阀式反作用液动冲击器参数计算及性能分析

本文论述了阀式反作用液动冲击器的工作原理提出了计算击力和冲击频率的方法。通过旨出阀式反作用液动冲击器适用于中中硬以上地层，并用应尽量增大泥浆排量，采用较大刚度的冲锤簧，以使冲击器的优点得到发挥。     

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。     

液动冲击器发展现状及在油气钻井应用探讨

液动冲击钻井技术是解决硬地层钻速慢难题的有效方法之一。着重对液动冲击器的类型、工作原理、发展现状及优缺点进行综述,并对其在油气钻井行业的发展方向进行探讨。分析结果表明:正作用式液动冲击器的尺寸小,主要应用于浅地层,技术成熟,在地质矿探工程中应用广泛;双作用式和射流式液动冲击器的尺寸较大,适用于深井,该技术处于试验阶段,未大规模推广应用;反作用式和射吸式液动冲击器在早期有研究,后期研究较少。在油气钻井行业中,液动冲击器发展方向是输出功率高、关键部件制造要求高、对复杂井下条件的柔性适应性要求高,双作用式和射流式液动冲击器在油气钻井行业中具有较好的发展前景。     

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。     

油气工业可借鉴的冲击回转钻进技术

总结分析了冲击回转钻进技术原理和方法。探讨了冲击回转钻进技术在我国油气钻井工程中应用的可行性。介绍了阀式正作用、反作用和双作用三种主要冲击器的结构特点     

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。     

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。     

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。     

液动射流式冲击器结构设计及试验研究

旋冲钻井用液动射流式冲击器焊镶和粘接部位极易开裂导致泄漏、卸压,缸体上、下腔工作压力建立不起来,造成冲击器停止工作或工作断续不稳,影响冲击器的性能。为此,对冲击器缸体进行了一体化结构设计,精选特制高性能热作模具钢材料(HHD),采用整体铸造方式成型,缸体表面采用液体氮化加氧化工艺处理。对该结构冲击器进行了室内性能测试试验和现场应用试验。结果表明,该结构液动射流式冲击器的性能得到改善,具有良好的工作稳定性和参数的可调节性;可以有效地提高深部硬岩地层机械钻速,防止井斜,降低钻井成本。     

玉北地区深部地层扭力冲击器提速工艺

新疆玉北地区古生界沙井子组地层埋深4 000 m以上,岩石强度高;加之泥质岩含量高、塑性强,地层可钻性较差,提速困难。前期实践表明,沙井子组高塑性地层牙轮钻头的纵向冲击压碎破岩效果不佳,常规PDC钻头钻井反扭矩大,易产生“黏滑”现象,破岩效率低。为提高机械钻速,降低钻井综合成本,引入了国外的新型钻井提速工具——TorkBuster扭力冲击器,并通过匹配个性化PDC钻头、提高钻井液排量、合理控制钻压等配套技术措施,大幅度地提高了平均机械钻速。“PDC钻头+螺杆钻具”、“孕镶PDC石钻头+涡轮钻具”和“PDC钻头+扭力冲击器”3种钻井工艺的现场试验结果表明,扭力冲击器提速效果明显,平均机械钻速为6.42 m/h,与前期相比机械钻速提高了2~3倍。扭力冲击器钻井克服了深井高强度塑性地层的钻井难题,可进一步推广应用。     

脉冲射流式液动冲击工具的研制及现场应用

目前,对于水力脉冲射流的研究主要集中在脉冲流场及其作用效果等方面,而在液动冲击与脉冲射流协同破岩方面则还是空白。为此,基于脉冲射流相关理论,将液动冲击提速与脉冲射流协同破岩有效结合起来,分析其工作原理与实现条件,研制了脉冲射流式液动冲击钻井工具,并通过室内试验和现场实验验证了该工具的破岩能力。结果表明:(1)冲击体质量小于60 kg时,该工具能够运行;(2)液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合破岩能力明显优于其他钻具组合的破岩能力,在水平钻进过程中,其提速效果更明显;(3)冲击效果由冲击体的质量和冲击频率决定,质量为30 kg的冲击体的冲击效果更好;(4)脉冲射流越大,其破岩能力越强,减小工具喷嘴的直径能够增大脉冲射流;(5)液动冲击对高硬度岩石的破碎具有更明显的加速效果,对于胶结程度较差的岩石,通过增大脉冲射流,可更大幅度地提高破岩速度。现场应用效果表明,液动冲击与脉冲射流协同作用下的钻具组合的机械钻速为2.52 m/h,较之于常规钻具组合,该工具平均提速可达72.5%。结论认为,该工具为解决深井与水平井钻进速度慢、压持效应明显与岩屑清理困难等问题提供了新的思路。     

旋冲振荡钻井提速工具的研制与应用

针对PDC钻头在硬质地层出现的黏滑振动问题,为改善PDC钻头受力状态,提高硬质地层的机械钻速,研制了旋冲振荡钻井提速工具。该工具以高压钻井液为驱动介质,能同时产生轴向冲击和扭转冲击。文中对工具的结构与原理进行了阐述,分析了工具内部腔体钻井液压力分布,计算得到了工具的冲击频率、冲击功等性能参数。室内实验结果表明:旋冲振荡钻井提速工具能实现轴向和扭转相耦合的冲击载荷,工具冲击频率和压降随着排量的增大而增大。现场试验结果表明:该工具能够实现提速减振效果,应用井段平均机械钻速提高了59.46%~84.33%,PDC钻头未出现崩齿现象。     

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。     

V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场分析

通过三维有限元计算来研究V型缺口冲击试样缺口根部三维弹性应力场，分析了不同厚度含有V型缺口冲击度校缺口根部的应力集中系数、离面约束系数以及相对离面应力σz/σz0。结果表明：中面缺口根部附近的应力集中系数是B／α的函数，当B／α值较小时，随着B／α值的增加，界面缺口根部应力集中系数Kt增加，在B/α＝0.5附近达到最大值；一，界面缺口根部应力集中系数Kt随着B/α值的增加反而减小，沿厚度方向界面缺口根部附近应力集中系数Kt均小于相应中面的应力集中系数，缺口根部的应力集中系数Kt是z/B和B／α的函数。沿厚度方向界面缺口根部附近的离面约束系数Tz也是z/B和B／α的函数，随着厚度的增加离面约束系数Tz增大，离中面越近离面约束系数Tz越大。根据上述结果分析了高强度管线钢在冲击试验中断口产生分层裂纹的原因。     

冲击大电流测试方法与实验研究

在电阻率测井和地层测试等过程中，为了提高对介质的探测深度，希望采用尽可能大的测试电流。但大电流的产生不仅增大了电源的技术难度，而且使整个系统的体积、功耗、成本都增大。文章提出了一种利用低能电源产生冲击大电流的方法，并且通过罗果夫斯基线圈对冲击电流进行了测试。理论计算和实验结果表明，这种方法可以得到较高的测量电流。此外，实验装置采用干电池供电，体积小，适合于井下有限空间中的测试，因此具有一定的理论价值和实用性。     

鞍钢X80钢板在不同焊丝-焊剂匹配下冲击韧性的研究

研究了鞍钢X80钢板在多丝埋弧焊时不同焊丝-焊剂匹配条件下的冲击韧性。试验表明,鞍钢X80钢板对于试验所选的焊丝-焊剂匹配,其冲击功均满足标准要求。在较高焊速下(外焊2 m/min,内焊1.9 m/min),宝鸡H08C与现代S-900SP的匹配,其焊缝热影响区及焊缝区冲击韧性最好;宝鸡H08C与奥林康OP121的匹配次之。在较低焊速下(外焊1.65 m/min,内焊1.55 m/min),美国林肯LNS140TB与美国林肯998N、宝鸡H06H1与SJ101H1的匹配最好。两种情况下宝鸡系列的匹配均为中上水平且冲击功值稳定,结合经济性考虑可作为优先选用的匹配。     

冲击振动钻井工具流固耦合模拟试验

深井超深井钻井过程中,旋转冲击钻井技术是解决硬岩钻速慢的有效方法之一。目前液动冲击器多采用水力能量驱动,随着井深的增加,管路水力能量损耗增大,依靠钻井液驱动的液力冲击装置同样需要消耗水力能量,使得钻头有效压降进一步降低。因此,液力驱动冲击钻井技术在深井超深井中的应用受到局限。基于钻柱振动原理,提出一种利用水力能量和钻柱振动耦合作用的新型冲击旋转钻井装置,通过建立流固耦合物理模型,运用流固耦合方法,获得入口流量、运动位移、振动频率以及入口和出口直径等对装置所产生的载荷特征影响规律。结果表明,装置所产生动载荷幅值随流量、振动位移以及振动频率的增加而增加,而静载荷仅与流量变化有关。     

扭转冲击钻具设计与室内试验

常规钻具在钻硬地层时机械钻速低,钻头失效快,钻井成本高。为此,设计了扭转冲击钻具。该钻具可将流体的液压能转换成扭向的、高频的机械能并直接传递给PDC钻头,给钻头施加周期性的低幅高频扭转冲击,当与钻柱稳态扭矩相结合时,能对钻头施加高效的破岩扭矩,大幅减小或消除钻头的粘滑振动,在保证井身质量的同时提高机械钻速,延长钻头寿命。对扭转冲击钻具的关键部件——扭转冲击副的运动可行性分别进行了仿真分析和室内试验。结果表明,扭转冲击副运转顺利,滑动块与传动轴周期性的碰撞可对传动轴施加周期性的低幅高频扭向冲击。     

Reaction Characteristic for Various Scale Explosive under Mild Impact

This work presents a varying trend of impact ignition threshold denoted by minimum impact velocity to trigger an ignition when the scale of the explosive changes. The effects of explosive scale factors on impact-induced reaction degree were investigated using Steven tests and numerical simulation for polymer-bonded explosive-C03 (a cyclotetramethylene tetranitramine [HMX]-based explosive) impacted by projectiles of various velocities. Two scale factors—that is, axial thickness and radius—were studied through various scale samples including Φ98 mm × 13 mm, Φ98 mm × 39 mm, Φ140 mm × 13 mm, and Φ140 mm × 39 mm. The velocities of projectiles and the impact and ignition processes were analyzed using a high-speed camera. The pressure histories were measured by embedded manganin pressure gauges and poly vinylidene fluoride stress gauges. The reaction overpressures of the explosive were obtained by blast pressure gauges to evaluate the reaction degree. The effects of explosive scale factor on reaction degree and characteristics under mild impact were summarized. In a certain range (larger than the diameter of the impact projectile), different sample diameters do not influence the velocity threshold, but the thickness of the samples does; that is, the velocity threshold increases with the thickness of the sample. The study also indicates that the ignition and explosion in Steven tests are mainly triggered by the overlapping of direct impact and reflected stress waves. Our numerical simulations results of pressure and ignition times are consistent with the experimental data. The obtained knowledge can be used to evaluate the safety of different scale HMX-based explosives under accidental impact or falls.