基于LabVIEW测射流冲击器冲击功及冲击频率

射流冲击器的冲击功和冲击频率是衡量射流冲击器水平与质量的2个重要指标.笔者应用基于LabVIEW虚拟仪器平台的检测系统测试冲击功及冲击频率.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,说明了冲击频率参数求取的过程和原理.通过系统压力检测电路,测得冲锤活塞上、下腔压力,求取冲锤活塞的单次冲击功.此方法操作简便,测量结果准确.     

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。     

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。     

?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。      

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。     

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。     

旋冲钻井参数对破岩效率的影响研究

通过理论和试验相结合的方法,分析了旋冲钻井参数对破岩效率的影响及钻井参数与冲击器性能参数间的关系,讨论了石油钻井中常遇到的泥岩、砂岩、灰岩的基本特性参数与冲击器的冲击功和冲击频率的关系,给出了岩石强度、可钻性及硬度与冲击器性能参数的关系.     

阀式液动射流冲击器的研制

液动射流冲击器在深井模拟实验室的试验结果表明，其在实际应用中具有良好的可行性和应用前景。与此同时，也发现了一些问题，如由于喷嘴过流断面较小等原因导致的射流元件易损坏的问题，所以需要增大喷嘴过流断面。但这种改变必然对射流切换造成影响，其它结构参数必须重新设计。而大量模拟试验表明：增大喷嘴过流断面，调整其它相关结构参数，射流能够实现切换。为此，实际冲击器在设计时增设一阀，将信号道移到中板，改变劈形，排空孔下移且合二为一。重新设计的阀式液动射流冲击器与同规格射流冲击器相比，在冲击功及冲击频率方面相差不大，但压耗大幅度降低。     

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。     

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。     

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。     

YDC型阀式双作用液动锤冲击性能优化

YDC型液动锤是一种适用于油气钻井的新型阀式双作用液动锤,因其内部压力匹配关系复杂、影响冲击性能的因素多,难以依靠经验和试验的方法找到各种因素的最佳匹配关系。为此,在分析该液动锤工作原理的基础上,对其主要运动部件——阀芯和冲锤进行了受力分析,建立了阀芯和冲锤各个工作阶段的动力学模型;基于Matlab软件平台开发了液动锤性能优化设计软件,并将软件计算的性能参数结果与室内试验的结果进行了对比。结果表明:(1)单次冲击功、冲击频率和冲击功率,随泵排量的增大或节流嘴直径的减小而增大,随冲锤上下腔面积差的增大而先增大后减小;(2)单次冲击功和冲击功率随冲锤质量的增大而增大,但冲击频率缓慢下降;(3)随着冲锤行程的增大,单次冲击功呈增大趋势,而冲击频率则呈下降趋势,冲击功率基本保持不变;(4)随着阀芯质量的增大,单次冲击功呈增大趋势,但冲击频率和冲击功率均下降;(5)单次冲击功和冲击功率最优时的参数组合是a5b1c5d4e3f2,排量对单次冲击功和冲击功率的影响最大。结论认为,在现有钻井泵排量和泵压条件下,通过改进液动锤的结构来实现大的做功排量,可有效提高液动锤的冲击性能。     

螺杆式旋冲工具凸轮机构性能测试装置设计及试验研究

螺杆式旋冲工具通过增加轴向冲击功能来提高破岩能量的方式,可以有效地提高研磨性强、可钻性差的复杂地层机械钻速。而针对目前螺杆式旋冲工具凸轮机构性能参数缺乏有效的室内测试装置及方法的问题,自主设计了可满足不同凸轮机构类型冲击力、冲击频率和损耗扭矩的测试装置,并开展了静压力、转速、螺旋面数量、冲程高度作用下滚轮—凸轮机构和双凸轮机构的冲击力、冲击频率和损耗扭矩等性能参数的试验研究,明确了冲击力、冲击频率和损耗扭矩参数的变化规律及主要影响因素,获取了冲击力和冲击频率的计算公式,掌握了滚轮—凸轮机构和双凸轮机构在损耗扭矩方面的差异性,为螺杆式旋冲工具的性能参数计算及凸轮机构类型优选提供了理论依据。