硬岩非开挖水平定向钻井技术是衡量一个国家在非开挖领域技术水平的最重要因素之一,是推动水平定向钻井技术向前发展的核心要素,具有良好的应用价值与社会效益。硬岩水平定向钻井技术的发展,不仅需要从理论上创新、工艺上创优,还需在设备上进一步实现创造。目前,常规的硬岩定向钻井技术主要是回转钻进及专用硬岩扩孔器,在钻遇坚硬、破碎、软硬夹层和卵砾石层时具有施工难度大、钻进效率低、钻井成本高等难题。传统的硬岩复杂地层水平定向钻进工艺与设备已无法满足施工进度与效益提升的要求,急需研发新的硬岩水平定向钻井工艺设备,以解决硬岩水平定向钻井领域技术难题。国内外知名的研究机构、高校及钻井技术服务公司均积极参与到该项技术的研究当中,旨在推进硬岩水平定向钻井技术的快速发展。液动冲击回转钻进技术因具有硬岩地层钻进效率高、成孔质量好、钻进孔内事故少等特有的优势而被广泛应用于地质岩心勘探、水文水井、石油钻井、地热钻井、科学钻探等领域。射流式液动冲击钻具(射流式液动锤)作为一种采用双稳态射流元件为控制机构的新型冲击钻具,其能量利用率高,钻具工作适应能力强,是一种应用前景良好的新型液动冲击回转钻具。与螺杆马达钻具配合使用,能够有效解决油气钻井、定向钻井中硬岩施工周期长,钻进效率低,钻探成本高等难题。本文针对坚硬地层水平定向钻进技术难题,首次提出将射流式液动冲击钻具配合螺杆马达应用于硬岩水平定向钻井领域,研制具有大冲击功、长使用寿命、高工作稳定性的水平定向钻用射流式液动冲击钻具,并开展冲击钻具工作原理分析及缸体前后腔压力动态变化规律理论研究,设计了GSC-203型硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具,完成了钻具内部流场与压力分布数值模拟计算,对比分析了模拟结果与冲击钻具室内性能实验和入井试验结果,并综合评价了GSC-203型硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具的工作性能。本文的主要研究内容与结论如下:(1)针对硬岩水平定向钻井技术钻进效率低、施工周期长、钻井成本高等难题,调研国内外常规硬岩钻进工艺设备与方法研究现状及进展,探索射流式液动冲击钻具在水平定向钻井领域的工作原理与应用优势,开展硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具研制的可行性研究,为冲击钻具的结构优化设计及推广应用提供前期基础。(2)基于流体动力学基础知识,开展硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具理论研究,建立水平定向钻用射流式液动冲击钻具工作过程中缸体前后腔压力变化数学模型及活塞冲锤水平运动状态数学模型,为硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具的结构设计提供理论基础。(3)根据硬岩水平定向钻进施工技术要求,完成GSC-203型硬岩水平定向钻用射流式液动冲击钻具的结构设计、图纸绘制及样机加工,校核冲击钻具结构强度,理论计算元件寿命、密封槽承压能力、冲击钻具与牙轮钻头匹配能力等,为冲击钻具的工作性能参数优化提供技术支持。(4)借助Solidworks、Hypermesh等三维制图与网格划分工具建立冲击钻具工作流体区域模型,采用动网格模拟计算方法,通过流体动力学数值模拟分析软件FLUENT分析GSC-203型水平定向钻用射流式液动冲击钻具系统流场及压力分布动态变化规律,验证了冲击钻具结构设计的合理性。数值模拟结果表明,冲锤冲击末速度、系统压力降及工作频率均受工作流量与冲击行程的影响。冲击钻具工作行程越大,冲锤冲击末速度越大,钻具工作频率越小。而冲击钻具系统压力降随着工作流量与冲击行程的增大而增大。(5)开展GSC-203型水平定向钻用射流式液动冲击钻具室内性能参数实验,设计了基于电涡流位移传感器的冲击末速度非接触测量系统,测试了不同行程、不同工作流量条件下冲击钻具冲锤的冲击末速度、工作频率、系统压力降及冲击功等性能参数,测试得到的冲击钻具工作频率为6Hz~20Hz,最大冲击功为407.044J,系统工作压力降为2.2MPa~6.5MPa。对比分析了室内实验与数值模拟结果,二者具有很大的相似性,均表明水平定向钻用射流式液动冲击钻具的冲击功主要受流量及冲击行程的影响。(6)完成了GSC-203型水平定向钻用射流式液动冲击钻具的入井试验。试验过程中冲击钻具与螺杆马达适配性高,钻具系统压力适中,钻进过程平稳,工作性能较好,最高钻速达29m/h,平均钻速达21.52m/h。与使用常规硬岩水平定向钻进工艺设备相比,钻速提高了30%以上。(7)室内性能实验、数值模拟计算及入井试验结果表明,GSC-203型水平定向钻用射流式液动冲击钻具结构设计合理,不同工况条件下工作性能较好,满足硬岩水平定向钻井施工对钻具的技术要求,适用于坚硬复杂地层油气管道铺设、地下公用设施建设等水平定向井施工领域。