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。

石油钻井用液动冲击器研究现状及发展趋势

随着油气钻井向深部的发展，硬地层钻进的难题日益突出，而采用传统的牙轮钻头，配合ＰＤＣ钻头及喷射钻井装置，在钻遇硬地层时，钻井效率低，钻头寿命短，钻井周期长，成本高。采用液动冲击旋转钻进技术是解决硬岩钻进最有效的方法之一，具有良好的应用前景。介绍了国内外液动冲击器技术近期研究的进展，以及各类冲击器的结构、工作原理、试验研究成果和生产应用情况。总结了各类液动冲击器的特点，对进一步开展液动冲击器技术的研究提出了建议。

石油背压式液动冲击器动力学模型的建立

为了满足油气勘探开发向纵深发展的需要 ,石油液动冲击回转钻井技术作为一种高效的硬地层钻井技术受到国内外科研工作者的广泛关注。而其中性能优良的冲击器的设计与制造是该技术得以大面积推广的关键所在。文章通过分析冲击器的工作状态 ,冲击参数动力学模型的建立及模型检验给现场提供了一套系统的冲击参数设计方法 ,为冲击器的设计和改进提供了可靠的依据。

石油钻井工程中液动冲击器的性能参数测试

简述了旋冲钻井技术的特点 ,介绍了液动冲击器的工作机理及其性能参数测试在冲击器研制、改进和性能评定中的重要作用 ,总结了目前已有的液动冲击器试验台架和测试工作 ,并给出了应将室内实验。

石油背压式液动冲击器的室内试验研究

随着油气田勘探开发向纵深发展 ,钻遇的硬地层越来越多 ,地层的岩石可钻性级值及硬度增高。冲击旋转钻井技术这一被认为是破碎坚硬岩石最有效的方法目前在石油钻井界得到了普遍重视。冲击旋转钻进是冲击式钻进和旋转钻进相结合的一种钻进方法 ,在钻遇坚硬地层时 ,以其钻速快 ,钻井成本低、岩屑大、钻压低和井斜程度轻等优点受到油气田的普遍欢迎。文章通过对背压式液动冲击器进行室内试验研究 ,得出了各种冲击参数(冲击频率、振动幅值、冲击力大小 )对其使用性能的影响 ;为科学调整和设计背压式冲击器提供了一定的依据 ,同时也为背压式冲击器的现场试验及应用奠定了基础。

射吸式液动冲击器内部流场数值模拟研究

在给出射吸式液动冲击器基本结构的前提下,利用Pro/Engineer软件建立了这种冲击器的流动实体,并对流动实体进行了网格划分。利用计算流体动力学对冲击器内部流场进行了数值模拟计算,得到冲击器内部流场的速度和压力分布;排量与卷吸作用的关系;冲击器各受力面的受力情况;喷嘴的直径和结构对工作参数的影响规律;同时也分析了冲程对冲击器工作参数的影响。模拟研究结果对指导冲击器的内部结构设计具有重要意义。

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。

基于CFD的高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性研究

通过计算流体动力学分析与实验室测试,对SC-86H型高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性进行研究,分析了活塞密封段长度、环状间隙尺寸、活塞往复运动速度、角速度以及活塞外表面螺旋槽螺距与半径等参数对射流式冲击器前后腔之间泄漏量的影响。结果表明:活塞密封段长度、环状间隙尺寸、角速度以及活塞表面螺旋槽螺距均对射流式液动冲击器性能影响较小;活塞运动速度与泄漏量近似成正比例关系;随着活塞螺旋槽半径的增大,泄漏量会明显增大。活塞回程与冲程初期阶段,活塞运动速度较小,活塞处瞬时泄漏量占进入缸体前后腔流体流量的比例较大,使活塞无法快速加速运动,尤其是当活塞杆直径较大时,回程阶段泄漏量对活塞运动的影响更显著,导致冲击器工作性能大幅下降,甚至无法工作。

射流式液动冲击器优化设计研究

传统的射流式液动冲击器活塞缸体大多采用单、双道侧壁密封方式,易出现活塞缸体局部变形、密封失效和钻具刺漏等问题。鉴于此,应用有限元分析模块SolidWorks Simulation对活塞缸体受力情况进行静力学模拟分析。分析结果表明,活塞缸体局部发生了径向变形,且其上端的轴向和径向变形十分明显。因此,在结构上对活塞缸体侧壁密封方式进行优化设计,即采用新型侧壁密封方式代替传统的单、双道密封圈侧壁密封方式。经有限元分析验证,优化设计后的结构可抑制活塞缸体的径向变形,从而防止侧壁密封失效现象。在相同的试验情况下,改进后的射流式液动冲击器比传统的射流冲击器机械钻速提高约52%,单只钻头进尺提高72%,纯钻时间延长14%,钻头磨损较小。因此优化设计后的液动锤工作寿命更长,工作更稳定,钻井效率更高。

液动冲击器缸体结构优化设计

为解决液动冲击器在使用过程中缸体出液孔口出现冲蚀坑的问题,采用CFD分析法对缸体工作过程进行模拟仿真,根据流场模拟结果提出结构改进方法,将缸体流道从径向水平改为与水平方向成45°角的结构。研究结果表明,缸体流道沿径向水平时会引起出液孔口附近液体流速和压力突变,产生脱流回流现象,导致缸体出液孔口附近发生严重冲蚀;结构改进后流场分布情况得到明显改善,且能满足缸体强度要求,延长了冲击器缸体的使用寿命。现场试验中改进后的液动冲击器的平均钻速比改进前提高了34%。

背压式液动冲击器密封问题研究

随着油气田勘探开发向纵深发展 ,液动冲旋钻井技术钻硬地层的独特优点引起了广大科研工作者浓厚的兴趣。但是如何在恶劣的工作环境下提高冲击器的抗摩擦性能成为该技术大面积推广的一个技术难点。文章首先阐述了石油行业中常用的几种典型动密封结构形式 ,然后通过总结这些结构的优缺点 ,提出了一种利于提高冲击器使用寿命的新型密封结构。通过室内试验证实该密封结构性能可靠 ,价格低廉 。

液动冲击器孔底振动测试系统

煤层气开采井钻进过程中经常会用到冲击回转钻进,冲击回转钻进是一种高效的钻进方法,而液动冲击器则是冲击回转钻进的核心。设计了一种液动冲击器孔底振动测试系统,利用该系统可以对孔底液动冲击器的实际工作情况进行分析,系统设计完成后,在通过了室内实验的前提下进行了现场试验,试验结果显示测试系统满足实际使用需要。

液动冲击器在川合148井的应用

利用液动冲击器进行旋冲钻井是在常规旋转钻井基础上发展起来的一种钻井新方法 ,它对于硬脆性岩石及可钻性差的地层可大幅度地提高机械钻速。介绍了液动冲击器的结构及工作原理 ,在川西地区合兴场构造川合 148井下部中硬地层的应用表明 ,旋冲钻井可提高机械钻速 2 0 %以上 ,值得在该地区推广应用。

液动冲击器孔内工作记录仪的研制

从钻进工程实际出发 ,提出了液动冲击器孔内工作记录仪的功能与技术指标 ,论述了记录仪的组成、工作原理与机械结构。利用记录仪 ,可以获知液动冲击器在孔内的工作情况 。

液动冲击器功率传递理论分析及应用研究

运用波动理论分析了液动冲击器结构对能量传递的影响,室内模拟试验结果与波动理论分析计算结果有很高的吻合度。推导出了功率传递效率模型。以花岗岩和大理石为对象,分别求出了不同钻头的钻入系数和回弹系数。分析认为原设计液动冲击器功率传递机构不够合理,指导改进后的液动冲击器简化了结构、提高了强度,能量传递效率提高近30%,现场应用表明,改进后的液动冲击器在硬地层中可提高机械钻速30%以上。

油基钻井液驱动下射流式液动冲击器的动态特性

在油气勘探领域,射流式液动冲击器常被用来加速硬岩钻井,降低钻柱摩擦,解决钻头黏滑等问题。实验表明,利用清水不能准确预测实际钻井中油基钻井液驱动的射流式液动冲击器性能。采用模拟和实验相结合的方法,研究了油基钻井液对射流式液动冲击器的动态特性的影响。结果表明,油基钻井液密度和固相颗粒对液动冲击器的压力降及运动特性具有显著影响。在液动冲击器的工作流量范围内,由于高速流体的剪切稀释特性,油基钻井液的非牛顿流变特性对其输出特性影响不大。总的来看,射流式液动冲击器可以在油基钻井液中稳定工作,具有正常的动力水平和良好的适应性。

FLUENT在液动冲击器使用配置研究中的应用

针对双作用射吸式液动冲击器现场应用前配置过程复杂的问题,利用FLUENT软件建立了冲击器内部流域模型与数学模型,采用与试验环境相同的工况参数,通过ICEM软件划分网格,仿真得到冲击器内部上下腔压力分布云图、流体通过射吸元件速度云图以及速度矢量流线图。采用FLUENT进行了双作用射吸式液动冲击器的应用仿真研究,通过确定与实际相同的输入参数,并且确定其流动状态,可以实现设备的运行情况预测。通过更改射吸元件的规格尺寸,以及调节输入输出参数,可以对更多规格的冲击器的实际情况进行仿真预分析,可以根据其内部的压力以及速度云图分布计算出相应的输出参数的数值大小。研究结果可为冲击器在不同地层以及不同岩性的选配提供参考。

新型液动冲击器液固两相流冲蚀数值模拟

针对液动冲击器在泥浆钻进过程中因冲蚀严重而无法实现工业化应用的问题,从结构创新角度设计了一种抗冲蚀的新型液动冲击器。以液固两相流动力学和冲蚀理论为基础,建立液动冲击器冲蚀模型,采用拉格朗日粒子追踪算法计算固相颗粒运动轨迹,基于液动冲击器内部流场分析预测冲击器冲蚀区域分布、颗粒冲击速度对主要零件(冲锤、上套筒和外壳)冲蚀的影响及其工作寿命。由数值模拟结果可知:冲蚀区域主要集中在冲锤上腔的底面、冲锤边角处、流道孔进口壁面、上套筒呼吸孔进口处以及上部壁面;冲锤、上套筒和外壳的平均冲蚀率与冲击速度呈幂函数关系,速度因子在1～4之间;根据对比分析可知,新型冲击器关键零部件的耐冲蚀寿命与现有冲击器射流元件相比有明显提升。研究工作对推动新型液动冲击器工业化应用有较为重要的参考价值。

铀矿科学深钻液动冲击器射吸结构仿真分析

液动冲击器是铀矿科学深钻采用的关键技术,采用固定射吸单元结构的液动冲击器可降低启动流量,稳定冲击频率。为探究固定射吸单元结构对冲锤抬升的作用机理,采用FLUENT软件对冲锤射吸结构流场进行了模拟仿真,分析了喷嘴射流长度和冲锤下腔压强变化,优选了射流卷吸结构参数。结果表明:冲锤射吸结构可提高冲锤上下腔压强差,降低冲击器的启动工作流量;喷嘴结构影响有效射流长度,建议喷嘴出口圆柱长度取值范围为5~10 mm,喷嘴收敛角取值范围为22°~23°,收敛段长度范围为40~60 mm;承喷距离和承喷喉管的增大,均可造成冲锤下腔压强减小,建议当喷嘴直径为10 mm时,承喷距离在12~14 mm之间,承喷喉管直径在16~17 mm为宜。分析结果可为优化绳索取心液动冲击器性能和改进结构设计提供参考。

液动冲击器新型密封结构设计与试验研究

针对冲击旋转钻井技术中的液动冲击器活塞和缸体间存在着摩擦而易使密封失效的问题,分析了液动冲击器的工作环境及在用密封结构的优缺点,提出了能够提高液动冲击器使用寿命的新型密封结构。该结构的波纹管、活塞和缸体内壁之间形成了一个密封的空间,其中充满润滑油,使活塞在油润滑下往复运动,降低了摩擦副的摩擦因数,提高了液动冲击器的使用寿命。实验表明该密封结构的使用寿命达200 h以上,其密封结构可靠性和使用寿命显著优于在用密封结构。