大直徑液動潛孔錘鉆進的特殊性

1解決鉆孔彎曲、降低鉆孔成本的技術措施20世紀80年代，液體潛水鉆技術在巖芯小直徑的勘探中得到了廣泛應用。實踐證明,該項技術可以克服金剛石鉆頭打滑現象,提高鉆進效率,減小鉆孔彎曲,節約管材,降低鉆探成本。目前,小口徑高頻液動潛孔錘鉆進技術臻于成熟并得到廣泛應用,技術效果明顯。近一段時期,許多基層施工單位提出在基巖水文水井、礦山通風孔鉆進施工中應用大直徑液動潛孔錘。研究分析大直徑液動潛孔錘鉆進方法的技術特點,提出對相關設備、工藝的適應性的要求,完成大直徑液動潛孔錘的結構改善及性能優化,無疑會進一步推動該技術的全面發展和普及應用。以下介紹本人的一點體會,望同行們指正。2大直徑液動潛孔錘液壓參數設計分析1)小直徑液動潛孔錘一般屬高頻低功值型,通常配用金剛石或硬質合金取芯鉆頭鉆進。其功效有四個方面:第一,沖擊器的高頻沖擊振動以及大泵量脈動液流,改變了鉆頭破碎巖石及排粉條件,提高了機械鉆速,相應亦可延長鉆頭使用壽命;第二,沖擊器正常工作狀況下的沖擊振動,具有減輕巖芯堵塞的作用,能夠增加鉆進回次長度;第三,鉆進采用的小鉆壓、低轉數及其較高的鉆速,能夠抑制因地層因素產生的鉆孔彎曲;第四,當泥漿泵輸出功率較大,鉆具沖擊能量傳遞效率較高時,在部分脆性巖石中,硬質合金鉆頭及大粒度金剛石鉆頭能夠產生沖擊碎巖(體積破碎)效果。大直徑液動潛孔錘鉆進一般很少使用金剛石取芯鉆頭,而以硬質合金取芯鉆頭為主,亦采用牙輪鉆頭、硬質合金鉆頭進行全面破碎鉆進。在大直徑全面鉆進鉆孔采用沖擊回轉鉆進,前述的沖擊器高頻振動減輕巖芯堵塞的功效將無效應,而其主要功效則是通過大直徑液動潛孔錘的有效沖擊作用使巖石產生體積破碎,提高機械鉆速。因此,大直徑液動潛孔錘不可照搬小直徑液動潛孔錘的“高頻低功”特性指標,而應保證相對于鉆頭單位刃長或孔底單位破碎面積而言的沖擊能量。即使在大直徑取芯鉆進中,由于粗徑鉆具質量大,應力波傳遞效率低,潛孔錘亦應設計具有較大的沖擊能量。換言之,大直徑液動潛孔錘功頻參數設計應接近同孔徑氣動潛孔錘的性能參數。2)無論是與氣動潛孔錘相比,還是與小直徑液動潛孔錘鉆進相比,大直徑液動潛孔錘的工作條件更為惡劣。大直徑鉆孔通常采用的泥漿質量、性能(如泥漿自凈化能力、流變特性、潤滑特性、固相成分及含量等)遠不及小口徑鉆孔應用的低固相泥漿,同時鉆孔內沖洗液上返流速低、攜帶巖粉能力差、孔底不清潔。因此,大直徑液動潛孔錘必須具有更高的工作可靠性和穩定性,內部零件應具有較好的抗磨蝕特性。3)大直徑液動潛孔錘內腔巖粉回灌可能性明顯大于小直徑液動潛孔錘。因此,大直徑液動潛孔錘防巖粉回灌機構的設置是完全必要的,而小直徑液動潛孔錘多不設該裝置。4)大直徑液動潛孔錘鉆進鉆柱回轉速度低,同時鉆頭與潛孔錘本體外徑相差較大,潛孔錘的外保徑問題不及小口徑金剛石液動潛孔錘鉆進突出。但是,大直徑液動潛孔錘解體十分困難,因而大直徑液動潛孔錘應在具有可靠強度的前提下保證解體方便、省力,結構參數易于調整。3設備配置建議大直徑液動潛孔錘鉆進技術的推廣普及主要取決于兩個方面:第一,該項技術的經濟效益;第二,現行設備、工藝方法、人員素質對該項技術的適應性。生產實踐已經證明,大直徑液動潛孔錘鉆進技術的經濟效益是明顯的。這里僅選擇對現行設備、工藝方法的適應性加以分析。1)目前施工部門大排量往復式泥漿泵有BW600、BW850、BW1200型等系列產品。現階段大直徑液動潛孔錘應主要按照上述泥漿泵的能力設計。從這一角度可以講,現有大排量往復式泥漿泵基本能夠適應液動潛孔錘鉆進的需要。但同時也有必要對往復式泥漿泵提出更嚴格的要求,應該進一步提高往復式泥漿泵產品質量,延長活塞與缸套的密封壽命,配備安全可靠的壓力表。大排量往復式泥漿泵宜單獨配置動力機,以便于調整流量和壓力參數,避免往復式泥漿泵與鉆機的相互干擾。BW系列大排量往復式泥漿泵為雙缸雙作用型,沖洗液液流脈動大,有必要在泵的輸出管路上專門安裝一個大容積的穩壓罐。2)為保證大直徑液動潛孔錘工作穩定性和可靠性,延長內部零件壽命,應對大直徑鉆孔沖洗液介質提出更高的要求。大直徑液動潛孔錘鉆探最適宜采用清水或無固相沖洗液;而低密度泡沫泥漿對沖擊器輸出參數有一定影響,當采用泥漿時,其固相含量應不大于6%,含砂量低于1%。機臺現場沖洗液循環系統必須符合鉆進規程要求,當泥漿自身凈化能力很差時,應當配置泥漿除砂器等凈化設備。3)大直徑鉆孔通常使用Φ60mm×7.1mm、Φ73mm×9.2mm、Φ89mm×9.4mm、Φ114mm×8.6mm四種規格的鉆桿,相應鎖接頭最小通孔直徑分別為44mm、54mm、68mm、95mm。根據計算可知,鉆桿與孔壁間環狀空間的上返液流沿程阻力損失,遠小于鉆桿內液流沿程阻力損失,同時鉆桿鎖接頭內孔變徑處局部阻力損失亦遠小于鉆桿內液流沿程阻力損失。因此,大直徑液動沖擊回轉鉆進可根據鉆桿內沖洗液沿程壓力損失選擇鉆桿規格,一般鉆桿內沖洗液液流沿程壓力損失,不應超過往復泵額定輸出壓力的25%～30%。各種規格的鉆桿內部液流沿程壓力損失(計算值)見表1。現行鉆桿鎖接頭磨損或變形后密封性變差,沖洗液泄漏量大,現場應采取纏線、加墊O型橡膠圈等密封措施。4潛孔錘性能優化1)液動潛孔錘有閥式正作用、閥式反作用、閥式雙作用、無閥式反作用、無閥式雙作用等多種形式。任何一種型式都有自己的優勢,哪一種型式更適用于大直徑液動潛孔錘,業內人士意見不一。因此,大直徑液動潛孔錘研究應該跨越小直徑液動潛孔錘多型式共存的發展階段,集以往小直徑液動潛孔錘研究之經驗,直接進入研究開發高性能復合式產品階段。復合式結構將成為大直徑液動潛孔錘的研究方向。2)大直徑液動潛孔錘的研究重點首先應該是提高潛孔錘單次沖擊能量及能量輸出和傳遞效率。提高沖擊能量的關鍵是通過合理的結構或機構保證充分發生、利用“水擊”效果,減輕、削弱“水墊”的有害影響。與液動潛孔錘輸出性能相關的可變因素很多,諸如閥室內腔容積、上接頭通孔直徑、沖錘的長度、撞擊副的形狀、活塞直徑及內通孔直徑、彈簧的剛度和預壓量、閥和錘的質量、摩擦阻力、液體泄漏量等。因此,大直徑液動潛孔錘的研究設計,不能單純采用類比放大小直徑液動潛孔錘的方法,應當加強技術基礎研究,指導科研設計,積極采用CAD方法優化潛孔錘的性能。3)小直徑液動潛孔錘系列與小口徑管材系列及鉆孔直徑系列相對應,其系列直徑為43、54、73、89mm。大直徑液動潛孔錘系列化原則不應因襲小直徑液動潛孔錘,其系列不宜根據鉆孔直徑或大直徑巖芯鉆探管材系列對應確立。大直徑液動潛孔錘應根據現有大排量往復泵的能力(系列)設計主要技術參數,并依此形成大直徑液動潛孔錘系列。該系列本體外徑應根據液動潛孔錘結構和鉆進工藝需要來決定,在達到鉆進所需的功頻指標及適應大排量往復泵的輸出參數的前提下,潛孔錘本體直徑應小型化。本體直徑小型化的潛孔錘閥室內腔容積小,水擊效果強,對于沖擊能量的傳遞亦無不利影響。其經濟性和實用性是非常明顯的,技術上也是合理的。根據《水文水井鉆探管材》(GB9808-9812-88)規定,在Φ149～311mm鉆孔直徑范圍內,鉆頭直徑系列有Φ149、173、200、223、251、280、311mm,對應的巖芯管規格(外徑×壁厚)為Φ140mm×7.7mm、Φ168mm×8.9mm、Φ194mm×8.3mm、Φ219mm×8.9mm、Φ245mm×8.9mm、Φ273mm×8.9mm、Φ289mm×9.5mm。目前施工部門應用的大排量往復式泥漿泵系列產品的主要性能見表2。依據大排量往復式泥漿泵能力對應設計三級大直徑液動潛孔錘即可基本適應前述鉆孔系列鉆進需要,也就是說,大直徑液動潛孔錘產品的主系列可定為三種規格,且系列最大本體直徑不應超過Φ250mm。為滿足較小直徑鉆孔大泵量鉆進的特殊要求,可在主系列的基礎上派生出三個加長型品種(減小本體直徑而性能基本不變)。4)大直徑液動潛孔錘在結構設計中還應解決以下實用化問題:(1)設計可靠的防止巖粉回灌機構大直徑鉆孔內沖洗液上返流速低,攜帶排除巖屑能力差,孔底巖屑殘留多,下鉆過程中防回灌機構可避免巖粉回灌卡塞或磨蝕潛孔錘內部零件。(2)消除“空打”現象。“空打”是指潛孔錘在鉆孔內未接觸孔底而處于懸吊狀況下,送入沖洗液時仍產生有效沖擊。“空打”現象屬孔內事故隱患,并且不利于正常鉆進前的全泵量沖孔排粉。(3)大直徑液動潛孔錘應消除運動副上的“積砂死區”,減少密封副、彈簧等易損零件,從設計和制造工藝兩方面著手,延長零件的使用壽命。(4)大直徑液動潛孔錘質量大,承受的回轉扭矩亦很大,螺紋副擰卸十分困難。同時大直徑液動潛孔錘應用的工作介質較差,易出現零部件磨損、阻卡現象,拆檢是經常性的。從設計角度降低大直徑潛孔錘螺紋副的卸扣扭矩是非常必要的。降低螺紋副擰卸力矩的措施有:選擇傳動效率較高的螺紋齒型;提高螺紋尺寸加工精度;降低螺紋表面粗糙度;理化處理螺紋表面;采用不同錐