直旋混合射流流場特性及破巖機理研究.pdf

1、用極小半徑徑向鉆井方法開采低滲油氣藏、頁巖氣和煤層氣等，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，具有較簡單的結(jié)構(gòu)和較好的鉆進能力，滿足徑向鉆井技術(shù)的要求，但對于其流場特性和破巖機理等方面，目前還沒有進行深入的研究。
　　本文采用理論分析、數(shù)值模擬、3DPIV測試和破巖沖孔實驗的方法，針對應(yīng)用于極小半徑徑向鉆井技術(shù)的直旋混合射流鉆頭，開展了直

2、旋混合射流流場特性、沖蝕損傷巖石機理、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法及鉆孔延伸能力等方面的研究。取得的主要成果有：
　　①分析了直旋混合射流的速度場特性，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算公式()m f oυ=F d, L,υ、徑向的計算公式()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，但對于同一質(zhì)點，切向速度值遠大于徑向速度。
　?、诮沂玖酥毙旌仙淞鳑_蝕損傷巖石機理。通過測試直旋混合射流、直射流和旋轉(zhuǎn)射流的沖孔形態(tài)及速度場，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，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)對巖石主要為射流動壓力作用下的初始破碎，并產(chǎn)生微裂隙，及準靜態(tài)壓力下巖石裂紋的二次擴展，最終形成宏觀破壞；強旋射流區(qū)也具有動壓和靜壓破巖效應(yīng)，此外較大的徑向和切向速度，對巖石的拉伸和剪切效應(yīng)增強，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)對應(yīng)的巖體受周圍直射流和強旋射流的共同損傷，在三向速度均相

5、對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)計準則。通過理論計算、數(shù)值模擬、3DPIV實驗及鉆孔實驗優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)：直旋混合比和葉輪槽傾角設(shè)計原則為，使射流同時具有較大的軸心速度和旋流強度，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)不限制射流的擴散性，混合腔長徑比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^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測模型。得到了水力參數(shù)和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（前噴嘴直徑、射流擴散角、葉輪中心孔直徑、后噴嘴直徑、后噴嘴傾角）對鉆井極限深度的影響規(guī)律。分析了某一工程實例的壓力損失與受力分布情況，并理論預測了鉆井極限深度。
　　本文研究成果為徑向鉆井技術(shù)的鉆井極限深度預測、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方法