本文關(guān)鍵詞：硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)錘理論與試驗(yàn)研究

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【摘要】：硬巖非開挖水平定向鉆井技術(shù)是衡量一個(gè)國(guó)家在非開挖領(lǐng)域技術(shù)水平的最重要因素之一,是推動(dòng)水平定向鉆井技術(shù)向前發(fā)展的核心要素,具有良好的應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)效益。硬巖水平定向鉆井技術(shù)的發(fā)展,不僅需要從理論上創(chuàng)新、工藝上創(chuàng)優(yōu),還需在設(shè)備上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造。目前,常規(guī)的硬巖定向鉆井技術(shù)主要是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)及專用硬巖擴(kuò)孔器,在鉆遇堅(jiān)硬、破碎、軟硬夾層和卵礫石層時(shí)具有施工難度大、鉆進(jìn)效率低、鉆井成本高等難題。傳統(tǒng)的硬巖復(fù)雜地層水平定向鉆進(jìn)工藝與設(shè)備已無(wú)法滿足施工進(jìn)度與效益提升的要求,急需研發(fā)新的硬巖水平定向鉆井工藝設(shè)備,以解決硬巖水平定向鉆井領(lǐng)域技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)外知名的研究機(jī)構(gòu)、高校及鉆井技術(shù)服務(wù)公司均積極參與到該項(xiàng)技術(shù)的研究當(dāng)中,旨在推進(jìn)硬巖水平定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展。液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)因具有硬巖地層鉆進(jìn)效率高、成孔質(zhì)量好、鉆進(jìn)孔內(nèi)事故少等特有的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)巖心勘探、水文水井、石油鉆井、地?zé)徙@井、科學(xué)鉆探等領(lǐng)域。射流式液動(dòng)沖擊鉆具(射流式液動(dòng)錘)作為一種采用雙穩(wěn)態(tài)射流元件為控制機(jī)構(gòu)的新型沖擊鉆具,其能量利用率高,鉆具工作適應(yīng)能力強(qiáng),是一種應(yīng)用前景良好的新型液動(dòng)沖擊回轉(zhuǎn)鉆具。與螺桿馬達(dá)鉆具配合使用,能夠有效解決油氣鉆井、定向鉆井中硬巖施工周期長(zhǎng),鉆進(jìn)效率低,鉆探成本高等難題。本文針對(duì)堅(jiān)硬地層水平定向鉆進(jìn)技術(shù)難題,首次提出將射流式液動(dòng)沖擊鉆具配合螺桿馬達(dá)應(yīng)用于硬巖水平定向鉆井領(lǐng)域,研制具有大沖擊功、長(zhǎng)使用壽命、高工作穩(wěn)定性的水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具,并開展沖擊鉆具工作原理分析及缸體前后腔壓力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律理論研究,設(shè)計(jì)了GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具,完成了鉆具內(nèi)部流場(chǎng)與壓力分布數(shù)值模擬計(jì)算,對(duì)比分析了模擬結(jié)果與沖擊鉆具室內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)和入井試驗(yàn)結(jié)果,并綜合評(píng)價(jià)了GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具的工作性能。本文的主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)針對(duì)硬巖水平定向鉆井技術(shù)鉆進(jìn)效率低、施工周期長(zhǎng)、鉆井成本高等難題,調(diào)研國(guó)內(nèi)外常規(guī)硬巖鉆進(jìn)工藝設(shè)備與方法研究現(xiàn)狀及進(jìn)展,探索射流式液動(dòng)沖擊鉆具在水平定向鉆井領(lǐng)域的工作原理與應(yīng)用優(yōu)勢(shì),開展硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具研制的可行性研究,為沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用提供前期基礎(chǔ)。(2)基于流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí),開展硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具理論研究,建立水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具工作過(guò)程中缸體前后腔壓力變化數(shù)學(xué)模型及活塞沖錘水平運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型,為硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。(3)根據(jù)硬巖水平定向鉆進(jìn)施工技術(shù)要求,完成GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、圖紙繪制及樣機(jī)加工,校核沖擊鉆具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,理論計(jì)算元件壽命、密封槽承壓能力、沖擊鉆具與牙輪鉆頭匹配能力等,為沖擊鉆具的工作性能參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支持。(4)借助Solidworks、Hypermesh等三維制圖與網(wǎng)格劃分工具建立沖擊鉆具工作流體區(qū)域模型,采用動(dòng)網(wǎng)格模擬計(jì)算方法,通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬分析軟件FLUENT分析GSC-203型水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具系統(tǒng)流場(chǎng)及壓力分布動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,驗(yàn)證了沖擊鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。數(shù)值模擬結(jié)果表明,沖錘沖擊末速度、系統(tǒng)壓力降及工作頻率均受工作流量與沖擊行程的影響。沖擊鉆具工作行程越大,沖錘沖擊末速度越大,鉆具工作頻率越小。而沖擊鉆具系統(tǒng)壓力降隨著工作流量與沖擊行程的增大而增大。(5)開展GSC-203型水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具室內(nèi)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)了基于電渦流位移傳感器的沖擊末速度非接觸測(cè)量系統(tǒng),測(cè)試了不同行程、不同工作流量條件下沖擊鉆具沖錘的沖擊末速度、工作頻率、系統(tǒng)壓力降及沖擊功等性能參數(shù),測(cè)試得到的沖擊鉆具工作頻率為6Hz~20Hz,最大沖擊功為407.044J,系統(tǒng)工作壓力降為2.2MPa~6.5MPa。對(duì)比分析了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果,二者具有很大的相似性,均表明水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具的沖擊功主要受流量及沖擊行程的影響。(6)完成了GSC-203型水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具的入井試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中沖擊鉆具與螺桿馬達(dá)適配性高,鉆具系統(tǒng)壓力適中,鉆進(jìn)過(guò)程平穩(wěn),工作性能較好,最高鉆速達(dá)29m/h,平均鉆速達(dá)21.52m/h。與使用常規(guī)硬巖水平定向鉆進(jìn)工藝設(shè)備相比,鉆速提高了30%以上。(7)室內(nèi)性能實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬計(jì)算及入井試驗(yàn)結(jié)果表明,GSC-203型水平定向鉆用射流式液動(dòng)沖擊鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,不同工況條件下工作性能較好,滿足硬巖水平定向鉆井施工對(duì)鉆具的技術(shù)要求,適用于堅(jiān)硬復(fù)雜地層油氣管道鋪設(shè)、地下公用設(shè)施建設(shè)等水平定向井施工領(lǐng)域。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P634.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1307287