液動潛孔錘用于干熱巖鉆進的優化與試驗

王躍偉，李 寬，張恒春，齊力強，楊澤英，薛倩冰，賈明浩

（中國地質科學院勘探技術研究所，河北 廊坊 065000）

0 引言

資源與能源是人類發展永恒的主題，極大推動人類社會進步的歷次工業革命都是在新的能源品種發現基礎上產生的［1］。我國連續多年實現經濟快速增加，同時對能源的需求也迅猛增長，2017年我國能源消費31.32億噸油當量，占全球能源消費總量的23.2%，其中，煤炭在全部能源消費中占比60%，石油占比19%，天然氣占比7%，化石能源占比達86%，非化石能源僅占14%，能源結構嚴重失衡［2］?；剂蠈儆诤慕咝阅茉?，往往需要數百萬年甚至更久才能生成，消耗速度遠超生成速度，對化石燃料的過度依賴導致能源危機頻發。同時化石燃料燃燒產生過多二氧化碳，能源消費產生的排放占全球排放總量的2/3［3］，是加快全球變暖的重要因素之一，給人類帶來嚴峻挑戰。

在應對氣候變化和促進可持續發展的雙重需求驅動下，全球能源轉型正在發生深刻變化，我國更是提出了碳達峰碳中和的戰略目標。干熱巖是一種新型清潔能源，儲量巨大，資源豐富，分布廣泛，我國陸區地下3～10 km范圍內干熱巖資源量折合標準煤856萬億t。根據國際干熱巖標準，以其2%作為可開采資源量計，約為2015年全國能源總消耗量的4000倍［4］。目前我國干熱巖勘探開發尚處于探索階段，鉆探是大多數能源勘探與開發中不可或缺的重要技術手段，干熱巖鉆進面臨的較大難題是溫度高、強度高、硬度大、研磨性強，采用常規回轉鉆進工藝方法，存在鉆進效率低、鉆井周期長、材料消耗大、鉆進成本高等劣勢。

液動沖擊回轉鉆進技術是一種高效、優質、低耗的技術，相對常規回轉鉆進可大幅度提高機械鉆速、回次進尺和鉆頭壽命［5-9］。液動潛孔錘是液動沖擊回轉鉆進的核心技術之一，在孔內循環介質驅動下對鉆頭產生高頻連續的沖擊載荷，從而提高碎巖效率，不需要增加額外設備和動力即可實現硬巖地層快速鉆進效果，同時利于井眼保直，是干熱巖井鉆進的較好選擇。制約其在干熱巖勘探開發中應用的因素主要有密封材料對高溫環境的適應性，以及液動潛孔錘對全面鉆進泵量的適應性等。

1 液動潛孔錘結構優化

1.1 YZX系列液動潛孔錘基本結構

YZX系列液動潛孔錘的基本結構延續了在大陸科學鉆探工程中應用效果顯著的雙噴嘴復合式結構［10-14］，并在此基礎上運用了水力學理論對噴嘴處的結構和整體流道進行計算和優化，提高了液動潛孔錘的工作穩定性。YZX系列液動潛孔錘的結構如圖1所示［15-17］。

圖1 YZX178型液動潛孔錘結構示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of YZX178 hydraulic DTH hammer

鉆具下入井內未至井底時，上閥，上活塞、沖錘體、下活塞、傳功座及花鍵軸（與鉆頭相連）在重力作用下皆處于下限位置，鉆具下部通道順暢，鉆井液可直接排出，無法滿足液動潛孔錘工作條件，確保沖孔和起下鉆過程中鉆具不出現空打情況，保證井內安全。鉆頭到達井底后，傳功座進入下缸套并封閉內部通道，沖錘（包括上活塞、沖錘體和下活塞）下腔壓力升高，建立起沖錘的下端面與上端面之間的壓差，驅動沖錘上行。上閥在噴嘴處高速射流的卷吸作用下迅速上行，先于沖錘運動，到達其上限位置后等待沖錘上行。當沖錘到達上限位置時，上閥下端面與沖錘上端面形成密封，迅速關閉了沖錘中心通道，產生的水擊作用推動上閥和沖錘一起下行。與此同時，沖錘下腔高壓消失。上閥到達下限位置后，沖錘上端面與上閥下端面脫離，打開了沖錘中心的通道，沖錘在重力和慣性作用下繼續下行，并沖擊花鍵軸。中心通道打開后沖錘下腔恢復高壓，并于沖擊完成后抬錘上行開始下一次沖擊。

1.2 YZX178型液動潛孔錘高溫適應性改進

干熱巖地層溫度通常在180℃以上，針對干熱巖鉆進高溫硬巖工作環境，對原有YZX178型液動潛孔錘進行了耐溫性改進。主要思路是提高采用O形圈的耐高溫性能。

項目組廣泛調研市場上現有O形圈耐溫情況，找到了一種某公司生產的價格相對較低的進口材料制成的耐高溫O形圈（以下簡稱“進口O形圈”），與目前液動潛孔錘常用的多種O形圈一起，利用WGZ型精密鼓風干燥箱（圖2）進行了高溫試驗，溫度設置為200℃。試驗進行5.5 h后，常用的O形圈表面便出現了大量裂紋（見圖3a），且在外力作用下非常容易發生斷裂，完全失效；而進口O形圈50 h后性能依然良好（見圖3b），且具有良好的拉伸能力。

圖2 WGZ型精密鼓風干燥箱Fig.2 WGZ type precision blast drying oven

圖3 國產O形圈與進口O形圈200℃高溫環境放置后性能對比Fig.3 Performance comparison between domestic O-rings and imported O-rings after placement in the high temperature environment of 200°C

雖然干熱巖地層溫度一般在180℃以上，但通常正常鉆進時循環溫度≯150℃，上述試驗結果表明，在YZX178型液動潛孔錘中采用的進口O形圈完全可以滿足干熱巖鉆進耐溫要求。

1.3 YZX178型液動潛孔錘泵量適應性改進

包括YZX系列液動潛孔錘在內的很多液動潛孔錘，其泵量適應性往往存在“小口徑不夠吃，大口徑吃不了”的情況，針對提高大口徑液動潛孔錘的泵量適應性，項目組提出一種砧閥式結構，可以通過調節砧閥的閥孔大小來滿足不同的泵量輸入條件，或在相同泵量條件下降低工作壓降，同時還可以明顯降低水墊效應，提高能量利用率，其結構如圖4所示。

圖4 砧閥式液動潛孔錘結構Fig.4 Structure of the hammer with the valve in the anvil

液動潛孔錘不工作或液動潛孔錘下腔壓力不足以頂開砧閥簧時，限位帽與砧閥頭之間通過錐面形成密封；液動潛孔錘工作時在沖擊發生前的沖程后半程，隨沖錘組件的高速運動，壓縮液動潛孔錘下腔工作介質，導致下腔壓力升高，砧閥組件受到高壓作用砧閥壓縮砧閥簧沿導向座下移，限位帽與砧閥頭間的通道打開，快速提高了中間通道的過水面積，部分液體分流經中心通道流過，迅速降低下腔壓力，從而消除或大大降低水墊效應對沖擊功的影響，提高液動潛孔錘輸出的沖擊功。而在抬錘過程，由于下活塞區壓力降低，砧閥在砧閥簧的彈性力作用下上行，部分或全部封閉過水通道，加速抬錘。

1.4 YZX178型液動潛孔錘室內試驗

YZX178型液動潛孔錘在我所液動沖擊回轉鉆進試驗室進行了室內試驗（見圖5），最大輸入泵量達1800 L/min，與干熱巖鉆進生產實踐中所用泵量較為匹配。

陳小華：10個O2O大敗，9個是因為充值，至少有十幾二十家來找過58到家。最近有一個主流的基金投資公司，我曾經勸他，今年你正好是0的時候，把公司賣了還有機會，但他跟我說，有投資人的壓力，要撐下去?？墒荗2O別看公司很強大，很多公司規模很大，但其實非常脆弱，只要給提供服務的人開不出工資，無論你原來有多少單，都瞬間沒了。

圖5 YZX178型液動潛孔錘室內試驗Fig.5 YZX178 hammer laboratory test

試驗結果表明，YZX178型液動潛孔錘通過調整閥孔大小可以適應800～1800 L/min的超大泵量范圍，均能獲得較好的工作狀態。在相同泵量條件下，隨著閥孔孔徑增大，液動潛孔錘工作壓降進一步降低。部分性能參數如表1所示。

表1 YZX178型液動潛孔錘性能參數Table 1 YZX178 hammer performance parameters

2 YZX178型液動潛孔錘用于干熱巖鉆進試驗

YZX178型液動潛孔錘配合牙輪鉆頭在某干熱巖井進行了鉆進試驗，試驗于井深2030.46 m時開始，試驗井段為2030.46～2041.04 m。主要目的是驗證其在干熱巖鉆進中的提速效果，并探索較優工藝參數。

配合YZX178型液動潛孔錘鉆進的鉆頭為史密斯8 1/2 ST RJ2952，鉆 具 組合 為：?215.9 mm牙輪×0.25 m+YZX178型液動潛孔錘×2.73 m+? 172 mm DC×82.42 m+411×4A10接 頭×0.50 m+?114 mm HWDP×56.50 m+4A11×410接頭×0.50 m+?127mm DP。

試驗開始前在井口進行了動作試驗，確保液動潛孔錘可正常工作后方可下井。液動潛孔錘到井底后先以防空打狀態循環1個周期以上方可開始鉆進，鉆頭跑合時采用鉆壓≯20 kN，泵量為1440 L/min，立壓顯示7.5～8.0 MPa，轉盤轉速56 r/min，正常鉆進時鉆壓基本維持在30～40 kN。

井深＞2039 m后鉆速明顯變慢，立壓與最開始相比減少1 MPa。由于鉆速較慢，適當加大鉆壓并在40～60 kN范圍內調整鉆壓，但效果仍然不如鉆壓30～40 kN時好。鉆至2041 m時鉆時已超過1 h，由于這是YZX178型液動潛孔錘在干熱巖井第一次應用，擔心其沖擊功過大給鉆頭帶來過大損傷而引發井內事故，不得不提鉆。

液動潛孔錘提出井后再次進行井口試驗，液動潛孔錘仍然可以正常工作。鉆頭除掉了一個水眼外，牙齒及保徑基本無磨損，軸承完好，亦無崩齒現象。圖6為鉆頭入井前和出井后情況對比。

圖6 鉆頭入井前及出井后情況對比Fig.6 Comparison of drill bits before tripping-in and tripping-out of the well

3 液動潛孔錘用于干熱巖鉆進試驗效果分析

YZX178型液動潛孔錘首次在干熱巖井中成功應用，初步顯示了其在干熱巖等堅硬地層鉆進的可行性和高效性，且與螺桿鉆具相比具有一定優勢。

3.1 具有一定高效性

表2 相鄰井段不同鉆進工藝機械鉆速對比Table 2 Comparison of mechanical drilling rates between different drilling processes in adjacent well sections

圖7～圖9為采用牙輪鉆頭鉆進的相鄰井段鉆時對比情況，其中3K06回次采用螺桿+牙輪鉆頭鉆進工藝，提鉆后鉆頭磨損很輕，1978～2028 m井段平均鉆時為36.13 min/m；3K08回次采用液動潛孔錘+牙輪鉆頭鉆進工藝，提鉆后鉆頭基本沒有磨損，2031～2041 m井段平均鉆時為39.03 min/m；3K09回次采用螺桿+牙輪鉆頭鉆進工藝，提鉆后鉆頭磨損很嚴重，外徑磨至207 mm，截取前半段鉆頭尚未有較大磨損的2041～2091 m井段，平均鉆時為40.70 min/m。

圖7 3K06回次1978～2028 m井段鉆時曲線Fig.7 Drilling time curve of 3K06 run over of 1978～2028m well section

圖8 3K08回次2031～2041 m井段鉆時曲線Fig.8 Drilling time curve of 3K08 run over of 2031～2041m well section

圖9 3K09回次2041～2091 m井段鉆時曲線Fig.9 Drilling time curve of 3K09 run over of 2041～2091m well section

3.2 與螺桿鉆具對比的優勢

由于缺乏相關經驗，本次液動潛孔錘應用于干熱巖鉆進試驗回次及進尺均較少，但取得的數據基本證明，在機械鉆速方面，液動潛孔錘+牙輪鉆頭鉆進與螺桿+牙輪鉆頭鉆進十分接近，均能在較大程度上提高干熱巖等硬巖地層機械鉆速。與螺桿鉆具相比，液動潛孔錘鉆進有以下技術特點或優勢。

（1）液動潛孔錘鉆具耐高溫性能更強。O形圈目前是限制液動潛孔錘高溫適應性的唯一零件，通過室內試驗證實，進口材料制成的O形圈可在200℃高溫環境放置50 h而保持良好的工作性能。螺桿鉆具中的定子普遍采用橡膠材料，目前國產螺桿鉆具普遍耐溫小于150℃，雖然可通過進口橡膠材料等措施提高其溫度適應性，但整體成本過高，限制了其在干熱巖鉆進中應用。而YZX178型液動潛孔錘僅需要幾個O形圈，每個O形圈成本不到10元，與鉆具整體成本相比成本基本沒有增加。另外，在保證加工精度的前提下，可擺脫對橡膠材料的依賴從而實現金屬密封，更適應干熱巖的高溫條件。

（2）采用液動潛孔錘鉆進需要更小的工作壓降。螺桿鉆具的工作壓降普通在5 MPa左右，而液動潛孔錘鉆進所需壓降只有其50%左右，輸入功率也隨之降低一半，在綠色節能方面具有一定優勢。

（3）采用液動潛孔錘鉆進需要更小的轉速。采用液動潛孔錘鉆進所需轉速較小，往往只需要40～70 r/min，而螺桿鉆具本身提供的轉速將近200 r/min，較高的轉速同時也增加了鉆頭的磨損速度，降低了鉆頭的壽命。

（4）液動潛孔錘方便更換易損件。目前液動潛孔錘基本可以連續工作60 h以上，出井后僅需要現場更換易損件即可重新下井、繼續工作，使用非常方便，且使用成本較低。而根據現場應用情況，螺桿鉆具壽命大多在150 h左右，之后需要送回到廠家重新注膠翻新，增加了運輸和維護成本，且現場需要配置多套螺桿鉆具。

4 總結與展望

YZX178型液動潛孔錘首次在干熱巖鉆井中成功應用，初步展示了其應用于干熱巖等高溫堅硬地層鉆進的可行性和高效性。液動潛孔錘在干熱巖鉆井中應用，其機械鉆速與螺桿鉆具接近，均能在較大程度上提高機械鉆速，且具有節能環保、安全性高、維護方便、節約成本、高溫適應性強等優點。

液動潛孔錘的工作壽命受鉆井液等諸多因素影響較大，尤其鉆井液中固相顆粒在高速射流作用下對閥和活塞等易損件的沖蝕作用。提高液動潛孔錘工作壽命，更好地與牙輪鉆頭壽命相匹配，是其應用于干熱巖開發中急需解決的問題，建議從以下3方面進行相關研究：一是優化鉆井液流動通道，降低鉆井液噴射速度，減少對液動潛孔錘相應零件的沖蝕；二是優化液動潛孔錘易損件材質，以提高其工作壽命；三是開展易損件表面硬化工藝研究，使其具有外硬內韌的特性。