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。

射流式液动锤高压腔内液体压力的数学模型

为了定量分析活塞冲锤的运动状态,实现射流式液动锤性能的优化设计,以冲击式水轮机力学模型为参考,根据经典的流体力学基本定理,推导出了射流式液动锤高压腔内液体压力的数学表达式。利用以此数学表达式为核心的射流式液动锤数学模型进行计算机模拟仿真分析,得到了与实测曲线较为接近的射流式液动锤前、后腔液体压力变化曲线,表明该模型可以较准确地反映射流式液动锤的内部动力过程。

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。

充分利用水力能量 提高深井钻井速度

从深井水力能量分析入手,阐述了深井水力能量利用应重视和研究的问题,探讨充分利用水力能量,提高深井钻井速度的可行途径。

基于Ls-dyna的射流式冲击器冲锤结构

基于Ls-dyna显式非线性动力学分析方法,建立"冲锤-钻头-岩石"碰撞模型,对射流式冲击器冲锤结构参数进行研究.分析等速度等质量冲锤与不同种类岩石撞击时,冲锤长度及直径变化对能量传递的影响.结合应力强度分析,探讨射流式冲击器冲锤合理结构.研究结果表明:岩石吸能值随冲锤直径减小单调提升;冲锤长度存在最优值,超过或低于最优值,岩石吸能值均减少;岩石可钻性等级或冲锤冲击末速度越高,冲锤结构改变对碎岩影响越小;最大应力始终出现在钻头尾部,相对面积小的撞击面边沿会出现应力集中,冲锤设计需兼顾钻头许用强度.

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。

高能射流式液动锤在花岗岩中的钻进研究

由于干热岩地层通常为火成岩,研磨性强、可钻性差,现有常规工艺方法钻进效率低,为此专门研制了用于干热岩钻进用的SC-86H型高能射流式液动锤,并对该高能射流式液动锤样机进行了地面钻进试验。试验采用可钻性等级为10级的完整花岗岩作为钻进对象,观测了冲锤质量、活塞行程和泵量对机械钻速的影响。试验结果表明:增大冲锤质量、活塞行程和泵量有利于提高机械钻速。试验过程中获得的最大机械钻速为5.19m/h,较常规回转钻进机械钻速提升显著。

水力喷射分层加砂压裂液室内研究及现场试验

针对目前加砂压裂增产新工艺水力喷射分层压裂加砂对压裂液性能新的特殊要求,在实验室开展了满足该新工艺施工要求的压裂液配方体系的研究,对优化压裂液液体配方、交联剂组成、交联比等进行了室内性能试验。研究出满足该新工艺的压裂液配方和现场应用技术。室内性能评价表明,研制的压裂液满足水力喷射分层压裂加砂对压裂液高剪切后携砂的要求,并在四川须家河广安、合川等区块大斜度井、水平井的水力喷射分层压裂施工中得到成功应用,累计增加天然气产量11.1365×104 m3/d。

水力射流泵排水采气工艺技术及应用

论述了水力射流泵排水采气工艺技术的工艺原理、结构特点、效益以及川渝气田纳30井水力射流泵排水采气工艺的现场应用情况,证明了该技术的有效性和可推广性。随着射流泵产品的不断更新和应用水平的提高,在川渝气田条件合适的井中大量应用该工艺,可有效提高有水气藏的采收率,降低成本和提高经济效益。

脉冲液-气射流泵能量平衡

应用能量平衡分析方法,得到脉冲液-气射流泵内能量损失的压力比表达式,分析其传能及传质的机理和主要影响因素,研究了主要流动部件的能量损失变化对脉冲液-气射流泵性能的影响,并进行了相应的试验研究和数值研究.研究可知最优面积比的液-气射流泵应是在较大的流量比区间具有较好的压力比,通过5个面积比的试验得到最优面积比为4.34.研究结果表明:主要流动部件的能量损失的理论分析与试验结果基本一致;计算了主要流动部件的能量损失压力比,分析其与面积比和流量比的关系;脉冲射流频率、射流泵的面积比、流量比和射流泵喉管长度是影响射流泵能量平衡和液-气射流泵能量特性的主要因素.通过各面积比下,脉冲与恒定液-气射流泵能量损失压力比、性能、效率的试验数据进行对比研究,验证了脉冲射流是提高液-气射流泵效率的有效途径.

射流式液动锤冲击功非接触测量系统的改进

针对单个霍尔器件冲击功测量系统存在的问题,提出以敏感中心距离固定的成对集成线性霍尔器件代替原系统单个霍尔器件的设计方案。该方案可避免原系统调节和测量距离ΔX的麻烦,简化机械和电气结构,提高测量可靠性。霍尔电压的放大滤波、温度补偿等信号调理环节由集成霍尔器件解决,门限电压由原系统的2个减少为1个,免去增量放大环节。测量结果认为,成对霍尔器件非接触方法测得的末速度值分布集中程度高而稳定,与理论计算值有一定偏差。

射流式液动锤冲击功非接触测量系统

介绍了基于霍尔传感器、单片机和微机的射流式液动锤冲击功非接触测量系统的原理与结构组成。实际应用结果表明,该系统具有测试精度高、可靠性强、使用方便等优点。

液压卡紧对射流式液动锤性能的影响

运用CFD动态数值模拟方法,计算新一代射流式液动锤试验样机的性能参数,并将其与实测结果进行对比。结果表明：若不考虑液压卡紧引起的摩擦力,射流式液动锤冲击频率、冲击末速度和冲击功计算值分别是实测值的1.853-1.898倍、2.024-2.107倍和4.097-4.439倍;将由液压卡紧效应引起的摩擦力考虑在内,冲击频率、冲击末速度和冲击功计算值分别是实测值的1.218-1.439倍、0.936-1.171倍和0.876-1.371倍,大幅度提高了数值计算结果与实测值之间的吻合程度。这说明液压卡紧引起的轴向摩擦力,大幅度增加了活塞运动阻力,减小了其加速度和速度,进而显著降低了冲击功和冲击频率等性能参数。设法减小甚至消除液压卡紧力的影响可望成为提高射流式液动锤冲击功和能量利用率的新途径。

冲锤处流体阻力对高能射流式液动锤性能影响

应用计算流体动力学(computational fluid dynamics,简称CFD)动态分析技术,对SC-86H型高能射流式液动锤试验样机流场特性进行了研究,计算得出了相关性能参数,并通过实验装置对液动锤不同输入流量下的冲击频率进行了测试。将液动锤冲击频率的模拟计算结果与实测结果进行了对比,结果表明:若不考虑冲锤处流体阻力的影响,液动锤冲击频率计算值与实测值相比明显偏大,最小相对误差达18.9%;而将冲锤处流体阻力的作用考虑在内,冲击频率的计算值与实测值比较接近,最大相对误差为8.0%,大幅提高了数值计算结果与实测值之间的吻合程度。这说明冲锤高速运动产生的轴向流体阻力不容忽略,设法减小冲锤处流体阻力的大小,有望成为提高高能射流式液动锤冲击功和能量利用率的重要途径。

液体药高能气体-水力复合压裂技术的研究及应用

朝阳沟油田为提高低渗透储层的产能和采油强度,采用液体药高能气体-水力复合压裂技术对储层进行改造。对液体药的配方进行了优选,确定了合适的配比范围:氧化剂(NH4NO3),50%～60%;燃烧剂(甘油),10%～20%;水,25%～30%;敏化剂,5%。按此配方配制的液体药的火药力为0.74MJ/kg,燃烧条件为压力10MPa、温度300℃。介绍了液体药高能气体-水力复合压裂技术的现场施工工艺步骤和辅助设计参数。朝阳沟油田某区块南部的2口井现场试验结果表明,液体双基药柱爆炸对套管将不产生破坏性影响,加大水力压裂施工排量有利于扩展和延伸液体药在井内爆炸形成的径向裂缝,从而达到建立有效驱动体系,提高低渗透储层的产能和采油强度的目的。2口试验井增产效果显著,初期单井日增液2.2t/d,日增油2.2t/d,采油强度增加0.44t/(d·m),累计增产原油4105.2t。

高能液动锤超硬岩冲击快速钻进工艺研究

在煤矿井下硬岩及超硬岩中施工穿层钻孔时,聚晶金刚石复合片(PDC)钻头回转钻进工艺存在钻头消耗量大、钻进速度慢等问题,严重制约着瓦斯抽排孔的施工速度与效率。针对PDC钻头回转钻进超硬岩的技术难题,采用高能液动锤、高压乳化液泵、煤矿用履带式全液压钻机等钻进设备,使高能液动锤输出高频、大冲击功破碎硬岩,通过优化高能液动锤冲击—回转钻进工艺技术的钻进规程参数,实现超硬岩穿层钻孔快速钻进。经过新安煤矿工程验证,冲击—回转钻进工艺大大提高了煤矿超硬岩穿层钻孔的钻进效率,降低了钻头消耗量,有效解决了硬岩穿层钻孔的钻进难题。研究结果表明:高能液动锤超硬岩快速钻进工艺的最优钻进规程参数为泵压13~14 MPa、泵量200 L/min、钻压2~3 MPa、转速50~60 r/min。

碟簧对射流式冲击器密封影响研究

以SC-86H高压高能射流式冲击器为研究对象,通过密封试验及ANSYS-LSDYNA有限元分析手段,研究了碟簧对用于端面密封的密封圈密封性能的影响。结果表明:在高压流体环境下,碰撞后碟簧变形会引起密封盖与射流元件密封配合面出现分离间隙,而较大的间隙张开量是导致密封圈失效的关键。间隙张开量与碟簧叠合数量负相关,当碟簧叠合数量为三片以下时,最大间隙张开量大于0.187 mm,密封圈损毁失效;当碟簧叠合数量为四片时,最大间隙张开量为0.086 mm,密封圈存在较高的失效风险;当碟簧叠合数量达到五片以上时,最大间隙张开量小于0.049 mm,可保证密封圈密封长期有效。此外,随着碟簧数量增加,碟簧中最大应力下降,三片碟簧叠合可满足碟簧的应力强度最低要求,考虑到疲劳及密封,碟簧数量应选择五片以上。

高能射流式液动锤低阻高效冲锤结构研究

为了对SC-86H型高能射流式液动锤冲锤结构进行优化,应用CFD动态分析,对2种不同冲锤结构的射流式液动锤模型进行了研究。计算表明:在相同输入流量下,新型冲锤结构的射流式液动锤与原冲锤结构相比性能具有优势,冲击末速度得到了提高,冲击功与能量利用率平均增长7.9%与12.7%,新型冲锤结构减小了流体阻力消耗的能量,更有利于高能输出。另外,通过Ls-dyna非线性动力学分析,对2种冲锤结构的碎岩效果进行了研究,并对新型冲锤应力强度进行了分析。结果表明:新型冲锤结构的能量传递效率更高,且满足疲劳强度校核,相同冲击末速度下,岩层吸能值高于原冲锤结构;新型冲锤结构的吸能率较高,2种冲锤模型的吸能率随入射能量成非线性增长。

高坝空中挑射水流水力特性及消能机理的研究

本文介绍研究高坝泄洪消能空中挑射水流水力特性及消能机理的重要意义;介绍利用作者研制的挑射水流流速仪，为工程模型试验实测挑射水流沿程流速的情况及成果；并在上述实测成果的基础上进行挑射水流流动规律的分析研究。提出挑射水流空中消能率的计算公式及检验消能效果的其它因素。对挑射水流空中消能机理作了分析研究。

高能射流式液动锤在赵固一矿井下穿层注浆钻孔中的应用

井下定向钻进是实现煤矿瓦斯高效抽采和防治底板突水的重要途径,多采用回转钻进的方法,钻遇硬岩地层时,钻进效率低、钻孔周期长、成本高,严重影响了井下瓦斯抽放钻孔等的工程进度及成孔质量。赵固一矿井下灰岩地层钻进试验结果表明,使用SC86H型高能射流式液动锤实施冲击回转钻进,通过合理控制泵压、转速和钻压,钻进效率较常规PDC钻头回转钻进提高了3倍,节约了钻进成本。