卵礫石樣品采取率低、鉆孔不規(guī)則的難題。樣品采取率達100%，鉆孔孔壁毯定完整，而且機械鉆速提高65% 。
4.3 鉆鑿水文水井
空氣 潛 孔 錘鉆鑿水文水井以優(yōu)質、高效李譽世界.其主要優(yōu)點是:鉆進效率高、鉆頭壽命長、回次進尺長，而且不堵塞含水裂晾，可增大單井出水量。
4.4 錨固工程
近年 來 ， 巖土錨固工程的發(fā)展尤為迅速，幾乎已觸及工程施工領域的各個角落，如礦山井巷、隧道確室，巖土邊坡加固、抗滑治理，壩址基礎加固，深基坑支排?？梢灶A料，錨固工程將以獨特的效應、簡便的工藝、廣泛的用途、經濟的造價，在巖土工程領城中顯示旺盛的生命力。錨固工程按地層分為土層錨桿和巖石錨桿。巖石 錨 桿 采用游孔睡枯進成孔，實際使用衰明具有如下優(yōu)點:
(1) 由 于 空氣潛孔錘鉆進不用沖洗液.可避免流體浸人巖體裂隙導致滑動。
(2) 由 于 空氣潛孔錘鉆進采用的規(guī)程參數是力小、轉速低，因而選用的鉆機質t及負荷都較小，便于在邊坡臺架上施工。
(3) 潛 孔 錘在巖石中鉆進不僅效率高，而且孔壁粗糙，提高了錨桿的抗拔力。
土層 錨 桿 采用潛孔錘沖擊擠密不排土成孔，優(yōu)點是:孔壁光滑、平直、且無殘渣成孔質量好;孔壁周圍土層擠壓密實，土的物理力學性能得到改善，提高了孔壁阻力，增加了錨桿抗拔力。
4.5 非開挖鋪設管線
4.6 近海域海底取樣
近海 域 海 底沖擊取樣裝t1是液動潛孔錘一個新的應用領城，它不用配套鉆機和鉆桿，只偏用軟膠管將高壓水抽給海底沖擊取樣器，班動拼孔誘和抽吸泵工作.完成鉆進取樣工作，從而不據專門的鉆探船，也免去了作業(yè)中對船體定位和鎖定等輔助裝〔參見圖4)。其優(yōu)點是設備簡單，取樣效率高、質好，起拔取樣筒容易。
4.7 工程灌漿孔或旋噴樁孔
4.8 在孤石、漆石、堅硬地層中大宜徑成孔
1 高壓腔內液體壓力的數學模型
沖擊 式 水 輪機的基本原理是將高壓流體的壓能轉化為高速射流的動能，再經轉輪轉化為旋轉機械能輸出。為了便于分析和設計沖擊式水輪機，研究者已將沖擊式水輪機抽象為圖1所示的力學模型。該模型將沖擊式水輪機工作過程抽象為一固定在小車上的葉片在射流沖擊作用下移動[6J。以此模型為基礎指導設計制造了大量的沖擊式水輪機應用于生產，實踐證明這個抽象力學模型是成功的。
在 射 流 式液動錘活塞運動的沖程階段，主射流附壁于后腔一側(圖2)，后腔為高壓腔。為了推導沖程階段后腔內液體壓力的數學表達式，可以將排空道一側、輸出道人口處的流體和劈尖看作為一體的“葉片”，此“葉片”受附壁主射流的沖擊而隨輸出道人口處的流體“小車”一起以速度二。運動。由于輸出道人口處的流體速度總是在變化，“葉片”和“小車”的速度在變化，某一瞬間形成的“葉片”和“小車”隨著時間的推移很快消失，研究中只考察任一瞬
間在此位置形成的以速度二。運動著的“葉片”和“小車”。各個瞬間“葉片”和“小車”的運動速度與此瞬間輸出道人口處的過流斷面上的液體運動的速度相同。這樣就構建了求解射流式液動錘沖程階段后腔液體壓力的‘類沖擊式水輪機”模型，在此模型上應用流體運動的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和速度三角形定理推導出沖程階段后腔液體壓力的數學
表達式。
取 虛 線 所包含的隨“葉片”一同“運動”的空間為控制體(圖2)，則相對固連于運動控制體的直角坐標系zqy(二軸與射流元件側壁平行)來說，任一瞬間流動是定常的。忽略質量力和摩擦力，固體壁作用于控制體內流體的力相互抵消，合力為零。附壁主射流流速很高，過流斷面上的靜壓力低，甚至是負壓，因而可以忽略主射流作用于控制體上的靜壓力，故圖2中未標出附壁主射流過流斷面上的壓力。對于控制體所受外力，只需考慮輸人道人口處和輸出道人口處液體對運動控制體的阻力。根據流體運動的連續(xù)性方程，有 （1）
式中，vi為附壁主射流流速，m/S;S; 為附壁主射流過流斷面面積，時;v，為排空道流體流速，m/S;凡為排空道過流斷面面積，m2;二。為輸出道入日處流速，m/s;S 。為輸出道人口處過流斷面面積。
式中，R。為輸出道人口處液體對運動控制體的阻力，N;R ,、為排空道出口處液體對運動控制體的阻力，N渭為排空道與射流元件側壁的夾角，rad;p 為液體的密度，kg/m3; u1,為附壁主射流相對于運動控制體的流速在二方向的分量,m/s; v1,為附壁主射流相對于運動控制體的速度，m/S;u2 ,為排空道過流斷面上流速在二軸方向的分量，m/s;v2 ,為排空道過流斷面上流體相對于運動控制體的速度，m /S;S1,S, 分別為附壁主射流過流斷面面積和排空道過流斷面面積。
式 (2 )右 端項不包括輸出道人口處過流斷面上流體動量變化率，因為該截面上的流體流速與運動控制體相同，二者相對運動速度為0,根據 速 度 三角形定理(圖3)，排空道處的流體相對于運動控制體的速度。
式中，戶〔〕為排空道液體壓力，由該處排出的液體流
經后續(xù)流道的壓力損失決定，Pa。于是
（5）
式中.h。為輸出道人口處液體壓力，Pa。
2 結束語
首次 將 射 流元件考慮在內，依據經典流體力學基本定理，建立了射流式液動錘高壓腔內液體壓力的數學模tfq 基于該模型仿真門算得到的前、后腔液體壓力隨時問的變化曲線與實測曲線基本相似.表明該模型可以較準確地反映射流式液動錘的內部動力過程.能夠用于指導射流式液動錘的性能優(yōu)化設計。
1. 概述
液動沖擊回轉鉆探就是在回轉鉆探的基礎上通過利用沖洗液驅動的液動潛孔錘對
破碎巖石的鉆頭施加一定頻率的沖擊能量，也就是鉆頭上帶有沖擊負荷的回轉鉆探。
液動沖擊回轉鉆探是對現有回轉鉆探的重大改革，是繼現代金剛石鉆探之后的鉆探新方法。它較好地利用了堅硬巖石脆性大而抗剪強度低不耐沖擊力的弱點，是解決堅硬巖層和某些復雜巖層鉆探效率低，鉆孔質量差的有效鉆探技術。
2. 發(fā)展歷程
我國對此技術的發(fā)展經歷了3個階段
2.1．起步階段（1958~1965）
1958年起地質部勘探技術研究所率先立項列為重點項目開始研究，首先在北京周口店勘探技術研究所試驗站建立專門試驗臺；1963年編輯了《沖擊回轉鉆探專輯》，介紹國外有關文獻；1965年設計了7種不同結構型式的液動錘。
2.2．廣泛開發(fā)階段（1975~1983）
經過數年的工作，至1983年左右，地礦部勘探技術研究所的正作用式YZ-54-II型，長春地質學院的射流式SC-54型，遼寧地礦局九隊的雙作用式SH-54型，冶金部探礦技術研究所的正作用式TK型，河北地礦局綜合研究隊的正式ZF-54型，核工業(yè)部江西264隊的雙作用式YE型等液動錘先后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。
2.3．提高與實用階段（1984~1998）
2.3.1 研制成功多種地質巖心鉆探用小口徑系列化的液動錘。這期間對液動錘開發(fā)的特點是“品種多，系列化”。一些主要的品種詳見表1~3
繩索取心式液動錘研制成功使繩索取心鉆探技術從回轉鉆變革為沖擊回轉鉆
拓寬液動錘品種和應用范圍取得可喜成果
液動沖擊回轉鉆探配套技術和相關措施取得重要成果
液動沖擊回轉鉆探應用及效益
液動沖擊回轉鉆探可獲得理想的破碎巖石效果，在中硬，堅硬和硬脆巖層
中的技術經濟指標均優(yōu)于回轉鉆井，鉆速提高30%~60%甚至數倍，成本降低約15%，鉆井的垂直度得到改善，為國家節(jié)約投資數億元。
從80~90年代末我國此項技術的發(fā)展引起德國，加拿大，澳大利亞，日本，美國，韓國等國外同行的注目，有的多次派人前來考察和洽購產品，無論在國內或國外都取得了良好的經濟和社會效益。
隨 著 我 國高科技和電子技術的發(fā)展，沖擊回轉鉆探的理論研究水平將有重大的突破，各種不同結構型式的液動錘其沖擊錘和各運動部件的力學特性表達式將得到改進和充實，利用計算機模擬仿真將對液動錘的結構、參數設計進一步簡化、優(yōu)化和科學化;
對液動錘性能參數的測試將會更加準確、直觀和智能化，新型先進專業(yè)化的傳感器和普及型的高速攝影測試技術將得到應用;沖擊回轉鉆探破碎巖石機理將出現新的理論。
液動 錘 將 向大沖擊功、高泵壓、低排盈方向發(fā)展新品種。由于管路中液體流盈(Q)與液壓(P)的關系為P=KQZ(K 為決定于結構參數的常數)，而Q受鉆進工藝制約不能過分提高，故管路中的特殊設計將會為提高尸而出現;鑒于結構和品種過度前移，為迎接市場環(huán)境的挑戰(zhàn)，液動錘的品種和型號將適當減少和進一步優(yōu)化并普遍實現批里規(guī)模制造，由于沖擊功增大而在其加工精度、選材、熱處理、防腐處理等方面將達到或超過目前風動潛孔錘的水平;同時規(guī)模化生產將會促使多頭環(huán)狀取心或全面組合式液動錘技術更加成熟，使大直徑基巖樁施工較為容易;針對水源充足和有排水條件及運輸方便的工程，將研制出裝備完善、配套合理的拖車式或自行式液動錘鉆機組;進一步完善氣、液兩用液動錘技術，更方便適應不同環(huán)境條件;研制單次沖擊功按液動錘直徑每厘米大于25)的液動錘，滿足科學鉆
井、石油天然氣、災害治理錨固施工的要求;用于消除深孔卡鉆的大功率反向液動錘將得到運用;貫通式液動錘與雙壁鉆具融合，利用防凍液，采取閉路循環(huán)的組合鉆進系統(tǒng)將可用于南極勘察;液動錘與渦輪鉆或螺桿鉆及長壽命鉆頭或不提鉆換鉆頭相融合的鉆進系統(tǒng)將在深鉆施工中發(fā)揮高效益;此外研制采用高壓油或其它洗井介質驅動的閉路循環(huán)掖動錘可能是新一代產品的重要內容，如在非開挖地下管線施工中利用油壓式夯管錘，其效率將高于氣動夯管錘，且性能易調節(jié)、噪聲低。
為提 高 鉆 頭壽命，硬度達HRA100而抗彎強度(ab)超過300 MPa的超級硬質合金將為沖擊回轉鉆頭的設計實現重大變革。配套 裝 備 將出現新型高泵壓、大排量的泥漿泵;高風壓、大排童、低能耗的新型空壓機及增壓器;結構新穎、效率高而輕便的洗井液除砂器的出現將為提高液動潛孔錘的使用壽命創(chuàng)造條件;液壓鑿巖機的配套泵及技術將得到移植和更好的應用。在 全 行 業(yè)和相關行業(yè)同仁的共同努力下，液動沖擊回轉鉆探將在可鉆性6級(f=7--8)以上巖層和部分硬、脆、碎巖層中全部或部分取代單純回轉鉆探，在前途輝煌的21世紀中更加廣泛地在地質勘探、工程鉆探、地質災害的防治以及在樁、墩、墻、幕、錨等領域得到更大的發(fā)展，為社會主義現代化建設做出應有的貢獻。
傳說當早期人們用錘擊釬桿打炮眼和敲道渣時就聯想并追求用動載碎巖的孔(井) 底沖擊器(或沖擊回轉鉆具) 鉆進技術。1860 年就有人提出采用液動沖擊器的設想。19 世紀中期到20 世紀初葉,歐洲就開始研制液動沖擊器,然而其進步都滯后于差不多同期起步的風動沖擊器。有報導,20 世紀40～50 年代,蘇聯、美國都研究出不同類型的液動沖擊器(Water Powered Hammer) ,又稱液動錘。但后來在這2 個國家發(fā)展各異。
美國先側重發(fā)展了氣動錘(Air Hammer) ,成就顯赫。最大鉆井深度達3000 m 以上。
蘇聯則致力于發(fā)展液動沖擊器液動錘(嗣后亦重視風動沖擊器) 的研究與應用,特別注重在地質鉆探領域里的成功應用,在世界范圍內獨樹一幟。
我國參照蘇聯經驗,50 年代就開始研究液動錘,直到70 年代才在生產中試用。液動錘直徑35～245 mm ;鉆孔直徑37～375 mm。勘探技術研究所近年來已進行試驗的a580 mm 大直徑液動錘,其孔徑可達800 mm 以上。液動錘已在巖心鉆探中廣為應用,最大孔深超過1000 m。長春科技大學用射流式液動錘在a21519 mm 油井中試驗,孔深曾達2600 余m ,并表明液動錘能提高牙輪鉆頭鉆速。
回想起蘇聯和中國從50 年代起在液動錘技術研究與應用方面取得的成就,也想起在國際間的交流,如1985 年在無錫召開的亞太地區(qū)鉆探國際會議后,我國液動錘技術已于1988 年起先后引入到澳大利亞、德國和美國等國,中國專家還到國外講學,許多外國技術人員來華參觀實驗室等。
中國大陸科學鉆探(CCSD) 計劃要在硬～堅硬、易造斜的高變質結晶巖中全孔取心鉆探5000 m。工程部擬采取的技術措施之一就是采用液動錘,終孔孔徑6 in (15214 mm) ,與ODP 擬的相似。太平洋脊水深5000 m ,其背壓亦雷同?？磥鞢CSD 在這一鉆探技術上既面臨5000 m 深孔硬巖取心、保直的難題,也面臨液動錘技術研究與使用水平的國際性競賽的挑戰(zhàn)。為了迎接CCSD 的需求,研究的重點方面有:
(1) 深孔高背壓條件下能正常工作和有足夠沖擊能量的可靠性結構液動錘。例如第一步到2000m ,再往深處延伸。
(2) 選用優(yōu)質原材料、科學熱處理、精密機加工和檢測技術;可借鑒宣化- 英格索蘭公司的經驗,該公司生產的潛孔錘原材料100 %立足國內,產品完全達到美國水平。
(3) 要在試驗臺架上作全尺寸樣機的試驗與考驗。引入國際“可靠性工程”和“可修復工程”的做法,不斷改進薄弱環(huán)節(jié)。
(4) 液動錘可鉆性(對比) 指標。如空氣潛孔錘在國際上習慣用于標準石灰?guī)r、標準花崗巖中的以時效與壽命作為評價產品的優(yōu)劣和提供產品質量保證的條件。
(5) 減震、鉆桿密封、循環(huán)液潤滑性及固相清除技術。
除上述外,液動錘的確存在可開發(fā)與持續(xù)發(fā)展擴大應用領域的前景。諸如已被注意或已起步研究的方面:
(1) 用于石油鉆井對付硬巖的大沖擊功液動錘。
(2) 用于水文水井施工的液動錘。
(3) 性能可靠的與繩索取心相結合的液動錘。
(4) 用于砂礦的液動錘。
(5) 用于一定深度水域作業(yè)的液動錘,進行地質礦產勘查取樣或工程地質勘察。
(6) 施工嵌巖樁的大直徑、大功率液動錘。
(7) 較短距離鋪設地下管道的夯管液動錘。
(8) 在巖層或卵礫石層打水平孔或導向鉆進鋪管用的液動錘。
(9) 物探震源孔或采礦與采石場爆破孔用液動錘。
(10) 坑道掘進時管棚施工用潛孔錘。
(11) 氣液(和泡沫) 多介質用液動錘。
(12) 跟套管鉆進液動錘。
(13) 反循環(huán)鉆進和貫通式液動錘。
(14) 減震器(減少對鉆柱和地面鉆機的損傷) 和配套的各種巖層用鉆頭等。
(15) 采用優(yōu)質鋼材和熱處理技術及提高使用壽命的措施等。
如果在液動錘結構與性能上有所創(chuàng)新與突破,或在使用領域里有新的拓展,都將會在鉆探技術方面產生新的技術經濟效果,并將鉆探技術向前推進一步。
科鉆一井自二開取心鉆進以來.鉆遇地層堅硬，破碎.普通旋轉鉆進速度很慢.極易造成堵心0為此.在井深380m時開始使用液動錘。應用效果非常明顯.不僅大大提高了單筒取心進尺和取心收獲率.加快了鉆進速度.并且很好地防止了堵心和井斜。2000m的先導孔.井斜控制在4度以內.遠遠低于設計14度的指標.取心收獲率達88.71%。.成功地實現了先導孔和主孔“雙孔合一”的目標。
1.鉆探質量要求
二開取心孔徑為157mm，.為了保證下一步取心工作的順利進行和減少鉆具事故.要求0~2000mm的先導孔井斜不超過14度。取心收獲率85%~90%。
2.基礎設備及鉆井參數
2.1鉆探設備
科鉆一井應用ZJ70D型石油鉆機.其最大承鉆能力為7000m，最大提升拉力為4500KN..轉盤承受最大轉速為300R/min，無級變速.井架高’凈空高度45m。采用3NB1600型鉆井泵.最大排量46.53L/min,.最大沖數120沖/min。采用美國DERRICK公司生產的振動篩和中華造船廠生產的循環(huán)罐。采用美國VARCO公司生產的MD/TOTCO數顯儀表監(jiān)測鉆井參數。
2.2鉆具
采用外徑157mm和內徑)97mm的孕鑲人造金剛石鉆頭和天然表鑲金剛石鉆頭7采用外管140mm和內管108mm的雙管取心筒;157.3mm熱壓人造金剛石擴孔器;采用北京某廠生產的5LZ120,5LZ95,4LZ120,4LZ95,3LZ120型高速螺桿;采用120mm鉆鋌和89mm鉆桿；應用KSC-127型液動錘。
2.3 主要鉆井參數及鉆井液性能
鉆壓0~20KN；轉速200~300r/min,排量9~13L/S。科鉆一井采用LBM-H低固相鉆井液體系.其主要性能為：密度1.05kg/L;粘度28~31s;濾失13~22ml;切力0.5/3~9Pa,.固相含量3%~4%;含砂0.03%,潤滑性和流動性良好.
沖擊器結構及工作原理
液動射流式沖擊器是以一個雙穩(wěn)的射流元件作為控制機構,由于雙穩(wěn)射流元件具有附壁和切換的特性,可控制流體按一定的規(guī)律進入沖擊器活塞工作腔體的上腔和下腔,從而推動活塞沖錘作上下往復運動。其基本結構如圖1 所示。水泵輸出的高壓水,經鉆桿進入射流元件的噴咀,產生高速射流,高速射流具有附壁效應。假如射流先附壁于缸體上腔進水口一側,高壓水進入缸體上腔,推動活塞和沖錘向下加速運行,直至撞擊砧子,完成沖擊過程。在沖錘撞擊砧子時由于活塞沖錘突然停止向下的運動,則在上腔產生一水擊壓力,水擊壓力以波動的形式經信號道反射到控制道,推動主射流切換,而附壁于活塞下腔進水口的一側,高壓水進入缸體下腔,推動活塞沖錘回程,當活塞沖錘加速運行至上死點,即活塞頂端與缸體上部碰撞接觸時,在活塞下缸產生一水擊壓力,水擊壓力信號以波的形式反射,經信號道至控制道出口,推動主射流切換,而重新附壁于缸體上腔進水通道一側,開始下一次的沖擊過程。如此循環(huán)往復,實現沖擊動作。上下腔的回水則通過各自的輸出道進入各自的放空孔,經射流元件側面通道向下流至井底[2 ] 。
圖1 射流沖擊器結構簡圖
沖擊器參數測試系統(tǒng)結構組成
測試系統(tǒng)主要由五部分組成:分別是動力系統(tǒng)、測試臺架、傳感器部分、數據采集部分與計算機數據處理部分。測試系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。
圖2 測試系統(tǒng)示意圖
1 - 動力站;2 - 沖擊器;3 - 懸掛系統(tǒng)(吊車) ;4 - 上測試接頭;
5 - 上腔壓力傳感器;6 - 下腔壓力傳感器;7 - 下測試接頭;
8 - 固定架;9 - 信號處理采集部分;10 - 計算機
1. 動力系統(tǒng)
由2 臺固井車及相關高低壓管匯組成,為沖擊器提供動力來源。
2. 測試臺架
由懸掛系統(tǒng)、上測試接頭、下測試接頭、固定架及測試桿組成。
3. 傳感器部分
傳感器部分由上腔壓力傳感器、下腔壓力傳感器及加速度傳感器組成,將壓力信號及加速度等非電量信號轉換為電信號,是保證測試精度的關鍵部件。
4. 數據采集部分
數據采集部分由信號處理器、高速數據采集器兩部分組成。信號處理器主要用于傳感器的電信號進行預處理,以滿足高速數據處理器的需要,具有12 路處理通道?！?
5. 計算機數據處理部分
采用DATAQ 公司DI - 720 配套軟件做基礎平臺,進行二次開發(fā),具有數據實時采集處理、數據回放分析等功能,操作簡單,功能強大。
測試系統(tǒng)功能特點
1. 本系統(tǒng)根據射流式液動沖擊器的工作原理,直接測試其工作腔的壓力及沖錘運動加速度,便可測出相關的多種參數,測試原理簡單,傳感器精度高,尤其是傳感器部分不存在人為誤差,提高了測試精度。
2. 實現了分時、多通道同時采集處理,可建立多條曲線間的對比關系,最多采集通道可達32 通道。
3. 數據采樣速率高,最大可達250 kHz ,即最小采樣時間為4μs ,利用加速度傳感器即可準確測出沖擊加速度及瞬間沖擊力。
4. 軟、硬件功能強大,數據存儲量大,可根據實際需要隨時調節(jié)各項參數,調節(jié)方便、簡單,再開發(fā)能力強。
5. 系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強。
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