新型液动射流冲击器实验

针对天然气深井、超深井钻井中难度大，时效低，钻头寿命短等问题，提出在深井、超深井钻井中采用新型液动冲击回转钻井技术。新型液动射流冲击器包括肺形阀式射流冲击器、盖板流阀式射流冲击器、连体阀式射流冲击器、麻雀型阀式射流冲击器，其工作原理与传统射流冲击器类似。实验包括凹劈、凸劈、尖劈、平劈实验。实验结果表明：通过改变劈形，增加阀等措施，除麻雀型阀式射流冲击器外，均可实现正常冲击。但连体式射流冲击器中的阀及尖劈极易损坏。为了实现深井钻井，建议采用加大喷嘴过流断面面积、改变劈形等措施来解决新型液动阀式射流冲击器易损坏的问题。     

新型液动射流冲击器顶紧及密封机构设计

针对液动射流冲击器中压盖与射流元件之间出现的密封及缸体活塞卡死问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构,对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验。试验得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度,得到了冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明：该机构可以解决液动射流冲击器内部零部件因预紧力不足导致的密封失效和因预紧力过大导致缸体变形、活塞运动受阻或卡死的问题;冲击器的性能参数得到了优化,可以根据现场所需的冲击功和冲击频率,对冲击器的流量等操作参数进行调节,以满足不同地层岩性的钻井需求。     

液动射流冲击器顶紧及密封机构设计与试验

针对以往液动射流冲击器中元件压盖与射流元件之间出现的密封失效、缸体变形及活塞运动受阻等问题,设计了新型碟簧元件顶紧及密封机构。对该密封机构进行了理论计算、强度校核和性能测试试验,得出了该结构射流冲击器的最大冲击功、冲击频率和冲击末速度以及冲击器性能参数与操作参数之间的关系曲线。试验结果表明,该液动射流冲击器工作正常,稳定性良好,在不同排量下具有稳定的冲击功、冲击末速度和冲击频率。现场应用中,可以通过调节冲击器的行程参数和操作参数获得最佳的冲击功和冲击频率,以满足地层岩性的钻井需求。     

石油钻井液动射流式冲击器的设计

根据石油钻井的工况条件，确定了射流式冲击器性能参数的设计目标，利用正交试验法对冲击器的主要结构参数进行了优化设计。优化设计基于大量室内模拟实验数据所建立的数学模型，所设计的冲击器性能参数与实际测试结果基本吻合，优化设计结果也揭示了射流冲击器各结构参数与性能参数相互影响的规律。同时亦介绍了石油钻井液动射流冲击器在结构设计上的创新点。     

液动冲击器工作动力学模拟研究

液动冲击器工作性能是影响冲击旋转钻井技术现场应用效果的主要因素之一。为充分发挥冲击旋转钻井技术的应用效果，在考虑射流元件工作特性的基础上，运用流体力学理论建立了液动冲击器工作动力学模型，并编制了计算液动冲击器性能参数的模拟程序，通过模拟计算程序得到了在不同液动冲击器结构参数和钻井水力参数下液动冲击器基本参数的变化规律。该动力学模型不仅可用于改进液动冲击器的设计，而且可用于优选液动冲击器的性能参数和冲击钻井钻具组合设计。该研究成果在四川川东地区龙会4井和天东90井得到了应用，对现场施工设计起到了较好的指导作用。     

液动冲击钻井技术发展与应用现状

冲击钻井比传统钻井或者金刚石钻井的机械钻速高,特别是在硬质地层能大幅提高机械钻速。在介绍冲击钻井技术特点的基础上,分析了国内外冲击钻井技术的研究进展和应用情况,对国产液动射流式冲击器、射吸式冲击器和阀式冲击器的结构特点和性能参数进行了对比分析。指出阀式液动冲击器在井下的工作寿命和稳定性有待提高,射流式冲击器的工作压降有待降低。最后提出冲击器的2个研制方向:一是高频率、小单次冲击功;二是低频率、大单次冲击功。     

液动射流式冲击器工作数学模型建立

从液动射流式冲击器活塞冲锤的受力分析入手，建立了活塞冲锤的运动方程，并求出了解析解，编制了液动射流式冲击器计算机辅助设计软件。液动射流式冲击器设计软件的计算结果与室内冲击器试验进行了对比拟合，实测值与计算值吻合的较好，误差小于6％，并通过软件模拟计算得出了各参数变化对冲击器性能参数的影响，为液动射流式冲击器的设计提供了理论依据。     

塔河油田液动射流冲击器+PDC钻头提速技术

为了进一步提高塔河油田深部硬地层的机械钻速,基于旋冲钻井技术理论与实践经验,开展了液动射流冲击器+PDC钻头提速技术研究与实践,探索液动射流冲击器与PDC钻头配合使用提高深部地层机械钻速的技术可行性。首先根据塔河油田深部硬地层的特点及与冲击器配合的要求,优选了PDC钻头;接着利用液动冲击器性能测试系统,测试了液动冲击器各结构参数对其性能的影响;最后根据测试结果及所优选PDC钻头的抗冲击性能,确定了液动射流冲击器的结构及性能参数。液动射流冲击器与PDC钻头配合在 S116-3 井、TP324井和TP328X井的奥陶系地层进行了应用,机械钻速与同井上下井段及邻井相同井段相比,提高了32%~45%。这表明液动射流冲击器与PDC钻头配合使用,可以提高塔河油田深部地层的钻速。      

液动射流式冲击器的研究现状与发展方向

冲击器作为旋冲钻井工艺技术实施的核心部件,其性能直接关系到旋冲钻井的效果。介绍了液动射流式冲击器的结构、原理和优点,并对冲击器的计算机仿真技术、结构优化及加工现状、性能测试现状进行了评价分析,指出液动射流式冲击器今后将朝着长寿命、大冲击功以及系列化、集成化方向发展。通过对冲击器的持续研究和改进,旋冲钻井工艺技术必将广泛应用于石油钻井行业。     

小井眼射吸式液动冲击器工作性能数值模拟

液动冲击器钻井技术是解决深井硬地层钻速慢、钻井效率低的有效方法之一。为了研究射吸式冲击器的实际工作状况,对现有的射吸式冲击器进行了有限元模拟分析,研究了不同冲锤质量、泵排量、喷嘴直径对冲击功和冲击频率的影响,优选出最优的工作参数。结果表明,在边界条件、泵排量和喷嘴直径保持不变时,随着冲锤质量的提高,工具冲击功增大,冲击频率降低;当冲锤质量为9.675 kg时,冲击频率为1 397次/min,冲击功和冲击频率均较大,冲锤回程消耗能量较小,此时冲锤质量为最优;当喷嘴直径不变时,随着泵排量增大,工具内部压降和冲击频率均提高;当泵排量不变时,随着喷嘴直径增大,工具内部压降和冲击频率均降低。该有限元模拟分析了不同工作参数下冲击器的工作效果,为现场的实际应用奠定了良好的基础。     

计算流体动力学在冲击器设计和模拟中的应用

冲击器对旋冲钻井技术的实施起着至关重要的作用。随着计算流体动力学(CFD)技术的发展,CFD也逐渐应用到冲击器的设计和模拟当中。优选了适合液动射流式冲击器性能模拟的CFD软件,建立了计算模型并进行了计算分析,同时利用先进的粒子图像测速(PIV)技术对射流元件的内部流场进行了观测,对CFD模型进行了验证。最后指出,随着计算机技术的不断发展以及CAD/CAE、CFD和PIV技术的有机融合,冲击器虚拟样机设计和模拟技术将会得到进一步的发展和提高,这也是冲击器设计和模拟技术的一个重要发展方向。     

?228.6 mm射流冲击器研制及硬地层提速试验

涪陵页岩气田二开?311.1 mm直井段钻遇的龙潭组、茅口组地层坚硬,可钻性差,钻头使用寿命短,机械钻速低。为了提高该井段机械钻速,研制了?228.6 mm射流冲击器,并进行了台架试验,结果显示,该射流冲击器性能参数可调范围大,当行程、冲锤质量和排量变化而其他条件不变时,冲击力、单次冲击功、冲击频率随之呈近线性变化。在台架试验的基础上,优选了?228.6 mm射流冲击器的结构及性能参数,优化了钻具组合及旋冲钻井参数,并在焦页109–1HF井硬地层进行了现场试验。现场试验结果表明,?228.6 mm射流冲击器提速效果显著,较邻井二开平均机械钻速提高104.9%。?228.6 mm射流冲击器的成功研制,为涪陵页岩气田二开直井段硬地层钻井提速提供了有效的技术手段。      

基于虚拟仪器检测系统测射流冲击器性能参数

目前经常应用的液动冲击器冲击性能参数的测试方法有多种,但均存在某种缺陷。为此给出了一种测试射流冲击器性能参数的方法,即基于LabVIEW虚拟仪器平台的检测系统,用于测试射流冲击器的冲击功及频率。介绍了冲击频率检测电路、声音拾取电路、声音传送及变换电路。通过系统压力检测电路,可测得冲锤活塞上、下腔压力,求得冲锤活塞的单次冲击功。该方法具有操作简单、测试方便、成本低、开发周期短、测试可靠、精度较高等优点。     

井下震源发生器优化设计

针对随钻地震强度低、不利于井眼间防碰监测的问题,设计了一种蓄能式井下震源发生器。该发生器主要由活塞、弹簧、冲锤、铁砧和延时装置等组成,通过钻井液蓄能获得高效冲击功。为使其获得最佳输出性能,以冲锤为研究对象,建立了井下震源发生器冲锤流道模型,基于CFD动网格技术,利用CFD软件分析了弹簧刚度、冲锤质量、节流面积、出口直径和数量等设计参数及钻井液密度对井下震源发生器输出性能参数的影响规律,分析得知:节流面积、出口数量、出口直径和钻井液密度与井下震源发生器输出性能参数呈正相关关系;弹簧刚度越大,冲锤最大冲击功对应的位移越小;冲锤的质量越大则速度越小。基于单因素分析结果,以冲锤冲击功为优化目标,利用正交试验优选了设计参数组合方案。研究结果表明:各设计参数对井下震源发生器输出性能的影响不尽相同;出口直径和弹簧刚度对井下震源发生器输出性能的影响极为显著,节流面积、冲锤质量和出口数量对井下震源发生器输出性能的影响显著,而钻井液密度的影响不显著。根据研究结果筛选出了各设计参数水平的最优组合,研究结果还可以为井下震源发生器的设计提供依据。      

空气锤撞击应力波模拟研究

空气锤钻井具有转速低、钻压小、控制井斜容易、提高机械钻速、减少钻井时间和成本等优点，因而在国内外各个领域受到广泛的重视和应用。但是研制大直径、高性能空气锤仍然是目前的难题，空气锤活塞和钻头在撞击过程中产生极高应力，严重制约了空气锤尺寸的设计，导致构件寿命大大降低。根据应力波传播理论及赫兹非线性撞击理论，应用差分原理对空气锤整个撞击过程、撞击过程中活塞和钻头受力进行了模拟研究，并编制了空气锤撞击应力波的模拟程序；应用此程序就活塞中截面位置变化对其性能的影响进行了研究。通过实例分析，得出空气锤活塞中截面位置对活塞受力影响较大，对整个凿入效率影响不大的认识。     

低速射流元件控制的高能液动锤研究

为解决常规射流元件受钻井液冲蚀而过早失效问题和满足高效碎岩钻进对冲击功的要求,设计了SC71B型新一代液动锤试验样机,并通过试验和数值模拟研究了活塞冲锤质量对射流元件临界流速的影响。试验结果表明,配用常规质量的活塞冲锤时该低速型射流元件实测临界流速为21.83m/s,不到以往实测最低值的1/2;当活塞冲锤质量较常规增加5倍时,冲击功较常规增加40倍以上,其临界流速仍不大于以往实测最低值。活塞冲锤质量对临界流速和冲击功影响的CFD动态数值模拟分析结果与实测结果吻合。该研究结果对研制油气钻井用长寿命高能射流式液动锤有重要借鉴意义。     

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中的应用

射流冲击器配合PDC钻头在超深井中应用可有效提高机械钻速。在简要介绍旋冲钻井破岩机理和射流冲击器的工作原理与性能特点之后,对应用于新疆塔河工区的YSC-178射流冲击器的技术参数进行了优化,选择冲击器活塞行程15 mm,冲锤质量45 kg,分流孔直径13 mm,确定冲击功193～268 J,冲击频率6～19 Hz,压耗1～3 MPa。最后对YSC-178射流冲击器在S116-3井的应用情况进行了详细分析,指出该型射流冲击器与PDC钻头配合进行超深井钻井提速是可行的,应用井例的机械钻速较邻井显著提高。