液动锤国内外研究现状

液动冲击回转钻探是对现有回转钻探的重大改革，是继现代金刚石钻探之后的钻探新方法。它较好地利用了坚硬岩石脆性大而抗剪强度较低不耐冲击力的弱点，是解决坚硬岩层和某些复杂岩层钻探效率低钻孔质量差的有效钻探技术。

利用回转钻探时泥浆泵冲孔和冷却钻头剩余的液能驱动液动锤而实现液动冲击回转钻探的设想始于1887年，德国沃·布什曼发明的这种钻探法曾在英国获得专利，但直到20世纪60年代，此技术在美国和原苏联及东欧一些国家均尚处于实验阶段，有一些产品初步使用。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，直径较大，冲锤质量有达300kg者，且冲击频率较低。美国潘美石油公司（Pan American Petroleum Co）曾研制过两种尺寸的液动潜孔锤并作过一些试验，主要计划将其运用于石油天然气钻探，其代表为正作用的巴辛格尔液动锤（液动锤的外径为178mm和279mm），上述液动锤均由于无法适应上述钻井领域泥浆环境而停止研究；原苏联钻井技术研究所曾研制BBO 5A反作用型液动锤并用直径145mm的钻头在石油钻井中钻进到2200m，但结构中的弹簧易损坏需改进。在地质矿产钻探方面国外研究最有成效的是苏联，从1900～1905年间即开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。发展较成熟的液动锤型号为Г-7和Г-9型，直径分别为59mm和76mm，20世纪80年代初还研制成两种直径分别为59mm和76mm的绳索取心式液动锤，均为正作用式，由于在适应泥浆环境和寿命方面没有实现突破而在21世纪初就停止了研究与使用；匈牙利在20世纪60年代研制了直径从48mm到160mm的5种双作用液动潜孔锤，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好几台钻机服务。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他机台的孔段服务。匈牙利的这种液动钻探设备不但在地质矿山钻探中使用，其较大口径的液动潜孔锤也用在水井钻和工程施工钻探。和原苏联一样，由于存在的泥浆适应性和寿命问题而停止；日本利根公司曾在20世纪研制了一种 WH-120N双作用液动锤，是一种采用筒状滑阀的双作用的液动锤，其最大特点是采用气液混合作为工作介质，外径120mm，长度883～1138mm，质量65kg，泵量350～600L/min，由于滑阀对冲洗液要求极高，否则极易卡塞而停止工作，此液动锤仅做过一些室内试验后就停止了研发。瑞典的铁矿生产商LKAB集团成员之一的 G-DrillAB分公司和南澳大利亚的SDS公司也于20世纪90年代研发过名叫 Wassara的高泵压液动锤，计划主要用于矿山勘探。其工作原理是利用压力水控制异径筒状阀的上下位置，从而改变水流作用于活塞的通道，是活塞做上下往复运动。此液动锤工作压力可达18MPa，曾钻进105～120mm孔径，孔深达40m，据介绍时效高，但对冲洗液要求极高，清水要经过100μm过滤器过滤，因此用到生产中会由于泥浆阻卡和零件寿命问题而难以推广。同时SDS公司还与PDVSA（委内瑞拉国家石油）公司合作，在PCD-2井的4333.03～4353.15m井段对液动锤进行试验。并在2002年DOE（英国环境事务部）对其SDS系列和Novtek的N系列液动锤进行性能测试，此后这两种液动锤都没有新的研究进展面世。

德国克劳斯塔尔大学的复合式（阀为正作用、冲锤双作用）的液动锤，虽然在室内经过了大量的试验研究，取得了一定的成果，但是未曾将其成功应用于实践。总的来说，国外对液动锤的研究较多且广，但其工业化的应用还未能实现。

通过上述大致介绍，液动潜孔锤技术的研究，在20世纪的国际范围处于多家参与、共同发展的情况，但基本由于无法有效解决泥浆的适应性和运动密封副寿命低的原因而在上世纪末停止（表2.1）。

表2.1 国外部分液动潜孔锤统计表

我国从1958年起开始研究，首先是在北京周口店勘探技术研究所试验站建立专门试验台，1963年在广泛收集资料的基础上编辑了《冲击回转钻探专辑》介绍国外有关文献发到许多有地质勘探任务的单位，为后来的发展奠定了基础。在1965年原地质部勘探技术研究所先后设计了7种不同结构型式的液动锤，其中YZ-2型试制6台，于1966年在湖南某多金属矿试用，最大钻孔深度430m，效果好取得初步成功，在行业中引起广泛的注意。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型射流式液动潜孔锤，并于1982年获得科学技术奖，这是国内得到实际应用的一种液动潜孔锤。从1975年以后，我国除了地质系统广泛地研制液动潜孔锤外，其他几乎全部有岩心钻探任务的兄弟部门都对此种钻进技术进行了研究，他们在生产实践中几乎都得到了肯定的好评。这种先进的钻进技术正在地质钻探、石油和天然气钻井以及各种工程中被逐步认识并稳定地发展着。其技术核心——液动潜孔锤正逐步形成孔底动力钻具的一个主要分支。

图2.1 我国研制的主要液动锤类型

20世纪70～80年代末，我国的液动锤研究进入鼎盛阶段，地质、冶金、煤炭等部门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（图2.1），部分行业的液动锤见表2.2、2.3、2.4所示。累计钻探进尺超过了数百万米，取得了良好的经济效益。综合统计可提高钻进效率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。国内的最大取心钻进应用孔深是YZ-54正作用液动锤在安徽321地质队施工中创造的，其深度达到了1000.66m。液动锤在我国和苏联的地质岩心钻探领域得到了广泛的应用，完成的工作量一度可达百万米，据文献中描述，苏联取心钻进的最大取心应用深度曾经达到2000m。

进入20世纪90年代，国内开发出 ZC-800、YQ-150、YQ-178、YS-219、SYC-178等型号的液动锤，同时还对液动锤的能量利用率和单次冲击功提高方面继续作深入的研究，如研制的样机YZX127液动锤可配套全面钻进的球齿钻头在Ⅶ级以上可钻性的花岗岩中钻进效率达到了3～6m/h；原长春地质学院则对射流式液动锤进行了深入的研究，其主要方法是通过增加冲锤的行程而提高单次冲击功。两家单位研究的重心都向大口径全面钻进的需要发展，并都取得了一定的进步，但是由于我国的地质勘探工作量大幅度下降，液动锤的研究投入有所放缓，这些成果并没有得到很好的应用和进一步的深入提高，其他的多数原进行液动锤研究机构由于市场和资金原因出现了停滞的状况（表2.2）。

表2.2 常用液动潜孔锤主要技术参数

与此同时，液动锤冲击回转钻进技术在石油钻井领域却得到空前重视，但到现在还处于研制阶段。具有代表性的成果如下：

北京石油大学研制的SYZJ液动潜孔锤：双阀双作用液动锤，系与地矿部的河北综合队合作研制，液动锤在2308～2351m（43m）井段，岩层为泥岩及粉砂岩，粉砂岩中提高钻进效率63%，在泥岩中提高钻进效率21%，并减少井眼偏斜，获得较好的钻进效果。

德州石油钻井研究所的YSC178射流式液动锤：在胜利油田曲古3井3643～3761m井段，灰色泥岩，进尺118m，有效时间67h，效率1.76m/h，提高机械效率40%。

射吸式液动锤，川南的桐17井，灰岩，井段2787～2811m，进尺24m，钻时14.68h，机械效率提高40%。另外西安石油学院与宝鸡石油机械厂进行了此类液动锤的研究工作。

国外也从我国引入液动锤进行研究：美国史密斯国际合作公司委托原长春地院合作研制了2套YSC-178型射流式液动锤，于1998年5月在美国史密斯公司本部高压釜内进行了试验。1988年射流式液动锤在原西德克劳斯塔尔工业大学深钻采油研究所（IET）高压釜中模拟钻进试验，在围压40MPa下仍然稳定工作，并经实钻试验效率提高0.6～1倍。但是由于其计划是配套德国KTB钻探计划使用，由于施工计划的变化，其研究工作未能及时跟进，导致入井试验取消，其后也未能继续深入试验研究。

因此，到20世纪末，液动潜孔锤的研究偏重理论研究，在生产应用和产品工业化进展方面没有取得大的突破，尤其是在大直径深井类的石油天然气钻井方面均是一些零星的试验或试用，没有取得工业化应用水平，究其原因，同样是液动潜孔锤的连续工作寿命无法与石油钻井类牙轮钻头井内工作时间匹配，即液动锤的零件寿命还满足不了钻井实际需要。

进入21世纪，液动潜孔锤的研究与应用出现了一个新的发展期。特别是利用中国大陆科学钻探工程——CCSD1井这一展示我国整体钻探水平与实力的平台，将众多钻探技术其中包括液动潜孔锤推到了深部钻探的前沿，接受考验。也使在液动锤的研究上经过多轮改进提高，配合属世界首创的具有中国特色的组合钻探工艺（螺杆马达/液动锤/金刚石取心工艺），效果显著。自2001年8月到2005年1月13日CCSD1井施工YZX127液动锤共计下井505回次，累计进尺3526.3m，井深5118.2m，在可钻性8～9级榴辉岩和片麻岩中，平均钻进效率1.32m，最高钻进效率2.46m，较回转提高近一倍。回次满管率达95%以上。岩心采取率为90%以上，取得了良好的效果，显著地改善钻探施工的经济技术指标，同时表明该液动潜孔锤对愈来愈深孔的适应性。这也是液动潜孔锤取心钻进且取得显著效果的最新世界纪录。该技术现已成为我国大陆科学钻探工程的首要特色钻井技术，在国际交流过程中得到高度的评价，引起了较大的反响。

同时根据YZX127液动锤的成功经验，勘探技术研究所进行了YZX系列高效液动锤的研发，并形成系列产品，见表2.3。与传统液动锤比较，该高效系列液动锤结构简单，密封副由4道减少到2道，有效地降低运动件的阻卡几率。结构调整参数由5个减少到3个，取消了原有液动锤固定式节流环，减少击砧时的水垫作用，使液动锤在相同输入能量时输出的冲击能量提高了25%～50%。同时该系列液动锤具有工作稳定操作简便、即使由于特殊原因不工作时也不会像传统液动锤迅速截断水路造成烧钻事故，而能保证现场采取常规回转方法钻完本回次或完成牙轮钻头井内寿命，这一优势极大地改善了现场安全使用液动锤的可靠性，有显著的实用意义。

通过科学合理的液动锤分流设计，使液动锤具有可调式、多孔分流结构，较好地解决液动锤工作泵量与钻井现场所用泵量不匹配（相差50%）的矛盾，在一定程度上缓解了此问题。通过三种下活塞固结方式的试验，很好地解决了作为液动锤重要的易损部件——下活塞的现场更换，极大地方便了生产现场使用并节约成本。

表2.3 YZX系列液动潜孔锤结构性能参数

根据国内钻探市场的变化，为了满足国家新一轮地质大调查对小口径绳索取心大规模应用的需要，勘探技术研究所在高效系列液动锤研发成功的基础上，将钻进效率较高的液动锤钻探技术和绳索取心技术相结合，及时研制出了新一代SYZX系列绳索取心液动锤（表2.4）。

表2.4 SYZX绳索取心式液动锤钻具主要性能参数

该型液动锤取得了良好的钻探效果：时效一般提高30%至数倍以上，回次进尺增加25%以上，成本降低15%以上。克服了早期所研究的液动锤结构比较复杂，易损件较多，工作可靠性较差等缺陷，使得该系列的绳索取心液动锤在适应性、工作稳定性、易损件寿命等诸多方面具有明显的优势。

总的来说，取得较大进步的液动锤技术可以较好地适应以取心钻进方式的钻进条件，分析其原因，主要还是取心钻探冲洗液质量较好保证以及取心钻进连续工作时间较短（一般10h以内）。另外取心提钻给地面检修液动锤提供了机会与时间。