SYZX273液动潜孔锤的研究

 

项目编号:20003000010019

项目来源:中国地质调查局

立项日期:二○○○年三月

验收日期:二○○三年六月

完成单位:中国地质科学院勘探技术研究所

完成人员:谢文卫  苏长寿  孟义泉

联系电话:0316-2096344

 

一、立项背景

中国大陆科学钻探工程(CCSD)科钻一井是在坚硬的结晶岩中施工的5000m深的大直径钻孔。钻遇的岩层主要有片麻岩、榴辉岩和角闪岩,解理片理发育且局部穿插有石英脉,某些井段岩层较破碎,总的来说,属于坚硬和易斜的难钻岩层。

结合我所最新研制的YZX127液动潜孔锤样机研制过程中取得了良好的效果,大幅度提高了液动潜孔锤的冲击功,配套全面钻进球齿钻头在花岗岩中钻进效率达到3-6m/h。因此拟在CCSD主孔上部2000米大直径孔段的施工中,为提高钻进效率和确保钻孔质量,同时也为促进我国液动潜孔锤钻探技术的进步,立本项目进行研究。

 

二、研究内容

通过分析大口径液动潜孔锤的工作环境和需求确定了样机的关键技术参数;根据YZX127液动潜孔锤的结构和原理进行理论分析并编出的计算机仿真计算程序;利用计算机仿真计算程序对液动潜孔锤的设计参数进行仿真计算,在结构允许的范围内确定出各个设计参数。从钻具的安全性设计上对连接螺纹和传扭花键、对大尺寸零件的选材和热处理方法、表面强化手段、对降低钻进钻压和大泵量分流方法等分别作为重点进行了深入的调研、研究。最终完成总体方案设计评审和样机试制。完成了该样机的试制后,在试验台上进行了调试和测试,之后将样机按照现场需要调定好参数。

为了解决深孔背压效应对液动潜孔锤的工作性能的影响,同时提高液动潜孔锤的能量利用率,在设计中加入了机械式储能器,该储能器可以稳定液动潜孔锤的输出流速同时将回程的能量更多的积累下来在冲程阶段释放出来。主要作用是吸收液压冲击和储存液体能量,该装置在深孔段还有消除较长的回流阻力产生的背压效应之作用。同时也完成了具有保径功能的配套Φ311mm钻头的设计和试制。

2002年初,在YZX127液动潜孔锤在CCSD现场应用初期出现的众多问题以及其成功的解决方法的基础上,对SYZX273液动潜孔锤由进行了一轮比较大的结构改进,并对改进后的样机进行了调试,以确保其在CCSD科钻一井中成功应用。

参与中国大陆科学钻探工程进行生产试验,共计进行了五个回次的入井试验,其中第三回次由于钻具受到意外的损伤,对损伤的钻具进行了改进修复。经现场试验证明,该液动锤原理可行、可明显的提高钻进效率、钻具安全性强,能够

 

三、主要技术参数

单次冲击功:500800J

冲击频率:510Hz

工作泵量:800L/min

适用孔深:05000

钻头直径:Φ311mm

工作压差:26MPa

钻具外径:Φ254260mm             

 

四、生产试验、成果描述及验收鉴定意见、获奖情况

CCSD科钻一井的生产试验过程中,该液动潜孔锤累计入井5回次193小时(含入井划眼34.4小时),进尺163.47m,在液动潜孔锤正常工作钻进阶段的时间为26.65小时,进尺36.01米,平均时效1.35/小时。比相邻回转阶段的钻进效率(0.70/小时)提高了85%(最高达139%)。最大入井深度2028m

通过在生产阶段的实际应用证明:该液动潜孔锤操作简单、性能稳定,所需工作钻压小,可有效提高钻进效率50%以上。强度充足、安全可靠,即使在憋跳钻严重的条件下未出现任何影响到钻井安全的问题。有效地解决了泥浆中活塞副阻卡问题,保证了液动潜孔锤在孔底的良好的启动性和稳定的工作。由于其结构在不工作情况下也能保证液路畅通,即使出现问题也可改为常规钻进进行施工。对孔深的适应性好,其性能基本不受孔深因素的影响。是大口径深孔施工中提高钻进效率,降低钻进施工成本的新型高效钻具,其主要具有以下特点:

1、该液动潜孔锤采用新型原理结构,可实现高冲击功输出;设计中充分考虑到实际施工的需求,参数可在比较大的范围内调整,适应范围广。

2、改进并优化了密封结构,有效地解决了活塞副在泥浆中的阻卡问题,提高液动潜孔锤的启动性和工作稳定性。

3、采用环形减压结构,可明显降低钻进所需钻压,以适应小参数钻进需要。

4、参照石油系统的钻具连接设计并选用优质材料加工,可满足恶劣生产工况的需要;

5、独特的结构设计,可保证即使在不工作的条件下,液动潜孔锤内仍然可确保水路畅通,不影响正常钻进。

6、对因磨损而影响液动潜孔锤连续工作寿命的活塞副采用硬质合金喷涂工艺进行处理,可大幅度提高耐磨性。

7、配套钻头采用的新结构设计,特殊加强了耐磨保径,提高在强研磨性地层中的使用寿命。

2003年6月,基于该项目完成情况较好,将其由中国大陆学钻探工程中心项目升级为地调项目,中国地质调查局委托中国大陆科学钻探工程中心在CCSD现场对本项目进行了会议评审验收。专家一致认为:该液动锤采用了计算机仿真技术,进一步完善和优化了内部结构,提高了冲击功和能量利用率,实现了深孔、硬岩、大口径的高效钻进施工。为增加连接强度和密封可靠性以及提高零件寿命而采取的各项技术措施正确、有效,整机调试试验科学合理,提高了液动锤设计、制造水平,在泥浆冲洗液条件下的深孔应用中取得突破性进展。所作的弹簧式储能器、大泵量分流器等技术探索,是进一步发展液动锤技术的新途径。

 

五、人才培养及论文

通过本项目的研究,进一步提高了项目组成员对液动潜孔锤技术的理论研究水平,积累了大量的现场施工经验,对提高科研技术水平起到了重大的推动作用。研究过程中主要发表的论文如下:

SYZX273液动潜孔锤在科钻一井中的应用        《地球科学》 2005.01

双作用液动潜孔锤         《中国大陆科学钻探工程 钻探技术培训教材》2001.02

液动潜孔锤技术现状及发展设想            《探矿工程》03No1

 

六、社会、经济效益

该课题研制的SYZX273液动潜孔锤是目前国内用于深孔钻进施工中直径最大、冲击功要求最高、应用孔身最深的液动潜孔锤,由于没有相关的成熟技术或资料参照,研究过程中克服了众多难题。通过该项目的研究对将来完善大口径深孔用液动潜孔锤积累了难得的丰富经验,为液动潜孔锤钻进技术向石油钻井领域的拓展奠定了基础,现在其基础上正在进行石油系列液动潜孔锤的研究开发。

 

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