【摘 要】
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针对我国富煤缺油少气的能源结构,已探明煤岩中含有大量可燃气体。所以通过极小半径径向钻井技术开采煤岩气是矿产能源开发的一个重要趋势。水射流技术应用于煤岩气开采,其中以直旋混合射流因具有良好的钻进效果和开采效率,以及稳定性较强而满足其需求。但针对其核心部件钻头的性能研究和关键参数优化,及钻进破岩效率等关键科学问题还需要进一步的研究。本文采用理论分析,数值仿真和射流钻进实验相结合的办法,对直旋混合射流钻
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针对我国富煤缺油少气的能源结构,已探明煤岩中含有大量可燃气体。所以通过极小半径径向钻井技术开采煤岩气是矿产能源开发的一个重要趋势。水射流技术应用于煤岩气开采,其中以直旋混合射流因具有良好的钻进效果和开采效率,以及稳定性较强而满足其需求。但针对其核心部件钻头的性能研究和关键参数优化,及钻进破岩效率等关键科学问题还需要进一步的研究。本文采用理论分析,数值仿真和射流钻进实验相结合的办法,对直旋混合射流钻头应用于破岩开采技术进行钻头设计、钻头优化设计、流场特性分析以及水泥砂浆试件钻进分析。取得的主要成果有:1)通过理论分析与计算,揭示了射流冲击煤岩的损伤破碎主要过程:水锤压力阶段引起应力集中、产生初始破碎坑与微裂纹,在旋转射流与直射流的混合作用下,微裂纹扩展,最终形成宏观破碎。并进行了三种射流冲蚀试验:直射流能量集中,冲孔较深却孔径较小,直接影响射流的持续钻进;旋转射流具有较大的冲蚀面积,但由于射流轴心位置能量薄弱,存在中心低速区,冲蚀过程中出现了中心凸台现象,影响钻头的钻进;直旋混合射流在消除中心凸台的同时且具有较好的孔径,满足钻进的要求,提高了钻进效率。2)对于直旋混合射流钻头进行了优化设计,并通过数值模拟分析了钻头主体中叶轮和混合腔。以喷出后射流在空间中运动速度大小为评判指标,通过仿真结果对比分析进而初步优化了叶轮与混合腔中的部分参数:叶轮槽槽宽ds=0.7mm（宽径比ds/dy=0.068）;叶轮径向长度dr=3.5mm（长径比dr/dy=0.32）;叶轮长度Ly=4.5mm;叶轮倾角θs=45°;中心孔孔径dm=1.2mm;混合腔腔长Lq=6mm。3)通过具体冲蚀与钻进实验,分析了射流钻头所改变的6个参数对冲蚀破碎结果的影响原因。其中槽宽、径向长度、中心孔孔径主要是影响直旋通量比,直旋混合射流兼具2种单一形态射流各自的优势,比值在0.54时可以更好地释放混合射流的冲击破岩性能;倾角直接影响射流流场扩散程度,倾角越大,射流流场扩散能力越强;混合腔腔长是通过影响直旋射流混合的均匀程度,进而对射流能量耗散产生影响,最终导致射流喷射速度发生变化;叶轮长度直接影响旋转流道长度,流道越长,射流旋流能力相对越强,但与周围介质动量、能量交换越剧烈,最终影响射流速度。冲蚀钻进试验与上述仿真结果相互验证。4)通过灰色关联分析法,确定了对射流影响参数的重要性排序,由高到低依次为:中心孔孔径、叶轮槽宽、叶轮径向长度、混合腔腔长、叶轮倾角、叶轮长度。本论文研究成果为水射流径向钻井技术提供了一定的理论指导,丰富了其流场特性、破岩机理、优化准则等方面的研究,具有一定意义。图[59]表[8]参[91]
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