勘探工程中绳索取心钻探技术的革新

　　【摘要】随着我国公路、铁路、高层建筑的迅速发展，各种工程机械在工程施工过程中被广泛地应用，机械化水平的不断提高，大大提高了工程施工进度和施工质量。在工程机械的使用过程中，由于受到各种条件和因素的影响，单一机械设备已经很难完成某些特殊条件下的工程。本文就从绳索取心、液动潜孔锤、螺杆马达三合一组合钻具的优势着手，对其原理和实际应用做简要阐述。
　　【关键词】三合一钻具，绳索取心，液动潜孔锤，螺杆马达
　　
　　随着我国公路、铁路、高层建筑的迅速发展，各种工程机械在工程施工过程中被广泛地应用，机械化水平的不断提高，大大提高了工程施工进度和施工质量。在工程机械的使用过程中，由于受到各种条件和因素的影响，单一机械设备已经很难完成某些特殊条件下的工程。利用绳索取心不需提钻取心的优越性，利用液动潜孔锤钻进效率高，岩心堵塞几率少的优越性，利用螺杆马达作为孔底动力，不需全孔钻柱回转，扭矩损失少的优越性，形成新的组合钻探技术。钻具样机经试验室分流试验、性能调试及试验台试验后，在工程现场试验钻孔及主孔进行实钻试验，取得了良好的技术效果，使我国的钻探技术在科学钻探这一领域达到了世界先进水平。
　　一、三合一钻具的技术革新
　　三合一钻具是集绳索取心钻探技术、液动潜孔锤冲击回转钻探技术、螺杆马达钻探技术于一体的高难度创新技术。为了保证该项目的研究成功，采用了具有大量深孔与工作量考验的系列绳索取心钻具的主要机构，采用在中国大陆科学钻探工程主井成功使用的阀式结构的液动潜孔锤，选用我国石油系统名牌螺杆马达产品，将三者有机的结合为一体；利用绳索取心钻具的悬挂机构解决螺杆马达与外管总成的密封问题，保证全部冲洗液供螺杆马达工作；利用绳索取心钻具的定位弹卡消除了螺杆马达定子产生的反扭矩；利用伸缩式传扭板将螺杆马达输出的扭矩传递到外管总成并带动钻头回转钻进；设计了分流机构，解决螺杆马达与液动潜孔锤所需流量不匹配问题，按比例进行分流并保证液动潜孔锤工作性能不受影响；设计了内管总成到位补偿机构，使内管总成悬挂到位后，液动潜孔锤的传功机构同时到位；设计了径向微调机构，防止内管总成投放过程中因弯曲被卡在钻杆或外管总成中。
　　二、三合一钻具的技术参数
　　(1)钻头
　　外径:157mm
　　内径:85mm
　　(2)内岩心管长度:4.5m
　　(3)螺杆马达
　　型号:C5Lz95x7.0
　　排量:5~13.3L/S
　　输出扭矩:1490N•m
　　输出转速:140~320r/min
　　(4)液动潜孔锤
　　外径:98mm
　　长度:1580mm
　　单次冲击功:80~100J
　　冲击频率:10~20Hz
　　工作泵量:4~6L/S
　　工作压力:2~4Mpa
　　(5)钻具总长:16.64m
　　三、三合一钻具的主要机构及工作原理
　　三合一钻具主要由绳索取心钻具、液动潜孔锤、螺杆马达及其之间的连接机构、冲洗液分流机构、扭矩与反扭矩的传递机构、外管单动机构、到位补偿机构等组成。钻进回次结束后，用绳索打捞器将装满岩心的内管总成提升到地表，将备用的另一套内管总成从井口投入钻杆中，待内管总成投放到位后，即可进行下一回次的钻进。
　　1、螺杆马达与外管总成的密封
　　内管总成投放到位后与外管总成的密封程度，直接影响到螺杆马达能否全功率工作。为了保证冲洗液全部进入螺杆马达，设计了端面与径向双密封结构，通过试验证明，密封结构简单、可靠、耐用，完全可以满足内外管总成的密封要求。
　　2、扭矩与反扭矩的传递机构
　　内管总成投放到位后，螺杆马达作为孔底动力带动外岩心管和钻头回转，螺杆马达扭矩的传递在设计上采用伸缩式弹卡结构并以螺旋花键的形式进行传递。内管总成到位后，螺杆马达稍有相对转动，伸缩弹卡在弹力作用下很快进入螺旋花键槽内，此时螺杆马达的扭矩传递到外岩心管上。螺杆马达在传动轴输出扭矩的同时，马达的定子将会承受与传动轴输出扭矩大小相等方向相反的反作用力，该反作用力通过绳索取心钻具定位弹卡直接作用在不回转的弹卡室上。所以，弹卡除了完成绳索取心的功能外，还要起到反扭矩的传递作用，因而，弹卡设计成双支点结构，保证其有足够的强度。
　　3、外管总成的单动机构
　　采用螺杆马达作为孔底动力，带动钻杆下部外岩心管及钻头回转，上部不回转。其单动机构主要由主轴承、副轴承、滚针轴承和花键套、心管组成。主轴承承受全部钻压，传功板带动花键套、心管、单动接头及下部回转，实现单动。由于钻具空间的限制及恶劣的工作环境，给外管单动的设计带来了很大困难。所以，外管总成的单动机构是钻具能否长寿命的关键机构。
　　4、冲洗液分流机构
　　由分流接头及喷嘴组成。由于螺杆马达与液动潜孔锤对冲洗液的需求量差别较大，从螺杆马达排出的冲洗液，在进入液动潜孔锤之前通过分流接头分流一定比例至内外管环状间隙，剩余的冲洗液确保液动潜孔锤正常工作。
　　5、内管到位补偿与缓冲机构
　　钻具总长超过16，因加工、装配公差等原因会影响到内管总成的悬挂密封及冲击功的传递，为此专门设计了到位补偿机构，以保证在内管总成投放下降过程中绳索取心悬挂到位与液动潜孔锤传功板到位时互不影响。到位补偿机构由滑动接头和弹簧等组成。其工作原理是：内管总成投放到位后，液动潜孔锤传功板先与传功环接触，上部靠其重力继续下行，压缩弹簧，直至绳索取心悬挂接头悬挂在座环上，这样既保证了液动潜孔锤正常传递冲击功，又使内管总成与外管总成能起到良好的密封作用，使冲洗液全部供螺杆马达工作。内管总成投放到位后有很大的冲击力，所以，到位补偿机构的弹簧也给内管总成到位起到了缓冲作用，防止到位后因冲击力过大而损坏钻具。
　　6、冲击功的传递
　　主要由传功板、传功环、传功接头等组成。液动潜孔锤的冲击功通过传功板、传功环传递到外管传功接头上，给外管及钻头施以具有一定能量的高频振动，增加回次进尺长度及钻进效率。
　　四、三合一钻具的关键环节
　　螺杆马达与液动潜孔锤的流量匹配，这是三合一钻具能否成功的关键，由于螺杆马达所需流量和液动潜孔锤所要求的流量相差很大，所以在螺杆马达排出的泥浆进入液动潜孔锤之前必须进行分流，分流量将高达50%，分流量过大并随着孔底压力的变化，会影响液动锤的工作性能，为此，我们在现有的条件下利用规格接近、结构接近的液动潜孔锤，加工了与三合一钻具方案结构尺寸相同的分流机构，进行了仿真模拟试验。室内试验结果证明，虽然三合一钻具分流量在50%左右时，对液动潜孔锤的性能影响不大，但是随着孔深与泵压的增加，要随时调整分流喷嘴的数量。因为单孔分流面积越小，分流量越稳定。所以，钻具的分流结构采用了可拆式、级、多孔、小径的分流结构，从理论上解决了螺杆马达与液动潜孔锤的液流匹配难题。
　　五、小径、深孔、高能液动潜孔锤的设计
　　这是三合一钻具能否高效的关键，而三合一钻具所需泵量，首先要满足孔底动力钻具螺杆马达的需要，螺杆马达所需泵量是液动潜孔锤的2倍左右，为了使液动潜孔锤能够稳定的工作，除了要设计合理的分流结构与分流比例外，还设计了有较大吞吐量的(缩小螺杆马达与液动潜孔锤的流量差别)、内部结构简单的、高能、长寿命的液动潜孔锤。经过室内反复调试试验，并不断改进，达到了设计参数的要求。
　　六、三合一组合钻具的应用前景
　　三合一钻具的革新及应用，将在今后勘探中深孔复杂地层钻进中发挥很大作用。由于钻杆不回转，其受力状况大大改善，消除了钻杆旋转对孔壁敲击引起的坍塌、掉块，有利于孔壁的稳定，可以避免钻杆的折断及因钻杆折断带来的其他孔内事故，改变在复杂地层钻进中钻杆折断事故频繁发生的现状。该技术还可用于煤层气钻探、石油钻探及其他领域。
　　
　　【参考文献】
　　
　　[1]刘广志.新型岩土工程钻探设备[J]探矿工程(岩土钻掘工程),1995,(02)
　　【2】贺长生.切削震颤的预报控制[J].长春大学学报,2002,(01)         学术论文发表