索刀取心、液動潛孔錘、螺桿達拉三通組合鉆具的研制與應用

0鉆具樣具改進及應用效果中國大陸科學探測的技術目標之一是研究和開發基于繩索回心的新組合入心檢測系統。繩索取心、液動潛孔錘、螺桿馬達三合一組合鉆具是其預研項目之一。項目的任務目標是:利用繩索取心不需提鉆取心的優越性,利用液動潛孔錘鉆進效率高,巖心堵塞幾率少的優越性,利用螺桿馬達作為孔底動力,不需全孔鉆柱回轉,扭矩損失少的優越性,形成新的組合鉆探技術。鉆具樣機經試驗室分流試驗、性能調試及試驗臺試驗后,在工程現場試驗鉆孔及主孔進行實鉆試驗,取得了良好的技術效果,使我國的鉆探技術在科學鉆探這一領域達到了世界先進水平。該技術已獲得了國家發明專利(專利號:ZL200410080343.X)。1螺桿馬達與液動潛孔錘的結合三合一鉆具是集繩索取心鉆探技術、液動潛孔錘沖擊回轉鉆探技術、螺桿馬達鉆探技術于一體的高難度創新技術。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構,采用在中國大陸科學鉆探工程主井成功使用的閥式結構的液動潛孔錘,選用我國石油系統名牌螺桿馬達產品,將三者有機的結合為一體;利用繩索取心鉆具的懸掛機構解決螺桿馬達與外管總成的密封問題,保證全部沖洗液供螺桿馬達工作;利用繩索取心鉆具的定位彈卡消除了螺桿馬達定子產生的反扭矩;利用伸縮式傳扭板將螺桿馬達輸出的扭矩傳遞到外管總成并帶動鉆頭回轉鉆進;設計了分流機構,解決螺桿馬達與液動潛孔錘所需流量不匹配問題,按比例進行分流并保證液動潛孔錘工作性能不受影響;設計了內管總成到位補償機構,使內管總成懸掛到位后,液動潛孔錘的傳功機構同時到位;設計了徑向微調機構,防止內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(1)孔外徑:157mm內徑:85mm(2)內巖心管長度4.5m(3)馬尾辮機器人型號:C5LZ95×7.0排量:5~13.3L/s輸出扭矩:1490N·m輸出轉速: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、扭矩補償機構組成三合一鉆具主要由繩索取心鉆具、液動潛孔錘、螺桿馬達及其之間的連接機構、沖洗液分流機構、扭矩與反扭矩的傳遞機構、外管單動機構、到位補償機構等組成(見圖1)。鉆進回次結束后,用繩索打撈器將裝滿巖心的內管總成提升到地表,將備用的另一套內管總成從井口投入鉆桿中,待內管總成投放到位后,即可進行下一回次的鉆進。3.1桿馬達全功率工作穩定性內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能否全功率工作。為了保證沖洗液全部進入螺桿馬達,設計了端面與徑向雙密封結構,通過試驗證明,密封結構簡單、可靠、耐用,完全可以滿足內外管總成的密封要求。3.2螺桿馬達的作用內管總成投放到位后,螺桿馬達作為孔底動力帶動外巖心管和鉆頭回轉,螺桿馬達扭矩的傳遞在設計上采用伸縮式彈卡結構并以螺旋花鍵的形式進行傳遞。內管總成到位后,螺桿馬達稍有相對轉動,伸縮彈卡在彈力作用下很快進入螺旋花鍵槽內,此時螺桿馬達的扭矩傳遞到外巖心管上。螺桿馬達在傳動軸輸出扭矩的同時,馬達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,彈卡設計成雙支點結構,保證其有足夠的強度。3.3外管單動設計采用螺桿馬達作為孔底動力,帶動鉆桿下部外巖心管及鉆頭回轉,上部不回轉。其單動機構主要由主軸承、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,實現單動。由于鉆具空間的限制及惡劣的工作環境,給外管單動的設計帶來了很大困難。所以,外管總成的單動機構是鉆具能否長壽命的關鍵機構。3.4沖洗液的回收由分流接頭及噴嘴組成。由于螺桿馬達與液動潛孔錘對沖洗液的需求量差別較大,從螺桿馬達排出的沖洗液,在進入液動潛孔錘之前通過分流接頭分流一定比例至內外管環狀間隙,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管總成的懸掛密封及沖擊功的傳遞,為此專門設計了到位補償機構,以保證在內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。到位補償機構由滑動接頭和彈簧等組成。其工作原理是:內管總成投放到位后,液動潛孔錘傳功板先與傳功環接觸,上部靠其重力繼續下行,壓縮彈簧,直至繩索取心懸掛接頭懸掛在座環上,這樣既保證了液動潛孔錘正常傳遞沖擊功,又使內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工作。內管總成投放到位后有很大的沖擊力,所以,到位補償機構的彈簧也給內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、傳功接頭等組成。液動潛孔錘的沖擊功通過傳功板、傳功環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,增加回次進尺長度及鉆進效率。4室內分流試驗螺桿馬達與液動潛孔錘的流量匹配,這是三合一鉆具能否成功的關鍵,由于螺桿馬達所需流量和液動潛孔錘所要求的流量相差很大,所以在螺桿馬達排出的泥漿進入液動潛孔錘之前必須進行分流,分流量將高達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,我們在現有的條件下利用規格接近、結構接近的液動潛孔錘,加工了與三合一鉆具方案結構尺寸相同的分流機構,進行了仿真模擬試驗。室內試驗結果證明,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,要隨時調整分流噴嘴的數量。因為單孔分流面積越小,分流量越穩定。所以,鉆具的分流結構采用了可拆式、兩級、多孔、小徑的分流結構,從理論上解決了螺桿馬達與液動潛孔錘的液流匹配難題,室內分流試驗為三合一鉆具的研究成功奠定了基礎。在現場孔內試驗,液動潛孔錘的高效進尺也驗證了室內分流試驗的科學性。5桿馬達回收量對液動潛孔錘穩定性的影響這是三合一鉆具能否高效的關鍵,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的需要,螺桿馬達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定的工作,除了要設計合理的分流結構與分流比例外,還設計了有較大吞吐量的(縮小螺桿馬達與液動潛孔錘的流量差別)、內部結構簡單的、高能、長壽命的液動潛孔錘(見圖2)。經過室內反復調試試驗,并不斷改進,達到了設計參數的要求。63.1千臺鉆具在中國大陸科學勘探中的實際開采試驗6.1技術效果及評價自孔深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%,投放打撈成功率達到100%,液動潛孔錘連續工作時間10.83h,取得了良好的技術效果。鉆具的分流、密封、傳扭、傳功、外管單動、到位補償等主要機構合理、可靠,達到了預期設計目的。回次進尺及回次效率見圖3。6.2下孔試驗地層在試驗鉆孔取得良好技術效果的基礎上,于2005年2月又在主孔進行了試驗,鉆具的下孔試驗在孔深5125.86~5129.36m進行,共進尺3.50m(因巖心堵塞提鉆),取出了中國大陸科學鉆探工程最深也是最后一筒巖心。鉆具在試驗過程中,因卡鉆經受了1400kN的強力起拔,密封部位經受了孔底高溫高壓的考驗。7優化了中深孔復雜地層鉆進的地質意義我國新一輪地質大調查的目標是調查評價一批重要成礦區帶的資源潛力,圈定一批重要的礦產資源富集區,新發現