研究工作总结报告(1)

“百人计划”研究工作总结报告研究项目名称：科学钻探深孔钻进用液动潜孔锤研究受资助人：谢文卫所在单位：中国地质科学院勘探技术研究所起止时间：2004年05月～2007年10月国土资源部二○○八年十月二十日目录一、研究领域及资助研究项目概况...............................................................................................1二、研究领域国内外发展趋势和前沿...........................................................................................11、基本情况介绍.....................................................................................................................12、国外研究发展情况.............................................................................................................23、国内发展情况.....................................................................................................................44、液动锤研究技术查新结果.................................................................................................7三、研究工作总结...........................................................................................................................81、合同计划实施情况.............................................................................................................82、研究工作取得的主要成果和创新点.................................................................................9（1）受资助期间的主要研究成果.................................................................................9（2）资助期间发表论文、论著、报告及专利情况...................................................20（3）资助期间获奖励情况...........................................................................................233、资助期间有关科研项目情况...........................................................................................231一、研究领域及资助研究项目概况本项目的研究领域是针对液动冲击回转钻进技术的核心机具-液动锤及其钻进工艺进行研究，改善其深孔的适应性能（主要是针对高温和深孔背压影响）及稳定性，进一步提高液动锤的性能。该项成果主要针对立项时正在施工的大陆科学深钻工程急需，为我国地球科学基础研究提供技术支持，提高我国液动锤冲击回转钻进技术研究水平，凸现我国大陆科学钻探工程的施工特色，确立我国在液动潜孔锤技术的世界先进水平地位，体现我国的钻探施工技术水平。该项目研究成功后既可在地质岩心钻探中发挥作用，也可促进液动潜孔锤技术的应用领域向石油和地热等钻进施工领域拓展。本项目的核心目标是解决液动锤在中国大陆科学钻探工程科钻一井深孔中应用的两个主要问题，提高高温密封性和降低深孔背压效应，确保液动锤技术的应用效果。①高温密封：随着井深的不断增加，液动锤内的密封零件的问题越来越严重，密封失效导致钻具工作不稳定或意外损伤情况屡屡发生；②随着钻孔深度增加，液动锤的使用效果不断下降，需要针对其原因进行改进，确保液动冲击回转技术在中国大陆科学钻探深孔钻进阶段继续发挥其效用。③对液动锤应用中存在的其它相关问题进一步研究，提高零部件寿命和工作稳定性，简化结构降低成本、积极拓宽液动锤技术的应用领域等。二、研究领域国内外发展趋势和前沿1、基本情况介绍钻探生产中用于产生冲击作用的设备根据其驱动方式的不同可分为：气动、液动、油压、电动和机械等多种类型。由于冲击能量在传递过程中会有明显的损耗，而且会对被冲击的部分产生破坏作用。因此在较深的钻孔施工过程中，通常要求该设备（钻具）能够随同钻具一同进入井内，使其输出的冲击力能直接作用在钻头或岩心管上，从而减少能量传递产生消耗、提高能量利用率、减少孔内钻具事故。现在能够普遍应用于潜孔工作的冲击发生设备主要为液动和气动两种。2气动的通常称为气动潜孔锤或风动潜孔锤，其可利用空压机输出的压缩空气驱动，驱动介质比较干净。其特点是输出的单次冲击功大、钻进效率高、钻具的寿命长。缺点是由于井内没有泥浆护壁，要求孔壁有较高的稳定性，适应孔深不大，功耗高。风动潜孔锤钻具难以用于深孔的原因主要是由于其传动介质－气体具有的可压缩性，在深孔条件下，钻进过程中背压过高（尤其在含水地层中），送入钻具内的空气在高围压条件下体积不能充分膨胀，导致风量严重不足，不能驱动潜孔锤工作。如果继续保持其充足的风量，则需要大幅度提高空压机的压力和排量，潜孔锤的能量利用率大幅度降低，能耗将成倍上升。风动潜孔锤钻进技术广泛应用在矿山、爆破、工程施工等领域。受现在设备条件的限制很少在深孔条件采用。用液体驱动的则称为液动锤（又称液动冲击器或液动潜孔锤），其基本作用原理是利用泥浆泵供给的液能，直接驱动液动锤内的冲锤上下往复运动，并连续不断地对钻头施加冲击载荷，是冲击回转钻探技术中的一种。仅在孔底钻具组合中增加了一个液动锤，其它装备与回转钻进基本相同，因此配套简单，容易实现。液动锤钻进技术多年的发展已经证明，该技术可有效提高钻进效率，降低钻压要求，有利于减少孔内事故和孔斜，同时在取心钻进中还能减少岩心堵塞，提高回次进尺。其与风动潜孔锤相比优点是可用于深孔，但是因其驱动介质为泥浆，杂质和成分比较复杂，内部零件的工作环境恶劣，输出冲击能量通常较小，钻具的连续工作寿命相比较短，稳定性和可靠性比风动潜孔锤差。2、国外研究发展情况采用冲击回转钻进技术的设想始于欧洲。1867～1887年，一些企图代替钻杆冲击钻的潜孔式冲击器相继出现，1887年在英国授予德国沃·布什曼新钻井方法的专利，其技术核心就是利用泵供给的液能驱动液动冲击器对回转钻头进行连续冲击，实现冲击回转钻进。液动冲击回转钻进技术由此而诞生。从上世纪五十年代开始，美国、加拿大和前苏联分别研制了出多种具有实用意义的液动冲击器。海湾石油公司和壳牌石油公司对此进行过研究，其目的主要是应用于石油钻井及排除卡钻等，故直径较大，冲锤重量高达300kg，冲击频率较低。地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是前苏联，从1900～1905年间即开3展对液动冲击回转钻进技术的研究，但直到1970年才开始逐步在生产实践中得到应用，其间历经约70年。匈牙利在上世纪60年代研制了直径从48mm到160mm的五种双作用液动冲击器，其特点是组装在一专用拖车上并配套有相应的泵、除砂器、取心工具、钻头和事故处理工具等，以便能够灵活运输，在施工矿区或工地为多台钻机服务。当某台钻进遇到坚硬地层需要进行冲击回转钻时，可以及时运来全套的附属机具进行施工，而后又可以灵活地运往其它机台的孔段服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动冲击器也用在水井钻和工程施工钻探。日本对液动冲击钻的研究起步于上世纪70年代，比较成功的例子是利根公司研制的WH-120N型双作用式液动冲击器，其最大特点是采用气液作为工作介质。国外近年来在液动锤研究领域所作的工作相对较少，主要有美国泛美石油公司开发的双作用液动锤（最大使用深度为2400m），SDSdigger的FH系列液动锤（试验最大深度为4353.15m，尚未有全面野外应用报导），NovotekN系列（室内为主，野外应用报导在1700m），德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀为正作用、冲锤双作用）液动锤（准备用于德国KTB计划，但未被采用）。进尺记录的较多则是清水（需配套100μm过滤器）驱动的Wassara液动锤，在矿山系统成功应用，需配套大功率的专用清水泵站，由于不能用泥浆，所以使用深度不能超过1000m，最深的应用记录为590m。由于我国近年来液动锤研究和应用水平不断提高，达到了国际的先进水平，引起国际钻探界的重视，多次引进该技术进行研究和应用：德国的KTB钻进计划中，克劳斯塔尔大学的马克思教授领导的研究所就曾计划在KTB工程中使用液动锤技术，多次到我国相关的液动锤研究单位进行考察研究，并从原长春地质学院引进射流式液动锤进行室内的测试研究，进行学术和人才交流，还在克劳斯塔尔钻井研究所内建立了专门的试验条件，对液动锤的设计、应用和碎岩机理等都作了深入的研究。参照我国的研究经验，该所的工程师设计了一种正作用液动锤样机，在液动锤零件材料和深孔条件下冲击回转钻进技术上取得了一些室内研究成果。由于KTB计划的实施过程中众多因素的影响，该技术并没有被实际应用。国际大洋钻探计划也关注过我国的液动冲击回转钻探技术，专门派人到地质4矿产部勘探技术研究所就在大洋钻探中采用液动锤技术进行了考察，由于当时勘探所的研究尚无把握，鉴于工期要求较紧，未能进行达成合作协议。近年来，德国、澳大利亚、美国的一些钻井公司也先后从我国引入过该技术进行试用研究。3、国内发展情况我国液动冲击回转钻进技术研究是原地质矿产部勘探技术研究所从1958年底开始的。至1965年设计研究了七种不同结构形式的液动冲击器，在周口店试验站专门建立的试验室中进行性能对比和岩样钻进试验。辽宁地质矿产局第九地质大队与原长春地质学院等单位从1971年开始研究了一种具有独创性的SC-89和JSC-75型射流式液动冲击器，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到广泛应用的第一种液动冲击器。从1975年以后，我国除了地质系统广泛地研制了液动冲击器外，其它有钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，在生产实践中普遍得到了好评。至此，这种先进的冲击回转钻进技术在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程中稳步发展起来，其技术核心液动锤正逐步形成孔底动力钻具的一个主要分支。相当长的一个阶段，液动锤的成功应用领域只限于小口径取心钻进，国外及国内的石油、地矿、冶金、核工等部门也开始进行研究，但因技术上起步较晚，普及程度不如地矿部的水平。在我国的液动锤研究进入鼎盛阶段，地质、冶金等部门的分别研制出多种型式和规格的液动锤用于小口径取心钻探，其类型涵盖了正作用、双作用和反作用、复合式液动锤，全部型号达到三十种以上，累计钻探进尺超过了百万米，取得了良好的经济效益。采用液动冲击回转钻进技术可提高钻进效率30%～50%以上，同时还可明显提高钻孔质量和岩心采取率、延长回次进尺、降低材料消耗。这个阶段我国的液动锤研究和应用水平已经居于世界先进水平，是仅次于苏联的在小口径矿产勘探领域广泛应用液动潜孔锤钻进技术的国家。与此同时，国内的石油钻井研究单位基于提高钻进效率的需要，分别从地矿部引进或自行研制了