蓄能式液動(dòng)潛孔錘的研究

劉國經(jīng)

(昆明國經(jīng)巖土鉆掘技術(shù)研究所，云南昆明650034)

1 概述

液動(dòng)潛孔錘是指以泥漿、含固相或不含固相的化學(xué)漿液或普通清水作為工作介質(zhì)驅(qū)動(dòng)的、潛入鉆孔(或鉆井)下部、將液能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能沖擊鉆具實(shí)現(xiàn)破碎巖石的一種鉆探工具。液動(dòng)潛孔錘的分類主要有正作用、反作用、雙作用和復(fù)合作用等類型。蓄能式液動(dòng)潛孔錘，在液動(dòng)潛孔錘的分類中屬于反作用類型。20世紀(jì)50年代以來，美國、蘇聯(lián)和我國都曾有人研制并應(yīng)用過反作用類型的液動(dòng)潛孔錘［1］，后由于各種性能較好的雙作用液動(dòng)潛孔錘的出現(xiàn)，這些年來反作用液動(dòng)潛孔錘用于巖心鉆探、水井和工程鉆井的報(bào)道很少見到。反作用類型液動(dòng)潛孔錘與其它類型不同之處在于它不是由工作介質(zhì)直接推動(dòng)活塞沖擊做功，而是由蓄能裝置釋放在活塞回程時(shí)積蓄的能量推動(dòng)活塞沖擊砧子做功。這類潛孔錘的特點(diǎn)是:(1)必須有蓄能裝置;(2)消耗在潛孔錘內(nèi)的液能90%以上作用于回程推動(dòng)活塞壓縮錘簧與閥簧蓄能和向潛孔錘外部排液;(3)能量利用率高，特別適合大沖擊功、小泵量、低壓降這類特殊的技術(shù)要求;(4)通常采用固體蓄能原件(例如金屬彈簧)蓄能，因而它不受深井液柱壓力或背壓的影響。反作用類型液動(dòng)潛孔錘所具有的上述優(yōu)勢，是其它類型液動(dòng)潛孔錘，尤其是目前應(yīng)用較多的雙作用類型液動(dòng)潛孔錘(例如射吸式、閥式雙作用等)較難達(dá)到的。反作用液動(dòng)潛孔錘之所以很少應(yīng)用的原因與以往的反作用液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，易損件多［1］，彈簧制造技術(shù)要求高和彈簧剛度大，疲勞壽命短等有關(guān)。

20世紀(jì)80年代末，曾有研究人員提出過巖心鉆探用液動(dòng)潛孔錘的能量利用率達(dá)到或突破35%的目標(biāo)。90年代末，王人杰、蘇長壽提出:液動(dòng)錘將向大沖擊功、高泵壓、低排量方向發(fā)展新品種，研制單次沖擊功按液動(dòng)錘直徑＞25 J/cm的液動(dòng)錘［2］。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，筆者自1999年以來，持續(xù)10余年對蓄能式液動(dòng)潛孔錘進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)與完善，并設(shè)計(jì)出了直徑75、95 mm的繩索取心液動(dòng)潛孔錘，于2009年開始投放鉆探生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行井下試驗(yàn)，2013年底試驗(yàn)基本結(jié)束，開始推廣應(yīng)用。在此期間還完成了用于巖心鉆探，水井和礦山鉆井的直徑為55、75、95、115、135、155、175、225 mm 等型號的蓄能式液動(dòng)潛孔錘的設(shè)計(jì)、制造和臺架與井下試驗(yàn)，并已在使用球齒鉆頭和牙輪鉆頭的全面鉆進(jìn)中取得了提高機(jī)械鉆速＞40%的明顯效果。

2 蓄能式液動(dòng)潛孔錘的基本結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

蓄能式液動(dòng)潛孔錘目前已獲得2項(xiàng)發(fā)明專利，其一專利號ZL200910094971.6，為套閥結(jié)構(gòu)(如圖1所示);其二專利號ZL201310468104.0，為芯閥結(jié)構(gòu)(如圖2所示)?，F(xiàn)以芯閥結(jié)構(gòu)為例，說明其結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。

圖1 套閥結(jié)構(gòu)

圖2 芯閥結(jié)構(gòu)

2．1 基本結(jié)構(gòu)

如圖2所示，潛孔錘由上接頭、外殼、導(dǎo)向套、下接頭組成的外殼組件和導(dǎo)流管、錘體、錘頭、芯閥、錘簧、閥簧組成的閥錘組件構(gòu)成。閥錘組件既是控制機(jī)構(gòu)(閥控機(jī)構(gòu))也是執(zhí)行機(jī)構(gòu)(差動(dòng)活塞)。閥錘組件上部的導(dǎo)流管與上接頭滑動(dòng)密封配合，下部的錘頭與導(dǎo)向套也是滑動(dòng)密封配合，上述配合關(guān)系使閥錘組件在工作介質(zhì)作用下，執(zhí)行閥控機(jī)構(gòu)和差動(dòng)活塞兩項(xiàng)功能以及運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)向作用。導(dǎo)流管的頂部至錘頭底部有液流通道連通，閥錘組件與外殼之間為環(huán)狀空間并與錘上腔連通。砧子中央有通液孔連通錘下腔和砧下腔，側(cè)面有旁通孔連通砧下腔與錘上腔。

2．2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

(1)控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)為同一個(gè)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)簡單，功能上相互依存和制約，在同一個(gè)力作用下順序運(yùn)行，保持控制和執(zhí)行過程切換準(zhǔn)確，響應(yīng)及時(shí)，不受井內(nèi)水柱壓力和背壓變化影響，具有很好的動(dòng)態(tài)特性。

(2)流道斷面較大且呈直線，流通順暢利于排液和泄壓，減少液能損耗，同時(shí)也利于排砂，對泥漿有較好的適應(yīng)能力。

(3)錘上腔與砧下腔之間連通，而且通道斷面較大，有利于降低擊錘時(shí)工作介質(zhì)的流速，擊砧阻力小。

(4)采用低剛度錘簧(通常為錘簧單圈剛度的1/30～1/40)，不僅能有效地提高錘簧的疲勞壽命，還能在不升高峰值壓強(qiáng)的狀態(tài)下增大擊錘沖擊功和降低潛孔錘內(nèi)腔工作介質(zhì)的壓力變化幅度，頻率越高壓力越穩(wěn)定。

(5)錘簧預(yù)壓量可調(diào)，不同參數(shù)的閥簧可調(diào)換，調(diào)整錘簧的預(yù)壓量或更換不同參數(shù)的閥簧都能實(shí)現(xiàn)對潛孔錘工作壓降、擊砧沖擊功和沖擊頻率等參數(shù)的調(diào)整。

(6)潛孔錘有輕型、中型和重型之分，可以適應(yīng)不同設(shè)備條件和技術(shù)要求。

3 工作原理及工作特性

3．1 工作原理

如圖2所示，啟動(dòng)前閥錘組件處于行程下限，由于錘簧有預(yù)壓力閥錘組件的錘頭緊緊地壓住砧子上端面。啟動(dòng)由回程開始，工作液流自上接頭進(jìn)入導(dǎo)流管再經(jīng)錘體和芯閥的通液孔與旁通孔進(jìn)入錘下腔，并作用于芯閥使之封堵住砧子中央的通液孔，錘下腔液流被阻斷，液壓升高推動(dòng)閥錘組件上升(即通常所謂的回程)并壓縮錘簧與閥簧蓄能，當(dāng)閥簧向上的壓縮力大于工作介質(zhì)作用于芯閥的下壓力時(shí)，芯閥就會(huì)被閥簧迅速彈起，打開砧子中央的通液孔，壓力液流經(jīng)中央通液孔排出，錘下腔驟然降壓，閥錘組件在錘簧彈力和自身重力加速度的作用下不斷地加速?zèng)_向砧子，錘頭擊打到砧子時(shí)閥簧積蓄的能量已完全釋放，芯閥在慣性力和排液推力的作用下迅速關(guān)閉砧子中央的通液孔，下腔液壓再次升高，閥錘組件又進(jìn)入回程，周而復(fù)始不停地沖擊。

3．2 工作特性

(1)蓄能式液動(dòng)潛孔錘的啟動(dòng)、舉升與向下沖擊都是在活塞對砧子有預(yù)壓力的狀態(tài)下進(jìn)行的，而且預(yù)壓力是整個(gè)擊錘過程推力的主要部分。例如，若啟動(dòng)前錘頭壓在砧子上的預(yù)壓力為1 kN(錘簧剛度和預(yù)壓量均為已知，預(yù)壓力可以準(zhǔn)確的符合設(shè)定值)，錘頭離開砧子舉升至回程上限，錘簧壓縮力升至1.2 kN，也就是說，預(yù)壓力1 kN是活塞回程壓力增量0.2 kN的5倍;又如，錘簧預(yù)壓力1 kN，終壓力1.2 kN，錘簧推動(dòng)錘體沖擊砧子的平均推力為1.1 kN，比同等舉錘峰值壓力下預(yù)壓力為零，終壓力為1.2 kN，錘簧推動(dòng)錘體沖擊砧子的平均推力0.6 kN要大0.5 kN;也就是說預(yù)壓力為零的平均推力只相當(dāng)于預(yù)壓力為1kN時(shí)的平均推力的54.54%。顯然在峰值壓力相等的情況下，錘簧有足夠大的預(yù)壓力比沒有預(yù)壓力的能量利用率和沖擊功要大很多。這也正是蓄能式液動(dòng)潛孔錘能量利用率高和沖擊功大的原因之一。

(2)工作介質(zhì)進(jìn)入潛孔錘內(nèi)做功過程主要在活塞回程，沖程時(shí)間短暫，回程吸收的能量占潛孔錘總耗能的90%以上?；爻棠芰坑?部分構(gòu)成:錘簧蓄能;閥簧蓄能;錘上腔向砧下腔排液耗能。由于通道寬敞，瞬時(shí)排液量小，錘上腔至砧下腔的排液壓降很小，能耗可忽略不計(jì)，因此回程能量全部由錘簧和閥簧吸收，分配的比例由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定:錘簧大于75%;閥簧小于25%。由此可見錘簧吸收的能量占潛孔錘耗能總量的比例＞2/3。若將沖程和回程未參與計(jì)算的能耗之和設(shè)定為潛孔錘總能耗的10%，則錘簧吸收的能量＞67.5%，閥簧吸收的能量＜22.5%。錘簧吸收的能量將全部在沖程釋放，這就是蓄能式液動(dòng)潛孔錘能量利用率高和沖擊功大的另一個(gè)原因。

(3)差動(dòng)活塞由于在有預(yù)壓狀態(tài)下啟動(dòng)，啟動(dòng)壓降與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓降十分接近，同時(shí)沖擊砧子后閥門關(guān)閉產(chǎn)生的水擊能量立即作用于活塞回程，由于水擊能量及時(shí)被錘簧吸收，而且是一個(gè)彈性的吸收過程，不僅充分利用水擊能量加快回程的初加速度，同時(shí)還使泥漿泵和輸液管路的輸出壓力波動(dòng)減弱，不會(huì)出現(xiàn)因壓力大幅度地驟然升降引起管路的劇烈抖動(dòng)，通常也不需要配置穩(wěn)壓罐。

(4)閥錘組件(差動(dòng)活塞)的錘頭(大活塞)與導(dǎo)流管(小活塞)的面積比最少也能達(dá)5倍(大小活塞面積比的倍數(shù)隨潛孔錘直徑的增大而增大)。差動(dòng)活塞回程做功面積等于大、小活塞做功面積差。差動(dòng)活塞回程瞬時(shí)排量與工作介質(zhì)進(jìn)入潛孔錘的瞬時(shí)泵入量相等，并且全部從鉆頭排出。差動(dòng)活塞沖擊時(shí)的瞬時(shí)排量與沖擊速度相關(guān)，已知蓄能式液動(dòng)潛孔錘的設(shè)計(jì)沖擊速度為3～5 m/s，是回程速度的3～4倍或更多，因此瞬時(shí)排量也比回程時(shí)要大3～4倍或更多，這么大的瞬時(shí)排量若從鉆頭排出顯然排液阻力會(huì)很大，然而擊錘時(shí)增加的排量全部由砧子下腔經(jīng)旁通孔返回到同步抽空的錘上腔，因此通過鉆頭的瞬時(shí)排液量不會(huì)因擊錘而增大。

(5)沖擊功的大小取決于錘簧蓄能的多少和擊錘行程的長短;錘簧蓄能的多少與錘簧預(yù)壓力的大小和活塞行程的長短相關(guān)，而與擊錘活塞做功面積的大小、額定流量范圍內(nèi)工作介質(zhì)輸入流量的多少、差動(dòng)活塞質(zhì)量的大小沒有直接關(guān)系。

(6)擊錘過程始終處于加速度狀態(tài)，而且初加速度與擊砧終止時(shí)的末加速度相差很少，所以行程越大末速度也越大，這一點(diǎn)正作用液動(dòng)潛孔錘是無法與之相比較的。

(7)蓄能式液動(dòng)潛孔錘的啟動(dòng)流量可以很小，若按照零泄漏的理想狀態(tài)，只要有工作介質(zhì)流入，即使流量很小，只要能推動(dòng)活塞蓄能就能啟動(dòng)，因?yàn)樾钅芏嗌俨皇芰髁看笮∮绊?，這一特性可以滿足小功率、超低頻、大沖擊功液動(dòng)錘的設(shè)計(jì)要求。

4 研制與應(yīng)用

本項(xiàng)目的研制是以臺架試驗(yàn)為主要技術(shù)手段展開的，采用同規(guī)格同類型不同參數(shù)或同規(guī)格不同類型2種潛孔錘，直接在臺架上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)對比。表1所列數(shù)據(jù)為同規(guī)格的蓄能式(TXY54輕型、中型)與射吸式(SX－54重型)兩種54 mm口徑液動(dòng)潛孔錘的對比結(jié)果。其中TXY54型因結(jié)構(gòu)受到直徑的限制，是整個(gè)系列型號中能量利用率最低的一種;而沖錘質(zhì)量10 kg的SX－54屬重型，是系列型號中能量利用率最高的一種，即使如此，蓄能式的沖擊功仍比射吸式的沖擊功大9.2%和10.6%，能量利用率也比射吸式的高。

表1 擊砧功率與液能利用率對比

蓄能式液動(dòng)潛孔錘的研制經(jīng)歷了一個(gè)較長的過程。在初始階段，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜只能用89 mm口徑作試驗(yàn)，閥控機(jī)構(gòu)簡化后首先研制了直徑54 mm的蓄能式液動(dòng)潛孔錘，并設(shè)計(jì)制造出采用液壓定位、懸掛、傳功的投放打撈機(jī)構(gòu)與液動(dòng)潛孔錘構(gòu)成75 mm繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆具，2009年開始先后在云南、四川、甘肅等省少數(shù)鉆探生產(chǎn)工地使用，2012年以來反饋的情況說明，蓄能式液動(dòng)潛孔錘用于鉆探生產(chǎn)是可行的，它能體現(xiàn)出沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的所有優(yōu)越性，而且效果明顯。盧成云在文獻(xiàn)［3］中介紹了他們在金礦勘查中的使用情況，通過6個(gè)鉆孔時(shí)效和回次進(jìn)尺的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比，(在可鉆性12級的石英巖中鉆進(jìn))純回轉(zhuǎn)平均時(shí)效0.56 m，沖擊回轉(zhuǎn)平均時(shí)效1.6 m，沖擊回轉(zhuǎn)時(shí)效是純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的2.85倍;在平均回次進(jìn)尺方面，純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為0.85 m，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)為1.9 m，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是純回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的2.23倍。自2012年以來又有多個(gè)生產(chǎn)單位對直徑為75、95、135、225 mm等型號的蓄能式液動(dòng)潛孔錘，配接球齒鉆頭或牙輪鉆頭在石英砂巖一類的堅(jiān)硬巖層中使用，也同樣取得了機(jī)械鉆速明顯提高的效果，圖3、圖4就是 TXY135型液動(dòng)潛孔錘配接150 mm球齒鉆頭全面鉆進(jìn)石英砂巖，然后用150 mm金剛石取心鉆頭鉆取出來的球齒鉆頭鉆進(jìn)井底的照片。相關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表2和表3所示。

圖3 井底實(shí)物照片1

圖4 井底實(shí)物照片2

表2 TXYSC系列繩索取心液動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)

表3 TXY系列普通蓄能式液動(dòng)錘技術(shù)參數(shù)

5 存在的問題與改進(jìn)

(1)蓄能式液動(dòng)潛孔錘彈簧的疲勞壽命是這類潛孔錘必須解決的主要難點(diǎn)，TXYSC75和TXYSC95型兩種型號繩索取心液動(dòng)錘的錘簧與閥簧的疲勞壽命對比試驗(yàn)表明，彈簧的剛度、旋繞比、材料、熱處理和工作頻率等因素，對疲勞壽命都有程度不同的影響。例如:采用廉價(jià)的碳素彈簧鋼絲，A型錘簧旋繞比6.54、剛度6.18 N/mm，B型錘簧旋繞比5.78、剛度12.55 N/mm，在沖擊頻率為30～35 Hz時(shí)的對比試驗(yàn)結(jié)果:A型疲勞壽命比B型平均長4.21倍;又如:規(guī)格相同的閥簧，不銹鋼彈簧鋼絲繞制的比碳素彈簧鋼絲繞制的疲勞壽命至少長3.34倍(實(shí)驗(yàn)結(jié)束后不銹鋼絲閥簧仍然完好)。本輪對比試驗(yàn)，碳素彈簧鋼絲繞制的錘簧疲勞壽命為104 h;不銹鋼彈簧鋼絲繞制的閥簧疲勞壽命＞85 h(累計(jì)工作85 h后仍然完好)。試驗(yàn)結(jié)果說明:彈簧的結(jié)構(gòu)、材料、技術(shù)參數(shù)、熱處理及表面處理等方面，選擇是否合理，直接影響到彈簧的疲勞壽命，上述因素通過試驗(yàn)優(yōu)選后，是可以進(jìn)一步延長疲勞壽命的，尤其錘簧的疲勞壽命可延長的空間更大;隨著潛孔錘直徑增大和沖擊頻率降低，錘簧與閥簧的壽命更可以成倍延長。

(2)液動(dòng)錘在工況惡劣的井底作業(yè)，整機(jī)使用壽命相對較短，假若液動(dòng)錘彈簧壽命能延長到發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧壽命的1/4應(yīng)該就夠了。其次，彈簧售價(jià)不高，安裝、拆卸簡單，作為易損件配備適當(dāng)數(shù)量的備用件，是能夠維持正常使用的。

(3)區(qū)別于反作用液動(dòng)潛孔錘必須采用大剛度錘簧的已有概念和技術(shù)思路［4］，蓄能式液動(dòng)潛孔錘采用小剛度錘簧，并制訂出適合液動(dòng)潛孔錘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的錘簧、閥簧設(shè)計(jì)原理，不僅疲勞壽命已經(jīng)能基本滿足正常生產(chǎn)需要，而且還為進(jìn)一步提高疲勞壽命做好了技術(shù)上的準(zhǔn)備工作。

6 結(jié)論

(1)采用小剛度、大預(yù)壓量錘簧是蓄能式液動(dòng)潛孔錘極具價(jià)值的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

(2)蓄能式液動(dòng)潛孔錘實(shí)現(xiàn)了低能耗、小排量、高能量利用率和大沖擊功的目標(biāo)。

(3)蓄能式液動(dòng)潛孔錘的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)能夠滿足巖心鉆探和不取心全面鉆進(jìn)的水井與工程鉆井的工作要求。

(4)蓄能式液動(dòng)潛孔錘研制成功，為使液動(dòng)潛孔錘的能量利用率突破35%和實(shí)現(xiàn)“單次沖擊功按液動(dòng)錘直徑每厘米大于25 J”的目標(biāo)，邁出了有實(shí)用價(jià)值的一步，將會(huì)在今后的推廣應(yīng)用中不斷地改進(jìn)與完善，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

［1］ 王人杰，蔣榮慶，韓軍智．液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探［M］．北京:地質(zhì)出版社，1988:155－162．

［2］ 王人杰，蘇長壽．我國液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆探的回顧與展望［J］．探礦工程，1999，(S1):140 －145．

［3］ 盧成云，邱順兵．繩索取心沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝在獨(dú)狼溝金礦勘查中的運(yùn)用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(5):35－37．

［4］ 趙洪激，董家梅．閥式反作用液動(dòng)沖擊器參數(shù)計(jì)算及性能分析［J］．中國海上油氣(工程)，1995，7(3):21 －26．

［5］ 殷琨，菅志軍，蔣榮慶．大沖擊功液動(dòng)錘的研究及應(yīng)用［J］．探礦工程，1996，(4):8 －10．

［6］ 謝文衛(wèi)，蘇長壽，孟義泉．YZX127型液動(dòng)潛孔錘的研究及應(yīng)用［J］．探礦工程，2003，(S1):276 －281．

［7］ 許勤，黃園月，田祥友．液動(dòng)沖擊器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］．工程機(jī)械，2010，(41):54 －60．

［8］ 付加勝，李根生，田守嶒，等．液動(dòng)沖擊鉆井技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀［J］．石油機(jī)械，2014，42(6):1 －6．

［9］ 王建華，蘇長壽，左新明．深孔液動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．勘察科學(xué)技術(shù)，2011，(6):59 －64．