直旋混合射流破碎煤岩机理研究

Using the micro-radius radial drilling method to exploit coal bed gas, is an important direction for the development of oil and gas resource drilling. The self-feeding jet bit, whose performance determines the drilling efficiency and the extension ability, is the core component of radial drilling system. Based on jet theory, this project presents the application of straight-swirling integrated jet used for micro-radius radial drilling to exploit coal bed gas. Firstly, the bit structure optimization is carried out by theoretical analysis and numerical simulation, the velocity field is tested by 3DPIV to obtain the distribution of jet velocity, and then the jet region will be divided, the correctness of the.numerical simulation results will be verified, and the optimum design criterion of the bit will be established. Secondly, coal erosion experiment of jet is carried out, in order to obtain the relationship between flow field characteristics and erosion characteristics. ICT scanning of the coal before and after erosion is carried out, and the coal erosion mechanism is revealed by analyzing the variation of micro structure parameters, such as morphology, number and length, distribution of micro cracks in coal. Lastly, the prediction model of radial drilling extension limit is established by analyzing the force and pressure loss of the system, and the drilling length of a project will be predicted to provide theoretical guidance for field construction and bit design of radial drilling technology.

用极小半径径向钻井方法开采煤层气，是油气资源钻探发展的重要方向，自进式射流钻头是该技术的核心部件，决定了钻井效率及延伸能力。基于射流理论，本项目提出将直旋混合射流应用于极小半径径向钻井技术来开采煤层气。首先采用理论分析及数值模拟的方法对钻头进行结构优化设计，运用3DPIV技术测试直旋混合射流速度场，得到射流速度分布规律，进而对射流进行分区，同时验证数值模拟结果的正确性，建立钻头的优化设计准则。然后进行射流冲蚀煤岩实验，得到射流流场特性与射流冲蚀特性间的关系，对冲蚀前后的煤岩体进行工业CT扫描，分析煤岩体内部微裂缝的形态、增长数目与长度、分布等细观结构参数的变化情况，揭示直旋混合射流冲蚀损伤煤岩机理。最后，通过分析径向钻井系统钻水平段受力及压力损失，建立水力喷射径向钻井延伸极限预测模型，并预测工程实例的钻井长度，为径向钻井技术的现场施工和钻头设计提供理论指导。

水力喷射径向钻井技术可增加单井控制面积，逐步成为煤层气开发的有效手段，自进式水射流钻头作为该技术的核心部件，决定了钻孔形态和效率。本项目提出一种适用于径向钻井的新型直旋混合射流钻头，并研究其冲蚀损伤岩石机理。围绕关键科学问题，通过数值模拟、理论分析、实验室试验等方法展开研究工作，项目取得了如下创新性成果：（1）通过理论和PIV测试，分析了各参数对直旋混合射流流场的影响，得到了直射流区和旋转射流区的分界方程，以及射流速度沿轴向和径向的计算公式。（2）利用FLUENT对直旋混合射流内、外流场进行模拟，得到直旋混合射流主要由钻头内部的叶轮调制出，叶轮中心孔产生直射流，叶轮槽产生旋转射流，且两股射流在混合腔相互掺混并受到束窄作用，到前喷嘴流体充分混合并且速度达到最大值，随着直射流的比例增大，直旋混合射流中心速度增加，扩散角逐渐缩小，所以平衡直射流和旋转射流的比例是影响射流流场和破岩能力的关键。通过仿真结果，初步设计出直旋混合射流钻头选型。（3）仿真得出钻头初步结构选型后，进行钻头试制，并对不同参数钻头进行冲蚀实验，通过测量冲蚀孔的形态和失重，并结合射流扩张角度测试、钻孔速度试验，得到钻头最优结构参数：叶轮槽倾角40°-45°，中心孔直径为1.2 mm，叶轮槽宽度为0.7 mm，叶轮槽径向长度约为为3.5 mm，叶轮厚度4.5 mm，混合腔腔长6mm。（4）破岩效果不仅仅和射流冲击速度有关，还与射流对于岩体的作用方式有很大关系。直射流区对岩石破碎主要为射流动压力作用，及准静态压力下岩石裂纹的二次扩展；强旋射流区具有较大的径向和切向速度，对岩石有拉伸和剪切效应，破岩效率更高；弱旋射流区兼具直射流和强旋射流的损伤特性，亦能有效破岩；外围射流区主要为反流携带岩屑对孔壁的磨削效应，使钻孔光滑和圆整。（5）建立了直旋混合射流钻井延伸极限预测模型，得到了主要参数对钻井延伸能力的影响规律，可进一步指导施工参数选取和钻头设计。