摘要
干热岩型地热资源以其能量输出稳定,对环境影响小等特点日渐成为当前地热能开发的热点。目前国际上通用的开发干热岩的方法是利用增强型地热系统(EGS)从目标地层获取热量,从而实现地热发电。钻进生产井和回注井是开发EGS的重要步骤。赋存于岩浆岩或变质岩中的干热型地热占据了绝大部分。这种岩石的单轴抗压强度可达200MPa以上,可钻性差。现阶段,在可钻性差的硬岩中钻进,大多采用牙轮钻头或PDC钻头回转钻进方法。然而,用以上常规钻进方法在干热岩及其它硬岩地层钻进时,存在钻进效率低等问题,导致EGS开发过程中,钻井成本占到了总成本的80%以上,严重制约了干热岩的开发利用。为此,吉林大学彭枧明教授团队提出高能射流式液动潜孔锤钻进技术。相比于风动潜孔锤,高能射流式液动潜孔锤使用的钻井液具有护壁作用。此外,钻进过程不会产生粉尘,只需要匹配合适的泥浆泵即可满足工作条件。高能射流式液动潜孔锤具有性能不随孔深变化的特点,结构简单,运动部件较少,没有弹簧等易损部件。此外,高能射流式液动潜孔锤额定工作压力达15MPa,冲锤冲击末速度可达7m/s,与常规液动潜孔锤相比冲击功数倍提高。其驱动介质适应性广,清水、泥浆条件下都能稳定工作,在保证钻进效率的同时大幅降低了钻井成本,有望解决硬岩地层钻进效率低的难题。由于高能射流式液动潜孔锤冲击频率与冲击末速度较高,常规35Cr Mo活塞杆抗摩擦磨损性能不足,限制了整机寿命。本文提出使用WC-Co硬质合金及其相关材料制造活塞杆,提高其活塞杆抗摩擦磨损性能。由于WC-Co硬质合金的硬脆性特点,WC-Co硬质合金活塞杆使用过程中发生了疲劳破坏。针对纯WC-Co硬质合金活塞杆发生疲劳破坏的现象,本文对冲击后活塞杆应力分布、活塞杆结构、活塞杆与冲锤连接方式、热喷涂WC-Co硬质合金活塞杆性能等展开深入研究。探讨了初始装配应力对活塞杆冲击应力分布的影响,活塞杆与冲锤连接处几何优化后应力幅值变化趋势,不同材料锥面配合削波垫片组削波效果,热喷涂WC-Co硬质合金活塞杆在高能射流式液动潜孔锤工况下抗磨损性能及机械性能变化等。本文的主要结论如下:(1)活塞杆与冲锤连接处的应力集中是导致硬质合金活塞杆冲击断裂的原因。活塞杆与冲锤装配时的初始装配应力对冲击应力的分布影响不大。一定程度上,初始装配应力对于硬质合金活塞杆起到了保护作用。(2)锥面配合段长度、活塞杆及冲锤锥面的锥度以及冲锤外部倒角的变化对冲击应力分布有一定影响。其中锥面配合段长度对应力集中的影响最为显著。优化后,冲锤的倒角设置为60°,锥度设置为1:20,锥面配合长度设置为35mm。相比于未优化状态,活塞杆锥面配合连接处最大主应力幅值降低了19.4%。(3)不同材料锥形垫片组合而成的新型锥面配合垫片组对弹性应力波有明显的削弱作用。冲击速度在3-5m/s范围内变化时,三层垫片组合可降低透射应力波幅值60%-62%,五层垫片组合可降低透射应力波幅值71%-77%。削波效果主要取决于相邻垫片间波阻抗差异程度及垫片界面数量。相邻垫片间的接触百分比对于垫片组合的削波效果影响也很显著。此外,垫片组的锥度也能影响其削波效果。(4)利用超音速火焰喷涂(HVOF)制造WC-Co硬质合金喷涂活塞杆,是平衡活塞杆耐磨性与韧性的有效方法之一。通过实验证明,WC-17Co喷涂活塞杆在高能射流式液动潜孔锤中工作寿命明显优于普通35Cr Mo活塞杆。在潜孔锤工况下工作时,相比于的其它工况,喷涂WC-Co硬质合金磨损机制变化不大,然而,硬质合金涂层耐磨性较其它工况显著降低。潜孔锤工作过程引起的裂纹降低了活塞杆的耐磨性能。此外,喷涂工艺造成的涂层孔隙率对于涂层耐磨性能也有一定影响。因此,在现有喷涂工艺基础上,改进喷涂参数,并减小冲击系统径向振动是提高热喷涂活塞杆使用寿命的有效方法。(5)通过模拟高能射流式液动潜孔锤摩擦生热及水冷循环工况,研究了加热及水冷循环对热喷涂WC-Co硬质合金机械性能的影响。研究表明,在加热及水冷循环条件下,涂层的机械性能会发生显著变化。与涂层耐磨性相关的显微硬度及残余应力会显著降低。与涂层完整性相关的涂层结合强度在高温条件下也会显著降低。冲击系统冲击钻头后剧烈振动,导致活塞杆与摩擦副产生径向压力。较高的径向压力造成活塞杆在往复运动过程中产生高温。在冲锤位置处设计导正与局部增强冷却结构后,有望明显减小活塞杆、冲锤冲击钻头后的径向振动,降低活塞杆表面温度,从而提高活塞杆使用寿命。本文的创新点主要有:(1)研究了初始装配应力对冲击系统中冲击应力分布的影响。在此基础上,探究了冲击系统中活塞杆和冲锤主要几何尺寸变化对连接处应力集中的影响趋势,并优化设计了活塞杆及冲锤结构。(2)基于应力波理论,提出利用材料波阻抗差异削弱弹性应力波,并针对冲击系统几何结构提出不同材料垫片组锥面配合连接。研究了垫片组材质匹配和几何尺寸等对其削波效果的影响。(3)研究了超音速火焰喷涂(HVOF)WC-Co活塞杆在高能射流式液动潜孔锤工况下的性能变化,并分析了超音速火焰喷涂硬质合金活塞杆在高能射流式液动潜孔锤工况条件下耐磨性能变化及机械性能变化的原因,针对性地提出高能射流式液动潜孔锤冲击系统导正与局部增强冷却结构,延长超音速火焰喷涂硬质合金活塞杆在高能射流式液动潜孔锤中工作寿命。