中国地质科学院勘探技术研究所国际领先技术系列之三：可输出高冲击功的“传递机构”

　　杨泽英在对由其主导研发的“液动冲击回转钻探技术”介绍的摘要里这样描述：突破传统理论，创新了液动锤的结构及工作原理，成功解决了制约液动锤发展的工作可靠性问题，工作寿命大为改善，主要易损件寿命在实际应用中小直径液动锤寿命超过100小时，应用孔深达5129米，达到了国际领先水平，使我国成为目前液动冲击回转钻进技术应用普及程度和使用效果最好的国家。

　　什么叫“液动冲击回转钻探技术”？用专业术语介绍，就是利用钻探施工中循环施工的钻井液驱动液动锤内的冲锤往复运动，对钻头施加一定频率的冲击载荷，形成“回转+轴向冲击”的一种复合钻探技术。

　　1999年以来，中国地质科学院勘探技术研究所依托地质矿产调查评价专项“YZX127液动潜孔锤的研究”、“3000米深孔绳索取芯液动锤及钻进工艺研究与应用”、国土资源部百人计划项目“科学钻探液动潜孔锤研究”及科技部科研院所专项“系列高效液动潜孔锤研究与开发”等项目，解决了地质钻探中时效低、岩芯堵、易孔斜等问题以及原液动锤孔深适应性差、易损件寿命低、与其他孔底动力配套泵量差异大等问题。

　　杨泽英用几句话概括了技术攻关的主要内容：“通过水力学模型试验掌握了各项参数间的相互关系，以指导液动锤参数设计；通过分流试验，提高了液动锤对泵量适应性，以满足多种钻进工艺需要；通过减少液动锤密封环节，降低了泥浆固相颗粒造成阻卡的几率，提高了液动锤工作稳定性及对泥浆适应性；对液动锤各种形式磨损机理进行研究，寻找提高液动锤工作寿命的途径；通过对液动锤工作的流场分析，有效降低了脉动压力，提高了液动锤的对深孔适应性等。”

　　然而，正是在超过10年的时间里，研发团队持续攻关，才赢得了这样的卓越成就。

　　其中，“双喷嘴复合阀式液动潜孔锤”、“可输出高冲击功的液动潜孔锤”、“三合一组合式取芯钻具”3项获国家发明专利。“重型节能嵌岩液动锤”、“一种绳索取芯液动锤冲击功传功机构”2项获实用新型专利。同时，他们还研发了全新的YZX系列液动锤和SYZX系列绳索取芯液动锤钻具。

　　其研发的新型钻具在使用中与常规钻进技术相比，时效提高30%~360%，回次进尺增加18%~200%，岩芯取芯率可提高10%，钻头寿命延长30%~80%，生产成本降低15%以上，还可明显降低钻孔弯曲强度。

　　因其使用效果显著，用户遍布除香港、澳门外国内各省市，成为我国近年来钻探技术发展和应用的热点，2008年、2011年和2013年，曾三次入选《探矿工程》年度十大新闻。

　　新型钻具也因其高效耐用，获誉无数。2011年8月被科技部等四部委授予国家重点新产品称号；获2015年国家科学技术进步奖二等奖；获2014年度国土资源科学技术奖一等奖；获2012年度国土资源科学技术奖二等奖；获2014年度河北省科学技术发明奖二等奖。

　　事实上，在整个过程中，液动锤才是核心。

　　针对液动锤如何才能提升工作效率，杨泽英和他的团队着实动了一番脑筋。

　　首先，他们突破传统理论，创新性地提出了“回程储能、分段加速、全冲程做功”的理论，并设计了“上阀+芯阀”的工作形式，其结构简单（零件数量仅24个，国外类似钻具零件数量均超过50个），采用容积式工作原理，彻底改变了传统的阀式液动锤利用水击作用的工作方式，成倍地提高了液动潜孔锤的工作行程，并在冲锤回程阶段采用机械式缓冲结构，冲程阶段排水通道全面开放，彻底解决了传统液动锤冲程阶段的水垫阻力问题，实现了对液动潜孔锤能量利用率和冲击功的大幅度提升，由此获得了国家发明专利——“可输出高冲击功的液动潜孔锤”（专利号ZL 99 1 00660.7）。

　　其次，成功解决了制约液动锤发展的工作稳定性问题。他们采用射吸和射流两种工作动力复合作用方式，成功地取消了芯阀和上阀的密封结构，使得液动潜孔锤内的密封结构由原来的5道减少到2道，从而彻底解决了液动潜孔锤内轻质量零件的阻卡问题。该结构的液动锤获得了第二项发明专利：“双喷嘴复合阀式液动潜孔锤”（专利号02125436.2）。2011年，该发明专利荣获第十三届中国专利优秀奖。

　　他们还通过对试验数据及过程的观察与分析，进一步深化了对液动潜孔锤磨损机理的认识，根据不同零件的特点、需求和试验中存在的问题，对各类表面强化技术在液动锤中的应用效果进行了评估，最终确定了相对合理的热处理方式，从而大大提高了液动潜孔锤的工作寿命。

　　再次，团队改进零件材料、优化结构，解决了高冲击工况下零件的强度问题。优先确保钻具外部整体连接强度；限制零件的冲击末速度，有效控制其冲击负荷；根据零件工况，探索其材料和热处理工艺，提高其耐受大负荷高频冲击载荷的能力；探索每一个零件不同结构形式，改变其受力方式，避免出现恶劣的交变应力工况；注重零件细节设计，优化结构，降低应力集中，为液动锤技术实现普及应用奠定了坚实的基础。

　　在YZX系列液动锤研制中，他们完成了水力学实体模型的设计和试制，进行了大量的试验分析，摸清了YZX系列液动锤的各项设计参数之间的关系，可针对不同使用环境，进行各种口径及其工作参数的设计，使其可用于取芯钻进、全面钻进等不同工况。

　　研发团队还尽量减少零件的密封环节；尽可能采用整体设计，将小直径液动锤零件减少到12个，标准件减少为两个；为保证在高强度多频次冲击下传功环和承冲环不会变形卡死，在材料选择、结构设计和加工工艺上进行了多次改进，研发了具有相互约束的冲击功传递机构，与绳索取芯钻具进行高度整合，研发了SYZX系列绳索取芯液动锤钻具。

　　自2008年起，YZX系列液动锤和SYZX系列绳索取心液动锤钻具，在地质岩芯钻探、水文水井钻探、基础施工以及国家重点科学钻探工程等钻探领域进行了广泛的推广和应用，累计销售超过2000台套，进尺超过400万米，产生的经济效益超过2亿元。其范围覆盖地质、煤炭、建筑、核工业、石油、冶金、有色等行业领域。

　　此外，YZX54液动锤已经在海洋钻探中获得成功应用。随着应用的拓展，该技术将会在我国的海洋天然气水合物、页岩气等新能源勘探中发挥其独特的技术优势。

　　2001年8月到2005年1月，YZX127液动锤在中国大陆科学钻探工程（CCSD1井）中下井505回次，累计进尺3526.3米，应用孔深达5118.2米，在可钻性8~9级榴辉岩和片麻岩中，平均机械钻速1.32米/小时，最高钻速2.46米/小时，较回转钻进提高近一倍；回次满管率达95%以上，岩芯采取率为90%以上，有效地解决该重大工程在钻探施工中存在的易堵芯的工程难题，显著地改善钻探施工的经济技术指标，也验证液动锤对深孔的适应能力，创造了液动锤取芯钻进且成效显著的最新世界纪录，液动锤技术也因此成为中国大陆科学钻探工程的首要技术特色。

　　“中国岩金勘查第一深钻”（三山岛西岭矿区ZK96-5孔，设计孔深4000米）钻至约3380米时，钻遇以花岗岩为主，偶见坚硬石英砂岩，可钻性为8~10级。同时，由于地层破碎严重，岩芯极易堵塞，连续四个回次进尺均在0.8米以下，其中一个回次甚至没有取到岩芯。该孔钻进使用“石油钻杆+绳索取芯钻杆”塔式组合，取芯时需要部分提钻，大大增加了辅助时间。从孔深3381.77米开始，施工方使用SYZX75绳索取芯液动锤钻具，到2013年5月29日4006.17米孔深终孔，累计进尺624.4米，创国内外小口径绳索取芯液动锤钻进最深纪录。

　　杨泽英带领团队研发的YZX系列液动锤和SYZX系列绳索取芯液动锤钻具，突破了该技术应用中的一系列关键技术难题，使我国成为目前液动冲击回转钻进技术应用普及程度和使用效果最好的国家，总体技术已经达到国际领先水平，促进了我国自主知识产权的钻探技术体系的建立，是我国特有的、领先的、站在世界钻探技术之巅的一项技术成果，提高了我国钻探技术的总体水平和国际影响力。□