目前,我国国内的油气资源储藏量日益减少,想要开发更多的油气资源,就需要钻探更深的地层。在一般钻井作业中,使用普通PDC钻头进行钻井,但是PDC钻头通常适用于深井硬地层,在实际钻井作业中,经常会出现卡钻,破岩困难等问题。这些问题都会降低钻头的钻进速率和井身质量,严重影响钻头的使用寿命。通过借鉴国外的钻井技术,同时研究井下岩层特性,表明冲击旋转钻井技术可以有效提高PDC钻头的钻进速率,可以防止卡钻、井斜等事故的发生。相比国外的冲击钻井技术,我国在液动冲击钻井技术研究上起步的比较晚。虽然国内很多生产单位以及研究所对液动冲击器进行了大量的研究,也取得了不错的成果,但是研制出来的液动冲击器始终无法满足生产的需求,在实际应用中会出现很多问题。因此,本文结合以前生产使用的液动冲击器,根据实际钻井作业的需求,设计了一种新型的液动冲击器,该液动冲击器的直径为Φ172mm,工作时的钻井液流量控制在20-40L/s,采用理论计算与计算机仿真两种方式对新型液动冲击器进行研究。论文中具体的研究工作如下:(1)通过介绍PDC钻头常规钻井中出现的卡钻事故,引出液动冲击器的应用。完成了对新型液动冲击器的整体结构设计,同时说明液动冲击器的工作原理,并提出在设计中遇到的三个问题,这些问题分别是:钻井液分流问题、钻井液净化问题以及活塞杆上行时防止撞击的缓冲问题。对设计的液动冲击器的工作过程,按照过程状态图进行了详细的讲解,得出液动冲击器的一个运动周期包括四个状态,同时验证了液动冲击器的整体结构是否合理。(2)为了实现液动冲击器的活塞杆带动冲击锤体撞击砧座,这就要求钻井液在液动冲击器的腔体内产生高压区与低压区,在液动冲击器的设计过程中,采用节流口来调节运动冲击组件的工作流量和压差,根据冲击破岩的要求估算出活塞腔的工作流量大小。然后提出两种液动冲击器节流口的设计方案:第一种方案是首先确定液动冲击器的钻井液通入流量为30L/s,然后改变不同的节流口尺寸,直到节流口能满足液动冲击器冲击频率要求的工作流量;第二种是首先确定合理的节流口和活塞腔上的通孔直径尺寸,改变通入液动冲击器的钻井液总流量,对流道进行仿真分析,分别绘制出钻井液全部通过节流口或活塞腔的压降曲线,通过不断的尝试对比,确定某一钻井液总流量下,活塞腔流量达到冲击频率要求,通过仿真验证得到的这组尺寸是否能够满足要求。(3)使用solidworks三维建模软件对运动冲击组件进行建模,采用ADAMS运动学分析仿真软件对液动冲击器的运动冲击组件进行碰撞仿真分析,选用Impac函数模型,对模型建立约束,模拟整个冲锤碰撞砧座的过程,最终得出运动冲击组件撞击砧座过程中的冲击力变化曲线图,根据曲线可以得到最大冲击力和冲击碰撞时间。接着将模型导入ansys静力学分析模块中,对运动冲击组件进行强度校核,对冲击锤体施加最大冲击力,得出整个运动冲击组件的应力分布和位移情况,验证运动冲击组件能够满足强度要求。(4)根据前文中得到的液动冲击器的各个参数,建立PDC钻头的单齿破岩模型,定义切削齿和岩石模型的物理参数,分别模拟没有使用液动冲击器和使用液动冲击器后的钻井破岩情况,对比两种情况下PDC钻头破碎岩石时的应力分布和位移量大小,最终得出采用液动冲击器辅助破岩可以有效提高岩石破碎效率。论文得到的主要成果有:(1)实现了液动冲击器的运动冲击功能,采用钻井液推动活塞杆带动冲击锤体运动的方案。同时确定了5种不同尺寸的节流口套筒分别适用于不同的钻井液流量情况,并且采用理论计算的方式求出设计的液动冲击器的冲击功392J左右,冲击频率控制在30Hz左右。(2)采用ADAMS动力学仿真软件对运动冲击组件进行碰撞仿真,得出了冲击锤体碰撞砧座的整个过程冲击力变化曲线图,从图中得出冲击力最大为2.97×10~5N,冲击时间为15ms;根据最大冲击力施加在冲击锤体接触面,得到冲击锤体冲击砧座时的最大应力发生在接触面,其应力值为314.27MPa,满足运动冲击组件材料的强度要求。(3)根据得到的液动冲击器各个参数,建立PDC钻头的单齿破岩模型,分别模拟没有使用液动冲击器和使用液动冲击器后的钻井破岩情况,对比两种情况下PDC钻头破碎岩石时的应力分布和位移量大小,最终得出使用设计的液动冲击器辅助破岩可以有效提高岩石破碎效率。通过本论文对液动冲击器的研究分析,对液动冲击器的作用和内部结构原理有了更深的认识。在结构设计过程中,采用两种节流口尺寸设计方案更具有说服力,将理论计算与计算机仿真结合对比分析设计的液动冲击器结构是否合理,通过使用动力学仿真软件检验液动冲击器的冲击功是否达到辅助破岩要求,最后对比是否使用液动冲击器的两种情况下钻头的破岩效果,验证得出设计的液动冲击器满足辅助破岩要求。