SYZX75 繩索取心液動(dòng)沖擊器在白楊河地區(qū)的應(yīng)用

蔡順山

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

引言

根據(jù)近年白楊河礦區(qū)鉆探施工綜合效率統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)主要巖石特點(diǎn)為“硬、脆、碎”，屬易發(fā)生孔內(nèi)事故的復(fù)雜地層，臺(tái)月效率低、小時(shí)效率低和回次進(jìn)尺少，鉆進(jìn)工作施工難度較大，造成鉆探施工生產(chǎn)效率低、鉆探生產(chǎn)成本高。為保證施工區(qū)鉆探生產(chǎn)安全、高效、高質(zhì)量，有必要對(duì)鉆探施工工藝進(jìn)行提升改進(jìn)。針對(duì)以上問(wèn)題，為攻克硬、脆、碎地層鉆進(jìn)難關(guān)，2009-2010 年核工業(yè)二一六大隊(duì)在施工區(qū)內(nèi)開(kāi)展《硬、脆、碎地層金剛石鉆進(jìn)技術(shù)研究》科研項(xiàng)目，通過(guò)優(yōu)化選擇金剛石鉆頭和試驗(yàn)SYZX75 繩索取心液動(dòng)沖擊器，鉆頭平均壽命顯著提高，且在小時(shí)鉆進(jìn)效率和臺(tái)月效率方面有一定的提升。但由于后期客觀(guān)條件影響，試驗(yàn)和推廣情況未能持續(xù)開(kāi)展。白楊河礦區(qū)于2019 年繼續(xù)開(kāi)展了SYZX75 繩索取心液動(dòng)沖擊器的試驗(yàn)工作，繩索取心液動(dòng)沖擊器很好地利用繩索取心技術(shù)和液動(dòng)沖擊器，通過(guò)對(duì)8 個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和對(duì)比，結(jié)果表明繩索取心液動(dòng)沖擊器在提高回次進(jìn)尺和鉆進(jìn)效率，解決破碎地層的巖心堵塞問(wèn)題方面有顯著效果[1]，而且沖擊器能夠有效降低施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度和鉆探生產(chǎn)成本。

1 施工區(qū)主要概況

工作區(qū)內(nèi)出露地層為第四系、新近系、石炭系和泥盆系，其中泥盆系地層主要分布于工作區(qū)北部，大致呈北東-南西向展布，其上與石炭系地層不整合接觸或斷層接觸。

鉆探工作區(qū)位于新疆準(zhǔn)噶爾盆地的西北部，屬山前丘陵地帶，施工區(qū)內(nèi)存在多個(gè)背斜與向斜。施工區(qū)主要的巖石以花崗巖、火山巖、火山碎屑巖、含礫泥質(zhì)砂巖、角礫巖、硅質(zhì)巖和第四系堆積物為主。其中花崗巖和火山巖為工作區(qū)內(nèi)主力巖石，巖性多為酸性和中基性，強(qiáng)度較大，硬度多為硬、堅(jiān)硬等級(jí)，研磨性較強(qiáng)。除灰?guī)r和凝灰?guī)r外，其余巖石可鉆性等級(jí)均在七級(jí)以上，其中微晶質(zhì)花崗斑巖、閃長(zhǎng)巖、正長(zhǎng)斑巖可鉆性等級(jí)在8～10 級(jí)，石英斑巖可鉆性等級(jí)達(dá)到了10～11，屬較高等級(jí)。鉆探施工區(qū)內(nèi)發(fā)育有多處斷裂構(gòu)造，其形態(tài)各不相同、類(lèi)型復(fù)雜多變、規(guī)模不一，施工區(qū)存在的較多的破碎帶地層復(fù)雜、巖石異常破碎，施工過(guò)程中易造成鉆孔坍塌。

2 SYZX75 繩索取心液動(dòng)沖擊器簡(jiǎn)介

SYZX75 型繩索取心液動(dòng)沖擊器是一款常規(guī)繩索取心鉆具結(jié)合雙噴嘴復(fù)合式液動(dòng)沖擊器而成的鉆具（如圖1 所示），主要包括外管總成和內(nèi)管總成。液動(dòng)沖擊器的工作原理是容積式，能夠有效減少?zèng)_程阻力，從而大幅提高鉆具的沖擊功[1]。

圖1 SYZX75 總體結(jié)構(gòu)示意圖

SYZX75 型繩索取心液動(dòng)沖擊器鉆具的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 SYZX75 鉆具性能參數(shù)表

該鉆具結(jié)合了常規(guī)繩索取心鉆具與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的多處優(yōu)勢(shì)，在施工破碎地層時(shí)能有效解決巖心堵塞問(wèn)題、提高回次進(jìn)尺、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是在破碎地層及9 級(jí)以上的堅(jiān)硬、致密“打滑”地層中鉆進(jìn)，可有效提高鉆進(jìn)施工效率[2]。其特點(diǎn)是：

（1） 容積式原理提高沖擊功，能量利用率高；

（2） 配套簡(jiǎn)單，操作方便，啟動(dòng)靈活；

（3） 操作簡(jiǎn)單、易維修，費(fèi)用低；

（4） 鉆具壽命長(zhǎng)，無(wú)易損件[3]；

（5） 參數(shù)可調(diào)范圍大，工藝適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效率顯著。

3 SYZX75 型繩索取心液動(dòng)沖擊器的實(shí)際應(yīng)用

3.1 設(shè)備和鉆具選型

鉆機(jī)：CSD-1800A 全液壓鉆機(jī)2 臺(tái)、CSD1800X 和YDX-3L 全液壓鉆機(jī)各一臺(tái)；

泥漿泵：BW-350 型泥漿泵3 臺(tái)、BW-160 型泥漿泵1 臺(tái)；

鉆具：S75 繩索取心鉆桿若干；SYZX75型繩索取液動(dòng)沖擊器2 套。

3.2 鉆進(jìn)參數(shù)選擇

繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)所選用的鉆頭一般均為金剛石，依據(jù)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)破碎巖石的物理特性，在實(shí)際使用過(guò)程中鉆壓和轉(zhuǎn)速應(yīng)低于常規(guī)繩索取心金剛石鉆進(jìn)，因此參數(shù)一般為：鉆壓8～10 kN，轉(zhuǎn)速400～600 r/min[4]。

根據(jù)繩索取心液動(dòng)沖擊器的工作原理，在選取泥漿泵的泵量時(shí)應(yīng)綜合考慮沖擊器的工作特性。當(dāng)泵量過(guò)大時(shí)，破碎地層施工過(guò)程中容易導(dǎo)致鉆孔孔壁失穩(wěn)發(fā)生孔內(nèi)事故，而且過(guò)大的泵量也會(huì)導(dǎo)致沖擊器磨損較快，降低使用壽命。而泵量過(guò)小的情況下，沖擊器可能會(huì)無(wú)法正常工作或工作效率較低。因此在泵量選擇時(shí)一般將最大泵量設(shè)定為沖擊器的最大輸入流量，將最小泵量設(shè)定為沖擊器的啟動(dòng)流量。一般情況下沖擊器的工作泵壓為0.5～2.0 MPa，工作泵量為52～90 L/min。

鉆頭選擇方面，為了保障試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性和可靠性，選用胎體硬度HRC25～35，金剛石粒度60～80目，金剛石濃度100%，底唇形狀為階梯型或齒輪型的鉆頭[5]。

3.3 應(yīng)用情況

表2 第一批次繩索取心液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)工藝與常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

表3 第二批次繩索取心液動(dòng)沖擊器鉆進(jìn)工藝與常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)工藝試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

3.3.1 第一批次試驗(yàn)

第一次試驗(yàn)共選取鉆孔3 個(gè)，其中ZK5336 鉆進(jìn)至試驗(yàn)?zāi)康膶游豢咨?6.94 m 處開(kāi)展了SYZX75 繩索取心液動(dòng)沖擊器的試驗(yàn)使用工作，ZK9134 和ZK4128作為參照孔使用普通繩索取心鉆探工藝進(jìn)行施工。

第一批次對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖2）表明：平均回次進(jìn)尺由1.67 m 提高至2.83 m，提高近69.46%，臺(tái)月效率并沒(méi)有明顯提高，主要的原因是ZK5336 設(shè)備維修時(shí)間為48 h。

圖2 第一批次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3.3.2 第二批次試驗(yàn)

從第二批鉆孔中選取ZK4104、ZK5922、ZK5316、ZK7736 和ZK5320開(kāi)展試驗(yàn)，其中ZK7736、ZK5922 和ZK5316 作為繩索取心液動(dòng)沖擊器試驗(yàn)孔，ZK4104 和ZK5320 作為參照孔使用普通繩索取心工藝。

第二批次對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖3）表明：平均回次進(jìn)尺由1.49 m 提高至2.91 m，提高近95.3%，臺(tái)月效率也有明顯的提高。

圖3 第二批次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

3.3.3 綜合對(duì)比情況

綜合對(duì)比白楊河礦區(qū)2019 年的鉆孔經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)可以看出，采用繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝與采用常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)工藝相比，繩索取心液動(dòng)沖擊器可以將臺(tái)月效率平均提高27%以上，且在在堅(jiān)硬打滑地層鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)效率提高更加明顯。采用繩索取心液動(dòng)沖擊器工藝時(shí)回次長(zhǎng)度平均提高50.31%，施工區(qū)的巖礦心采取率平均提高了5.27%（見(jiàn)表4）。

從表4 和圖4 中可以看出，使用繩索取心液動(dòng)沖擊器后，主要取得以下效果：

圖4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

表4 常規(guī)繩索取心鉆進(jìn)與繩索取心液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比表

內(nèi)管打撈和投放的操作次數(shù)明顯減少，且單孔的平均回次進(jìn)尺由1.11 m 左右提高至2.84 m。

臺(tái)月效率提高27%左右。主要原因是繩索取心液動(dòng)沖擊器在原有的常規(guī)繩索取心鉆具上增加了軸向沖擊作用，在鉆進(jìn)過(guò)程中使鉆壓能夠有效作用于鉆頭，減少破碎地層的巖心堵塞。同時(shí)金剛石鉆頭在回轉(zhuǎn)過(guò)程中對(duì)堅(jiān)硬地層產(chǎn)生一定的微沖擊體積破碎作用，增加了金剛石顆粒在相同給定鉆壓情況下壓入巖石的深度，提高碎巖量[5]，因此能夠有效提高小時(shí)鉆進(jìn)效率，提高機(jī)械鉆速和施工效率。

由于巖心不易堵塞在卡簧座前段，因此有效提高了巖心采取率，避免了補(bǔ)心情況的發(fā)生，提高了鉆孔質(zhì)量。

當(dāng)鉆進(jìn)效率有效提高時(shí)，鉆探生產(chǎn)成本明顯降低。

由于沖擊器解決了堵心問(wèn)題，內(nèi)管總成的打撈成功率和投放到位率明顯提高，最大限度地解決了破碎地層內(nèi)管打撈和投放困難的問(wèn)題[1]。

4 存在問(wèn)題及建議

通過(guò)2019 年在白楊河礦區(qū)4 個(gè)鉆孔破碎地層的試驗(yàn)認(rèn)為，繩采用索取心液動(dòng)沖擊器能夠大幅提高白楊河地區(qū)破碎地層的回次進(jìn)尺和鉆進(jìn)效率，并且能夠克服破碎地層的巖心堵塞問(wèn)題，提高破碎地層巖心采取率，有效提高臺(tái)月效率、回次進(jìn)尺和小時(shí)效率，可在今后白楊河礦區(qū)破碎巖層中推廣應(yīng)用。

SYZX75 液動(dòng)沖擊器由于有沖擊功的存在，對(duì)現(xiàn)有使用的金剛石鉆頭磨損和損壞較為嚴(yán)重，且鉆具的沖錘和砧子易損壞。如果在今后的試驗(yàn)中能夠有效解決易損件和鉆頭的優(yōu)化選擇問(wèn)題，SYZX75 液動(dòng)沖擊器對(duì)于白楊河礦區(qū)鉆探生產(chǎn)將起到推動(dòng)和提高作用。