液动冲击回转钻进技术及应用

　　◎  中国地质调查局勘探技术研究所 王跃伟 刘秀美

　　液动冲击回转钻进技术简介

　　冲击回转钻进是在钻头已承受一定静载荷的基础上，以纵向冲击力和回转切削力共同破碎岩石的钻进方法。与常规回转钻进相比，冲击回转钻进只要用较小的钻压，便可以达到破碎坚硬岩石的效果。根据工作介质不同，通常分为气动冲击回转钻进和液动冲击回转钻进。

　　YZX系列液动锤结构示意图

　　液动冲击回转钻进技术的核心机具是液动潜孔锤（又称液动冲击器，简称液动锤）。该技术具有机械钻速高、回次进尺长、钻头寿命长、钻孔质量好、孔内事故少、钻进效率高、应用范围广等优点。

　　中国地质调查局勘探技术所于1958年最早在我国开展液动潜孔锤研究，经过多年不懈努力研制出YZ正作用系列、YS双作用系列、YQ复合作用系列以及SSC绳索取心液动锤系列产品。这项技术大部分用于小口径岩心钻探，取得较好的使用效果。

　　20世纪90年代以后，勘探技术所根据国内外钻探设备研究发展趋势，注重开展大冲击功液动锤的研究，并于1997年成功研制出一种新型的YZX127液动锤。该液动锤具有冲击功大、能量利用率高等优点。在中国大陆科学钻探工程初期应用后对该冲击器进行了进一步完善，提高了工作稳定性和对冲洗液的适应性，并在大陆科学钻探工程实施中发挥了重要作用。该系列液动锤钻具目前已得到广泛应用，并得到广大地质钻探工作者的肯定。

　　2007年，勘探技术所在YZX系列液动锤基础上成功研制出SYZX系列绳索取心液动锤，坚硬“打滑”地层应用优势明显。经过十多年的改进和完善，该项技术目前在地质钻探领域获得了非常广泛的推广和应用。

　　YZX130液动锤

　　在WFSD-4孔中的应用

　　汶川地震断裂带科学钻探四号孔（WFSD-4）位于四川省平武县南坝镇境内，钻遇地层主要为变质岩地层。

　　YZX130液动锤在WFSD-4孔中累计下井70余回次，总进尺340多米，其中在上部较坚硬、破碎的板岩和变质砂岩地层应用效果良好，采用YZX130液动锤+螺杆钻具组合钻进的机械钻速，较单纯采用螺杆钻具提高70%以上，回次进尺提高40%以上。尤其在二开和三开上部取心钻进中，岩性较为脆硬，效果非常显著，利用液动锤钻进机械钻速分别提高78.65%和89.77%。液动锤在三开下部塑性较高的破碎地层应用中，机械钻速和回次进尺也有一定程度提高，但相比之前的应用效果稍差。

　　总体上看，采用液动锤钻进与普通钻进相比，机械钻速和回次进尺均有一定提高，在脆硬性地层应用效果则更为显著。

　　YZX130液动锤在汶川科钻四号孔应用

　　YZX130液动锤

　　在温泉某地热井中的应用

　　该井位于辽宁省大连市旅顺口区，设计孔深3000m，终孔孔径152mm。工程在施工过程中，上部覆盖层较浅，过了覆盖层后钻遇岩层非常坚硬，硬度在7级以上，研磨性强，多为石英砂岩，石英含量很高，进尺极其缓慢，钻头磨损快，寿命短。

　　YZX130液动锤在温泉某地热井中应用

　　YZX130液动锤在该井钻至2092.30m后得到应用，进尺400多米，均是在硬度7级以上、强研磨性的石英砂岩地层。采用液动锤钻进前，自2027.69m至2092.30m孔段共用了3只钻头，纯钻时间191h，平均机械钻速0.34m/h，平均钻头寿命21.5m。YZX130液动锤应用后的第一个回次钻头寿命提高至42.8m，平均机械钻速提高至0.9m/h。将2000m至2600m井段不同施工方法进行对比，结果表明，采用YZX130液动锤钻进与普通钻进方法相比，效率提高92%，钻头寿命提高113%，同时有效地减少孔内事故发生，降低了扫孔工作量。

　　本次应用证明了YZX130液动锤可以适应深孔全面钻进的施工要求，并可较大幅度提高钻头寿命和钻进效率，在水井、地热井、干热岩开发等领域具有广阔的应用前景，创造可观的经济效益。

　　SYZX75绳索取心液动锤钻具

　　在岩金第一深钻中的应用

　　中国岩金勘查第一深钻ZK96-5钻孔位于山东省莱州市三山岛矿区，设计钻孔孔深4000m，终孔孔径75mm。现场施工钻至约3380m时，钻遇地层以花岗岩为主，偶见坚硬石英砂岩，可钻性等级约为8~10级。同时由于地层破碎严重，岩心极易堵塞，导致回次进尺非常短。连续4个回次进尺均在0.8m以下，其中一个回次甚至没有取到岩心。

　　N规格绳索取心液动锤在中国岩金勘查第一深钻进行生产试验

　　在这种情况下，施工方与课题组取得联系，期望通过采用绳索取心液动锤技术解决这一问题，提高破碎地层的岩心采取率和回次进尺。绳索取心液动锤的轴向冲击使岩心容易进入岩心管，大大减少了岩心堵塞的几率，提高了回次进尺。钻具入孔后效果非常明显，从开始使用的最初8个回次里，累计进尺17.96m，平均回次进尺2.25m，岩心采取率99%。而之前采用普通绳索取心钻具的8个回次平均回次进尺为1.0475m，相对普通绳索取心钻具提高了114.32%。

　　N规格绳索取心液动锤钻至孔深4006.17m取出的岩心

　　绳索取心液动锤钻具自3381.77m下入孔中至终孔4006.17m，钻进259个回次（1496－1754），多次取得满管岩心，累计进尺624.4m，平均回次进尺2.41m。同时也创造了4006.17m的应用孔深纪录。

　　技术展望

　　液动冲击回转钻进技术在脆硬碎地层应用可大幅度提高钻进效率和回次进尺、降低钻孔弯曲强度的优势已得到钻探界的广泛认同。我国液动冲击回转钻进技术目前已走在世界前列，但就整体水平而言，这项技术还应继续提高，尤其是在大口径钻进中的应用，还有很大提升空间。

　　深入开展深孔用孔底动力钻具研究，拓宽其应用领域，为新能源勘探开发发挥作用，使我国特有的液动冲击回转钻探技术不断向前发展，研究内容符合国家经济与社会发展的需求，为我国地质勘探领域节能减排提供技术支撑，满足地质大调查向深部找矿和深部地球科学研究的需要。