王躍偉， 陸洪智， 齊力強(qiáng)， 楊澤英， 張 濤， 蘇長(zhǎng)壽， 梁 楠

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

多年生產(chǎn)實(shí)踐證實(shí)，液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)可大幅度提高鉆進(jìn)速度、回次進(jìn)尺和鉆頭壽命，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的技術(shù)[1-4]。液動(dòng)沖擊器(又稱液動(dòng)潛孔錘，簡(jiǎn)稱液動(dòng)錘)是液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的核心，在孔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動(dòng)下對(duì)鉆頭產(chǎn)生高頻連續(xù)的沖擊載荷，從而實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

該技術(shù)目前在地質(zhì)勘探，尤其是小口徑巖心鉆探領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，且效果明顯[5-10]，但在石油、地?zé)?、煤層氣等其他鉆井領(lǐng)域應(yīng)用較少。首先，幾十年以來，各行業(yè)有自己的隊(duì)伍、院校、科研院所，交叉較少，缺乏交流。其次，液動(dòng)錘隨口徑增大沖擊功也大大提高，相同材質(zhì)及熱處理工藝條件下液動(dòng)錘壽命有所降低，限制其在石油、地?zé)岬刃袠I(yè)應(yīng)用。第三，液動(dòng)潛孔錘理論研究較少，難以針對(duì)不同工況進(jìn)行相對(duì)精準(zhǔn)的性能調(diào)節(jié)，無(wú)法適應(yīng)上述所述行業(yè)的要求。

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行液動(dòng)潛孔錘研究單位較多[11-21]，但理論研究較少，吉林大學(xué)從仿真計(jì)算、數(shù)值模擬等角度對(duì)射流式液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行過一些理論研究[22-25]，勘探技術(shù)研究所對(duì)雙噴嘴復(fù)合液動(dòng)錘建立水力學(xué)模型探討噴嘴結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)性能影響[19]，此外鮮有此方面的研究。建立液動(dòng)錘結(jié)構(gòu)參數(shù)及泵量、泵壓等輸入性能參數(shù)與沖擊功和沖擊頻率之間的關(guān)系，進(jìn)而開展液動(dòng)潛孔錘基礎(chǔ)理論研究，提高其研究水平和適用范圍，迫切需求建立一個(gè)可以進(jìn)行液動(dòng)錘性能測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)方案設(shè)計(jì)

多參數(shù)液動(dòng)潛孔錘測(cè)試平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)采集和處理模塊、循環(huán)動(dòng)力模塊和機(jī)械固定模塊3個(gè)主要模塊組成，如圖1所示。

圖1液動(dòng)潛孔錘性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意
Fig.1Performance test bench of hydraulic down-hole hammers

1.1 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理模塊是液動(dòng)潛孔錘性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心，由數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、可進(jìn)行計(jì)算和顯示的PC機(jī)、不同功能的傳感器及其他元件組成。

沖擊功的測(cè)量采用壓電石英力傳感器，其原理為壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電傳感器受到力作用后，其內(nèi)部的壓電元件上也受到同樣的力，根據(jù)壓電效應(yīng)原理，壓電元件的兩面就會(huì)產(chǎn)生與這個(gè)力成正比的電壓，通過測(cè)此電壓即可測(cè)得作用力，再根據(jù)力與功之間的標(biāo)定來計(jì)算沖擊功。根據(jù)沖擊功曲線相鄰兩個(gè)波峰的時(shí)間差計(jì)算沖擊頻率。

液體壓力采用傳感器測(cè)量，工作原理是靠其內(nèi)部彈性膜片上粘貼的電阻應(yīng)變計(jì)敏感元件組成電橋，在壓力作用下彈性膜片產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)感受此應(yīng)變并使應(yīng)變計(jì)橋臂電阻發(fā)生變化。給應(yīng)變計(jì)電橋加額定激勵(lì)電壓，即可得到與壓力呈線性關(guān)系的電壓變化，通過測(cè)量電壓即可測(cè)出壓力值。

泵量采用流量傳感器測(cè)量。流量傳感器中有液體通過時(shí)使其內(nèi)部電路的磁阻發(fā)生變化，產(chǎn)生與流量成正比的電壓脈沖信號(hào)，通過測(cè)脈沖信號(hào)的電壓值即可測(cè)出流量值。流量傳感器測(cè)量原理為通過磁場(chǎng)中的流體在切割磁感線時(shí)會(huì)產(chǎn)生的與流量成正比的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過測(cè)量這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出液體流量。

1.2 循環(huán)動(dòng)力模塊

循環(huán)動(dòng)力模塊由泥漿泵、進(jìn)水管路、出水管路、穩(wěn)壓罐、調(diào)節(jié)閥、背壓閥、泵壓表等組成。三臺(tái)不同排量泥漿泵并聯(lián)，輸出泵量范圍為0～1800 L/min，最大輸出泵壓為10 MPa。穩(wěn)壓罐可大大減小進(jìn)入液動(dòng)錘工作介質(zhì)的壓力波動(dòng)。調(diào)節(jié)閥可對(duì)進(jìn)水管路進(jìn)行分流，在理論上實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)泵量。背壓閥放置于液動(dòng)錘出口，模擬孔底背壓條件，開展液動(dòng)錘背壓適應(yīng)性研究。

1.3 機(jī)械固定模塊

機(jī)械固定模塊主要為液動(dòng)錘固定臺(tái)架，臺(tái)架由液壓控制，含兩個(gè)同步油缸和鏈條倍速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 液動(dòng)錘固定臺(tái)架結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the hydraulic hammer fixing stand

表1 液動(dòng)錘固定臺(tái)架技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the hydraulic hammer fixing stand

2 沖擊功標(biāo)定

2.1 沖擊模型

如圖3所示，設(shè)沖錘組件以速度v沖擊鐵砧，沖擊力以沖擊波的形式傳遞至傳感器，傳感器受壓產(chǎn)生電荷，再由電荷放大器處理，產(chǎn)生電壓信號(hào)。沖錘沖擊鐵砧后發(fā)生反彈，沖擊過程為非完全彈性碰撞，傳感器上部鐵砧和下層底座都會(huì)受壓并產(chǎn)生變形。

圖3 沖擊模型Fig.3 Impact model

建模時(shí)可以將傳感器上部鐵砧和下部底座看作一個(gè)剛度很大的彈簧，勁度系數(shù)分別為k1、k2，中間的傳感器看作一個(gè)不變形的剛體。沖擊過程中，上彈簧的形變?yōu)閤1，下彈簧的形變?yōu)閤2。在該數(shù)學(xué)模型中，沖錘下一次的下落過程中，把接觸時(shí)刻的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為兩個(gè)剛度很大的彈簧的彈性勢(shì)能，達(dá)到最大形變xmax時(shí)，傳感器所受的力為Fmax。隨后彈簧恢復(fù)形變，將沖錘反彈，但在彈簧恢復(fù)的過程中，傳感器和底座有限位，阻滯很大，彈簧只把部分彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)換為沖錘的反彈動(dòng)能。

接觸時(shí)刻的動(dòng)能E=mv2/2(其中：m為沖錘組件質(zhì)量，v為發(fā)生沖擊時(shí)沖錘組件末速度)。達(dá)到最大形變時(shí)，彈簧存儲(chǔ)的總彈性勢(shì)能：

(1)

以沖擊時(shí)刻的動(dòng)能作為沖擊功W，則沖擊功W與彈簧總彈性勢(shì)能P相等：

(2)

由胡克定理可知：

(3)

把公式(2)和公式(3)變形可得：

(4)

彈簧達(dá)到最大形變時(shí)，傳感器近似看作受力平衡，則：

Fmax=F1max=F2max

(5)

把公式(5)帶入到公式(4)中：

(6)

令1/k=1/k1+1/k2，即k為上下兩個(gè)彈簧的串聯(lián)剛度，則：

(7)

串聯(lián)剛度k是與傳感器、試驗(yàn)工裝相關(guān)的系數(shù)，而沖擊功與最大沖擊力的平方成正比。

2.2 測(cè)定串聯(lián)剛度k

采用沖擊力法測(cè)沖擊功受沖擊部件形狀、尺寸、質(zhì)量、材料等因素影響較大，故在沖擊標(biāo)定過程中應(yīng)采用待測(cè)液動(dòng)錘的沖錘組件，最大程度模擬液動(dòng)錘測(cè)試的環(huán)境和條件進(jìn)行標(biāo)定。此處以YZX108型液動(dòng)錘為例。

傳感器安裝與液動(dòng)錘測(cè)試保持一致，以YZX108型液動(dòng)錘下接頭作為沖擊鐵砧，直接坐于圖4所示的底座上。沖錘在不同高度多次(試驗(yàn)中取5次)反復(fù)做自由落體運(yùn)動(dòng)，壓電石英傳感器測(cè)出每一組沖擊力數(shù)值，再由沖錘組件的質(zhì)量和自由落體的高度計(jì)算出沖錘組件沖擊鐵砧時(shí)的沖擊功。由于阻力、碰撞接觸條件不同，且試驗(yàn)過程受人的操作行為影響較大，故應(yīng)剔除明顯的異常數(shù)據(jù)，最終的有效數(shù)據(jù)取平均值。

1-鐵砧；2-適應(yīng)套；3-上蓋板；4-上墊片；5-傳感器；6-下墊片；7-下蓋板；8-定位銷；9-基座；10-出水管；11-背壓閥

圖4壓電石英傳感器安裝示意
Fig.4Installation schematic diagram of the piezoelectric quartz sensor

試驗(yàn)完成后用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，如圖5所示，x軸為測(cè)量的沖擊力，y軸為根據(jù)沖錘組件質(zhì)量及下落高度計(jì)算的沖擊功。最終回歸方程式為y=0.0014x2-0.0001x，相關(guān)性R2=0.9998。0.0001x與0.0014x2相差3個(gè)數(shù)量級(jí)以上，根據(jù)式(7)，應(yīng)該是由試驗(yàn)過程中操作差異、外界干擾、測(cè)量誤差等原因?qū)е?，故?yīng)略去，因此可以確定串聯(lián)剛度k值，即1/(2k)=0.0014。

圖5 串聯(lián)剛度k反演數(shù)據(jù)Fig.5 Inversion data of serial stiffness k

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)試

液動(dòng)潛孔錘性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)組裝完成后于勘探技術(shù)研究所沖擊回轉(zhuǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行了室內(nèi)調(diào)試，調(diào)試采用YZX108型液動(dòng)潛孔錘[26]，該液動(dòng)錘沖錘組件質(zhì)量23.8 kg。測(cè)試中液動(dòng)錘自由行程為15 mm。

流量傳感器、壓力傳感器直接通過螺紋連接到管路上，壓電石英傳感器設(shè)計(jì)的安裝方式如圖5所示。壓電石英傳感器上下各有一壓片，通過螺桿緊固。再通過上下兩個(gè)蓋板將壓電石英傳感器置于一個(gè)相對(duì)密封的腔內(nèi)，阻止水從外部流入，上下蓋板間通過直鍵和鍵槽定位，避免發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。連接好管路，傳感器數(shù)據(jù)線與采集板連好，安裝好的實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。

圖6 液動(dòng)潛孔錘性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)試Fig.6 Commissioning of the hydraulic down-hole hammer performance test bench

調(diào)試過程中采集到的波形圖如圖7所示。

圖7液動(dòng)潛孔錘性能測(cè)試軟件系統(tǒng)界面
Fig.7Software system interface for hydraulic down-hole hammer performance tests

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，泵量600 L/min時(shí)，YZX108型液動(dòng)錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時(shí)，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。

4 結(jié)論

研制的多參數(shù)液動(dòng)潛孔錘測(cè)試平臺(tái)通過沖擊力與沖擊功標(biāo)定的方法對(duì)液動(dòng)錘輸出性能參數(shù)進(jìn)行無(wú)損測(cè)試，為提高液動(dòng)錘的研究設(shè)計(jì)水平和速度起到了一定的作用。該測(cè)試平臺(tái)硬件配套齊全，0～30 L/s的泵量范圍基本可滿足現(xiàn)有規(guī)格液動(dòng)錘的測(cè)試需求，全液壓臺(tái)架大大提高了測(cè)試安全性，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，泵量600 L/min時(shí)，YZX108型液動(dòng)錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時(shí)，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。