索刀取心、液動潛孔錘、螺桿達(dá)拉三通組合鉆具的研制與應(yīng)用

0鉆具樣具改進(jìn)及應(yīng)用效果中國大陸科學(xué)探測的技術(shù)目標(biāo)之一是研究和開發(fā)基于繩索回心的新組合入心檢測系統(tǒng)。繩索取心、液動潛孔錘、螺桿馬達(dá)三合一組合鉆具是其預(yù)研項目之一。項目的任務(wù)目標(biāo)是:利用繩索取心不需提鉆取心的優(yōu)越性,利用液動潛孔錘鉆進(jìn)效率高,巖心堵塞幾率少的優(yōu)越性,利用螺桿馬達(dá)作為孔底動力,不需全孔鉆柱回轉(zhuǎn),扭矩?fù)p失少的優(yōu)越性,形成新的組合鉆探技術(shù)。鉆具樣機(jī)經(jīng)試驗室分流試驗、性能調(diào)試及試驗臺試驗后,在工程現(xiàn)場試驗鉆孔及主孔進(jìn)行實鉆試驗,取得了良好的技術(shù)效果,使我國的鉆探技術(shù)在科學(xué)鉆探這一領(lǐng)域達(dá)到了世界先進(jìn)水平。該技術(shù)已獲得了國家發(fā)明專利(專利號:ZL200410080343.X)。1螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘的結(jié)合三合一鉆具是集繩索取心鉆探技術(shù)、液動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆探技術(shù)、螺桿馬達(dá)鉆探技術(shù)于一體的高難度創(chuàng)新技術(shù)。為了保證該項目的研究成功,采用了具有大量深孔與工作量考驗的S系列繩索取心鉆具的主要機(jī)構(gòu),采用在中國大陸科學(xué)鉆探工程主井成功使用的閥式結(jié)構(gòu)的液動潛孔錘,選用我國石油系統(tǒng)名牌螺桿馬達(dá)產(chǎn)品,將三者有機(jī)的結(jié)合為一體;利用繩索取心鉆具的懸掛機(jī)構(gòu)解決螺桿馬達(dá)與外管總成的密封問題,保證全部沖洗液供螺桿馬達(dá)工作;利用繩索取心鉆具的定位彈卡消除了螺桿馬達(dá)定子產(chǎn)生的反扭矩;利用伸縮式傳扭板將螺桿馬達(dá)輸出的扭矩傳遞到外管總成并帶動鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進(jìn);設(shè)計了分流機(jī)構(gòu),解決螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘所需流量不匹配問題,按比例進(jìn)行分流并保證液動潛孔錘工作性能不受影響;設(shè)計了內(nèi)管總成到位補(bǔ)償機(jī)構(gòu),使內(nèi)管總成懸掛到位后,液動潛孔錘的傳功機(jī)構(gòu)同時到位;設(shè)計了徑向微調(diào)機(jī)構(gòu),防止內(nèi)管總成投放過程中因彎曲被卡在鉆桿或外管總成中。2三鉆技術(shù)(1)孔外徑:157mm內(nèi)徑:85mm(2)內(nèi)巖心管長度4.5m(3)馬尾辮機(jī)器人型號:C5LZ95×7.0排量:5~13.3L/s輸出扭矩:1490N·m輸出轉(zhuǎn)速:140~320r/min(4)單次沖擊功試驗外徑:98mm長度:1580mm單次沖擊功:80~100J沖擊頻率:10~20Hz工作泵量:4~6L/s工作壓力:2~4MPa(5)鉆具全長16.64m3液分流、扭矩補(bǔ)償機(jī)構(gòu)組成三合一鉆具主要由繩索取心鉆具、液動潛孔錘、螺桿馬達(dá)及其之間的連接機(jī)構(gòu)、沖洗液分流機(jī)構(gòu)、扭矩與反扭矩的傳遞機(jī)構(gòu)、外管單動機(jī)構(gòu)、到位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)等組成(見圖1)。鉆進(jìn)回次結(jié)束后,用繩索打撈器將裝滿巖心的內(nèi)管總成提升到地表,將備用的另一套內(nèi)管總成從井口投入鉆桿中,待內(nèi)管總成投放到位后,即可進(jìn)行下一回次的鉆進(jìn)。3.1桿馬達(dá)全功率工作穩(wěn)定性內(nèi)管總成投放到位后與外管總成的密封程度,直接影響到螺桿馬達(dá)能否全功率工作。為了保證沖洗液全部進(jìn)入螺桿馬達(dá),設(shè)計了端面與徑向雙密封結(jié)構(gòu),通過試驗證明,密封結(jié)構(gòu)簡單、可靠、耐用,完全可以滿足內(nèi)外管總成的密封要求。3.2螺桿馬達(dá)的作用內(nèi)管總成投放到位后,螺桿馬達(dá)作為孔底動力帶動外巖心管和鉆頭回轉(zhuǎn),螺桿馬達(dá)扭矩的傳遞在設(shè)計上采用伸縮式彈卡結(jié)構(gòu)并以螺旋花鍵的形式進(jìn)行傳遞。內(nèi)管總成到位后,螺桿馬達(dá)稍有相對轉(zhuǎn)動,伸縮彈卡在彈力作用下很快進(jìn)入螺旋花鍵槽內(nèi),此時螺桿馬達(dá)的扭矩傳遞到外巖心管上。螺桿馬達(dá)在傳動軸輸出扭矩的同時,馬達(dá)的定子將會承受與傳動軸輸出扭矩大小相等方向相反的反作用力,該反作用力通過繩索取心鉆具定位彈卡直接作用在不回轉(zhuǎn)的彈卡室上。所以,彈卡除了完成繩索取心的功能外,還要起到反扭矩的傳遞作用,因而,彈卡設(shè)計成雙支點結(jié)構(gòu),保證其有足夠的強(qiáng)度。3.3外管單動設(shè)計采用螺桿馬達(dá)作為孔底動力,帶動鉆桿下部外巖心管及鉆頭回轉(zhuǎn),上部不回轉(zhuǎn)。其單動機(jī)構(gòu)主要由主軸承、副軸承、滾針軸承和花鍵套、心管組成。主軸承承受全部鉆壓,傳功板帶動花鍵套、心管、單動接頭及下部回轉(zhuǎn),實現(xiàn)單動。由于鉆具空間的限制及惡劣的工作環(huán)境,給外管單動的設(shè)計帶來了很大困難。所以,外管總成的單動機(jī)構(gòu)是鉆具能否長壽命的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。3.4沖洗液的回收由分流接頭及噴嘴組成。由于螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘對沖洗液的需求量差別較大,從螺桿馬達(dá)排出的沖洗液,在進(jìn)入液動潛孔錘之前通過分流接頭分流一定比例至內(nèi)外管環(huán)狀間隙,剩余的沖洗液確保液動潛孔錘正常工作。3.5取心懸掛到位鉆具總長超過16m,因加工、裝配公差等原因會影響到內(nèi)管總成的懸掛密封及沖擊功的傳遞,為此專門設(shè)計了到位補(bǔ)償機(jī)構(gòu),以保證在內(nèi)管總成投放下降過程中繩索取心懸掛到位與液動潛孔錘傳功板到位時互不影響。到位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)由滑動接頭和彈簧等組成。其工作原理是:內(nèi)管總成投放到位后,液動潛孔錘傳功板先與傳功環(huán)接觸,上部靠其重力繼續(xù)下行,壓縮彈簧,直至繩索取心懸掛接頭懸掛在座環(huán)上,這樣既保證了液動潛孔錘正常傳遞沖擊功,又使內(nèi)管總成與外管總成能起到良好的密封作用,使沖洗液全部供螺桿馬達(dá)工作。內(nèi)管總成投放到位后有很大的沖擊力,所以,到位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的彈簧也給內(nèi)管總成到位起到了緩沖作用,防止到位后因沖擊力過大而損壞鉆具。3.6外管和鉆頭沖擊主要由傳功板、傳功環(huán)、傳功接頭等組成。液動潛孔錘的沖擊功通過傳功板、傳功環(huán)傳遞到外管傳功接頭上,給外管及鉆頭施以具有一定能量的高頻振動,增加回次進(jìn)尺長度及鉆進(jìn)效率。4室內(nèi)分流試驗螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘的流量匹配,這是三合一鉆具能否成功的關(guān)鍵,由于螺桿馬達(dá)所需流量和液動潛孔錘所要求的流量相差很大,所以在螺桿馬達(dá)排出的泥漿進(jìn)入液動潛孔錘之前必須進(jìn)行分流,分流量將高達(dá)50%,分流量過大并隨著孔底壓力的變化,會影響液動錘的工作性能,為此,我們在現(xiàn)有的條件下利用規(guī)格接近、結(jié)構(gòu)接近的液動潛孔錘,加工了與三合一鉆具方案結(jié)構(gòu)尺寸相同的分流機(jī)構(gòu),進(jìn)行了仿真模擬試驗。室內(nèi)試驗結(jié)果證明,雖然三合一鉆具分流量在50%左右時,對液動潛孔錘的性能影響不大,但是隨著孔深與泵壓的增加,要隨時調(diào)整分流噴嘴的數(shù)量。因為單孔分流面積越小,分流量越穩(wěn)定。所以,鉆具的分流結(jié)構(gòu)采用了可拆式、兩級、多孔、小徑的分流結(jié)構(gòu),從理論上解決了螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘的液流匹配難題,室內(nèi)分流試驗為三合一鉆具的研究成功奠定了基礎(chǔ)。在現(xiàn)場孔內(nèi)試驗,液動潛孔錘的高效進(jìn)尺也驗證了室內(nèi)分流試驗的科學(xué)性。5桿馬達(dá)回收量對液動潛孔錘穩(wěn)定性的影響這是三合一鉆具能否高效的關(guān)鍵,而三合一鉆具所需泵量,首先要滿足孔底動力鉆具螺桿馬達(dá)的需要,螺桿馬達(dá)所需泵量是液動潛孔錘的2倍左右,為了使液動潛孔錘能夠穩(wěn)定的工作,除了要設(shè)計合理的分流結(jié)構(gòu)與分流比例外,還設(shè)計了有較大吞吐量的(縮小螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘的流量差別)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單的、高能、長壽命的液動潛孔錘(見圖2)。經(jīng)過室內(nèi)反復(fù)調(diào)試試驗,并不斷改進(jìn),達(dá)到了設(shè)計參數(shù)的要求。63.1千臺鉆具在中國大陸科學(xué)勘探中的實際開采試驗6.1技術(shù)效果及評價自孔深58.33~130.61m,三合一鉆具共完成試驗工作量68.22m,平均時效1.2m,最高時效2.5m,巖心采取率98.8%,投放打撈成功率達(dá)到100%,液動潛孔錘連續(xù)工作時間10.83h,取得了良好的技術(shù)效果。鉆具的分流、密封、傳扭、傳功、外管單動、到位補(bǔ)償?shù)戎饕獧C(jī)構(gòu)合理、可靠,達(dá)到了預(yù)期設(shè)計目的?；卮芜M(jìn)尺及回次效率見圖3。6.2下孔試驗地層在試驗鉆孔取得良好技術(shù)效果的基礎(chǔ)上,于2005年2月又在主孔進(jìn)行了試驗,鉆具的下孔試驗在孔深5125.86~5129.36m進(jìn)行,共進(jìn)尺3.50m(因巖心堵塞提鉆),取出了中國大陸科學(xué)鉆探工程最深也是最后一筒巖心。鉆具在試驗過程中,因卡鉆經(jīng)受了1400kN的強(qiáng)力起拔,密封部位經(jīng)受了孔底高溫高壓的考驗。7優(yōu)化了中深孔復(fù)雜地層鉆進(jìn)的地質(zhì)意義我國新一輪地質(zhì)大調(diào)查的目標(biāo)是調(diào)查評價一批重要成礦區(qū)帶的資源潛力,圈定一批重要的礦產(chǎn)資源富集區(qū),新發(fā)現(xiàn)