海上石油开发基于导管架平台,作业空间有限,通常采用丛式井作为主要井型,其井数多,井距小。新油田井组布置或老油田井组加密调整都存在临井相碰的可能,而井眼一旦碰撞则会带来巨额经济损失,因此采取井间防碰措施变得尤为重要。传统的随钻震源工具随着井深的增加,所产生震击强度因地层介质吸收衰减和钻柱上传播时耗损,使得提取有效信号的难度也越来越大。这不利于井眼间防碰监测,故本课题提出设计一种能产生强冲击强度且操作便捷的井下震源发生器,它正常作业时能利用钻井液对冲击装置蓄能且不产生误震、需要停钻测井时,通过钻井液蓄能、卡点解除等操作便能得到理想冲击力,这种井下震源发生器可为邻井防碰提供有效措施。该井下震源发生器摒弃大幅度提拉钻杆实现弹簧蓄能的方式,采用机械式的起震方法,利用高压钻井液蓄能,以弹簧元件为储能机构,钢球为锁紧机构,并设计了液压延时装置。基于流体连续性方程、伯努利方程、水垫阻力和水头损失等流体力学理论,以冲锤为研究对象,建立井下震源发生器冲锤动力学模型,通过MATLAB GUI进行数值模拟程序编制,求解冲锤速度、加速度和位移与时间关系的微分方程,预估井下震源发生器输出性能值;又建立井下震源发生器冲锤流道模型,基于CFD动网格技术,对工具工作时冲锤工况模拟,获得井下震源发生器输出性能规律,基于单因素分析法研究该工具设计参数对冲击功、冲击效率等输出性能的影响;基于正交试验法选择六因素三水平的正交试验方案,设计出18组试验,以冲锤冲击功为优化目标,优选出设计参数组合方案。以冲锤输出的速度范围作为冲锤临界初速度,进行冲锤与铁砧的碰撞仿真,得出冲锤碰撞的输出性能值。试验结果表明:单因素分析认为弹簧刚度与冲击速度、冲击功和冲击效率呈正相关关系,而与冲击位移呈负相关关系;冲锤质量与冲击功、冲击效率和冲击位移呈正相关关系,而与冲击速度呈负相关关系;节流面积、出口直径和出口数量与井下震源发生器各输出性能均为正相关关系。正交试验结果认为各设计参数对井下震源发生器输出性能影响不尽相同,其中出口直径和弹簧刚度对井下震源发生器输出性能影响极为显著,节流面积、冲锤质量和出口数量对井下震源发生器输出性能影响显著,而钻井液密度对其影响不显著,据此筛选出各因素水平的最优组合方案,对此仿真分析得出:冲锤最大速度为3.90m/s,最大冲击功为684.43J,相应的效率为88.71%,最大冲击位移为131.59mm。冲锤碰撞仿真表明,冲锤冲击力范围为92.74-241.26KN,冲锤冲击功范围为111.53-746.60J等。最后利用强度理论以及ANSYS Workbench有限元分析软件,对井下震源发生器零部件进行强度校核和结构优化,结果表明:本文设计的井下震源发生器结构设计合理,输出性能达到设计要求,能够满足实际工程需求。