王躍偉， 陸洪智， 齊力強， 楊澤英， 張 濤， 蘇長壽， 梁 楠

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所，河北 廊坊 065000； 2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢 430074)

0 引言

多年生產(chǎn)實踐證實，液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)可大幅度提高鉆進速度、回次進尺和鉆頭壽命，是一種高效、優(yōu)質(zhì)、低耗的技術(shù)[1-4]。液動沖擊器(又稱液動潛孔錘，簡稱液動錘)是液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)的核心，在孔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)驅(qū)動下對鉆頭產(chǎn)生高頻連續(xù)的沖擊載荷，從而實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。

該技術(shù)目前在地質(zhì)勘探，尤其是小口徑巖心鉆探領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，且效果明顯[5-10]，但在石油、地?zé)?、煤層氣等其他鉆井領(lǐng)域應(yīng)用較少。首先，幾十年以來，各行業(yè)有自己的隊伍、院校、科研院所，交叉較少，缺乏交流。其次，液動錘隨口徑增大沖擊功也大大提高，相同材質(zhì)及熱處理工藝條件下液動錘壽命有所降低，限制其在石油、地?zé)岬刃袠I(yè)應(yīng)用。第三，液動潛孔錘理論研究較少，難以針對不同工況進行相對精準(zhǔn)的性能調(diào)節(jié)，無法適應(yīng)上述所述行業(yè)的要求。

目前國內(nèi)進行液動潛孔錘研究單位較多[11-21]，但理論研究較少，吉林大學(xué)從仿真計算、數(shù)值模擬等角度對射流式液動潛孔錘進行過一些理論研究[22-25]，勘探技術(shù)研究所對雙噴嘴復(fù)合液動錘建立水力學(xué)模型探討噴嘴結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)對性能影響[19]，此外鮮有此方面的研究。建立液動錘結(jié)構(gòu)參數(shù)及泵量、泵壓等輸入性能參數(shù)與沖擊功和沖擊頻率之間的關(guān)系，進而開展液動潛孔錘基礎(chǔ)理論研究，提高其研究水平和適用范圍，迫切需求建立一個可以進行液動錘性能測試的實驗平臺。

1 實驗臺方案設(shè)計

多參數(shù)液動潛孔錘測試平臺主要由數(shù)據(jù)采集和處理模塊、循環(huán)動力模塊和機械固定模塊3個主要模塊組成，如圖1所示。

圖1液動潛孔錘性能測試實驗臺示意
Fig.1Performance test bench of hydraulic down-hole hammers

1.1 數(shù)據(jù)采集和處理模塊

數(shù)據(jù)采集和處理模塊是液動潛孔錘性能測試實驗臺的核心，由數(shù)據(jù)采集處理軟件系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡、可進行計算和顯示的PC機、不同功能的傳感器及其他元件組成。

沖擊功的測量采用壓電石英力傳感器，其原理為壓電效應(yīng)。當(dāng)壓電傳感器受到力作用后，其內(nèi)部的壓電元件上也受到同樣的力，根據(jù)壓電效應(yīng)原理，壓電元件的兩面就會產(chǎn)生與這個力成正比的電壓，通過測此電壓即可測得作用力，再根據(jù)力與功之間的標(biāo)定來計算沖擊功。根據(jù)沖擊功曲線相鄰兩個波峰的時間差計算沖擊頻率。

液體壓力采用傳感器測量，工作原理是靠其內(nèi)部彈性膜片上粘貼的電阻應(yīng)變計敏感元件組成電橋，在壓力作用下彈性膜片產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變計感受此應(yīng)變并使應(yīng)變計橋臂電阻發(fā)生變化。給應(yīng)變計電橋加額定激勵電壓，即可得到與壓力呈線性關(guān)系的電壓變化，通過測量電壓即可測出壓力值。

泵量采用流量傳感器測量。流量傳感器中有液體通過時使其內(nèi)部電路的磁阻發(fā)生變化，產(chǎn)生與流量成正比的電壓脈沖信號，通過測脈沖信號的電壓值即可測出流量值。流量傳感器測量原理為通過磁場中的流體在切割磁感線時會產(chǎn)生的與流量成正比的感應(yīng)電動勢，通過測量這個感應(yīng)電動勢計算出液體流量。

1.2 循環(huán)動力模塊

循環(huán)動力模塊由泥漿泵、進水管路、出水管路、穩(wěn)壓罐、調(diào)節(jié)閥、背壓閥、泵壓表等組成。三臺不同排量泥漿泵并聯(lián)，輸出泵量范圍為0～1800 L/min，最大輸出泵壓為10 MPa。穩(wěn)壓罐可大大減小進入液動錘工作介質(zhì)的壓力波動。調(diào)節(jié)閥可對進水管路進行分流，在理論上實現(xiàn)無級調(diào)節(jié)泵量。背壓閥放置于液動錘出口，模擬孔底背壓條件，開展液動錘背壓適應(yīng)性研究。

1.3 機械固定模塊

機械固定模塊主要為液動錘固定臺架，臺架由液壓控制，含兩個同步油缸和鏈條倍速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 液動錘固定臺架結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of the hydraulic hammer fixing stand

表1 液動錘固定臺架技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the hydraulic hammer fixing stand

2 沖擊功標(biāo)定

2.1 沖擊模型

如圖3所示，設(shè)沖錘組件以速度v沖擊鐵砧，沖擊力以沖擊波的形式傳遞至傳感器，傳感器受壓產(chǎn)生電荷，再由電荷放大器處理，產(chǎn)生電壓信號。沖錘沖擊鐵砧后發(fā)生反彈，沖擊過程為非完全彈性碰撞，傳感器上部鐵砧和下層底座都會受壓并產(chǎn)生變形。

圖3 沖擊模型Fig.3 Impact model

建模時可以將傳感器上部鐵砧和下部底座看作一個剛度很大的彈簧，勁度系數(shù)分別為k1、k2，中間的傳感器看作一個不變形的剛體。沖擊過程中，上彈簧的形變?yōu)閤1，下彈簧的形變?yōu)閤2。在該數(shù)學(xué)模型中，沖錘下一次的下落過程中，把接觸時刻的動能轉(zhuǎn)換為兩個剛度很大的彈簧的彈性勢能，達到最大形變xmax時，傳感器所受的力為Fmax。隨后彈簧恢復(fù)形變，將沖錘反彈，但在彈簧恢復(fù)的過程中，傳感器和底座有限位，阻滯很大，彈簧只把部分彈性勢能轉(zhuǎn)換為沖錘的反彈動能。

接觸時刻的動能E=mv2/2(其中：m為沖錘組件質(zhì)量，v為發(fā)生沖擊時沖錘組件末速度)。達到最大形變時，彈簧存儲的總彈性勢能：

(1)

以沖擊時刻的動能作為沖擊功W，則沖擊功W與彈簧總彈性勢能P相等：

(2)

由胡克定理可知：

(3)

把公式(2)和公式(3)變形可得：

(4)

彈簧達到最大形變時，傳感器近似看作受力平衡，則：

Fmax=F1max=F2max

(5)

把公式(5)帶入到公式(4)中：

(6)

令1/k=1/k1+1/k2，即k為上下兩個彈簧的串聯(lián)剛度，則：

(7)

串聯(lián)剛度k是與傳感器、試驗工裝相關(guān)的系數(shù)，而沖擊功與最大沖擊力的平方成正比。

2.2 測定串聯(lián)剛度k

采用沖擊力法測沖擊功受沖擊部件形狀、尺寸、質(zhì)量、材料等因素影響較大，故在沖擊標(biāo)定過程中應(yīng)采用待測液動錘的沖錘組件，最大程度模擬液動錘測試的環(huán)境和條件進行標(biāo)定。此處以YZX108型液動錘為例。

傳感器安裝與液動錘測試保持一致，以YZX108型液動錘下接頭作為沖擊鐵砧，直接坐于圖4所示的底座上。沖錘在不同高度多次(試驗中取5次)反復(fù)做自由落體運動，壓電石英傳感器測出每一組沖擊力數(shù)值，再由沖錘組件的質(zhì)量和自由落體的高度計算出沖錘組件沖擊鐵砧時的沖擊功。由于阻力、碰撞接觸條件不同，且試驗過程受人的操作行為影響較大，故應(yīng)剔除明顯的異常數(shù)據(jù)，最終的有效數(shù)據(jù)取平均值。

1-鐵砧；2-適應(yīng)套；3-上蓋板；4-上墊片；5-傳感器；6-下墊片；7-下蓋板；8-定位銷；9-基座；10-出水管；11-背壓閥

圖4壓電石英傳感器安裝示意
Fig.4Installation schematic diagram of the piezoelectric quartz sensor

試驗完成后用計算機對采集到的數(shù)據(jù)進行回歸分析，如圖5所示，x軸為測量的沖擊力，y軸為根據(jù)沖錘組件質(zhì)量及下落高度計算的沖擊功。最終回歸方程式為y=0.0014x2-0.0001x，相關(guān)性R2=0.9998。0.0001x與0.0014x2相差3個數(shù)量級以上，根據(jù)式(7)，應(yīng)該是由試驗過程中操作差異、外界干擾、測量誤差等原因?qū)е?，故?yīng)略去，因此可以確定串聯(lián)剛度k值，即1/(2k)=0.0014。

圖5 串聯(lián)剛度k反演數(shù)據(jù)Fig.5 Inversion data of serial stiffness k

3 實驗臺調(diào)試

液動潛孔錘性能測試實驗臺組裝完成后于勘探技術(shù)研究所沖擊回轉(zhuǎn)試驗室進行了室內(nèi)調(diào)試，調(diào)試采用YZX108型液動潛孔錘[26]，該液動錘沖錘組件質(zhì)量23.8 kg。測試中液動錘自由行程為15 mm。

流量傳感器、壓力傳感器直接通過螺紋連接到管路上，壓電石英傳感器設(shè)計的安裝方式如圖5所示。壓電石英傳感器上下各有一壓片，通過螺桿緊固。再通過上下兩個蓋板將壓電石英傳感器置于一個相對密封的腔內(nèi)，阻止水從外部流入，上下蓋板間通過直鍵和鍵槽定位，避免發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。連接好管路，傳感器數(shù)據(jù)線與采集板連好，安裝好的實驗臺如圖6所示。

圖6 液動潛孔錘性能測試實驗臺調(diào)試Fig.6 Commissioning of the hydraulic down-hole hammer performance test bench

調(diào)試過程中采集到的波形圖如圖7所示。

圖7液動潛孔錘性能測試軟件系統(tǒng)界面
Fig.7Software system interface for hydraulic down-hole hammer performance tests

根據(jù)測試結(jié)果，泵量600 L/min時，YZX108型液動錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。

4 結(jié)論

研制的多參數(shù)液動潛孔錘測試平臺通過沖擊力與沖擊功標(biāo)定的方法對液動錘輸出性能參數(shù)進行無損測試，為提高液動錘的研究設(shè)計水平和速度起到了一定的作用。該測試平臺硬件配套齊全，0～30 L/s的泵量范圍基本可滿足現(xiàn)有規(guī)格液動錘的測試需求，全液壓臺架大大提高了測試安全性，降低了勞動強度。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，泵量600 L/min時，YZX108型液動錘沖擊頻率為10.37 Hz，沖擊功為86.60 J；泵量670 L/min時，沖擊頻率為13 Hz，沖擊功為106.89 J。