目前,在井下油气资源的开发钻探过程中,油井的种类主要以深井、超深井为主,过去常规的旋转钻进方法已无法满足目前的钻井需求。在深井的钻进过程中,随着井深的增加,井下地层张力和岩石阻力就会不断上升,此时钻头的切削齿断面将承受较大的载荷,造成钻头结构的损坏,从而降低了钻头以及井下其他钻井工具的寿命,影响钻进效率。面对此种问题,近些年国内外很多相关研究人员开始采用液动旋转冲击钻进技术,该技术在传统旋转钻进的基础上结合了高频轴向冲击破岩,有效的解决了深井钻进难题,大大提高了钻进效率,降低了生产成本。但是实际试验结果表明,冲击器在工况复杂的井下钻进过程中仍存在工作性能不稳定,冲击功不足以及使用寿命短等诸多问题。因此本文通过对比国内外现有几种液动冲击器的工作性能及结构特点,结合了反作用液动冲击器冲击力大和双作用液动冲击器工作性能稳定的特点,创新性研制了一款直径为Φ172mm的反作用液动冲击器,旨在解决深部油层的开采问题。通过查阅同尺寸井下涡轮钻具工作参数,设定其工作流量范围为22-36L/s,根据相关理论计算并结合工程软件模拟分析对所设计新型液动冲击器进行工作性能的研究和结构参数优化,其具体研究内容及成果主要集中在以下5个方面:(1)完成了反作用液动冲击器的整体方案设计。回顾了液动冲击回转钻井技术的发展历程,总结了该技术在石油钻井领域中的应用优势及发展趋势,得出了液动冲击器将逐渐向深井、超深井、复杂地层等方向发展的结论,并结合国内外相关研究单位及国际性大公司所研制的几种反作用液动冲击器的结构、原理及优缺点等,完成了本论文中反作用液动冲击器的整体结构方案设计。(2)完成了阀锤系统的运动过程分析和数学建模。根据所研制反作用液动冲击器的整体设计结构及工作原理,基于流体运动学相关理论,将阀锤系统运动过程分为四个阶段,以冲锤与活阀作为受力分析对象,建立了运动组件在各个阶段的受力平衡方程,并采用龙格--库塔算法进行微分方程求解,最终得到不同运动过程中冲锤与活阀的动力学数学模型。(3)完成了冲击器节流特性的分析。根据冲击器结构设计参数结合阀锤上行过程受力方程,计算得到阀锤上行过程中的所需工作压差约为2MPa;同时采用Fluent流体仿真软件对30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm六种不同节流口径下冲击器内部工作腔流道进行静态压力模拟计算,结合仿真结果使用Origin数据处理软件得到对应节流口径下各流量与压差的函数关系表达式,并通过对比仿真数据与理论计算压差的数值大小,初步确定合适的节流口尺寸为36mm,其压力与流量的函数关系表达式为ΔP=0.00357Q~2。(4)冲锤的碰撞特性研究。基于目前市场上液动冲击器工作性能参数,结合冲击器破岩所需最小冲击功500J,求得冲锤下行最小冲击末速度大小为4.69m/s。根据冲锤的运动状态,采用ADAMS碰撞仿真软件,分别建立了冲锤与砧座、限位套筒的冲击碰撞模型,得到冲锤在不同冲击末速度下,冲锤反弹速度,所受冲击力以及冲击功等碰撞特性参数的变化情况,同时求得冲锤上行过程冲击限位套筒后冲锤冲击末速度与反弹速度的函数关系表达式为v_f=0.09234-0.10030v_m,为冲锤下行冲击过程提供理论支持;结合冲锤,砧座,限位套筒三者选用的结构材料属性参数,使用Explicit-Dynamic多体动力学仿真计算软件进一步分析冲锤碰撞过程运动组件的受力状况,得到在满足结构强度的前提下冲锤上行过程冲击末速度不得大于3.21m/s,下行冲击过程冲击末速度范围为4.69-7.85m/s。(5)反作用液动冲击器动力输出性能分析和结构参数优化。采用Matlab程序设计的方法,根据冲锤各阶段运动数学模型编制相应的计算程序,得到了冲锤的运动特性曲线及冲击器的工作性能参数,通过改变不同的进口流量,节流口径以及弹簧工作参数等条件,对冲锤的冲击末速度、单次冲击功、冲击频率等特性参数进行优化设计,最终确定冲击器节流口径为30mm,工作流量范围为20-30.85L/s。此条件下,冲击器的输出冲击频率为3.94-5.92Hz、最大单次冲击功可达932J,属于低频高冲击功钻井工具,适用于深井、超深井地层岩石硬度较大的井下工况。