直旋混合射流流場(chǎng)特性及破巖機(jī)理研究.pdf

1、用極小半徑徑向鉆井方法開(kāi)采低滲油氣藏、頁(yè)巖氣和煤層氣等，是油氣資源鉆探發(fā)展的重要方向，水射流鉆頭是該技術(shù)的核心部件，其性能決定了鉆進(jìn)效率及鉆孔延伸能力。直旋混合射流鉆頭作為射流鉆頭的一種，具有較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和較好的鉆進(jìn)能力，滿足徑向鉆井技術(shù)的要求，但對(duì)于其流場(chǎng)特性和破巖機(jī)理等方面，目前還沒(méi)有進(jìn)行深入的研究。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬、3DPIV測(cè)試和破巖沖孔實(shí)驗(yàn)的方法，針對(duì)應(yīng)用于極小半徑徑向鉆井技術(shù)的直旋混合射流鉆頭，開(kāi)展了直

2、旋混合射流流場(chǎng)特性、沖蝕損傷巖石機(jī)理、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及鉆孔延伸能力等方面的研究。取得的主要成果有：
　?、俜治隽酥毙旌仙淞鞯乃俣葓?chǎng)特性，歸納得到了射流基本結(jié)構(gòu)。射流在軸向上可分為過(guò)渡段和均勻混合段，在徑向上分為直射流區(qū)、弱旋射流區(qū)、強(qiáng)旋射流區(qū)和外圍射流區(qū)；得到了直射流區(qū)和旋轉(zhuǎn)射流區(qū)的分界方程()z,x,R=F k L，以及射流速度沿軸向的計(jì)算公式()m f oυ=F d, L,υ、徑向的計(jì)算公式()rz,x mυ=F r, R

3、, R,υ。隨著直旋混合比的增加，可逐漸消除射流中心低速區(qū)，此時(shí)軸向速度最大值在射流軸線處，隨著徑向半徑的增加逐漸衰減；徑向速度在射流軸線處接近于0，隨著徑向半徑的增加，先增大后減小，并衰減至0；切向速度分布規(guī)律和徑向速度相似，但對(duì)于同一質(zhì)點(diǎn)，切向速度值遠(yuǎn)大于徑向速度。
　?、诮沂玖酥毙旌仙淞鳑_蝕損傷巖石機(jī)理。通過(guò)測(cè)試直旋混合射流、直射流和旋轉(zhuǎn)射流的沖孔形態(tài)及速度場(chǎng)，表明直旋混合射流可消除旋轉(zhuǎn)射流的中心低速區(qū)和沖孔的中心凸臺(tái)，且

4、射流沿徑向的分布寬度和破巖直徑大于直射流。分析直旋混合射流不同射流區(qū)對(duì)應(yīng)巖石的破碎特性，結(jié)合已有的破巖理論，表明直射流區(qū)對(duì)巖石主要為射流動(dòng)壓力作用下的初始破碎，并產(chǎn)生微裂隙，及準(zhǔn)靜態(tài)壓力下巖石裂紋的二次擴(kuò)展，最終形成宏觀破壞；強(qiáng)旋射流區(qū)也具有動(dòng)壓和靜壓破巖效應(yīng)，此外較大的徑向和切向速度，對(duì)巖石的拉伸和剪切效應(yīng)增強(qiáng)，且更容易在巖石表面產(chǎn)生大量微裂隙，破巖效率高于直射流區(qū)；弱旋射流區(qū)對(duì)應(yīng)的巖體受周圍直射流和強(qiáng)旋射流的共同損傷，在三向速度均相

5、對(duì)較小條件下亦能有效破巖；外圍射流區(qū)主要為反排流攜帶巖屑對(duì)孔壁的磨削效應(yīng)。
　?、劢⒘酥毙旌仙淞縻@頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通過(guò)理論計(jì)算、數(shù)值模擬、3DPIV實(shí)驗(yàn)及鉆孔實(shí)驗(yàn)優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)：直旋混合比和葉輪槽傾角設(shè)計(jì)原則為，使射流同時(shí)具有較大的軸心速度和旋流強(qiáng)度，沖孔的孔底形狀應(yīng)較為平整，直旋混合比Qz/Qs為0.8，葉輪槽傾角θs為45°；其它參數(shù)應(yīng)不限制射流的擴(kuò)散性，混合腔長(zhǎng)徑比Lq/Dq為0.67，混合腔角度比θq/2θs為1.

6、33，前噴嘴直線段長(zhǎng)徑比Lf/df為0.56；外形尺寸受轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)的限制。
　?、芡ㄟ^(guò)分析徑向鉆井系統(tǒng)的壓力損失和水平段受力，建立了直旋混合射流鉆頭鉆井極限深度預(yù)測(cè)模型。得到了水力參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（前噴嘴直徑、射流擴(kuò)散角、葉輪中心孔直徑、后噴嘴直徑、后噴嘴傾角）對(duì)鉆井極限深度的影響規(guī)律。分析了某一工程實(shí)例的壓力損失與受力分布情況，并理論預(yù)測(cè)了鉆井極限深度。
　　本文研究成果為徑向鉆井技術(shù)的鉆井極限深度預(yù)測(cè)、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法