液动冲击回转钻进技术及应用

2021-10-22 10:42:19
来源：中国矿业报
作者：王跃伟刘秀美
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　　◎ 中国地质调查局勘探技术研究所王跃伟刘秀美

　　液动冲击回转钻进技术简介

　　冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。与常规回转钻进相比，冲击回转钻进只要用较小的钻压，便可以达到破碎坚硬岩石的效果。根据工作介质不同，通常分为气动冲击回转钻进和液动冲击回转钻进。

　　YZX系列液动锤结构示意图

　　液动冲击回转钻进技术的核心机具是液动潜孔锤（又称液动冲击器，简称液动锤）。该技术具有机械钻速高、回次进尺长、钻头寿命长、钻孔质量好、孔内事故少、钻进效率高、应用范围广等优点。

　　中国地质调查局勘探技术所于1958年最早在我国开展液动潜孔锤研究，经过多年不懈努力研制出YZ正作用系列、YS双作用系列、YQ复合作用系列以及SSC绳索取心液动锤系列产品。这项技术大部分用于小口径岩心钻探，取得较好的使用效果。

　　20世纪90年代以后，勘探技术所根据国内外钻探设备研究发展趋势，注重开展大冲击功液动锤的研究，并于1997年成功研制出一种新型的YZX127液动锤。该液动锤具有冲击功大、能量利用率高等优点。在中国大陆科学钻探工程初期应用后对该冲击器进行了进一步完善，提高了工作稳定性和对冲洗液的适应性，并在大陆科学钻探工程实施中发挥了重要作用。该系列液动锤钻具目前已得到广泛应用，并得到广大地质钻探工作者的肯定。

　　2007年，勘探技术所在YZX系列液动锤基础上成功研制出SYZX系列绳索取心液动锤，坚硬“打滑”地层应用优势明显。经过十多年的改进和完善，该项技术目前在地质钻探领域获得了非常广泛的推广和应用。

　　YZX130液动锤

　　在WFSD-4孔中的应用

　　汶川地震断裂带科学钻探四号孔（WFSD-4）位于四川省平武县南坝镇境内，钻遇地层主要为变质岩地层。

　　YZX130液动锤在WFSD-4孔中累计下井70余回次，总进尺340多米，其中在上部较坚硬、破碎的板岩和变质砂岩地层应用效果良好，采用YZX130液动锤+螺杆钻具组合钻进的机械钻速，较单纯采用螺杆钻具提高70%以上，回次进尺提高40%以上。尤其在二开和三开上部取心钻进中，岩性较为脆硬，效果非常显著，利用液动锤钻进机械钻速分别提高78.65%和89.77%。液动锤在三开下部塑性较高的破碎地层应用中，机械钻速和回次进尺也有一定程度提高，但相比之前的应用效果稍差。

　　总体上看，采用液动锤钻进与普通钻进相比，机械钻速和回次进尺均有一定提高，在脆硬性地层应用效果则更为显著。

　　YZX130液动锤在汶川科钻四号孔应用

　　YZX130液动锤

　　在温泉某地热井中的应用

　　该井位于辽宁省大连市旅顺口区，设计孔深3000m，终孔孔径152mm。工程在施工过程中，上部覆盖层较浅，过了覆盖层后钻遇岩层非常坚硬，硬度在7级以上，研磨性强，多为石英砂岩，石英含量很高，进尺极其缓慢，钻头磨损快，寿命短。

　　YZX130液动锤在温泉某地热井中应用

　　YZX130液动锤在该井钻至2092.30m后得到应用，进尺400多米，均是在硬度7级以上、强研磨性的石英砂岩地层。采用液动锤钻进前，自2027.69m至2092.30m孔段共用了3只钻头，纯钻时间191h，平均机械钻速0.34m/h，平均钻头寿命21.5m。YZX130液动锤应用后的第一个回次钻头寿命提高至42.8m，平均机械钻速提高至0.9m/h。将2000m至2600m井段不同施工方法进行对比，结果表明，采用YZX130液动锤钻进与普通钻进方法相比，效率提高92%，钻头寿命提高113%，同时有效地减少孔内事故发生，降低了扫孔工作量。

　　本次应用证明了YZX130液动锤可以适应深孔全面钻进的施工要求，并可较大幅度提高钻头寿命和钻进效率，在水井、地热井、干热岩开发等领域具有广阔的应用前景，创造可观的经济效益。

　　SYZX75绳索取心液动锤钻具

　　在岩金第一深钻中的应用

　　中国岩金勘查第一深钻ZK96-5钻孔位于山东省莱州市三山岛矿区，设计钻孔孔深4000m，终孔孔径75mm。现场施工钻至约3380m时，钻遇地层以花岗岩为主，偶见坚硬石英砂岩，可钻性等级约为8~10级。同时由于地层破碎严重，岩心极易堵塞，导致回次进尺非常短。连续4个回次进尺均在0.8m以下，其中一个回次甚至没有取到岩心。

　　N规格绳索取心液动锤在中国岩金勘查第一深钻进行生产试验

　　在这种情况下，施工方与课题组取得联系，期望通过采用绳索取心液动锤技术解决这一问题，提高破碎地层的岩心采取率和回次进尺。绳索取心液动锤的轴向冲击使岩心容易进入岩心管，大大减少了岩心堵塞的几率，提高了回次进尺。钻具入孔后效果非常明显，从开始使用的最初8个回次里，累计进尺17.96m，平均回次进尺2.25m，岩心采取率99%。而之前采用普通绳索取心钻具的8个回次平均回次进尺为1.0475m，相对普通绳索取心钻具提高了114.32%。