钻井利器的故事之“液动潜孔锤”

在各种钻探方法中,液动冲击回转钻进具有效率高、质量好、回次长、事故少、成本低等优点,而液动潜孔锤又是液动冲击回转钻进的技术核心。本文梳理了各种液动潜孔锤的结构特点及其与绳索取心钻具、孔底动力钻具相结合衍生的各种钻具,简要介绍了这一技术的典型应用案例,总结归纳了其下一步发展方向和技术难点,以期普及液动锤的应用,促进液动冲击回转钻进技术的进步。

球型调节阀液动力矩特性仿真及优化设计

为了获得液体火箭发动机调节阀的液动力矩特性,采用kubota空化模型和标准k-ε湍流模型针对某型调节阀在发动机运行工况下的空化流动开展了数值仿真研究,通过与液流实验数据的对比验证模型准确性,并定量分析了阀芯液动力矩的影响因素、分布特性和演化规律。研究结果表明:阀芯液动力矩大小取决于开度、压差和阀芯流道直径。相同压差下,开度由10°增加至80°,液动力矩单调增加,方向均为使阀芯关闭。相同开度下,压差分别增至3倍和5倍,液动力矩分别变化为原来的3倍和5倍左右。液动力矩分布主要由密封面力矩和主流道力矩两部分组成。随着开度的增加,密封面力矩先减小后增加,主流道力矩先增加后减小。阀芯流道直径由70 mm减小为60 mm,液动力矩最大值增加了24.5 N·m。这是因为相同发动机工况下,减小流道直径使得阀芯开度增加,主流道力矩增加数值大于密封面力矩减小数值,所以总液动力矩呈增加特征。提出了削去原始模型主流道下壁面区域的优化方案,优化模型在100%工况时液动力矩仅为13.2 N·m,且优化模型的流通面积保持不变。与降低流道直径的优化方案相比,所提出的针对主流道下壁面优化方案液动力矩最大值减小了94.4 N·m,大大减轻了控制电机的负荷,已成功经过多次发动机试车考核,提高了液体火箭发动机的可靠性,并为实现发动机轻量化提供了重要参考。

翼型悬浮抛光液动压流场的数值模拟

分析了盘式翼型悬浮抛光(ASP)的液动压分布规律,推导了工件盘和抛光盘不同心角速度反向等速条件下的液动压数学模型。对盘式翼型悬浮抛光流场进行了数值模拟,揭示了抛光盘和工件盘的运动关系以及抛光盘不同翼型曲线和迎角对流体动压力的大小和均匀性的影响规律。研究表明,当抛光盘和工件盘反向旋转时的流体动压力均匀性明显优于同向旋转,且当转速比为-1时流体动压力分布的数值模拟效果最佳;当选用NACA 16018翼型曲线、迎角为0°时,液动压带的面积数值效果最优。

高能液动锤超硬岩快速钻进成套装备与技术

当煤矿井下瓦斯抽放孔钻孔施工中遇到f≥12的岩层时,采用PDC钻头的回转切削效率极低。为解决煤矿井下硬岩钻进的技术难题,提出了煤矿井下高能液动锤的成套配置方案。采用该技术方案开展了井下钻孔试验。试验结果表明,在石英砂岩(10≤f≤12)中,机械钻速18.63~32.84 m/h;在硅质泥岩(12≤f≤17)中,平均机械钻速21.91 m/h。为煤矿井下硬岩钻进提供了一种新技术,可提高煤矿硬岩钻进效率。

液动除尘器在炮掘工作面钻孔除尘中的应用研究

针对煤矿井下炮掘工作面钻孔施工过程中产尘量大、尘源点多、严重威胁作业人员身体健康和作业场所安全生产的问题,提出采用液动除尘器进行粉尘治理。通过对该除尘器抽风量、吸尘罩安装距离、吸尘罩安装高度与降尘效果之间的关系进行试验研究,得到其配套工艺参数。现场测试表明,该除尘器与钻机液压系统配套使用运行平稳、可靠,移动方便。炮掘工作面使用该除尘器后,距迎头5 m处巷道内总粉尘降尘效率达82%以上,有效改善了工作面的作业环境。

循环水泵出口液动蝶阀调试及逻辑优化

循环水泵作为各发电厂最重要的辅助设备,液动蝶阀是循环水泵系统的主要设备,其设备运行的可靠性关系着循环水泵系统的安全与稳定,而循环水泵系统的运行状况直接影响着机组的真空品质和汽轮机效率,严重故障时可直接导致汽轮机跳闸。基于此,结合实际循泵蝶阀案例的控制现状,提出液动蝶阀调试及逻辑优化的具体措施,以此提升整体机组的平稳运行与设备安全效果。

液动冲击螺杆马达在煤矿瓦斯抽放中的应用

主要介绍了液动冲击螺杆马达与配套的ZYWL-6500DS定向钻机在鑫运煤矿的使用情况。通过瓦斯抽放孔施工,证实液动冲击螺杆马达在施工超硬岩石时比普通液动马达效率更高,平均单班进尺不低于30 m。解决了煤矿在硬岩(f>8)钻进中速度较慢的问题。施工结果表明,液动冲击螺杆马达比同类型的孔底马达在钻进速度和成孔率方面有着明显的优势。

液动下开式堰门在城市河流管理中的创新应用

本文探讨了液动下开式堰门在城市河流管理中的创新应用,该技术通过精确调控水位,有效实现了非降雨期的景观水位控制与降雨期的行洪通畅保障。液动下开式堰门由堰框、堰板、液压缸等关键部件组成,其设计寿命长达30年,渗漏率控制在极低水平,确保了长期稳定性和生态保护。在自动化控制系统的集成下,实现了实时监控和调节,提高了管理的灵活性和响应速度。通过实际应用效果分析,验证了该技术在防洪控制和生态保护方面的优势。针对液压系统维护、密封性能、自动化控制系统的集成等技术挑战,本文提出了相应的解决方案,为城市河流管理提供了新的思路和技术支持。

线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式,推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟,剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明:液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加,与此同时其分布均匀性反而下降;抛光间隙值越小,液动压力和黏性切应力数值越大,且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台,以K9玻璃为实验对象,探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。

DQY-178型液动旋冲工具深层提速原理分析

DQY-178型液动旋冲工具是一种新型钻井提速工具,可以有效应对深部研磨性强、可钻性差的地层,提高了单只钻头进尺和机械钻速。目前已在大庆、吉林、新疆、川渝、外蒙等油田应用146口井,与常规钻进方式相比平均提速135%,单井钻井周期平均缩短钻18.53天,提速效果明显。本文详细介绍DQY-178型液动旋冲工具的技术特点,对其提速原理进行分析,它在实钻过程中提高了门限钻压,再配合优化后的钻具组合,可有效的减少钻具黏滑与涡动,为深层钻井提速提供有力的技术支撑。

深水水下液动闸阀国产化研制及工程应用

针对水下液动闸阀长期以来完全依靠进口的问题,结合国内首台500 m水深级水下液动闸阀自主研制并成功应用的经验,分析深水水下液动闸阀设计、制造、测试和认证关键技术,提出闸阀和液动执行器设计、关键部件材料选择、制造关键工艺和液动执行器认证的具体技术要求。

基于强化学习的液动节流阀阀位控制策略

控压钻井是一种复杂的钻井工艺,自动节流管汇上节流阀的控制是实现井底压力精确控制的关键技术。首先,建立控压钻井装置中液动节流阀的动态模型,该节流阀采用比例伺服阀作为液压调节元件,采用控制器控制比例伺服阀的阀芯移动改变液动节流阀液压缸中液压油的流入量,进而实现对液动节流阀阀位的控制。其次,提出一种基于深度强化学习的液动节流阀阀位控制策略,该策略利用DQN(Deep Q-Network)算法,通过液动节流阀和智能体相互交换过程中学习比例伺服阀对液动节流阀阀位的控制。最后,通过仿真和现场试验验证了阀位控制策略的有效性,为成功实施控压钻井提供了保障。

煤岩两用液动锤钻头的结构设计研究

为了提高煤矿井下穿层孔硬岩施工的效率,解决液动锤一趟钻实现煤岩互层钻孔的问题,设计了煤岩两用液动锤钻头,并分析了其工作原理。通过对钻头水力结构参数的计算和模拟分析,得出了可以通过调整切换阀的水力结构以及阀芯和阀座弹簧弹力匹配设计,实现对钻头功能切换所需的压力和钻头切削推力的精确控制,从而达到液动锤随钻切换冲击-切削模式的目的,实现不退钻完成煤岩互层的高效钻进。

应力松弛影响下液动冲击器往复密封性能研究

液动冲击器在硬地层钻进中有良好的应用效果,高温高压极端工况下往复密封的密封性能对液动冲击器的寿命有重要影响。为此,考虑高温高压影响下橡胶材料应力松弛特性对密封性能的影响,结合液动冲击器的工况参数,通过压力渗透的加载方式对组合密封进行仿真,得到了钻井液压力、密封压缩率和钻井液温度等参数对组合密封主密封面接触压力的影响。研究结果表明:随着钻井液压力的增大,往复密封最大Mises应力和最大应变均逐渐增大,但当钻井液压力达到15 MPa以后,其增长趋势逐渐放缓;随着压缩率的增大,主密封面的有效接触长度逐渐增大,而且当压缩率达到15%时,主密封面的两端均出现较大值;高温环境下组合密封的有效接触长度小于常温,高温会降低动密封的可靠性。所得结论可为液动冲击器的现场应用和性能优化提供参考。

多参数液动潜孔锤测试平台的研究

液动冲击回转钻进技术现已广泛应用于地质勘探领域,但在石油、地热、煤层气等其他钻井领域应用还较少。原因之一是现有的液动潜孔锤正常工作所需泵量和泵压与输出冲击功和冲击频率难以适应上述钻井领域的要求。针对这一问题,分析了冲击功与冲击力的关系,利用压电石英传感器测定液动潜孔锤的冲击功,并研制了多参数液动潜孔锤测试平台,探索液动潜孔锤结构参数对其输入、输出性能参数的影响,以适应不同领域钻井技术的要求。新研制的液动潜孔锤测试平台由数据采集和处理模块、循环动力模块和机械固定模块3个主要模块组成,实现了在尽可能不破坏液动锤结构的前提下对其输出冲击功、冲击频率及泵量、上下腔压力、背压等多个参数进行实时动态监测,进而开展液动潜孔锤理论研究,进一步提高其研究水平和适用领域。

阀芯旋转式高速开关阀稳态液动力矩研究

为突破高速开关阀阀芯行程对开关频率的限制,提出一种阀芯旋转式高速开关阀。采用理论计算与CFD仿真相结合的方法,研究不同阀芯旋转角度下阀芯结构参数变化对阀口过流面积、流量系数、射流角及液动力矩的影响,得到了液动力矩的变化规律。研究结果表明:液动力矩与阀口压差及流量的二次方成正比;压差一定时,液动力矩与阀口过流面积及射流角余弦值成正比,随着阀芯旋转角度增大,液动力矩先增大后减小;流量一定时,液动力矩与阀口过流面积成反比,随着阀芯旋转角度增大,液动力矩逐步减小为零。通过调整阀芯沟槽高度来改变射流角,达到补偿液动力矩的目的。

液动缓冲锁罐摇台动态特性分析

利用ADAMS软件建立煤矿用液动缓冲锁罐摇台虚拟样机,然后进行动力学仿真分析,得出在不同工况作用下整机关键零部件的动态特性曲线,分析优化五连杆结构对整机受力的影响,进一步研究承受复合载荷的锁罐摇台整机稳定性,从而提供了一种更加贴合实际工况的理论分析方法。

系列高效液动锤的研究与应用

传统的液动潜孔锤适应孔深较浅、孔径范围小。传统的正作用式液动潜孔锤阀、锤的工作弹簧对冲击能量影响大、弹簧寿命短,易损坏,其在不正常工作时将截断液流通道,必须提钻检查,否则将会出现烧钻事故;传统的双作用液动锤主要是靠锤、阀各自的上下活塞面积差产生的压力增高而工作,运动密封副多,对冲洗液质量要求高、运动阻卡几率大,固定式节流环对冲锤下行做功将产生一定的阻尼作用。YZX系列高效液动潜孔锤和SYZX系列绳索取心液动锤克服了传统液动锤的诸多不利因素,通过从基础理论研究、结构优化设计、产品规模开发,使我国液动锤技术得到了大幅度的提升,并作为一种高效、简便、节能的新产品,在生产实践中获得了良好的应用效果。

地质钻探液动冲击回转钻进技术再(新)认识

针对地质钻探液动冲击回转钻进适用条件、钻探设备配置要求、冲洗液与现场维护、相关新产品研发等方面提出了一些认识和建议。文章认为,当前地质钻探装备条件的改善,冲洗液性能、质量和固相控制(净化)工作的强化,有利地支撑了液动冲击回转钻进技术的推广应用,小直径金刚石绳索取心液动冲击回转钻进已经成为应用最为广泛的液动冲击回转钻进工艺。对原地质矿产标准《液动冲击回转钻探技术规程》(DZ/T 0053—93)进行修订,是推动目前我国液动冲击回转钻进技术发展的举措之一。今后,还应加强新型高能液动潜孔锤研发和示范应用,研究优化大直径、全面钻进工艺。

YZX108型液动潜孔锤的研制与试验

采用理论计算、三维模拟、室内调试和野外试验相结合的方法成功研制出了YZX108型液动锤,完善了YZX液动锤的口径系列。通过室内调试确定了该液动锤的工作参数及特性。生产试验证实,该液动锤具有结构简单、工作稳定、适应性广、冲击功大等诸多优点,可在常规金刚石回转钻进困难的燧石灰岩等硬岩地层应用并取得较理想的效果。