液动潜孔锤钻进技术及应用

液动潜孔锤钻进技术及应用

中国地质调查局勘探技术研究所苏长寿

液动潜孔锤钻探是在回转钻探的基础上通过利用现场泥浆泵输出的冲洗液驱动液动潜孔锤（简称液动锤或冲击器）其内部的冲锤对钻头施加一定频率和能量的冲击功，加速碎岩，也就是钻头上带有冲击负荷的回转钻探。钻孔时液动锤安装在钻杆或岩心管与钻头（取心或全面钻进）之间，随钻孔之延深而潜入钻孔中对钻头施加冲击负荷，它是在冲击和回转的共同作用下碎岩，因此可大幅度提高硬岩钻进时效，减轻孔斜，降低成本，提高综合效益。

液动潜孔锤钻探是对现有回转钻探的重大改革，是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点，是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低钻孔质量差的有效钻探技术。

一、液动潜孔锤目前的研究水平和应用程度：

利用回转钻探时泥浆泵冲孔和冷却钻头剩余的液能驱动液动锤而实现液动冲击回转钻探的设想始于1887年，德国沃•布什曼发明的这种钻探法曾在英国获得专利，但直到上世纪60年代，此技术在美国和原苏联及东欧一些国家均尚处于实验阶段。美国60年代初潘美石油公司

（Pan American pertroleum Co）曾研制过两种尺寸的液动潜孔锤并作过一些试验；原苏联钻井技术研究所曾研制成BBO----5A型液动锤并用直径145mm的钻头在石油钻井中钻进到2200m，但结构中的弹簧易损坏需改进。地质钻探中前苏联在70年代发展较成熟的液动锤型号为Γ—7和Γ—9型，直径分别为56和76mm，80年代初还研制成两种直径分别为59和76mm的绳索取芯式液动锤，但我国当时缺乏具体资料，以后查知其结构特点均为正作用式；瑞典卢基公司的G-Drill-AB分公司研制了一种叫Wassara的液动锤，所用的冲洗液经100μm过滤，直径为96mm的液动锤钻120mm孔，泵量在160—330L/min，泵的输出压力达18Mpa。可钻进40m。钻速提高2倍。对配套设备有比较苛刻要求。

我国是目前世界上开展液动锤技术研究和应用工作做得最好的国家之一。主要体现：

1、勘探技术研究所于1958年开始系统的专题研究，1961年列为原地质部重点项目，除去“文革”期间被迫中断外，一直坚持研究开发工作。同时，从上世纪70年代（1975年）左右原长春地质学院、辽宁地质局九队、原核工业部地质局等对此作了很多试验研究，但大规模的开发工作是从1978年实行改革开放之后才得以顺利进行。全国有近十个单位相继建立了冲击回转钻探试验室（台），并设立专题开展系统的研究开发。

经过数年的工作，至1983年左右原地质矿产部勘探技术研

究所的正作用式YZ－54－Ⅱ型、原长春地质学院的射流式SC—54型、原辽宁地矿局九队的双作用式SH-54型、原冶金部探矿技术研究所的正作用式TK型、原河北地矿局综合研究队的正作用式ZF—54型、原云南地矿局探矿研究室的SX射吸式液动锤，原核工业部江西264队的双作用式YE型等液动锤先后分别通过所属各部的鉴定，这批成果迅速在施工中得到推广应用。从此，这项新技术进入了一个新的发展时期直到上世纪90年代中期。进入21世纪，利用大陆科学钻探和新一轮地质大调查的落实，该技术的研究与应用取得突破性进展。

2、研究开发液动锤的品种和规格最多

1）、工作原理和结构型式

（1）、正作用式：阀和冲锤的回程运动依靠各自弹簧，而冲程依靠水击驱动冲锤下行产生冲击能量；

（2）、反作用式：利用冲洗液的压力增高推动冲锤上行压缩工作弹簧储存能量，当阀门打开，液流畅通工作室压力降低，工作弹簧释放储存能量驱动冲锤下行产生冲击；

（3）、双作用式：冲锤的回程及冲程运动均依靠冲洗液的压力驱动，当冲锤下行时产生冲击能量；

（4）、复合作用式：综合以上三种作用形式中的任二种研发的产品。

（5）、中空贯通式：配合气举、水力中心反循环钻进研发，它

与普通液动锤的区别在于沿其轴线从上到下设有一个贯通的柱状孔，在钻进中构成的反循环连续输送岩心（样）的通道。因此心部的全部零件都是贯通的，如逆止阀、缸座、活塞及钻头等都是筒状。

（6）、与其他技术结合的派生产品。（如绳索取心式、液气两用式等）

2）、口径规格钻具直径从43mm---580mm六个系列近40种规格产品。

3）、持续推出最新技术产品以YZX系列液动潜孔锤为标志，在技术研究和应用达到国际先进水平。

3、应用领域广泛、效果显著

从小口径岩心钻探，正在向水文水井、锚固施工、水下炸礁、廊道施工、科学钻探等领域拓展。已取得良好的经济效益和社会效益。

1）、据不完全统计，从上世纪80年代以来，由地矿、冶金、煤炭等部门研发的各种类型的液动锤在全国推广达3000余台套，基本覆盖了全国除西藏、台湾、香港、澳门、外的大部分省市，应用部门包括地质、核工业、有色、煤田、水电、建材、化工等系统。也有部分国外公司引进液动锤。冲击回转钻探累计进尺超过500万米，获得较理想的破碎岩石效果，在中硬、坚硬和硬脆岩层中的技术经济指标均优于回转钻进，钻速提高30—60%甚至数倍，成本降低约15%，钻孔的垂直度得到改善。

地质系统至80年代末岩心钻探平均台月效率突破400米，同第二个五年计划初期相比，提高近1倍。其中在全国推广小口径金刚石绳索取心和液动冲击回转钻探是重要原因。

2）、中国大陆科学钻探是国家重点工程项目，它的实施从钻探技术的角度来看将是全面检验和提高我国钻探技术水平的一个极好的机会。它是石油钻井设备与金刚石钻探工艺的科学结合。由中国地质调查局勘探技术研究所研发（获两项中国国家发明专利ZL99100660.7；ZL 02 1 25436.2）的YZX127液动潜孔锤，在此工程中，配合属世界首创的具有中国特色的组合钻探工艺：螺杆马达+液动锤+金刚石取心工艺，效果显著。自2001年8月到2005年1月13日CCSD1井施工YZX127液动锤共计下井505回次，累计进尺3526.3米，井深5118.2米，在可钻性8-9级榴辉岩和片麻岩中，平均钻进效率1.32m/小时，最高钻进效率2.46米，较回转提高近一倍。回次满管率达95%以上。岩心采取率为90%以上,取得了良好的效果，显著地改善钻探施工的经济技术指标，同时表明该液动潜孔锤对愈来愈深孔的适应性。这也是液动潜孔锤取心钻进且取得显著效果的最新世界记录。该项技术于2005年6月下旬通过由国土资源部科技司组织的有5位院士在内的18人专家组评审验收，评价为：硬岩深井取心钻探技术达到国际先进水平，螺杆马达+液动锤+双管取心居国际领先水平。获06年部科技成果一等奖。