直旋混合射流钻孔特性与破岩机理研究

利用水射流破岩钻径向水平微小井眼技术是近年发展起来的开发低渗油气藏和提高原油采收率的新方法，目前各种单一射流尚无法同时实现钻大孔和钻深孔的目的。本申请综合直射流、旋转射流和组合射流原理及破岩特性，设计出一种兼具直射流与旋转射流优点的直旋混合射流喷嘴。通过冲蚀破岩实验、PIV粒子测速实验与数值模拟分析，研究不同结构参数和水力参数下直旋混合射流喷嘴的钻孔规律、喷嘴内外流场特征、冲蚀破岩效率与机理，建立直旋混合射流喷嘴结构优化设计方法，形成一种既有较强扩孔能力、又有较大有效作用喷距及高冲蚀破岩效率的新型射流。可根据岩石的强度特性与井下条件，通过控制喷嘴结构参数或水力参数调节射流成孔特征，解决射流钻孔深度和钻孔直径之间矛盾，为径向水平钻孔、水力喷射等技术在油气资源开采等领域的进一步发展应用提供技术支持。

水射流破岩钻径向水平微小井眼技术在提高油气采收率和单井产量有着其它技术无可比拟的作用。为解决高压水射流径向水平钻孔时孔径和孔深相互矛盾的问题。设计出一种兼具直射流和旋转射流特点的直旋混合射流喷嘴，给出了直旋混合射流喷嘴结构与水力参数优化设计方法。采用实验、理论分析与数值模拟相合的方法，分析了直旋混合射流结构参数以水力参数对其破岩特性的影响，进行了喷嘴内外三维流场分析，运用PIV和高速摄影流场结构与喷嘴破岩特征进行了对比。结果表明，直旋混合射流喷嘴所形成的射流具有直射流和旋转射流特征，所形成的孔眼具有相当的孔深和孔径，比锥形直射流喷嘴扩孔能力强、比旋转射流喷嘴钻孔深度大。与此同时，设计了多种多孔喷嘴，分析了喷嘴孔数与水力参数对破岩效果的影响，并与直旋混合射流喷嘴进行了对比，获得了多孔喷嘴最优喷距范围，加深了喷嘴结构参数与流动结构及破岩钻孔特征相互关系的认识。直旋混合喷嘴破岩钻孔存在最优结构参数组合，可通过不同参数组合调节破岩钻孔特征。项目研究为径向水平钻孔技术射流钻头设计找到一种解决方案。