液動錘國內外研究現狀
液動沖擊回轉鉆探是對現有回轉鉆探的重大改革，是繼現代金剛石鉆探之後的鉆探新方法。它較好地利用了堅硬巖石脆性大而抗剪強度較低不耐沖擊力的弱點，是解決堅硬巖層和某些復雜巖層鉆探效率低鉆孔質量差的有效鉆探技術。
利用回轉鉆探時泥漿泵沖孔和冷卻鉆頭剩余的液能驅動液動錘而實現液動沖擊回轉鉆探的設想始於1887年，德國沃·布什曼發明的這種鉆探法曾在英國獲得專利，但直到20世紀60年代，此技術在美國和原蘇聯及東歐壹些國家均尚處於實驗階段，有壹些產品初步使用。海灣石油公司和殼牌石油公司對此進行過研究，其目的主要是應用於石油鉆井及排除卡鉆等，直徑較大，沖錘質量有達300kg者，且沖擊頻率較低。美國潘美石油公司（Pan American Petroleum Co）曾研制過兩種尺寸的液動潛孔錘並作過壹些試驗，主要計劃將其運用於石油天然氣鉆探，其代表為正作用的巴辛格爾液動錘（液動錘的外徑為178mm和279mm），上述液動錘均由於無法適應上述鉆井領域泥漿環境而停止研究；原蘇聯鉆井技術研究所曾研制BBO 5A反作用型液動錘並用直徑145mm的鉆頭在石油鉆井中鉆進到2200m，但結構中的彈簧易損壞需改進。在地質礦產鉆探方面國外研究最有成效的是蘇聯，從1900～1905年間即開展對液動沖擊回轉鉆進技術的研究，但直到1970年才開始逐步在生產實踐中得到應用，其間歷經約70年。發展較成熟的液動錘型號為Г-7和Г-9型，直徑分別為59mm和76mm，20世紀80年代初還研制成兩種直徑分別為59mm和76mm的繩索取心式液動錘，均為正作用式，由於在適應泥漿環境和壽命方面沒有實現突破而在21世紀初就停止了研究與使用；匈牙利在20世紀60年代研制了直徑從48mm到160mm的5種雙作用液動潛孔錘，其特點是組裝在壹專用拖車上並配套有相應的泵、除砂器、取心工具、鉆頭和事故處理工具等，以便能夠靈活運輸，在施工礦區或工地為好幾臺鉆機服務。當某臺鉆進遇到堅硬地層需要進行沖擊回轉鉆時，可以及時運來全套的附屬機具進行施工，而後又可以靈活地運往其他機臺的孔段服務。匈牙利的這種液動鉆探設備不但在地質礦山鉆探中使用，其較大口徑的液動潛孔錘也用在水井鉆和工程施工鉆探。和原蘇聯壹樣，由於存在的泥漿適應性和壽命問題而停止；日本利根公司曾在20世紀研制了壹種 WH-120N雙作用液動錘，是壹種采用筒狀滑閥的雙作用的液動錘，其最大特點是采用氣液混合作為工作介質，外徑120mm，長度883～1138mm，質量65kg，泵量350～600L/min，由於滑閥對沖洗液要求極高，否則極易卡塞而停止工作，此液動錘僅做過壹些室內試驗後就停止了研發。瑞典的鐵礦生產商LKAB集團成員之壹的 G-DrillAB分公司和南澳大利亞的SDS公司也於20世紀90年代研發過名叫 Wassara的高泵壓液動錘，計劃主要用於礦山勘探。其工作原理是利用壓力水控制異徑筒狀閥的上下位置，從而改變水流作用於活塞的通道，是活塞做上下往復運動。此液動錘工作壓力可達18MPa，曾鉆進105～120mm孔徑，孔深達40m，據介紹時效高，但對沖洗液要求極高，清水要經過100μm過濾器過濾，因此用到生產中會由於泥漿阻卡和零件壽命問題而難以推廣。同時SDS公司還與PDVSA（委內瑞拉國家石油）公司合作，在PCD-2井的4333.03～4353.15m井段對液動錘進行試驗。並在2002年DOE（英國環境事務部）對其SDS系列和Novtek的N系列液動錘進行性能測試，此後這兩種液動錘都沒有新的研究進展面世。
德國克勞斯塔爾大學的復合式（閥為正作用、沖錘雙作用）的液動錘，雖然在室內經過了大量的試驗研究，取得了壹定的成果，但是未曾將其成功應用於實踐。總的來說，國外對液動錘的研究較多且廣，但其工業化的應用還未能實現。
通過上述大致介紹，液動潛孔錘技術的研究，在20世紀的國際範圍處於多家參與、***同發展的情況，但基本由於無法有效解決泥漿的適應性和運動密封副壽命低的原因而在上世紀末停止（表2.1）。
表2.1 國外部分液動潛孔錘統計表
我國從1958年起開始研究，首先是在北京周口店勘探技術研究所試驗站建立專門試驗臺，1963年在廣泛收集資料的基礎上編輯了《沖擊回轉鉆探專輯》介紹國外有關文獻發到許多有地質勘探任務的單位，為後來的發展奠定了基礎。在1965年原地質部勘探技術研究所先後設計了7種不同結構型式的液動錘，其中YZ-2型試制6臺，於1966年在湖南某多金屬礦試用，最大鉆孔深度430m，效果好取得初步成功，在行業中引起廣泛的註意。遼寧地質礦產局第九地質大隊與原長春地質學院等單位從1971年開始研究了壹種具有獨創性的SC-89和JSC-75型射流式液動潛孔錘，並於1982年獲得科學技術獎，這是國內得到實際應用的壹種液動潛孔錘。從1975年以後，我國除了地質系統廣泛地研制液動潛孔錘外，其他幾乎全部有巖心鉆探任務的兄弟部門都對此種鉆進技術進行了研究，他們在生產實踐中幾乎都得到了肯定的好評。這種先進的鉆進技術正在地質鉆探、石油和天然氣鉆井以及各種工程中被逐步認識並穩定地發展著。其技術核心——液動潛孔錘正逐步形成孔底動力鉆具的壹個主要分支。
圖2.1 我國研制的主要液動錘類型
20世紀70～80年代末，我國的液動錘研究進入鼎盛階段，地質、冶金、煤炭等部門分別研制出多種型式和規格的液動錘用於小口徑取心鉆探，其類型涵蓋了正作用、雙作用和反作用、復合式液動錘，全部型號達到三十種以上（圖2.1），部分行業的液動錘見表2.2、2.3、2.4所示。累計鉆探進尺超過了數百萬米，取得了良好的經濟效益。綜合統計可提高鉆進效率30%～50%以上，同時還可明顯提高鉆孔質量和巖心采取率、延長回次進尺、降低材料消耗。國內的最大取心鉆進應用孔深是YZ-54正作用液動錘在安徽321地質隊施工中創造的，其深度達到了1000.66m。液動錘在我國和蘇聯的地質巖心鉆探領域得到了廣泛的應用，完成的工作量壹度可達百萬米，據文獻中描述，蘇聯取心鉆進的最大取心應用深度曾經達到2000m。
進入20世紀90年代，國內開發出 ZC-800、YQ-150、YQ-178、YS-219、SYC-178等型號的液動錘，同時還對液動錘的能量利用率和單次沖擊功提高方面繼續作深入的研究，如研制的樣機YZX127液動錘可配套全面鉆進的球齒鉆頭在Ⅶ級以上可鉆性的花崗巖中鉆進效率達到了3～6m/h；原長春地質學院則對射流式液動錘進行了深入的研究，其主要方法是通過增加沖錘的行程而提高單次沖擊功。兩家單位研究的重心都向大口徑全面鉆進的需要發展，並都取得了壹定的進步，但是由於我國的地質勘探工作量大幅度下降，液動錘的研究投入有所放緩，這些成果並沒有得到很好的應用和進壹步的深入提高，其他的多數原進行液動錘研究機構由於市場和資金原因出現了停滯的狀況（表2.2）。
表2.2 常用液動潛孔錘主要技術參數
與此同時，液動錘沖擊回轉鉆進技術在石油鉆井領域卻得到空前重視，但到現在還處於研制階段。具有代表性的成果如下：
北京石油大學研制的SYZJ液動潛孔錘：雙閥雙作用液動錘，系與地礦部的河北綜合隊合作研制，液動錘在2308～2351m（43m）井段，巖層為泥巖及粉砂巖，粉砂巖中提高鉆進效率63%，在泥巖中提高鉆進效率21%，並減少井眼偏斜，獲得較好的鉆進效果。
德州石油鉆井研究所的YSC178射流式液動錘：在勝利油田曲古3井3643～3761m井段，灰色泥巖，進尺118m，有效時間67h，效率1.76m/h，提高機械效率40%。
射吸式液動錘，川南的桐17井，灰巖，井段2787～2811m，進尺24m，鉆時14.68h，機械效率提高40%。另外西安石油學院與寶雞石油機械廠進行了此類液動錘的研究工作。
國外也從我國引入液動錘進行研究：美國史密斯國際合作公司委托原長春地院合作研制了2套YSC-178型射流式液動錘，於1998年5月在美國史密斯公司本部高壓釜內進行了試驗。1988年射流式液動錘在原西德克勞斯塔爾工業大學深鉆采油研究所（IET）高壓釜中模擬鉆進試驗，在圍壓40MPa下仍然穩定工作，並經實鉆試驗效率提高0.6～1倍。但是由於其計劃是配套德國KTB鉆探計劃使用，由於施工計劃的變化，其研究工作未能及時跟進，導致入井試驗取消，其後也未能繼續深入試驗研究。
因此，到20世紀末，液動潛孔錘的研究偏重理論研究，在生產應用和產品工業化進展方面沒有取得大的突破，尤其是在大直徑深井類的石油天然氣鉆井方面均是壹些零星的試驗或試用，沒有取得工業化應用水平，究其原因，同樣是液動潛孔錘的連續工作壽命無法與石油鉆井類牙輪鉆頭井內工作時間匹配，即液動錘的零件壽命還滿足不了鉆井實際需要。
進入21世紀，液動潛孔錘的研究與應用出現了壹個新的發展期。特別是利用中國大陸科學鉆探工程——CCSD1井這壹展示我國整體鉆探水平與實力的平臺，將眾多鉆探技術其中包括液動潛孔錘推到了深部鉆探的前沿，接受考驗。也使在液動錘的研究上經過多輪改進提高，配合屬世界首創的具有中國特色的組合鉆探工藝（螺桿馬達/液動錘/金剛石取心工藝），效果顯著。自2001年8月到2005年1月13日CCSD1井施工YZX127液動錘***計下井505回次，累計進尺3526.3m，井深5118.2m，在可鉆性8～9級榴輝巖和片麻巖中，平均鉆進效率1.32m，最高鉆進效率2.46m，較回轉提高近壹倍。回次滿管率達95%以上。巖心采取率為90%以上，取得了良好的效果，顯著地改善鉆探施工的經濟技術指標，同時表明該液動潛孔錘對愈來愈深孔的適應性。這也是液動潛孔錘取心鉆進且取得顯著效果的最新世界紀錄。該技術現已成為我國大陸科學鉆探工程的首要特色鉆井技術，在國際交流過程中得到高度的評價，引起了較大的反響。
同時根據YZX127液動錘的成功經驗，勘探技術研究所進行了YZX系列高效液動錘的研發，並形成系列產品，見表2.3。與傳統液動錘比較，該高效系列液動錘結構簡單，密封副由4道減少到2道，有效地降低運動件的阻卡幾率。結構調整參數由5個減少到3個，取消了原有液動錘固定式節流環，減少擊砧時的水墊作用，使液動錘在相同輸入能量時輸出的沖擊能量提高了25%～50%。同時該系列液動錘具有工作穩定操作簡便、即使由於特殊原因不工作時也不會像傳統液動錘迅速截斷水路造成燒鉆事故，而能保證現場采取常規回轉方法鉆完本回次或完成牙輪鉆頭井內壽命，這壹優勢極大地改善了現場安全使用液動錘的可靠性，有顯著的實用意義。
通過科學合理的液動錘分流設計，使液動錘具有可調式、多孔分流結構，較好地解決液動錘工作泵量與鉆井現場所用泵量不匹配（相差50%）的矛盾，在壹定程度上緩解了此問題。通過三種下活塞固結方式的試驗，很好地解決了作為液動錘重要的易損部件——下活塞的現場更換，極大地方便了生產現場使用並節約成本。
表2.3 YZX系列液動潛孔錘結構性能參數
根據國內鉆探市場的變化，為了滿足國家新壹輪地質大調查對小口徑繩索取心大規模應用的需要，勘探技術研究所在高效系列液動錘研發成功的基礎上，將鉆進效率較高的液動錘鉆探技術和繩索取心技術相結合，及時研制出了新壹代SYZX系列繩索取心液動錘（表2.4）。
表2.4 SYZX繩索取心式液動錘鉆具主要性能參數
該型液動錘取得了良好的鉆探效果：時效壹般提高30%至數倍以上，回次進尺增加25%以上，成本降低15%以上。克服了早期所研究的液動錘結構比較復雜，易損件較多，工作可靠性較差等缺陷，使得該系列的繩索取心液動錘在適應性、工作穩定性、易損件壽命等諸多方面具有明顯的優勢。
總的來說，取得較大進步的液動錘技術可以較好地適應以取心鉆進方式的鉆進條件，分析其原因，主要還是取心鉆探沖洗液質量較好保證以及取心鉆進連續工作時間較短（壹般10h以內）。另外取心提鉆給地面檢修液動錘提供了機會與時間。