SYZX75 绳索取心液动冲击器在白杨河地区的应用

蔡顺山

（核工业二一六大队，新疆 乌鲁木齐 830011）

引言

根据近年白杨河矿区钻探施工综合效率统计，区内主要岩石特点为“硬、脆、碎”，属易发生孔内事故的复杂地层，台月效率低、小时效率低和回次进尺少，钻进工作施工难度较大，造成钻探施工生产效率低、钻探生产成本高。为保证施工区钻探生产安全、高效、高质量，有必要对钻探施工工艺进行提升改进。针对以上问题，为攻克硬、脆、碎地层钻进难关，2009-2010 年核工业二一六大队在施工区内开展《硬、脆、碎地层金刚石钻进技术研究》科研项目，通过优化选择金刚石钻头和试验SYZX75 绳索取心液动冲击器，钻头平均寿命显著提高，且在小时钻进效率和台月效率方面有一定的提升。但由于后期客观条件影响，试验和推广情况未能持续开展。白杨河矿区于2019 年继续开展了SYZX75 绳索取心液动冲击器的试验工作，绳索取心液动冲击器很好地利用绳索取心技术和液动冲击器，通过对8 个钻孔数据的统计和对比，结果表明绳索取心液动冲击器在提高回次进尺和钻进效率，解决破碎地层的岩心堵塞问题方面有显著效果[1]，而且冲击器能够有效降低施工人员劳动强度和钻探生产成本。

1 施工区主要概况

工作区内出露地层为第四系、新近系、石炭系和泥盆系，其中泥盆系地层主要分布于工作区北部，大致呈北东-南西向展布，其上与石炭系地层不整合接触或断层接触。

钻探工作区位于新疆准噶尔盆地的西北部，属山前丘陵地带，施工区内存在多个背斜与向斜。施工区主要的岩石以花岗岩、火山岩、火山碎屑岩、含砾泥质砂岩、角砾岩、硅质岩和第四系堆积物为主。其中花岗岩和火山岩为工作区内主力岩石，岩性多为酸性和中基性，强度较大，硬度多为硬、坚硬等级，研磨性较强。除灰岩和凝灰岩外，其余岩石可钻性等级均在七级以上，其中微晶质花岗斑岩、闪长岩、正长斑岩可钻性等级在8～10 级，石英斑岩可钻性等级达到了10～11，属较高等级。钻探施工区内发育有多处断裂构造，其形态各不相同、类型复杂多变、规模不一，施工区存在的较多的破碎带地层复杂、岩石异常破碎，施工过程中易造成钻孔坍塌。

2 SYZX75 绳索取心液动冲击器简介

SYZX75 型绳索取心液动冲击器是一款常规绳索取心钻具结合双喷嘴复合式液动冲击器而成的钻具（如图1 所示），主要包括外管总成和内管总成。液动冲击器的工作原理是容积式，能够有效减少冲程阻力，从而大幅提高钻具的冲击功[1]。

图1 SYZX75 总体结构示意图

SYZX75 型绳索取心液动冲击器钻具的主要性能参数见表1。

表1 SYZX75 钻具性能参数表

该钻具结合了常规绳索取心钻具与冲击回转钻进的多处优势，在施工破碎地层时能有效解决岩心堵塞问题、提高回次进尺、降低劳动强度，尤其是在破碎地层及9 级以上的坚硬、致密“打滑”地层中钻进，可有效提高钻进施工效率[2]。其特点是：

（1） 容积式原理提高冲击功，能量利用率高；

（2） 配套简单，操作方便，启动灵活；

（3） 操作简单、易维修，费用低；

（4） 钻具寿命长，无易损件[3]；

（5） 参数可调范围大，工艺适应性强，经济效率显著。

3 SYZX75 型绳索取心液动冲击器的实际应用

3.1 设备和钻具选型

钻机：CSD-1800A 全液压钻机2 台、CSD1800X 和YDX-3L 全液压钻机各一台；

泥浆泵：BW-350 型泥浆泵3 台、BW-160 型泥浆泵1 台；

钻具：S75 绳索取心钻杆若干；SYZX75型绳索取液动冲击器2 套。

3.2 钻进参数选择

绳索取心液动冲击回转钻进所选用的钻头一般均为金刚石，依据冲击回转钻进破碎岩石的物理特性，在实际使用过程中钻压和转速应低于常规绳索取心金刚石钻进，因此参数一般为：钻压8～10 kN，转速400～600 r/min[4]。

根据绳索取心液动冲击器的工作原理，在选取泥浆泵的泵量时应综合考虑冲击器的工作特性。当泵量过大时，破碎地层施工过程中容易导致钻孔孔壁失稳发生孔内事故，而且过大的泵量也会导致冲击器磨损较快，降低使用寿命。而泵量过小的情况下，冲击器可能会无法正常工作或工作效率较低。因此在泵量选择时一般将最大泵量设定为冲击器的最大输入流量，将最小泵量设定为冲击器的启动流量。一般情况下冲击器的工作泵压为0.5～2.0 MPa，工作泵量为52～90 L/min。

钻头选择方面，为了保障试验数据的一致性和可靠性，选用胎体硬度HRC25～35，金刚石粒度60～80目，金刚石浓度100%，底唇形状为阶梯型或齿轮型的钻头[5]。

3.3 应用情况

表2 第一批次绳索取心液动冲击器钻进工艺与常规绳索取心钻进工艺试验技术指标对比表

表3 第二批次绳索取心液动冲击器钻进工艺与常规绳索取心钻进工艺试验技术指标对比表

3.3.1 第一批次试验

第一次试验共选取钻孔3 个，其中ZK5336 钻进至试验目的层位孔深16.94 m 处开展了SYZX75 绳索取心液动冲击器的试验使用工作，ZK9134 和ZK4128作为参照孔使用普通绳索取心钻探工艺进行施工。

第一批次对比试验结果（见图2）表明：平均回次进尺由1.67 m 提高至2.83 m，提高近69.46%，台月效率并没有明显提高，主要的原因是ZK5336 设备维修时间为48 h。

图2 第一批次试验结果对比图

3.3.2 第二批次试验

从第二批钻孔中选取ZK4104、ZK5922、ZK5316、ZK7736 和ZK5320开展试验，其中ZK7736、ZK5922 和ZK5316 作为绳索取心液动冲击器试验孔，ZK4104 和ZK5320 作为参照孔使用普通绳索取心工艺。

第二批次对比试验结果（见图3）表明：平均回次进尺由1.49 m 提高至2.91 m，提高近95.3%，台月效率也有明显的提高。

图3 第二批次试验结果对比图

3.3.3 综合对比情况

综合对比白杨河矿区2019 年的钻孔经济技术指标可以看出，采用绳索取心液动冲击回转钻进工艺与采用常规绳索取心钻进工艺相比，绳索取心液动冲击器可以将台月效率平均提高27%以上，且在在坚硬打滑地层钻进时钻进效率提高更加明显。采用绳索取心液动冲击器工艺时回次长度平均提高50.31%，施工区的岩矿心采取率平均提高了5.27%（见表4）。

从表4 和图4 中可以看出，使用绳索取心液动冲击器后，主要取得以下效果：

图4 试验结果对比图

表4 常规绳索取心钻进与绳索取心液动冲击回转钻进试验技术指标对比表

内管打捞和投放的操作次数明显减少，且单孔的平均回次进尺由1.11 m 左右提高至2.84 m。

台月效率提高27%左右。主要原因是绳索取心液动冲击器在原有的常规绳索取心钻具上增加了轴向冲击作用，在钻进过程中使钻压能够有效作用于钻头，减少破碎地层的岩心堵塞。同时金刚石钻头在回转过程中对坚硬地层产生一定的微冲击体积破碎作用，增加了金刚石颗粒在相同给定钻压情况下压入岩石的深度，提高碎岩量[5]，因此能够有效提高小时钻进效率，提高机械钻速和施工效率。

由于岩心不易堵塞在卡簧座前段，因此有效提高了岩心采取率，避免了补心情况的发生，提高了钻孔质量。

当钻进效率有效提高时，钻探生产成本明显降低。

由于冲击器解决了堵心问题，内管总成的打捞成功率和投放到位率明显提高，最大限度地解决了破碎地层内管打捞和投放困难的问题[1]。

4 存在问题及建议

通过2019 年在白杨河矿区4 个钻孔破碎地层的试验认为，绳采用索取心液动冲击器能够大幅提高白杨河地区破碎地层的回次进尺和钻进效率，并且能够克服破碎地层的岩心堵塞问题，提高破碎地层岩心采取率，有效提高台月效率、回次进尺和小时效率，可在今后白杨河矿区破碎岩层中推广应用。

SYZX75 液动冲击器由于有冲击功的存在，对现有使用的金刚石钻头磨损和损坏较为严重，且钻具的冲锤和砧子易损坏。如果在今后的试验中能够有效解决易损件和钻头的优化选择问题，SYZX75 液动冲击器对于白杨河矿区钻探生产将起到推动和提高作用。