0050-ГБМС-5型液動(dòng)錘特性分析與計(jì)算【全套7張CAD圖】
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本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
專業(yè)文獻(xiàn)閱讀報(bào)告
傳統(tǒng)的繩索取心式液動(dòng)錘缺點(diǎn)：上下一體式，口徑?。ㄣ@孔直徑D95mm，液動(dòng)錘
直徑d74mm），沖擊功?。╓30J）。而且沖擊功要通過(guò)幾米長(zhǎng)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(chǎn)生的重力；G2—被沖擊件的重力；k—沖擊波損失系數(shù)，與沖擊
傳遞距離，沖洗液密度與粘度有關(guān)。
從上面的式子可知：在G1一定情況下，被沖擊部分重力及長(zhǎng)度越大，越小。繩索取心液動(dòng)錘的巖心管長(zhǎng)度不超過(guò)3m，距正規(guī)繩索取心的8~9m還很大，使液動(dòng)錘和繩索取心技術(shù)的高效性大打折扣。另外，當(dāng)提取巖心時(shí)，液動(dòng)錘部分也一并被提出孔外，做了一部分無(wú)用功。
針對(duì)以上所述，提出如下設(shè)想來(lái)解決傳統(tǒng)的繩索取心式液動(dòng)錘的不足：采用大口徑貫通式液動(dòng)錘，中間套繩索取心的“貫通式繩索取心液動(dòng)錘”。
該復(fù)合鉆具結(jié)構(gòu)如圖1所示。
繩索取心系統(tǒng)置于貫通式液動(dòng)錘內(nèi)，懸掛裝置座于液動(dòng)錘的上部臺(tái)階上，起懸掛和封隔作用，保證液流通過(guò)液動(dòng)錘，其間可設(shè)一特定軸承使繩索取心系統(tǒng)不隨液動(dòng)錘轉(zhuǎn)動(dòng)。液動(dòng)錘下部接專門(mén)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)壽命取心金剛石鉆頭或取心牙輪鉆頭。液動(dòng)錘上部可用鉆鋌加壓，鉆鋌適當(dāng)位置設(shè)一繩索取心彈卡接頭。
此設(shè)想有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
鉆具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，部件由SSC系列鉆具的50多件減至20多件，增強(qiáng)了鉆具的安全性。對(duì)鉆桿要求低。繩索取心內(nèi)管長(zhǎng)度不受限制，巖心管可加長(zhǎng)至8~9m，取心間隔長(zhǎng)。沖擊功直接作用于鉆頭，損失小，沖擊鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮。結(jié)構(gòu)和工藝合理。
總結(jié)：由于石油，地?zé)?，水文水井等鉆孔直徑D大于等于152mm，使得貫通式液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)空間成為可能。
液動(dòng)錘又叫潛孔液動(dòng)沖擊器，由于它的結(jié)構(gòu)和工作原理比較獨(dú)特，所以具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用深孔硬巖鉆進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，在水文水井，地?zé)峋蜌饩约翱茖W(xué)鉆探中都得到了良好的應(yīng)用。但目前液動(dòng)錘存在單次沖擊能傳遞效率低，多依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，工作不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，所以，本文從潛孔沖擊錘產(chǎn)生的應(yīng)力波入手，對(duì)應(yīng)力波的傳播過(guò)程和波在傳播過(guò)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(duì)潛孔沖擊錘的設(shè)計(jì)提供一些使用理論。
鉆探子工程是中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程的核心與關(guān)鍵，是其他工程進(jìn)行的基礎(chǔ)和前提，是否能夠?qū)O里完成5000m科學(xué)鉆探的施工，將直接影響中國(guó)大陸鉆探工程的進(jìn)度和其他目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。為了使大陸科學(xué)鉆探工程順利進(jìn)行，創(chuàng)造性地使用了“液動(dòng)潛孔錘+螺桿馬達(dá)+繩索取心”即“三合一”組合鉆具。實(shí)踐結(jié)果表明：液動(dòng)錘鉆進(jìn)在中硬至堅(jiān)硬巖層中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，并且利于防止孔斜和減輕巖心卡堵。
主要研究思路：詳見(jiàn)圖1.1。
沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的工作原理：液動(dòng)沖擊器安裝在鉆頭和鉆鋌之間。鉆進(jìn)過(guò)程中，液動(dòng)沖擊器利用高壓水或泥漿做為動(dòng)力介質(zhì)，推動(dòng)沖擊錘和活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，連續(xù)不斷地沖擊鉆頭，它產(chǎn)生較高頻率的沖擊載荷直接作用于鉆頭，沖擊功再以應(yīng)力波（能量）的形式通過(guò) 鉆頭傳遞給巖石，通過(guò)鉆頭將沖擊能量傳遞給巖石，對(duì)巖石產(chǎn)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(chǎn)生的沖擊力，其峰值大約在100s內(nèi)可從零增加到幾噸，幾十噸，沖擊頻率可達(dá)0-50HZ及以上。這種沖擊載荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了巖石的抗破碎強(qiáng)度，加上回轉(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)剪切破巖為輔的新的聯(lián)合破巖方法，從而改善破巖效果，大大提高鉆進(jìn)速度。
液動(dòng)潛孔錘在中國(guó)大陸科學(xué)鉆探中起著非常大的作用：
1． 很大程度的提高機(jī)械鉆速
（1） 液動(dòng)錘鉆進(jìn)與相鄰的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)比較可知，液動(dòng)潛孔錘可以很大程度提高機(jī)械鉆速，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.1。
（2） 液動(dòng)潛孔錘與牙輪鉆頭配合使用效果表明，液動(dòng)池與合理設(shè)計(jì)的牙輪鉆頭配合使用可以提高機(jī)械鉆速。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.2。
2． 大大提高回次進(jìn)尺
使用螺桿馬達(dá)+液動(dòng)錘和單獨(dú)使用螺桿馬達(dá)的鉆進(jìn)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(jìn)尺。具體數(shù)據(jù)比較見(jiàn)圖2.1，圖2.2及表2.3。
3． 大大提高取心長(zhǎng)度。
沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用前景很可觀，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
1． 有效提高硬巖鉆速
2． 防止硬巖及復(fù)雜地層鉆井中的井斜問(wèn)題
3． 減緩鉆頭磨損，延長(zhǎng)鉆頭壽命，減少鉆具損壞，降低鉆井成本
沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)存在的主要難題
（1） 液動(dòng)錘在大密度，高黏度條件下的工作性能及工作壽命；
（2） 液動(dòng)錘在深孔高背壓下的工作性能；
（3） 高溫高壓條件下液動(dòng)錘的設(shè)計(jì)；
（4） 沖擊功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關(guān)系；
（5） 適合液動(dòng)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(guò)程：所謂單次破碎巖石是指單齒圈在巖石表面轉(zhuǎn)一圈的破巖過(guò)程。下面是一組具有代表性的測(cè)試曲線來(lái)分析其破巖過(guò)程，見(jiàn)圖6.1。
重復(fù)破碎巖石的過(guò)程：
沖擊錘錘體長(zhǎng)度的優(yōu)化設(shè)計(jì)： 上式中，當(dāng)f(L)=0,L則為最優(yōu)長(zhǎng)度。
而根據(jù)式（7.4）計(jì)算出的傳入巖石能量效率，進(jìn)一步驗(yàn)證沖錘質(zhì)量是否達(dá)到最優(yōu)化程度，也可以進(jìn)一步修正設(shè)計(jì)值。
所以，式（7.6）可作為直接檢驗(yàn)沖錘的質(zhì)量是否是最優(yōu)值，也可以作為求沖錘最優(yōu)質(zhì)量的參考公式。
如已知求出最優(yōu)沖錘質(zhì)量M，則結(jié)合式（7.8）就可以導(dǎo)出最優(yōu)間距即沖錘行程L。
結(jié)論：本文重點(diǎn)從三個(gè)方面討論問(wèn)題：應(yīng)力傳播過(guò)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(diǎn)基礎(chǔ)上，討論沖擊錘錘體的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。
通過(guò)對(duì)三個(gè)方面的討論，可以得出以下結(jié)論：
（1） 對(duì)沖擊錘錘體的優(yōu)化設(shè)計(jì)必須滿足一定的條件，即沖擊錘與設(shè)計(jì)合理的牙輪鉆頭的匹配。
（2） 以沖擊錘產(chǎn)生的應(yīng)力波在傳播過(guò)程中沖擊能的變化規(guī)律為主線而得出的沖錘長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)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(guān)系式來(lái)判斷，也可以通過(guò)傳入巖石中 沖擊能效率來(lái)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(zhǎng)度值能較好的匹配。
液動(dòng)錘（ 又稱液動(dòng)沖擊器）以高壓鉆井液為動(dòng)力介質(zhì)實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)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(cè)儀檢測(cè)和記錄井底的鉆井液壓力波形（如圖1），在鉆進(jìn)回次結(jié)束后提出地面，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PC 機(jī)讀取測(cè)試數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，繪出壓力波形圖，可分析得出液動(dòng)錘的沖擊力與沖擊頻率等數(shù)據(jù)，獲知其在井內(nèi)的工作情況，為優(yōu)化鉆進(jìn)工藝和改進(jìn)鉆具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 設(shè)計(jì)要求
a） 工作環(huán)境 液動(dòng)錘工作在深8 000 m 以內(nèi)的井下，環(huán)境溫度達(dá)250 ℃，鉆井液壓力高達(dá)100 MPa，故要求壓力傳感器的量程范圍大、溫度穩(wěn)定性好、動(dòng)態(tài)特性好，且抗沖擊振動(dòng)耐腐蝕。
b） 數(shù)據(jù)總存儲(chǔ)量 一個(gè)鉆進(jìn)回次可達(dá)100 h（即4 ～ 5 d），需要每間隔一個(gè)或幾個(gè)小時(shí)檢測(cè)并記錄壓力波形一次，每次波形不少于100 個(gè)周期。由于液動(dòng)錘的工作頻率為20 Hz，為還原壓力波形，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，數(shù)據(jù)采集頻率應(yīng)大于240 Hz，于是每次需采集240 ×（100 / 20）= 1 200 點(diǎn)；若每點(diǎn)數(shù)據(jù)占2 個(gè)字節(jié)（10 位AD），則可確定監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)總存儲(chǔ)量應(yīng)為480 000 字節(jié)，取512 k 字節(jié)。
c） 結(jié)構(gòu) 監(jiān)測(cè)儀包括以單片機(jī)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(nèi)腔中，故要求元件的體積小、功耗低，電路結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高，并解決好隔熱、防水與減震等問(wèn)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(nèi)部用環(huán)氧樹(shù)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(jī)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(dòng)錘的接頭處，以便測(cè)量鉆井液的壓力波形。
2 結(jié)構(gòu)組成
2. 1 壓力傳感器及信號(hào)調(diào)理電路
選用CYB-10S 型電橋應(yīng)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(diǎn)，且抗沖擊振動(dòng)和耐腐蝕性好，適用于化工及井下工作環(huán)境。
2. 2 單片機(jī)控制系統(tǒng)
單片機(jī)控制電路由單片機(jī)、實(shí)時(shí)鐘單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、看門(mén)狗單元、A/ D 轉(zhuǎn)換單元以及串口通訊單元等組成。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗和微型化，單片機(jī)控制電路的元件均采用SMD 器件，數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用串行總線方式，如圖3。
2. 3 單片機(jī)控制軟件流程
在下井之前，先設(shè)定好監(jiān)測(cè)儀的工作參數(shù)（ 包括開(kāi)鉆后的起始測(cè)試時(shí)間和本回次中的測(cè)試間隔），然后將監(jiān)測(cè)儀安裝在測(cè)試管中，隨同液動(dòng)錘下放到井底；在鉆進(jìn)過(guò)程中，自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)測(cè)試，獲取壓力傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)；一個(gè)鉆進(jìn)回次結(jié)束后提鉆取出監(jiān)測(cè)儀，通過(guò)通訊接口與現(xiàn)場(chǎng)PC 機(jī)聯(lián)機(jī)，讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，繪出各檢測(cè)時(shí)刻的壓力波形圖，從而獲得液動(dòng)錘在井內(nèi)的工作參數(shù)。將測(cè)試數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)時(shí)刻的機(jī)臺(tái)進(jìn)尺記錄進(jìn)行比較和總結(jié)，為下一回次鉆進(jìn)提供參考，有利于實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)規(guī)程的優(yōu)化。在一個(gè)鉆進(jìn)回次中，單片機(jī)由定時(shí)器定時(shí)喚醒，若存儲(chǔ)器未存滿數(shù)據(jù)，便執(zhí)行一次檢測(cè)工作，然后再進(jìn)入休眠狀態(tài)；如果存儲(chǔ)器已存滿數(shù)據(jù)，則停止檢測(cè)，繼續(xù)休眠，以免破壞已獲得的數(shù)據(jù)。單片機(jī)控制軟件流程如圖4。
1 概述
中國(guó) 大 陸 科學(xué)鉆探工程是一項(xiàng)重大科學(xué)工程.是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。
中國(guó) 大 陸 科學(xué)鉆探工程是在現(xiàn)代深部鉆探技術(shù)和地球物理遙測(cè)技術(shù)等構(gòu)成的綜合反債系統(tǒng)荃礎(chǔ)上，在大別一蘇.超高壓變質(zhì)結(jié)晶巖地區(qū)實(shí)施井深5000 m的中國(guó)第一口科學(xué)深鉆井，獲取完整的巖心及液、氣態(tài)樣品，取得原位側(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，校正地球物理對(duì)深部組成與結(jié)構(gòu)的遙側(cè).研究作為建立新地球動(dòng)力觀窗口的大陸會(huì)聚板塊邊緣的深部組成、行為、殼性作用及其動(dòng)力學(xué)，并為資源、能源及地展發(fā)生機(jī)創(chuàng)提供新的科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)我國(guó)地球科學(xué)在21世紀(jì)更好地服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，并在一些重要領(lǐng)域躍居世界前列。這個(gè)重大科學(xué)工程完工后，將建成亞洲第一個(gè)現(xiàn)代深部地質(zhì)作用長(zhǎng)期觀測(cè)與實(shí)驗(yàn)?zāi)沟亍?
鉆探 子 工 程是該項(xiàng)目的核心與關(guān)健，是其它工程及研究項(xiàng)目核以進(jìn)行的荃礎(chǔ)和前提，能否順利完成5000 m科學(xué)鉆孔的施工.將直接影響中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目的進(jìn)度及眾多科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
1.1 中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程的科學(xué)目標(biāo)
(1) 揭 示 超高壓變質(zhì)巖的形成與折返機(jī)理;
(2) 再 造 大陸板塊匯康邊界的深部物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu);
(3) 建 立結(jié) 晶巖地區(qū)地球物理理論模型和解釋標(biāo)尺;
(4) 研 究板 塊匯聚邊緣的地球動(dòng)力學(xué)過(guò)程和殼一投相互作用;
(5) 揭 示 超高壓變質(zhì)成礦機(jī)理，發(fā)現(xiàn)來(lái)自地怪深處的新礦物和新物質(zhì);
(6) 探 索 現(xiàn)代地殼流體一巖石相互作用與成礦機(jī)理;
(7) 研 究 地殼中徽生物類型和潛育條件。
（8) 為 資 撅的開(kāi)發(fā)及地屁發(fā)生機(jī)制的探索提供新的科學(xué)依據(jù)。
1.2 中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程的技術(shù)目標(biāo)
(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(jìn)技術(shù)體系。
(2) 使 具 有中國(guó)特色的液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)更加完善，進(jìn)一步提高我國(guó)液動(dòng)錘技術(shù)應(yīng)用效果，擴(kuò)大包括孔深與孔徑在內(nèi)的應(yīng)用領(lǐng)域。
(3) 研 究 與開(kāi)發(fā)新型的以繩索取心為基礎(chǔ)的組合式取心鉆進(jìn)系統(tǒng)，如孔底馬達(dá)/繩索取心二合一鉆具、液動(dòng)錘/繩索取心二合一鉆具及其相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝，其成果將居國(guó)際領(lǐng)先地位。
(4) 帶 動(dòng) 我國(guó)鉆探器具和鉆探材料生產(chǎn)制造技術(shù)與使用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，使其趕超世界先進(jìn)水平。
(5) 建 立 一個(gè)地球物理測(cè)井新儀器、新方法、新技術(shù)的試驗(yàn)基地，推動(dòng)我國(guó)測(cè)井技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。
2 項(xiàng)目的實(shí)施有助于打破我國(guó)鉆井行業(yè)內(nèi)部門(mén)間的門(mén)戶之見(jiàn)，發(fā)展組合式鉆探技術(shù)
. 由 于長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)鉆井行業(yè)內(nèi)各部門(mén)間缺乏必要的溝通與交流，一些先進(jìn)的鉆進(jìn)技術(shù)雖在各部門(mén)的工作領(lǐng)域被證明為行之有效且取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益，但不能在更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮效益，甚至由于存在不同程度的門(mén)戶之見(jiàn)，還導(dǎo)致不同部門(mén)間的技術(shù)封鎖或抵制。而本項(xiàng)目的實(shí)施，由于其施工的特殊性.給我國(guó)鉆井行業(yè)提供了一個(gè)打破門(mén)戶之見(jiàn)、充分交流、彼此借鑒、共同提高的大舞臺(tái)，因此，將現(xiàn)有各種鉆探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)通過(guò)技術(shù)改造而融合成一全新的鉆探技術(shù)體系— 組合式鉆探技術(shù)，不僅有利于順利完成本項(xiàng)目的鉆探工程施工，更有利于將在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中得到不斷提高與完善的全新鉆探技術(shù)體系應(yīng)用于我國(guó)整個(gè)鉆井行業(yè)，使其發(fā)揮出巨大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
3 項(xiàng)目的實(shí)施有助于進(jìn)一步提高與完獸取心鉆進(jìn)技術(shù)
3.1 面臨的新問(wèn)題
(1) 深 孔 小環(huán)瞇鉆井水力學(xué)研究;
(2) 深 孔 高祖離壓條件下結(jié)品巖鉆孔德定性研究；
(3) 深 孔 高沮離壓條件下的巖石力學(xué)和巖石破碎機(jī)理研究;
(4) 防 斜 糾斜技術(shù)方法研究;
(5) 孔 底 工程、地質(zhì)信息實(shí)時(shí)檢側(cè)、處理、傳送與反饋控制問(wèn)題研究等;
(6) 高 強(qiáng) 度、高質(zhì)f繩索取心鉆桿、鉆具的設(shè)計(jì)、加工和耐造等;
(7) 高 效 率、長(zhǎng)壽命金剛石鉆頭的研發(fā)(超硬材料、制造工藝)等。
4 項(xiàng)目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國(guó)液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用
實(shí)踐結(jié)果表明:液動(dòng)錘鉆進(jìn)在中硬一堅(jiān)硬巖層中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，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(dòng) 錘在大密度、高粘度條件下的工作性能及工作壽命;
(2) 液 動(dòng) 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(dòng)睡運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì);
(4) 沖 擊 功與牙輪鉆頭之間的合理匹配關(guān)系;
(5) 適 合 液動(dòng)錘沖擊載荷條件下工作的牙輪鉆頭的研發(fā)等。
4.2 液動(dòng)睡鉆進(jìn)試臉
4.2.1 試臉目標(biāo)
此次 試 驗(yàn) 是為中國(guó)大陸科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目的正式實(shí)施做準(zhǔn)備。試臉欲達(dá)到的具體目標(biāo)如下:
(1 )評(píng) 價(jià) 在硬巖中進(jìn)行液動(dòng)錘全面鉆進(jìn)的有效性;
(2) 采 用 不同鉆頭對(duì)液動(dòng)睡鉆進(jìn)效果的影響;
(3)不同的液動(dòng)睡使用效果對(duì)比;
(4)液動(dòng)錘鉆進(jìn)減輕孔斜的效果;
(5) 現(xiàn) 有 液動(dòng)錘系統(tǒng)用于硬巖全面鉆進(jìn)存在的主要間題。
4.2.2 試驗(yàn)所得結(jié)論
通過(guò) 此 次 試臉，得出以下結(jié)論:
(1) 液 動(dòng) 悅鉆進(jìn)是在硬巖中進(jìn)行大直徑全面鉆進(jìn)的有效方法。
(2) 牙 輪 鉆頭配合采用液動(dòng)錘在硬巖中進(jìn)行大直徑全面鉆進(jìn)可取得良好效果。
(3) 試 驗(yàn) 中采用的2種液動(dòng)錘皆適用于淺孔和硬巖條件下進(jìn)行的大直徑全面鉆進(jìn)。
5 項(xiàng)目的實(shí)施有助于推動(dòng)我國(guó)金剛石鉆頭應(yīng)用水平的提高
6 結(jié)論
(1) 中 國(guó) 大陸科學(xué)鉆探工程項(xiàng)目的實(shí)施既是對(duì)我國(guó)現(xiàn)有鉆探技術(shù)的一個(gè)挑戰(zhàn)，同時(shí)，更是一個(gè)全面提高我國(guó)整體鉆探技術(shù)水平的、千載難逢的大好機(jī)遇;
(2) 項(xiàng) 目 的實(shí)施有助于打破我國(guó)鉆井行業(yè)內(nèi)部門(mén)間的門(mén)戶之見(jiàn)，發(fā)展組合式鉆探技術(shù);
(3) 項(xiàng) 目 的實(shí)施有助于進(jìn)一步提高與完善取心鉆進(jìn)技術(shù);
(4) 項(xiàng) 目 的實(shí)施有助于推動(dòng)我國(guó)液動(dòng)錘鉆進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用;
(4) 項(xiàng) 目 的實(shí)施有助于推動(dòng)我國(guó)金剛石鉆頭應(yīng)用水平的提高。
潛孔 錘 鉆 進(jìn)間世于19世紀(jì)末，至今已有百余年的歷史。潛孔錘種類很多，但其共同特點(diǎn)是產(chǎn)生沖擊作用的機(jī)構(gòu)均潛人孔內(nèi)，鉆頭破碎巖石是既沖擊又回轉(zhuǎn)。按其動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的形式分為液動(dòng)(水力和高油壓)、氣動(dòng)、機(jī)械式等不同形式。
隨著 對(duì) 潛 孔錘破碎巖石機(jī)理、各類潛孔錘基礎(chǔ)理論研究、內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程研究以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工制造水平提高，部件材料改進(jìn)以及與其它多種工藝方法相結(jié)合形成潛孔錘多工藝鉆進(jìn)技術(shù)，大大拓寬了它的應(yīng)用領(lǐng)域。目前潛孔睡鉆進(jìn)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鉆井工程各個(gè)方面，逐步成為一種常規(guī)鉆進(jìn)方法。近20年來(lái)，潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的理論與實(shí)踐方面均取得了突破性進(jìn)展，使其優(yōu)越性得到充分發(fā)揮。
1 潛孔錘基礎(chǔ)理論的研究
潛孔 錘 工 作原理及參數(shù)的確定，傳統(tǒng)方法是采用類比法加實(shí)驗(yàn)研究，不斷修整結(jié)構(gòu)參數(shù).使其性能參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使比較復(fù)雜的潛孔錘工作過(guò)程，通過(guò)有限差分原理進(jìn)行模擬仿真電算，不僅簡(jiǎn)化了人工運(yùn)算分析過(guò)程，而且電算結(jié)果科學(xué)可靠.并應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電算程序進(jìn)行擬合，使電算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合.充分揭示
活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行潛孔錘性能參數(shù)的優(yōu)化輔助設(shè)計(jì)，大大縮短潛孔錘研制周期，降低靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(yīng)用是淚孔錘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新
實(shí)踐 證 明 ，氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)是一種效率高、鉆孔質(zhì)量好、成本低的施工方法。但目前氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)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(zhì)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(jìn)。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在破碎復(fù)雜地層中采用潛孔錘雙壁鉆桿反循環(huán)連續(xù)取樣鉆進(jìn)〔即CSR鉆進(jìn)法)，雖然比單壁鉆桿正循環(huán)鉆進(jìn)前進(jìn)了一大步，但仍存在下列比較突出問(wèn)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(jié)構(gòu)，難以掌握地層變化及巖石物理力學(xué)性質(zhì)。
(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(gè)交叉通道接頭(見(jiàn)圖2)，使巖樣通過(guò)接頭的窗口進(jìn)人鉆桿中心孔，形成反循環(huán)，這樣在破碎地層對(duì)孔壁沖蝕會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功.使?jié)摽族N鉆進(jìn)應(yīng)用得到發(fā)展。為使該項(xiàng)技術(shù)配套應(yīng)用復(fù)雜地層固體礦產(chǎn)勘探或水文水井鉆鑿，該技術(shù)關(guān)健是:采用小口徑貫通式潛孔錘及雙壁鉆桿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)潛孔錘碎巖鉆進(jìn)、反循環(huán)工藝方法及鉆進(jìn)中連續(xù)獲取巖礦心(樣)、泡沫鉆進(jìn)等多種工藝方法相結(jié)合，有效提高鉆進(jìn)效率.提離礦心采取率和質(zhì)t，鉆鑿水井時(shí)增大出水量，維護(hù)孔壁穩(wěn)定，把碎巖鉆進(jìn)和提取巖心(樣)統(tǒng)一為邊鉆進(jìn)、邊排屑、邊取心(樣)3種作業(yè)程序同時(shí)進(jìn)行的鉆探新工藝。
3 射流式液動(dòng)錘鉆進(jìn)深度已突破4000 m
4 潛孔搖鉆進(jìn)應(yīng)用頓城抽來(lái)侶寬廣
隨著 潛 孔 睡本身結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展、工作性能的優(yōu)化、鉆頭類型的改進(jìn)、鉆孔護(hù)壁方式的完警，尤其是與其它工藝方法相結(jié)合，形成了潛孔錘多工藝鉆進(jìn)技術(shù)，使人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到該鉆進(jìn)方法不僅優(yōu)點(diǎn)突出，而且在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)可以解決許多用其它鉆進(jìn)方法無(wú)能為力的難題，因而可拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。
4.1 地質(zhì)勘探
4.2 工程勘察
在復(fù) 雜 地 層施工工程勘察孔時(shí)，存在2大技術(shù)難題:一是樣品質(zhì)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(jìn)方法鉆進(jìn)砂卵礫石地層.也容易產(chǎn)生樣品分選或原狀結(jié)構(gòu)破壞，為此我們?cè)兄曝炌ㄊ綕摽族N氣力噴反鉆具系統(tǒng)。經(jīng)3個(gè)鉆孔進(jìn)尺20余。試驗(yàn).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(dá)100%，鉆孔孔壁毯定完整，而且機(jī)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(zhì)、高效李譽(yù)世界.其主要優(yōu)點(diǎn)是:鉆進(jìn)效率高、鉆頭壽命長(zhǎng)、回次進(jìn)尺長(zhǎng)，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(lái) ， 巖土錨固工程的發(fā)展尤為迅速，幾乎已觸及工程施工領(lǐng)域的各個(gè)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(chǔ)加固，深基坑支排?？梢灶A(yù)料，錨固工程將以獨(dú)特的效應(yīng)、簡(jiǎn)便的工藝、廣泛的用途、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)，在巖土工程領(lǐng)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(jìn)成孔，實(shí)際使用衰明具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1) 由 于 空氣潛孔錘鉆進(jìn)不用沖洗液.可避免流體浸人巖體裂隙導(dǎo)致滑動(dòng)。
(2) 由 于 空氣潛孔錘鉆進(jìn)采用的規(guī)程參數(shù)是力小、轉(zhuǎn)速低，因而選用的鉆機(jī)質(zhì)t及負(fù)荷都較小，便于在邊坡臺(tái)架上施工。
(3) 潛 孔 錘在巖石中鉆進(jìn)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(diǎn)是:孔壁光滑、平直、且無(wú)殘?jiān)煽踪|(zhì)量好;孔壁周?chē)翆訑D壓密實(shí)，土的物理力學(xué)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(kāi)挖鋪設(shè)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(dòng)潛孔錘一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)城，它不用配套鉆機(jī)和鉆桿，只偏用軟膠管將高壓水抽給海底沖擊取樣器，班動(dòng)拼孔誘和抽吸泵工作.完成鉆進(jìn)取樣工作，從而不據(jù)專門(mén)的鉆探船，也免去了作業(yè)中對(duì)船體定位和鎖定等輔助裝〔參見(jiàn)圖4)。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，取樣效率高、質(zhì)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(jiān)硬地層中大宜徑成孔
1 高壓腔內(nèi)液體壓力的數(shù)學(xué)模型
沖擊 式 水 輪機(jī)的基本原理是將高壓流體的壓能轉(zhuǎn)化為高速射流的動(dòng)能，再經(jīng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能輸出。為了便于分析和設(shè)計(jì)沖擊式水輪機(jī)，研究者已將沖擊式水輪機(jī)抽象為圖1所示的力學(xué)模型。該模型將沖擊式水輪機(jī)工作過(guò)程抽象為一固定在小車(chē)上的葉片在射流沖擊作用下移動(dòng)[6J。以此模型為基礎(chǔ)指導(dǎo)設(shè)計(jì)制造了大量的沖擊式水輪機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)，實(shí)踐證明這個(gè)抽象力學(xué)模型是成功的。
在 射 流 式液動(dòng)錘活塞運(yùn)動(dòng)的沖程階段，主射流附壁于后腔一側(cè)(圖2)，后腔為高壓腔。為了推導(dǎo)沖程階段后腔內(nèi)液體壓力的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可以將排空道一側(cè)、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(chē)”一起以速度二。運(yùn)動(dòng)。由于輸出道人口處的流體速度總是在變化，“葉片”和“小車(chē)”的速度在變化，某一瞬間形成的“葉片”和“小車(chē)”隨著時(shí)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(yùn)動(dòng)著的“葉片”和“小車(chē)”。各個(gè)瞬間“葉片”和“小車(chē)”的運(yùn)動(dòng)速度與此瞬間輸出道人口處的過(guò)流斷面上的液體運(yùn)動(dòng)的速度相同。這樣就構(gòu)建了求解射流式液動(dòng)錘沖程階段后腔液體壓力的‘類沖擊式水輪機(jī)”模型，在此模型上應(yīng)用流體運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和速度三角形定理推導(dǎo)出沖程階段后腔液體壓力的數(shù)學(xué)
表達(dá)式。
取 虛 線 所包含的隨“葉片”一同“運(yùn)動(dòng)”的空間為控制體(圖2)，則相對(duì)固連于運(yùn)動(dòng)控制體的直角坐標(biāo)系z(mì)qy(二軸與射流元件側(cè)壁平行)來(lái)說(shuō)，任一瞬間流動(dòng)是定常的。忽略質(zhì)量力和摩擦力，固體壁作用于控制體內(nèi)流體的力相互抵消，合力為零。附壁主射流流速很高，過(guò)流斷面上的靜壓力低，甚至是負(fù)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(biāo)出附壁主射流過(guò)流斷面上的壓力。對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制體的阻力。根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)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(guò)流斷面面積，時(shí);v，為排空道流體流速，m/S;凡為排空道過(guò)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(guò)流斷面面積。
式中，R。為輸出道人口處液體對(duì)運(yùn)動(dòng)控制體的阻力，N;R ,、為排空道出口處液體對(duì)運(yùn)動(dòng)控制體的阻力，N渭為排空道與射流元件側(cè)壁的夾角，rad;p 為液體的密度，kg/m3; u1,為附壁主射流相對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制體的流速在二方向的分量,m/s; v1,為附壁主射流相對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制體的速度，m/S;u2 ,為排空道過(guò)流斷面上流速在二軸方向的分量，m/s;v2 ,為排空道過(guò)流斷面上流體相對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制體的速度，m /S;S1,S, 分別為附壁主射流過(guò)流斷面面積和排空道過(guò)流斷面面積。
式 (2 )右 端項(xiàng)不包括輸出道人口處過(guò)流斷面上流體動(dòng)量變化率，因?yàn)樵摻孛嫔系牧黧w流速與運(yùn)動(dòng)控制體相同，二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0,根據(jù) 速 度 三角形定理(圖3)，排空道處的流體相對(duì)于運(yùn)動(dòng)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(jīng)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(jié)束語(yǔ)
首次 將 射 流元件考慮在內(nèi)，依據(jù)經(jīng)典流體力學(xué)基本定理，建立了射流式液動(dòng)錘高壓腔內(nèi)液體壓力的數(shù)學(xué)模tfq 基于該模型仿真門(mén)算得到的前、后腔液體壓力隨時(shí)問(wèn)的變化曲線與實(shí)測(cè)曲線基本相似.表明該模型可以較準(zhǔn)確地反映射流式液動(dòng)錘的內(nèi)部動(dòng)力過(guò)程.能夠用于指導(dǎo)射流式液動(dòng)錘的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1. 概述
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探就是在回轉(zhuǎn)鉆探的基礎(chǔ)上通過(guò)利用沖洗液驅(qū)動(dòng)的液動(dòng)潛孔錘對(duì)
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(fù)荷的回轉(zhuǎn)鉆探。
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探是對(duì)現(xiàn)有回轉(zhuǎn)鉆探的重大改革，是繼現(xiàn)代金剛石鉆探之后的鉆探新方法。它較好地利用了堅(jiān)硬巖石脆性大而抗剪強(qiáng)度低不耐沖擊力的弱點(diǎn)，是解決堅(jiān)硬巖層和某些復(fù)雜巖層鉆探效率低，鉆孔質(zhì)量差的有效鉆探技術(shù)。
2. 發(fā)展歷程
我國(guó)對(duì)此技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段
2.1．起步階段（1958~1965）
1958年起地質(zhì)部勘探技術(shù)研究所率先立項(xiàng)列為重點(diǎn)項(xiàng)目開(kāi)始研究，首先在北京周口店勘探技術(shù)研究所試驗(yàn)站建立專門(mén)試驗(yàn)臺(tái)；1963年編輯了《沖擊回轉(zhuǎn)鉆探專輯》，介紹國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)；1965年設(shè)計(jì)了7種不同結(jié)構(gòu)型式的液動(dòng)錘。
2.2．廣泛開(kāi)發(fā)階段（1975~1983）
經(jīng)過(guò)數(shù)年的工作，至1983年左右，地礦部勘探技術(shù)研究所的正作用式Y(jié)Z-54-II型，長(zhǎng)春地質(zhì)學(xué)院的射流式SC-54型，遼寧地礦局九隊(duì)的雙作用式SH-54型，冶金部探礦技術(shù)研究所的正作用式TK型，河北地礦局綜合研究隊(duì)的正式ZF-54型，核工業(yè)部江西264隊(duì)的雙作用式Y(jié)E型等液動(dòng)錘先后通過(guò)所屬各部的鑒定，這批成果迅速在施工中得到推廣應(yīng)用。
2.3．提高與實(shí)用階段（1984~1998）
2.3.1 研制成功多種地質(zhì)巖心鉆探用小口徑系列化的液動(dòng)錘。這期間對(duì)液動(dòng)錘開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)是“品種多，系列化”。一些主要的品種詳見(jiàn)表1~3
繩索取心式液動(dòng)錘研制成功使繩索取心鉆探技術(shù)從回轉(zhuǎn)鉆變革為沖擊回轉(zhuǎn)鉆
拓寬液動(dòng)錘品種和應(yīng)用范圍取得可喜成果
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探配套技術(shù)和相關(guān)措施取得重要成果
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探應(yīng)用及效益
液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探可獲得理想的破碎巖石效果，在中硬，堅(jiān)硬和硬脆巖層
中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均優(yōu)于回轉(zhuǎn)鉆井，鉆速提高30%~60%甚至數(shù)倍，成本降低約15%，鉆井的垂直度得到改善，為國(guó)家節(jié)約投資數(shù)億元。
從80~90年代末我國(guó)此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展引起德國(guó)，加拿大，澳大利亞，日本，美國(guó)，韓國(guó)等國(guó)外同行的注目，有的多次派人前來(lái)考察和洽購(gòu)產(chǎn)品，無(wú)論在國(guó)內(nèi)或國(guó)外都取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
隨 著 我 國(guó)高科技和電子技術(shù)的發(fā)展，沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的理論研究水平將有重大的突破，各種不同結(jié)構(gòu)型式的液動(dòng)錘其沖擊錘和各運(yùn)動(dòng)部件的力學(xué)特性表達(dá)式將得到改進(jìn)和充實(shí)，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真將對(duì)液動(dòng)錘的結(jié)構(gòu)、參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步簡(jiǎn)化、優(yōu)化和科學(xué)化;
對(duì)液動(dòng)錘性能參數(shù)的測(cè)試將會(huì)更加準(zhǔn)確、直觀和智能化，新型先進(jìn)專業(yè)化的傳感器和普及型的高速攝影測(cè)試技術(shù)將得到應(yīng)用;沖擊回轉(zhuǎn)鉆探破碎巖石機(jī)理將出現(xiàn)新的理論。
液動(dòng) 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(guān)系為P=KQZ(K 為決定于結(jié)構(gòu)參數(shù)的常數(shù))，而Q受鉆進(jìn)工藝制約不能過(guò)分提高，故管路中的特殊設(shè)計(jì)將會(huì)為提高尸而出現(xiàn);鑒于結(jié)構(gòu)和品種過(guò)度前移，為迎接市場(chǎng)環(huán)境的挑戰(zhàn)，液動(dòng)錘的品種和型號(hào)將適當(dāng)減少和進(jìn)一步優(yōu)化并普遍實(shí)現(xiàn)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(dá)到或超過(guò)目前風(fēng)動(dòng)潛孔錘的水平;同時(shí)規(guī)?；a(chǎn)將會(huì)促使多頭環(huán)狀取心或全面組合式液動(dòng)錘技術(shù)更加成熟，使大直徑基巖樁施工較為容易;針對(duì)水源充足和有排水條件及運(yùn)輸方便的工程，將研制出裝備完善、配套合理的拖車(chē)式或自行式液動(dòng)錘鉆機(jī)組;進(jìn)一步完善氣、液兩用液動(dòng)錘技術(shù)，更方便適應(yīng)不同環(huán)境條件;研制單次沖擊功按液動(dòng)錘直徑每厘米大于25)的液動(dòng)錘，滿足科學(xué)鉆
井、石油天然氣、災(zāi)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(dòng)錘將得到運(yùn)用;貫通式液動(dòng)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(jìn)系統(tǒng)將可用于南極勘察;液動(dòng)錘與渦輪鉆或螺桿鉆及長(zhǎng)壽命鉆頭或不提鉆換鉆頭相融合的鉆進(jìn)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(zhì)驅(qū)動(dòng)的閉路循環(huán)掖動(dòng)錘可能是新一代產(chǎn)品的重要內(nèi)容，如在非開(kāi)挖地下管線施工中利用油壓式夯管錘，其效率將高于氣動(dòng)夯管錘，且性能易調(diào)節(jié)、噪聲低。
為提 高 鉆 頭壽命，硬度達(dá)HRA100而抗彎強(qiáng)度(ab)超過(guò)300 MPa的超級(jí)硬質(zhì)合金將為沖擊回轉(zhuǎn)鉆頭的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)重大變革。配套 裝 備 將出現(xiàn)新型高泵壓、大排量的泥漿泵;高風(fēng)壓、大排童、低能耗的新型空壓機(jī)及增壓器;結(jié)構(gòu)新穎、效率高而輕便的洗井液除砂器的出現(xiàn)將為提高液動(dòng)潛孔錘的使用壽命創(chuàng)造條件;液壓鑿巖機(jī)的配套泵及技術(shù)將得到移植和更好的應(yīng)用。在 全 行 業(yè)和相關(guān)行業(yè)同仁的共同努力下，液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探將在可鉆性6級(jí)(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(zhuǎn)鉆探，在前途輝煌的21世紀(jì)中更加廣泛地在地質(zhì)勘探、工程鉆探、地質(zhì)災(zāi)害的防治以及在樁、墩、墻、幕、錨等領(lǐng)域得到更大的發(fā)展，為社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
傳說(shuō)當(dāng)早期人們用錘擊釬桿打炮眼和敲道渣時(shí)就聯(lián)想并追求用動(dòng)載碎巖的孔(井) 底沖擊器(或沖擊回轉(zhuǎn)鉆具) 鉆進(jìn)技術(shù)。1860 年就有人提出采用液動(dòng)沖擊器的設(shè)想。19 世紀(jì)中期到20 世紀(jì)初葉,歐洲就開(kāi)始研制液動(dòng)沖擊器,然而其進(jìn)步都滯后于差不多同期起步的風(fēng)動(dòng)沖擊器。有報(bào)導(dǎo),20 世紀(jì)40～50 年代,蘇聯(lián)、美國(guó)都研究出不同類型的液動(dòng)沖擊器(Water Powered Hammer) ,又稱液動(dòng)錘。但后來(lái)在這2 個(gè)國(guó)家發(fā)展各異。
美國(guó)先側(cè)重發(fā)展了氣動(dòng)錘(Air Hammer) ,成就顯赫。最大鉆井深度達(dá)3000 m 以上。
蘇聯(lián)則致力于發(fā)展液動(dòng)沖擊器液動(dòng)錘(嗣后亦重視風(fēng)動(dòng)沖擊器) 的研究與應(yīng)用,特別注重在地質(zhì)鉆探領(lǐng)域里的成功應(yīng)用,在世界范圍內(nèi)獨(dú)樹(shù)一幟。
我國(guó)參照蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn),50 年代就開(kāi)始研究液動(dòng)錘,直到70 年代才在生產(chǎn)中試用。液動(dòng)錘直徑35～245 mm ;鉆孔直徑37～375 mm?？碧郊夹g(shù)研究所近年來(lái)已進(jìn)行試驗(yàn)的a580 mm 大直徑液動(dòng)錘,其孔徑可達(dá)800 mm 以上。液動(dòng)錘已在巖心鉆探中廣為應(yīng)用,最大孔深超過(guò)1000 m。長(zhǎng)春科技大學(xué)用射流式液動(dòng)錘在a21519 mm 油井中試驗(yàn),孔深曾達(dá)2600 余m ,并表明液動(dòng)錘能提高牙輪鉆頭鉆速。
回想起蘇聯(lián)和中國(guó)從50 年代起在液動(dòng)錘技術(shù)研究與應(yīng)用方面取得的成就,也想起在國(guó)際間的交流,如1985 年在無(wú)錫召開(kāi)的亞太地區(qū)鉆探國(guó)際會(huì)議后,我國(guó)液動(dòng)錘技術(shù)已于1988 年起先后引入到澳大利亞、德國(guó)和美國(guó)等國(guó),中國(guó)專家還到國(guó)外講學(xué),許多外國(guó)技術(shù)人員來(lái)華參觀實(shí)驗(yàn)室等。
中國(guó)大陸科學(xué)鉆探(CCSD) 計(jì)劃要在硬～堅(jiān)硬、易造斜的高變質(zhì)結(jié)晶巖中全孔取心鉆探5000 m。工程部擬采取的技術(shù)措施之一就是采用液動(dòng)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?lái)CCSD 在這一鉆探技術(shù)上既面臨5000 m 深孔硬巖取心、保直的難題,也面臨液動(dòng)錘技術(shù)研究與使用水平的國(guó)際性競(jìng)賽的挑戰(zhàn)。為了迎接CCSD 的需求,研究的重點(diǎn)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(jié)構(gòu)液動(dòng)錘。例如第一步到2000m ,再往深處延伸。
(2) 選用優(yōu)質(zhì)原材料、科學(xué)熱處理、精密機(jī)加工和檢測(cè)技術(shù);可借鑒宣化- 英格索蘭公司的經(jīng)驗(yàn),該公司生產(chǎn)的潛孔錘原材料100 %立足國(guó)內(nèi),產(chǎn)品完全達(dá)到美國(guó)水平。
(3) 要在試驗(yàn)臺(tái)架上作全尺寸樣機(jī)的試驗(yàn)與考驗(yàn)。引入國(guó)際“可靠性工程”和“可修復(fù)工程”的做法,不斷改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)。
(4) 液動(dòng)錘可鉆性(對(duì)比) 指標(biāo)。如空氣潛孔錘在國(guó)際上習(xí)慣用于標(biāo)準(zhǔn)石灰?guī)r、標(biāo)準(zhǔn)花崗巖中的以時(shí)效與壽命作為評(píng)價(jià)產(chǎn)品的優(yōu)劣和提供產(chǎn)品質(zhì)量保證的條件。
(5) 減震、鉆桿密封、循環(huán)液潤(rùn)滑性及固相清除技術(shù)。
除上述外,液動(dòng)錘的確存在可開(kāi)發(fā)與持續(xù)發(fā)展擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)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(duì)付硬巖的大沖擊功液動(dòng)錘。
(2) 用于水文水井施工的液動(dòng)錘。
(3) 性能可靠的與繩索取心相結(jié)合的液動(dòng)錘。
(4) 用于砂礦的液動(dòng)錘。
(5) 用于一定深度水域作業(yè)的液動(dòng)錘,進(jìn)行地質(zhì)礦產(chǎn)勘查取樣或工程地質(zhì)勘察。
(6) 施工嵌巖樁的大直徑、大功率液動(dòng)錘。
(7) 較短距離鋪設(shè)地下管道的夯管液動(dòng)錘。
(8) 在巖層或卵礫石層打水平孔或?qū)蜚@進(jìn)鋪管用的液動(dòng)錘。
(9) 物探震源孔或采礦與采石場(chǎng)爆破孔用液動(dòng)錘。
(10) 坑道掘進(jìn)時(shí)管棚施工用潛孔錘。
(11) 氣液(和泡沫) 多介質(zhì)用液動(dòng)錘。
(12) 跟套管鉆進(jìn)液動(dòng)錘。
(13) 反循環(huán)鉆進(jìn)和貫通式液動(dòng)錘。
(14) 減震器(減少對(duì)鉆柱和地面鉆機(jī)的損傷) 和配套的各種巖層用鉆頭等。
(15) 采用優(yōu)質(zhì)鋼材和熱處理技術(shù)及提高使用壽命的措施等。
如果在液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)與性能上有所創(chuàng)新與突破,或在使用領(lǐng)域里有新的拓展,都將會(huì)在鉆探技術(shù)方面產(chǎn)生新的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果,并將鉆探技術(shù)向前推進(jìn)一步。
科鉆一井自二開(kāi)取心鉆進(jìn)以來(lái).鉆遇地層堅(jiān)硬，破碎.普通旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)速度很慢.極易造成堵心0為此.在井深380m時(shí)開(kāi)始使用液動(dòng)錘。應(yīng)用效果非常明顯.不僅大大提高了單筒取心進(jìn)尺和取心收獲率.加快了鉆進(jìn)速度.并且很好地防止了堵心和井斜。2000m的先導(dǎo)孔.井斜控制在4度以內(nèi).遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)14度的指標(biāo).取心收獲率達(dá)88.71%。.成功地實(shí)現(xiàn)了先導(dǎo)孔和主孔“雙孔合一”的目標(biāo)。
1.鉆探質(zhì)量要求
二開(kāi)取心孔徑為157mm，.為了保證下一步取心工作的順利進(jìn)行和減少鉆具事故.要求0~2000mm的先導(dǎo)孔井斜不超過(guò)14度。取心收獲率85%~90%。
2.基礎(chǔ)設(shè)備及鉆井參數(shù)
2.1鉆探設(shè)備
科鉆一井應(yīng)用ZJ70D型石油鉆機(jī).其最大承鉆能力為7000m，最大提升拉力為4500KN..轉(zhuǎn)盤(pán)承受最大轉(zhuǎn)速為300R/min，無(wú)級(jí)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(shù)120沖/min。采用美國(guó)DERRICK公司生產(chǎn)的振動(dòng)篩和中華造船廠生產(chǎn)的循環(huán)罐。采用美國(guó)VARCO公司生產(chǎn)的MD/TOTCO數(shù)顯儀表監(jiān)測(cè)鉆井參數(shù)。
2.2鉆具
采用外徑157mm和內(nèi)徑)97mm的孕鑲?cè)嗽旖饎偸@頭和天然表鑲金剛石鉆頭7采用外管140mm和內(nèi)管108mm的雙管取心筒;157.3mm熱壓人造金剛石擴(kuò)孔器;采用北京某廠生產(chǎn)的5LZ120,5LZ95,4LZ120,4LZ95,3LZ120型高速螺桿;采用120mm鉆鋌和89mm鉆桿；應(yīng)用KSC-127型液動(dòng)錘。
2.3 主要鉆井參數(shù)及鉆井液性能
鉆壓0~20KN；轉(zhuǎn)速200~300r/min,排量9~13L/S?？沏@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(rùn)滑性和流動(dòng)性良好.
沖擊器結(jié)構(gòu)及工作原理
液動(dòng)射流式?jīng)_擊器是以一個(gè)雙穩(wěn)的射流元件作為控制機(jī)構(gòu),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(jìn)入沖擊器活塞工作腔體的上腔和下腔,從而推動(dòng)活塞沖錘作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。水泵輸出的高壓水,經(jīng)鉆桿進(jìn)入射流元件的噴咀,產(chǎn)生高速射流,高速射流具有附壁效應(yīng)。假如射流先附壁于缸體上腔進(jìn)水口一側(cè),高壓水進(jìn)入缸體上腔,推動(dòng)活塞和沖錘向下加速運(yùn)行,直至撞擊砧子,完成沖擊過(guò)程。在沖錘撞擊砧子時(shí)由于活塞沖錘突然停止向下的運(yùn)動(dòng),則在上腔產(chǎn)生一水擊壓力,水擊壓力以波動(dòng)的形式經(jīng)信號(hào)道反射到控制道,推動(dòng)主射流切換,而附壁于活塞下腔進(jìn)水口的一側(cè),高壓水進(jìn)入缸體下腔,推動(dòng)活塞沖錘回程,當(dāng)活塞沖錘加速運(yùn)行至上死點(diǎn),即活塞頂端與缸體上部碰撞接觸時(shí),在活塞下缸產(chǎn)生一水擊壓力,水擊壓力信號(hào)以波的形式反射,經(jīng)信號(hào)道至控制道出口,推動(dòng)主射流切換,而重新附壁于缸體上腔進(jìn)水通道一側(cè),開(kāi)始下一次的沖擊過(guò)程。如此循環(huán)往復(fù),實(shí)現(xiàn)沖擊動(dòng)作。上下腔的回水則通過(guò)各自的輸出道進(jìn)入各自的放空孔,經(jīng)射流元件側(cè)面通道向下流至井底[2 ] 。
圖1 射流沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
沖擊器參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成
測(cè)試系統(tǒng)主要由五部分組成:分別是動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)試臺(tái)架、傳感器部分、數(shù)據(jù)采集部分與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分。測(cè)試系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。
圖2 測(cè)試系統(tǒng)示意圖
1 - 動(dòng)力站;2 - 沖擊器;3 - 懸掛系統(tǒng)(吊車(chē)) ;4 - 上測(cè)試接頭;
5 - 上腔壓力傳感器;6 - 下腔壓力傳感器;7 - 下測(cè)試接頭;
8 - 固定架;9 - 信號(hào)處理采集部分;10 - 計(jì)算機(jī)
1. 動(dòng)力系統(tǒng)
由2 臺(tái)固井車(chē)及相關(guān)高低壓管匯組成,為沖擊器提供動(dòng)力來(lái)源。
2. 測(cè)試臺(tái)架
由懸掛系統(tǒng)、上測(cè)試接頭、下測(cè)試接頭、固定架及測(cè)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(hào)及加速度等非電量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),是保證測(cè)試精度的關(guān)鍵部件。
4. 數(shù)據(jù)采集部分
數(shù)據(jù)采集部分由信號(hào)處理器、高速數(shù)據(jù)采集器兩部分組成。信號(hào)處理器主要用于傳感器的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,以滿足高速數(shù)據(jù)處理器的需要,具有12 路處理通道?！?
5. 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理部分
采用DATAQ 公司DI - 720 配套軟件做基礎(chǔ)平臺(tái),進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集處理、數(shù)據(jù)回放分析等功能,操作簡(jiǎn)單,功能強(qiáng)大。
測(cè)試系統(tǒng)功能特點(diǎn)
1. 本系統(tǒng)根據(jù)射流式液動(dòng)沖擊器的工作原理,直接測(cè)試其工作腔的壓力及沖錘運(yùn)動(dòng)加速度,便可測(cè)出相關(guān)的多種參數(shù),測(cè)試原理簡(jiǎn)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(cè)試精度。
2. 實(shí)現(xiàn)了分時(shí)、多通道同時(shí)采集處理,可建立多條曲線間的對(duì)比關(guān)系,最多采集通道可達(dá)32 通道。
3. 數(shù)據(jù)采樣速率高,最大可達(dá)250 kHz ,即最小采樣時(shí)間為4μs ,利用加速度傳感器即可準(zhǔn)確測(cè)出沖擊加速度及瞬間沖擊力。
4. 軟、硬件功能強(qiáng)大,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大,可根據(jù)實(shí)際需要隨時(shí)調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù),調(diào)節(jié)方便、簡(jiǎn)單,再開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)。
5. 系統(tǒng)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)。
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