本文關(guān)鍵詞：硬巖水平定向鉆用射流式液動錘理論與試驗研究

  更多相關(guān)文章： 硬巖 水平定向鉆進 射流式液動沖擊鉆具 流體動力學(xué) 工作性能參數(shù)

【摘要】：硬巖非開挖水平定向鉆井技術(shù)是衡量一個國家在非開挖領(lǐng)域技術(shù)水平的最重要因素之一,是推動水平定向鉆井技術(shù)向前發(fā)展的核心要素,具有良好的應(yīng)用價值與社會效益。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)備上進一步實現(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)鉆進及專用硬巖擴孔器,在鉆遇堅硬、破碎、軟硬夾層和卵礫石層時具有施工難度大、鉆進效率低、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工藝與設(shè)備已無法滿足施工進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。國內(nèi)外知名的研究機構(gòu)、高校及鉆井技術(shù)服務(wù)公司均積極參與到該項技術(shù)的研究當(dāng)中,旨在推進硬巖水平定向鉆井技術(shù)的快速發(fā)展。液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)因具有硬巖地層鉆進效率高、成孔質(zhì)量好、鉆進孔內(nèi)事故少等特有的優(yōu)勢而被廣泛應(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。射流式液動沖擊鉆具(射流式液動錘)作為一種采用雙穩(wěn)態(tài)射流元件為控制機構(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,是一種應(yīng)用前景良好的新型液動沖擊回轉(zhuǎn)鉆具。與螺桿馬達鉆具配合使用,能夠有效解決油氣鉆井、定向鉆井中硬巖施工周期長,鉆進效率低,鉆探成本高等難題。本文針對堅硬地層水平定向鉆進技術(shù)難題,首次提出將射流式液動沖擊鉆具配合螺桿馬達應(yīng)用于硬巖水平定向鉆井領(lǐng)域,研制具有大沖擊功、長使用壽命、高工作穩(wěn)定性的水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具,并開展沖擊鉆具工作原理分析及缸體前后腔壓力動態(tài)變化規(guī)律理論研究,設(shè)計了GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具,完成了鉆具內(nèi)部流場與壓力分布數(shù)值模擬計算,對比分析了模擬結(jié)果與沖擊鉆具室內(nèi)性能實驗和入井試驗結(jié)果,并綜合評價了GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具的工作性能。本文的主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:(1)針對硬巖水平定向鉆井技術(shù)鉆進效率低、施工周期長、鉆井成本高等難題,調(diào)研國內(nèi)外常規(guī)硬巖鉆進工藝設(shè)備與方法研究現(xiàn)狀及進展,探索射流式液動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,開展硬巖水平定向鉆用射流式液動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)計及推廣應(yīng)用提供前期基礎(chǔ)。(2)基于流體動力學(xué)基礎(chǔ)知識,開展硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具理論研究,建立水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具工作過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動狀態(tài)數(shù)學(xué)模型,為硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。(3)根據(jù)硬巖水平定向鉆進施工技術(shù)要求,完成GSC-203型硬巖水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具的結(jié)構(gòu)設(shè)計、圖紙繪制及樣機加工,校核沖擊鉆具結(jié)構(gòu)強度,理論計算元件壽命、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,采用動網(wǎng)格模擬計算方法,通過流體動力學(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沖擊鉆具系統(tǒng)流場及壓力分布動態(tài)變化規(guī)律,驗證了沖擊鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。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沖擊鉆具室內(nèi)性能參數(shù)實驗,設(shè)計了基于電渦流位移傳感器的沖擊末速度非接觸測量系統(tǒng),測試了不同行程、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。對比分析了室內(nèi)實驗與數(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沖擊鉆具的入井試驗。試驗過程中沖擊鉆具與螺桿馬達適配性高,鉆具系統(tǒng)壓力適中,鉆進過程平穩(wěn),工作性能較好,最高鉆速達29m/h,平均鉆速達21.52m/h。與使用常規(guī)硬巖水平定向鉆進工藝設(shè)備相比,鉆速提高了30%以上。(7)室內(nèi)性能實驗、數(shù)值模擬計算及入井試驗結(jié)果表明,GSC-203型水平定向鉆用射流式液動沖擊鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,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鉆具的技術(shù)要求,適用于堅硬復(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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P634.5

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 楊紅東;武國峰;;高性能液動錘的試驗與研究[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2015年03期

2 吳鵬;韋忠良;呂苗榮;李慶梅;周倩如;;射流式液動沖擊器優(yōu)化設(shè)計研究[J];石油機械;2014年07期

3 王文田;;基于煤田地質(zhì)鉆探的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù)[J];黑龍江科技信息;2014年10期

4 毛文波;;水平定向鉆進中硬巖回擴技術(shù)分析[J];電力與能源;2014年01期

5 張昊;李晶;;液動沖擊器測試實驗臺設(shè)計[J];河南科技;2013年19期

6 王超;李紅;吳燕蘭;鄒晨海;徐德懷;;小位差比率射流元件內(nèi)部流場PIV試驗[J];農(nóng)業(yè)機械學(xué)報;2013年09期

7 董寬志;遲令遠;;氣動—液動沖擊本井取水組合取芯鉆進技術(shù)[J];西部探礦工程;2013年09期

8 栗學(xué)彬;;液動沖擊器在煤層氣鉆井中的應(yīng)用[J];中國煤層氣;2013年03期

9 李廣國;索忠偉;王甲昌;高長斌;張仁龍;;射流沖擊器配合PDC鉆頭在超深井中的應(yīng)用[J];石油機械;2013年04期

10 楊甘生;;沖擊回轉(zhuǎn)碎巖機理探討[J];探礦工程(巖土鉆掘工程);2013年02期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王勁松;快速鉆孔用潛孔錘反循環(huán)鉆頭設(shè)計與試驗研究[D];吉林大學(xué);2015年

2 柳鶴;射流式水力振蕩器理論分析與試驗研究[D];吉林大學(xué);2014年

3 孫琦;配流式液動錘振動與工作特性仿真實驗研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2012年

4 譚春飛;深井超深井渦輪鉆具復(fù)合鉆井提高鉆速技術(shù)研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2012年

5 劉遠亮;水平定向鉆進鋪管防冒漿技術(shù)研究[D];中國地質(zhì)大學(xué);2010年

6 劉強;巖層水平定向鉆進鋪管施工工藝的試驗研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2009年

7 孫丙倫;深部找礦組合鉆探技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2009年

8 王清巖;基于虛擬樣機技術(shù)的動壓反饋式液動沖擊器結(jié)構(gòu)設(shè)計與動態(tài)仿真分析[D];吉林大學(xué);2008年

9 劉有成;我國油田服務(wù)業(yè)的國際競爭力研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2008年

10 徐亮;剛玉增強聚合物復(fù)合材料沖蝕磨損性能的研究[D];大連理工大學(xué);2007年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張宇;合川、安岳及下川東地區(qū)“一趟鉆”鉆井技術(shù)研究[D];西南石油大學(xué);2014年

2 張昊;液動沖擊鉆測試實驗臺設(shè)計[D];西安石油大學(xué);2014年

3 臧鵬;液動沖擊鉆具數(shù)字化設(shè)計與仿真研究[D];西安石油大學(xué);2013年

4 李博;閥式雙作用液動沖擊器的仿真[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2013年

5 梁家瑋;液動沖擊器測試實驗臺設(shè)計和研建[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2011年

6 揣東明;水平定向鉆進擴孔器結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及新產(chǎn)品設(shè)計[D];成都理工大學(xué);2011年

7 陳中浙;巖層中定向鉆進非開挖鋪設(shè)地下管線的研究及應(yīng)用[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2009年

8 劉海龍;油氣管道水平定向鉆穿越大中型河流技術(shù)的研究[D];中國地質(zhì)大學(xué)（北京）;2009年

9 陳塵;射流式液動沖擊器活塞桿改型研究[D];吉林大學(xué);2009年

10 丁代坡;石油鉆井沖擊器關(guān)鍵零部件工作壽命的研究[D];吉林大學(xué);2008年

，

本文編號：1307287