球卡式繩索取心液動(dòng)錘的試驗(yàn)研究

王躍偉，齊力強(qiáng)，李晨陽，楊澤英，蘇長壽，董寬志

(1．中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北廊坊065000;2．大石橋市寬廣探礦設(shè)備有限公司，遼寧營口115100)

1 問題的提出

繩索取心液動(dòng)錘鉆具綜合了繩索取心鉆進(jìn)技術(shù)和液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有鉆進(jìn)速度快、臺月效率高，巖心堵塞少，回次進(jìn)尺長，鉆孔質(zhì)量好，鉆孔彎曲強(qiáng)度低，巖礦心質(zhì)量高，鉆頭壽命長，勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)勢。

2007年，中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所(以下簡稱“勘探所”)研制出了SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘，并在地質(zhì)巖心鉆探領(lǐng)域得到迅速的推廣和規(guī)模化應(yīng)用，大幅度地提高了鉆探現(xiàn)場的施工效率、降低了施工成本、改善了鉆探質(zhì)量，特別是在破碎和堅(jiān)硬“打滑”地層效果明顯。截止目前該鉆具累計(jì)推廣1600余套，完成鉆探進(jìn)尺達(dá)到360萬m，已成為我國近年來鉆探技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的熱點(diǎn)，得到鉆探行業(yè)的一致認(rèn)可。

與傳統(tǒng)繩索取心鉆具相同，SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘的定位機(jī)構(gòu)也是彈卡定位機(jī)構(gòu)(如圖1所示)。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單可靠，能有效地防止內(nèi)管總成上串而離開孔底，起到定位作用。但采用這種結(jié)構(gòu)，為保證彈卡鉗的收攏，彈卡擋頭和彈卡鉗軸向之間必須留有一定間隙(圖1中L)，因此內(nèi)管總成雖不上串，但難以保證其不會(huì)發(fā)生浮動(dòng)。

圖1 彈卡結(jié)構(gòu)示意

液動(dòng)錘在工作時(shí)，閥、上活塞、沖錘體、下活塞是運(yùn)動(dòng)件，它們和非運(yùn)動(dòng)件一起構(gòu)成相對密封的腔，從而使液動(dòng)錘工作。液壓作用在運(yùn)動(dòng)件的同時(shí)也作用在非運(yùn)動(dòng)件上，也就是說液壓使運(yùn)動(dòng)件向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也給非運(yùn)動(dòng)件一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)的趨勢，彈卡擋頭和彈卡鉗之間的間隙使這種趨勢有機(jī)會(huì)成為運(yùn)動(dòng)。根據(jù)動(dòng)量守恒，這種運(yùn)動(dòng)將使運(yùn)動(dòng)件的動(dòng)量大打折扣，也就降低了液動(dòng)錘的沖擊功以及沖擊功的傳遞效率，從而降低了鉆進(jìn)效率。

基于以上認(rèn)識，將彈卡擋頭和彈卡鉗之間的間隙降到最低，甚至消除這一間隙，可有效地解決內(nèi)管總成的浮動(dòng)問題，增加繩索取心液動(dòng)錘鉆具輸出的沖擊功，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

2 球卡式定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

用球卡式定位機(jī)構(gòu)代替SYZX繩索取心液動(dòng)錘中的彈卡定位機(jī)構(gòu)可有效提高定位精度，解決內(nèi)管總成的浮動(dòng)問題，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 球卡式打撈定位機(jī)構(gòu)

撈矛頭下端通過彈性圓柱銷與滑套連接，滑套下端通過彈性圓柱銷與擋套連接，置于球卡座內(nèi)部。球卡座上端有圓孔，裝入彈性圓柱銷，同時(shí)該圓柱銷穿過滑套中的長條孔。球卡座上適當(dāng)?shù)奈恢镁鶆蚍植寂c鋼球數(shù)量相同的孔，鋼球放在孔與擋套之間。球卡室與鉆桿相連位于鉆孔底部，下接頭下方連接液動(dòng)錘等內(nèi)總成部件。

投放內(nèi)管總成時(shí)，用打撈器將內(nèi)總成放入鉆桿內(nèi)部，待僅剩撈矛頭露于孔口時(shí)手動(dòng)脫卡，內(nèi)管總成開始在鉆桿內(nèi)下降，撈矛頭、滑套與擋套在重力作用下使得滑套沿其錐面給鋼球一個(gè)外推力。但由于繩索取心鉆桿內(nèi)通徑基本相同，鋼球沒有足夠的空間彈出。內(nèi)管總成繼續(xù)下降直到到位后停止下行，此時(shí)鋼球位置與球卡室的卡槽平齊，鋼球在外力作用下可被推出。而內(nèi)管總成到位后撈矛頭、滑套與擋套在重力及慣性作用下繼續(xù)下行，將鋼球推到卡槽后仍可繼續(xù)下行，直到滑套長條孔上端與球卡座上端彈性圓柱銷接觸，此時(shí)擋套與鋼球接觸部位為柱面。如圖2(a)所示。

鉆進(jìn)開始后，巖心進(jìn)入巖心管，勢必給巖心管一個(gè)向上的摩擦力，尤其是巖心發(fā)生堵塞時(shí)，內(nèi)管總成受力后鋼球與球卡室卡槽上端緊密接觸，卡槽給鋼球一個(gè)向內(nèi)推的力，而此時(shí)擋套與鋼球接觸的部分為柱面，無法使擋套上移解卡，故可實(shí)現(xiàn)定位。

打撈時(shí)打撈器撈住撈矛頭上行，撈矛頭、滑套與擋套上移，擋套與鋼球脫離，此時(shí)鋼球若受到向內(nèi)的推力即可向內(nèi)滾動(dòng)實(shí)現(xiàn)脫卡。撈矛頭、滑套與擋套繼續(xù)上移，直到滑套長條孔下端與球卡座上端彈性圓柱銷接觸時(shí)，打撈器即可拉動(dòng)內(nèi)總成整體上行，鋼球上行時(shí)球卡室卡槽向內(nèi)推實(shí)現(xiàn)解卡。如圖2(b)所示。

3 球卡式繩索取心液動(dòng)錘研究

球卡式繩索取心液動(dòng)錘鉆具在原SYZX系列繩索取心液動(dòng)錘鉆具基礎(chǔ)上，以新研制的球卡定位機(jī)構(gòu)代替了原彈卡定位機(jī)構(gòu)，很大程度上改善了原鉆具內(nèi)管總成浮動(dòng)的問題，增大了可輸出沖擊功，提高了鉆進(jìn)效率，同時(shí)減少了鉆具長度，利于鉆具安全，降低了生產(chǎn)成本，完善了鉆具性能，提高了競爭優(yōu)勢。

上述球卡定位機(jī)構(gòu)在原理上是可行的，在研制過程中主要注意解決好以下技術(shù)關(guān)鍵:

(1)合理設(shè)計(jì)外管中與鋼球配合的凹槽，在保證外管強(qiáng)度的同時(shí)消除配合時(shí)內(nèi)外管可能產(chǎn)生的上下相對運(yùn)動(dòng)，同時(shí)該凹槽與鋼球的配合要求其有較高的抗碾壓性;

(2)通過強(qiáng)度計(jì)算，確定鋼球的材料、數(shù)量及熱處理工藝，保證鋼球的耐磨性及壽命;

(3)內(nèi)管上與鋼球配合的孔的位置及孔型設(shè)計(jì)，保證鋼球在自然狀態(tài)下不會(huì)向外脫落，內(nèi)管投放過程不會(huì)與外管發(fā)生卡阻現(xiàn)象，定位精確可靠，消除間隙。

4 球卡式繩索取心液動(dòng)錘室內(nèi)測試和生產(chǎn)試驗(yàn)

4．1 室內(nèi)測試

研制的球卡式繩索取心液動(dòng)錘樣機(jī)在勘探所沖擊回轉(zhuǎn)試驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)試和打撈測試，測試結(jié)果表明，該鉆具可正常實(shí)現(xiàn)打撈定位功能，與原彈卡式結(jié)構(gòu)相比，鉆具長度有所減少，加工成本有所下降，且有效地減少了巖心堵塞時(shí)液動(dòng)錘被上頂?shù)木嚯x，有利于提高液動(dòng)錘沖擊功的輸出，進(jìn)而可提高鉆進(jìn)效率。

4．2 生產(chǎn)試驗(yàn)

4．2．1 現(xiàn)場概況

該鉆具經(jīng)室內(nèi)測試后在遼寧某金銀礦詳查項(xiàng)目中進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)，該孔設(shè)計(jì)孔深150 m，開孔直徑110 mm，終孔直徑 75 mm，傾角 78°，方位角 226°。地層主要為閃長巖，相對完整，孔壁穩(wěn)定，采用繩索取心液動(dòng)錘鉆進(jìn)。

配套鉆機(jī)為大石橋市寬廣探礦設(shè)備有限公司自主研制的全液壓動(dòng)力頭鉆機(jī)。該鉆機(jī)輕便靈活，由油缸驅(qū)動(dòng)可相對運(yùn)動(dòng)的上下盤代替了昂貴的履帶行走機(jī)構(gòu)，油缸滑輪組代替了主卷揚(yáng)系統(tǒng)，在輕便化的同時(shí)也極大地降低了生產(chǎn)成本。鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，實(shí)用性強(qiáng)。鉆機(jī)還配備了160 L/min馬達(dá)直驅(qū)泥漿泵。

由于孔壁穩(wěn)定，未使用膨潤土泥漿，鉆井液主要成分清水、皂化油、聚丙烯酰胺。

4．2．2 應(yīng)用情況

鉆具于孔深130.14 m開始試驗(yàn)，受礦層影響，根據(jù)地質(zhì)要求至215.42 m終孔，累計(jì)進(jìn)尺85.28 m，完成打撈40余次。圖3為投放內(nèi)管總成，圖4為打撈內(nèi)管總成。

圖3 投放內(nèi)管總成

在鉆具最初使用過程中，將內(nèi)管提出孔內(nèi)后，曾發(fā)現(xiàn)鋼球被巖屑卡住無法彈出，撈矛頭無法復(fù)位的情況，這是由于鉆進(jìn)過程中循環(huán)的鉆井液流經(jīng)鋼球周圍、鉆井液中攜帶的巖屑在此積留所致，這一過程出現(xiàn)在球卡定位功能實(shí)現(xiàn)以后，不影響鉆具正常工作。在地表用小錘敲打鋼球周圍將積留的巖屑震出即可解卡，繼續(xù)正常工作。隨著鉆具的磨合，在之后的使用過程中沒有再出現(xiàn)上述情況。

圖4 打撈內(nèi)管總成

后續(xù)使用中還曾出現(xiàn)一次鉆具投放后卡在鉆桿中沒有到位的情況，且在用打撈器解卡時(shí)上提不止一次，據(jù)此判斷并非球卡出現(xiàn)問題，極有可能是內(nèi)管總成與鉆桿間被巖屑卡住。一般來說，繩索取心鉆桿連接處間隙較小，根據(jù)理論計(jì)算，當(dāng)這一間隙大于10.58 mm時(shí)鋼球才能滑出并被落下的滑套頂住無法回收，卡在間隙內(nèi)從而實(shí)現(xiàn)定位，非損壞的繩索取心鉆桿連接后顯然沒有如此大的間隙。

還曾出現(xiàn)一次內(nèi)管沒能順利到位被巖心向上頂而沒能取到巖心的情況，提大鉆取心后根據(jù)提出的內(nèi)管和巖心分析判斷，造成這一情況的原因是上一回次取心時(shí)一小段巖心脫落并卡在鉆頭內(nèi)部臺階以上，內(nèi)管投放后卡簧座坐在該小段巖心上而無法順利到位。這種情況在傳統(tǒng)的彈卡結(jié)構(gòu)鉆具中也會(huì)出現(xiàn)。

根據(jù)40余回次生產(chǎn)試驗(yàn)情況，球卡式定位結(jié)構(gòu)基本可靠，雖然出現(xiàn)一次投放中卡在鉆桿內(nèi)部、一次沒能順利到位的情況，但基本可排查是球卡出現(xiàn)的問題，據(jù)此判定該結(jié)構(gòu)定位、打撈的成功率在95%以上。

4．3 發(fā)現(xiàn)的問題

該鉆具生產(chǎn)試驗(yàn)進(jìn)尺85.28 m，打撈總成磨損較小，只在鉆具工作時(shí)滑套與鋼球接觸部位有一壓痕，如圖5所示。該壓痕深度一旦超過2 mm球卡定位即將失效，故應(yīng)采用硬度更高且合理的熱處理工藝來加工滑套。而在使用中也應(yīng)該多檢查其磨損情況，及時(shí)檢查，及時(shí)更換。

圖5 滑套與鋼球接觸處出現(xiàn)壓痕

球卡室內(nèi)限位上端臺階處有輕微磨損和變形，如圖6所示。該磨損和變形在一定限度內(nèi)對球卡定位功能實(shí)現(xiàn)無影響，但隨著該磨損的發(fā)生，巖心堵塞發(fā)生時(shí)內(nèi)管總成上串距離變大。當(dāng)此處變形加大到變形后的內(nèi)徑小于傳功環(huán)外徑時(shí)可造成內(nèi)管總成上提卡死的現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算變形后直徑要減小3 mm才可能出現(xiàn)這一情況，基本不可能發(fā)生，但也需繼續(xù)尋找更適合的材料和熱處理工藝來加工球卡室。

5 結(jié)論及下一步工作

室內(nèi)測試表明，研制的球卡定位機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，原理可行，可有效提高繩索取心液動(dòng)錘的定位精度，解決內(nèi)管總成的浮動(dòng)問題，增加繩索取心液動(dòng)錘鉆具輸出的沖擊功，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證，該球卡式繩索取心液動(dòng)錘的打撈定位成功率在95%以上，通過局部細(xì)節(jié)完善，完全可在生產(chǎn)實(shí)踐中使用。

滑套和球卡室的材質(zhì)和熱處理工藝需要改進(jìn)提高，以增強(qiáng)其硬度和抗磨損性能，進(jìn)一步提高鉆具的可靠性。球卡室內(nèi)卡槽也可進(jìn)行部分形狀和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，以提高其可靠性。

本次試驗(yàn)主要驗(yàn)證其可靠性，受現(xiàn)場客觀條件限制未總結(jié)其鉆速提高情況，在完成上述優(yōu)化后還要進(jìn)一步擴(kuò)大試驗(yàn)研究。

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