地热能是一种绿色低碳、可循环利用的可再生能源,具有储量大、分布广、清洁环保、稳定可靠等特点,是一种现实可行且具有竞争力的清洁能源。与水热型地热资源相比,更多的地热能储存于地下无水或少水的高温岩体中形成干热岩型地热资源。中国地质调查局与中国科学院均对中国大陆3~10 km深的干热岩资源总量进行了评估,得出了相近的结论,其中按2%的可开采量来计算,就相当于2 010年中国能源消耗总量的4 000~6 000倍,印证了中国干热岩资源开发利用的巨大前景。钻井是干热岩开发的关键环节,对工程总成本与建设周期具有重大影响。干热岩地层多为火成岩与变质岩,强度大,硬度高,可钻性差,常规方法钻进,效率低,周期长,如青海贵德ZR1干热岩井平均钻速为1.24 m/h;钻遇500℃花岗岩地层的日本KAKKONDA井,平均钻速为2.21 m/h,大大低于油气钻井10 m/h以上的平均钻速。潜孔锤钻进技术为大幅提高干热岩硬岩钻进效率提供了可能。液动潜孔锤与气动潜孔锤相比,由于其驱动介质的不可压缩性,在深孔及超深孔的高围压工作条件下适应性更强,并且效率高,能耗低,应用领域更为广泛。然而,目前常规液动锤的单次冲击功与气动潜孔锤相比要小得多,因而碎岩效率也低得多,应用效果远不及气动潜孔锤。国内外多家研究机构、钻具公司及钻井技术服务公司对适合深井硬岩钻进的高能型液动潜孔锤进行了研究,取得了一定了进展,然而多处于设计研发阶段,还未有广泛应用于市场的成熟产品。本文针对提高干热岩钻井效率和降低成本的迫切需要,提出了干热岩快速钻井用高能射流式液动锤。研制具有单次冲击功大、寿命长、工作稳定性好的高能型射流式液动锤钻进工具,并开展射流式液动锤内部动力过程研究,设计了SC86H型高能射流式液动锤钻具,完成了理论计算与数值分析,并通过台架试验与钻进试验验证了样机的工作性能。本文的主要研究内容与结论如下:(1)针对常规射流式液动锤单次冲击功低,射流元件与缸体耐冲蚀性差,寿命短的问题,设计了高能型射流式液动锤钻具系统,具有单次冲击功大、耐冲蚀、寿命长的特点。为干热岩快速钻井提供了技术支持。(2)基于计算流体动力学技术,采用动网格技术与用户自定义函数的方法,借用cfd软件fluent对高能射流式液动锤内部动力过程进行了研究,通过可视化分析技术得出了射流元件工作腔内部流场分离涡、阻碍涡、以及驻涡在不同活塞运动瞬间的流场变化情况。分析认为:主射流通过卷吸两侧控制道甚至在活塞高速运动下卷吸附壁侧排空道以及非附壁侧回流的部分流体,来完成流量补充,实现高流量恢复的工作状态,有利于活塞冲锤高速运动。(3)通过数值模拟得出了活塞运动过程中压力恢复系数与流量恢复系数关系,结果表明,压力恢复系数随着流量恢复系数的增加而增大,二者关系几乎完全不受雷诺数(高雷诺数条件下,低雷诺数条件下结果未知)变化影响。(4)通过数值计算结果分析与公式推导得出高能射流式液动锤单次冲击功e与主射流平均流速u或者主射流流量qs的平方成正比例关系;当输入流量qs一定时,在不考虑交互作用时,较小的主喷嘴截面积as与较小的活塞截面积ap意味着较大的单次冲击功;此外,当活塞结构参数保持不变时,表征压力恢复系数与流量恢复系数之间关系的无量纲系数cpq值越小单次冲击功越大,即在活塞加速运动过程中压力恢复系数随着流量恢复系数的增加衰减的越慢,表示射流元件的性能越好,越有利于高能输出。因此,无量纲系数cpq可作为评价射流元件性能的基本参数。(5)通过数值模拟研究了不同活塞冲锤结构参数下高能射流式液动锤性能的变化规律。研究表明:为了使高能射流式液动锤获得较好的工作性能,活塞直径可适当小点;而活塞杆直径与冲锤质量需要合理选择,活塞杆直径或冲锤质量过大会使射流式液动锤的冲击频率明显降低并且临界流速增加,整体工作性能下降,而活塞杆直径或冲锤质量过小,单次冲击功相对较低;至于活塞冲击行程,可适当增大行程来提高单次冲击功,但过大的冲击行程同样会导致冲击频率大幅下降。(6)将冲锤处的流体阻力考虑在计算模型中,对之前计算模型进行了改进,并对两种计算模型结果进行实验验证,表明高能射流式液动锤活塞冲锤运动速度较高,流体阻力不能忽略,为此,设计了适合高能射流式液动锤的低阻高效冲锤结构。(7)开展了sc86h型高能射流式液动锤钻具系统室内台架试验,采用声波法与设计的非接触测量系统对高能射流式液动锤的性能参数进行了测试,并与数值模拟计算结果进行对比,表现了良好的吻合度,印证了数值计算结果的准确性。(8)分别对创新设计的两种新结构射流元件与原结构射流元件控制的高能射流式液动锤性能进行了试验与数值模拟分析,发现新型射流元件与原结构射流元件相比具有较好的工作性能。(9)开展坚硬花岗岩钻进试验,对不同活塞冲锤结构参数下高能射流式液动锤的机械钻速进行了测试,试验结果与数值模拟分析结果具有类似的趋势,说明了数值模拟结果对实际钻进具有重要的参考意义,试验中最高机械钻速5.19 m/h,与常规钻进方法相比提高幅度达数倍。论文的主要创新点有:(1)本文首次提出了采用高能型射流式液动锤配合硬质合金球齿钻头进行冲击为主,回转切削为辅的钻进方法;(2)首次提出了采用硬质合金材料加工制造射流元件与活塞,设计了硬质合金材料的缸体衬套和活塞杆衬套结构,并首次提出了内通道一体式缸体结构,从而使射流式液动锤整体达到耐冲蚀、耐磨损,使射流式液动锤的使用寿命大幅提高;(3)首次将冲锤处流体阻力考虑到计算模型中,使计算精度明显提高,更准确可靠地完成对高能射流式液动锤工作性能的预测;(4)首次提出并设计了信号道侧置式双面排空射流元件,并取得了良好的试验效果,该新型结构射流元件有望全面替代原有结构元件,成为新一代射流元件结构,此外,理论计算表明,创新设计的短劈间距涡流腔式射流元件拥有更好的工作性能。