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提高钻头的破岩效率和机械钻速是油气钻探领域研究的一项永恒课题,提高钻头喷射压力实现水力机械联合破岩是提高钻头破岩效率和机械钻速的途径之一,如何在常规钻井条件下使钻头喷射压力达到实现水力破岩的水平,是实现这一途径的关键。因而,井下增压装置以及超高压喷射钻头的研制是油气井工程领域研究的一项重要内容。为此,本文在分析现有井下增压装置存在问题的基础上,提出了一种新的井下增压装置的设计理念,该装置利用现有应用比较成熟并且性能比较稳定的螺杆钻具的部分结构,以螺杆钻具的马达总成作为动力源,利用斜盘结构将转子的周向运动转化为柱塞的轴向往复运动,通过柱塞的往复运动使增压腔内的钻井液增压,从而实现增大钻头喷射压力提高钻头破岩效率的目的。
本文在提出螺杆式增压装置基本原理的基础上,通过对现有螺杆钻具的结构及其工作特性的调研,分析了螺杆钻具的实际工作特性及对其部分结构进行改进的可行性。确定了螺杆式增压装置的整体结构和关键参数,并对该增压装置重要零件进行了强度校核。利用动力学仿真软件对该装置的结构进行了分析和运动仿真,论证了该装置增压原理的可行性,并绘制出此装置的零件及整体装配图纸,并完成了样机的设计和制造。同时,开展了在淹没条件下超高压射流的破岩实验研究,得到了喷距、喷射角度与压力对破碎岩石体积影响的基本规律,为超高压钻头和喷嘴设计提供了依据,在此基础上,设计研制了超高压射流辅助破岩的双流道PDC钻头,为超高压射流辅助钻井现场试验提供了配套钻头。最后,井下螺杆增压钻井装置分别在胜利油田埕北602和义180井现场试验,同比机械钻速提高了41.0％和63.8％以上,在吉林油田长深D平13井和长深D平5井现场试验,同比机械钻速提高了71.7％和97.6％以上。