王躍偉， 劉秀美， 李得新， 蘇長壽， 齊力強(qiáng)， 楊澤英， 首照兵

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006)

YZX108型液動潛孔錘的研制與試驗

王躍偉1， 劉秀美1， 李得新2， 蘇長壽1， 齊力強(qiáng)1， 楊澤英1， 首照兵2

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.四川省煤田地質(zhì)局一三七隊，四川 達(dá)州 635006)

采用理論計算、三維模擬、室內(nèi)調(diào)試和野外試驗相結(jié)合的方法成功研制出了YZX108型液動錘，完善了YZX液動錘的口徑系列。通過室內(nèi)調(diào)試確定了該液動錘的工作參數(shù)及特性。生產(chǎn)試驗證實，該液動錘具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性廣、沖擊功大等諸多優(yōu)點，可在常規(guī)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)困難的燧石灰?guī)r等硬巖地層應(yīng)用并取得較理想的效果。

液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；液動潛孔錘：巖心鉆探

0 引言

液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)[1]始于19世紀(jì)末，自問世起就得到各國科技工作者的重視，至20世紀(jì)六七十年代，包括美國、蘇聯(lián)、加拿大、匈牙利、日本、德國在內(nèi)的很多發(fā)達(dá)國家都成功研制出了自己的液動潛孔錘鉆具。20世紀(jì)90年代以后，彈簧等易損件壽命問題以及泥漿條件下極度惡劣的工作環(huán)境制約了液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，許多國家的科技工作者紛紛停止了繼續(xù)研究，進(jìn)而轉(zhuǎn)向氣動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究。目前歐美國家?guī)缀踔挥腥鸬淙匀粓猿诌@一技術(shù)的研究。

我國最早由地質(zhì)部勘探技術(shù)研究所(現(xiàn)中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，以下簡稱勘探技術(shù)所)于1958年開始進(jìn)行液動潛孔錘研究，先后研制出了YZ正作用系列、YS雙作用系列、YQ復(fù)合作用系列以及SSC繩索取心液動錘系列產(chǎn)品，在小口徑巖心鉆探等領(lǐng)域取得了較好的使用效果。長春地質(zhì)學(xué)院(現(xiàn)吉林大學(xué))與遼寧地礦局第九地質(zhì)大隊等單位合作研制出了一種獨(dú)創(chuàng)的射流式液動潛孔錘，該液動錘也在地勘行業(yè)應(yīng)用較廣，并于1982年獲得了科學(xué)技術(shù)獎。此外，還有冶金部探礦技術(shù)研究所、華東地勘局264大隊、河北省地礦局綜合研究隊、云南地質(zhì)礦產(chǎn)局等多家單位均成功研制出了不同類型的液動錘鉆具，并得到了推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代以后，我國液動潛孔錘的研究進(jìn)入鼎盛階段。

1997年勘探技術(shù)所開始進(jìn)行YZX127型液動錘[2]的研究，提出了一種新型的雙噴嘴復(fù)合結(jié)構(gòu)(該結(jié)構(gòu)已獲國家發(fā)明專利，專利號：ZL02125436.2)，該液動錘在中國大陸科學(xué)鉆探“科鉆一井”中得到了成功應(yīng)用，并取得了突出的效果[3]。經(jīng)過近20年的不斷提高和完善，YZX系列液動錘市場占有率大大提高，部分省市地勘局還將其納入政府采購集中供給下屬單位推廣應(yīng)用。該技術(shù)已成為我國近年來鉆探技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的熱點。

多年來課題組不斷堅持完善YZX系列液動錘鉆具的結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)，同時也有多家煤炭勘探研究和生產(chǎn)單位與課題組聯(lián)系，尋求適合122、133 mm口徑的液動錘鉆具。汶川科鉆2號孔五開取心鉆進(jìn)施工中，鉆頭直徑為122 mm，受地層破碎、巖心堵塞困擾，與課題組聯(lián)系合適的液動錘鉆具，由于無合適的匹配液動錘，不得不采用YZX98型液動錘。據(jù)此課題組開展了YZX108型液動錘鉆具的研究工作，完善液動錘鉆具口徑系列化。該鉆具研制成功后，YZX系列液動錘可全面覆蓋?50～216 mm鉆孔口徑范圍，滿足地質(zhì)、冶金、有色、煤炭等不同行業(yè)的取心和全面鉆進(jìn)需要。

1 設(shè)計思路

YZX108型液動錘的研制是YZX系列液動錘系列化工作的重要一步，主要應(yīng)用于煤炭、冶金、科學(xué)鉆探及水文水井等領(lǐng)域，與小口徑金剛石鉆進(jìn)高頻低功的要求不同，需對該鉆具的沖擊功大小提出更高的要求。多領(lǐng)域適用的需要也要求其具有更寬更廣的泵量適應(yīng)性。

結(jié)合課題組前期研究成果，以取得發(fā)明專利的“雙噴嘴復(fù)合閥式液動潛孔錘”(專利號：ZL02125436.2)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計思路為基礎(chǔ)，考慮應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ涮厥獾囊?，通過理論計算與試驗相結(jié)合的方法確定YZX108型液動錘的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，通過生產(chǎn)試驗檢驗并進(jìn)一步完善鉆具。

鉆具研制初期，結(jié)合以往的研究基礎(chǔ)進(jìn)行了大量計算工作，對噴嘴和關(guān)鍵處的流速、上下活塞等關(guān)鍵部位的面積、沖錘質(zhì)量、抬錘壓力等進(jìn)行了計算，同時秉著高沖擊功、大泵量適應(yīng)范圍的設(shè)計理念，初步確定了YZX108型液動錘的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：

鉆具外徑 108 mm

自由行程 10～15 mm

沖錘行程 40～50 mm

上噴嘴直徑 19 mm

下噴嘴直徑 17 mm

長度 1800 mm

鉆具質(zhì)量 100 kg

沖錘質(zhì)量 27.8 kg

確定上述基本參數(shù)后采用SolidWorks軟件建立3D模型，進(jìn)行仿真分析，對各零件的配合及干涉情況進(jìn)行檢驗，最終形成設(shè)計圖紙，交付加工。由于上述參數(shù)均為理論計算結(jié)果，考慮到噴嘴修改的不可逆過程，在交付加工時上下噴嘴直徑小于計算值，室內(nèi)調(diào)試時視工作狀態(tài)逐步擴(kuò)大。YZX108型液動錘結(jié)構(gòu)示意見圖1。

1—上接頭；2—上噴嘴；3—上閥；4—上缸套；5—上活塞套；6—外管；7—上活塞；8—襯管；9—沖錘體；10—下活塞；11—下缸套；12—花鍵軸；13—卡瓦；14—花鍵套

圖1 YZX108型液動錘結(jié)構(gòu)示意圖

2 室內(nèi)調(diào)試

2.1 試驗條件

室內(nèi)調(diào)試試驗于勘探技術(shù)所沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗室進(jìn)行，該試驗室始建于1981年，經(jīng)過30多年的改進(jìn)完善，成為國內(nèi)進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)試驗的最理想基地。試驗室檢測手段齊全，功能完備，實驗人員經(jīng)驗豐富，能對各種沖擊回轉(zhuǎn)鉆具如液動潛孔錘、氣動潛孔錘、非開挖氣動夯管錘等進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)試及性能測試，同時還可進(jìn)行巖樣鉆進(jìn)及鉆具實驗，為勘探技術(shù)所多個重大科研項目順利進(jìn)行提供了強(qiáng)有力的保障。同時還為國內(nèi)多家液動潛孔錘進(jìn)行性能調(diào)測試，并先后接待了20余個國外代表團(tuán)訪問考察。

本次試驗用到250、450、600 L/min三種排量的泥漿泵，完全可滿足設(shè)計YZX108型液動錘時對泵量提出的要求。

2.2 試驗思路

調(diào)試中為了擴(kuò)大泵量試驗范圍，采用兩臺泥漿泵配合使用，分別為BW600/10型和DWB450型泥漿泵。測試時通過液壓缸加壓將YZX108型液動錘固定于試驗臺架上，測試不同輸入泵量、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下液動錘的工作情況，并結(jié)合實際生產(chǎn)條件和需要，最終得到可輸出最佳性能參數(shù)下液動錘的結(jié)構(gòu)參數(shù)。室內(nèi)調(diào)試現(xiàn)場如圖2所示，圖中壓力表指示泵壓為最終確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下、輸入泵量為600 L/min時的工作泵壓。

圖2 YZX108型液動錘室內(nèi)調(diào)試

2.3 試驗方案

2.3.1 確定沖錘質(zhì)量

根據(jù)理論計算的上下噴嘴直徑、自由行程，測試不同沖錘質(zhì)量時液動錘的啟動和工作情況，并記錄相應(yīng)啟動泵壓。根據(jù)測試得出沖錘質(zhì)量24.5 kg時液動錘工作性能較好。調(diào)節(jié)泵量范圍，根據(jù)液動錘工作情況，泵量為450 L/min時液動錘各方面狀態(tài)均較好，下一步試驗采用這一泵量進(jìn)行。

2.3.2 確定上下噴嘴直徑

采用上步確定的沖錘質(zhì)量和泵量，自由行程與上步試驗相同，大范圍改變上下噴嘴直徑，測試不同噴嘴直徑時液動錘的工作狀態(tài)，記錄相應(yīng)的啟動泵壓和工作泵壓并進(jìn)行比對，最后確定合適的噴嘴直徑。最終確定的上下噴嘴直徑與理論計算相同，這也驗證了設(shè)計的正確性。

2.3.3 確定泵量范圍

采用之前確定的沖錘質(zhì)量和上下噴嘴直徑，自由行程與上步試驗相同，從小到大慢慢調(diào)節(jié)輸入泵量，密切關(guān)注液動錘的工作情況，記錄相應(yīng)的啟動泵壓和工作泵壓，最后確定其泵量范圍。最終確定的泵量范圍為260～600 L/min。

2.3.4 確定自由行程范圍

采用之前確定的沖錘質(zhì)量和上下噴嘴直徑，測試泵量為450 L/min，調(diào)節(jié)自由行程范圍，密切關(guān)注液動錘的工作情況，記錄相應(yīng)的啟動泵壓和工作泵壓，最后確定合適的自由行程范圍。最終確定的自由行程為10～15 mm。

根據(jù)室內(nèi)調(diào)試確定的YZX108型液動錘主要技術(shù)指標(biāo)如下：

鉆具外徑 108 mm

鉆頭直徑 122～136 mm

自由行程 10～15 mm

沖錘行程 40～50 mm

工作泵量 260～600 L/min

啟動泵壓 0.5 MPa

工作壓降 0.8～3.0 MPa

沖擊頻率 10～25 Hz

沖擊功 100～180 J

長度 1800 mm

鉆具質(zhì)量 96.5 kg

沖錘質(zhì)量 24.5 kg

推薦沖洗液為清水、乳化液或低固相泥漿。

3 工作原理及特點

YZX108型液動錘延續(xù)了該系列液動錘的雙噴嘴復(fù)合式結(jié)構(gòu)，工作原理[4]也基本相同。下鉆過程中鉆頭未至孔底，上閥、沖錘及花鍵軸在重力作用下皆處于下限位置，鉆井液可直接排出，無法滿足啟動條件，實現(xiàn)了防空打，確保了孔內(nèi)安全。鉆頭到達(dá)孔底后，花鍵軸上移并與下缸套接觸封閉內(nèi)部通道，沖錘下腔壓力升高，建立起上下腔之間的壓差，驅(qū)動沖錘上行。上閥在高速射流的卷吸作用下先于沖錘上行，當(dāng)沖錘到達(dá)上限位置時，上閥與沖錘接觸并密封，迅速關(guān)閉了中心通道，產(chǎn)生的水擊作用推動上閥和沖錘一起下行。與此同時，下腔高壓消失。上閥到達(dá)下限位后沖錘與上閥脫開，打開了中心通道，沖錘在重力和慣性作用下繼續(xù)下行，并沖擊花鍵軸。中心通道打開后下腔恢復(fù)高壓，開始下一次沖擊。

通過室內(nèi)調(diào)試，歸納出YZX108型液動錘具有以下特點。

(1)結(jié)構(gòu)簡單，拆裝方便。為了方便現(xiàn)場工作人員使用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候取消了獨(dú)立的傳功結(jié)構(gòu)，最大程度的簡化了鉆具結(jié)構(gòu)，整套鉆具只有13個零件。

(2)啟動壓力低，工作穩(wěn)定性好。在最終確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后，YZX108型液動錘啟動泵壓只有0.5 MPa，室內(nèi)試驗中工作性能非常穩(wěn)定。

(3)泵量適應(yīng)范圍寬。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，YZX108型液動錘泵量適應(yīng)范圍為260～600 L/Min，具有泥漿泵配備方便，適應(yīng)不同工藝靈活的優(yōu)點。

(4)輸出沖擊功大。在不提高啟動泵壓的同時提高沖錘質(zhì)量，可提高液動錘的輸出沖擊功。YZX108型液動錘沖錘質(zhì)量為24.5 kg，占整套鉆具質(zhì)量的25.4%，此時啟動泵壓為0.5 MPa。而YZX98型液動錘沖錘質(zhì)量僅占整套鉆具的20.8%，YZX130型液動錘沖錘質(zhì)量則占整套鉆具的21.9%。

(5)輸出性能參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣。除了通過調(diào)節(jié)輸入泵量調(diào)整輸出性能參數(shù)外，還可通過調(diào)節(jié)自由行程和錘程來調(diào)節(jié)沖擊功和沖擊頻率。

4 生產(chǎn)試驗

試驗區(qū)位于重慶市開縣，由四川省煤田地質(zhì)局一三七隊實施，試驗孔簡稱萬地1井，是一口頁巖氣調(diào)查孔，設(shè)計孔深1519 m。

該孔鉆進(jìn)至約170 m時地層發(fā)生變化，鉆速急劇下降，機(jī)械鉆速僅為0.25 m/h左右。提鉆發(fā)現(xiàn)地層變?yōu)殪菔規(guī)r，巖性致密且硅質(zhì)含量高，可鉆性8級以上，采用常規(guī)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)困難，巖心照片見圖3。因此，采用YZX108型液動錘配合?122.5 mm金剛石鉆頭進(jìn)行沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

圖3 YZX108液動錘鉆進(jìn)獲取的巖心

YZX108型液動錘于176.54 m下入孔內(nèi)，至317.78 m換層，累計進(jìn)尺141.24 m，鉆進(jìn)155個回次，平均回次進(jìn)尺0.911 m，純鉆時間364.83 h，平均機(jī)械鉆速0.387 m/h，巖心采取率96.64%。對比在剛進(jìn)入這一地層時采用常規(guī)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)困難、機(jī)械鉆速僅為0.25 m/h的情況，采用YZX108型液動錘鉆進(jìn)效率可提高50%左右?？紤]到這段地層中局部巖性也有一定的變化，保守計算YZX108型液動錘在燧石灰?guī)r等硬巖地層中鉆進(jìn)可提高鉆進(jìn)效率30%以上。

5 結(jié)語

YZX108型液動錘具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、適應(yīng)性廣、沖擊功大等諸多優(yōu)點，可通過調(diào)節(jié)輸入泵量和結(jié)構(gòu)參數(shù)得到不同的沖擊功和沖擊頻率，以適應(yīng)不同地層的鉆進(jìn)需要。生產(chǎn)試驗表明，該液動錘可在常規(guī)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)困難的燧石灰?guī)r等硬巖地層應(yīng)用并取得較理想的效果。

YZX108型液動錘還將與勘探技術(shù)所研制的渦輪鉆具組合成為三合一組合鉆具，有望在正在實施的“松科二井”五開中得到應(yīng)用。

[1] 王人杰,蔣榮慶,韓軍智.液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)[M].北京:地質(zhì)出版社,1988.

[2] 謝文衛(wèi),蘇長壽,宋愛志.新型高沖擊功液動潛孔錘的研究[J].探礦工程，1998,(6).

[3] 謝文衛(wèi),蘇長壽,孟義泉.YZX127型液動潛孔錘的研究及應(yīng)用[J].探礦工程，2003,(S1).

[4] 王躍偉,楊澤英,謝文衛(wèi),等.YZX130型液動錘研究及其在WFSD-4孔中的應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(9).

[5] 孫強(qiáng),楊冬冬,彭枧明,等.高能射流式液動錘在花崗巖中的鉆進(jìn)研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016，43(8).

[6] 楊紅東,武國峰.高性能液動錘的試驗與研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(3).

[7] 王躍偉,齊力強(qiáng),李晨陽,等.球卡式繩索取心液動錘的試驗研究[J].探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(3).

[8] 蘇長壽,謝文衛(wèi),楊澤英,等.系列高效液動錘的研究與應(yīng)用[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2010,37(3).

DevelopmentandTestofYZX108HydraulicDTHHammer/

WANGYue-wei1,LIUXiu-mei1,LIDe-xin2,SUChang-shou1,QILi-qiang1,YANGZe-ying1,SHOUZhao-bing2

(1.The Institute of Exploration Techniques, CAGS, Langfang Hebei 065000, China; 2.137 Geological Team of Sichuan Coalfield Geology Bureau, Dazhou Sichuan 635006, China)

YZX108 hydraulic hammer is successfully developed by theoretical calculation, 3D simulation and combination of experimental and field tests, the diameter specifications of YZX hydraulic hammer is perfected. Through the indoor debugging, the working parameters and the characteristics of the hydraulic hammer are determined. The production tests show that this hydraulic hammer has advantages of simple structure, stable working condition, good adaptability and large impact energy; with this hydraulic hammer, good effects can be achieved in hard rock formations such as cherty limestone, where it is hard for diamond rotary drilling.

hydraulic percussive rotary drilling; hydraulic DTH hammer; core drilling

P634.5+6

：A

：1672-7428(2017)08-0085-04

2017-01-13；

：2017-04-10

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)規(guī)程”(編號：12120115054601)資助

王躍偉，男，漢族，1985年生，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，主要從事液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究工作，河北省廊坊市金光道77號，yourvie@126.com。