自进式动平衡围压水射流钻孔试验装置设计与试验

针对煤层气井极小半径侧钻增产技术与装备研究中高压水射流钻孔试验的需求,为模拟自进式动态平衡孔底围压射流状态,以更接近实际水射流钻孔试验情况,首先开发了自进式动态平衡围压水射流钻孔试验装置,该装置包含动态平衡测力、动态平衡配重和围压舱3部分,可对直径200 mm、长度300 mm的煤样进行淹没状态和10 MPa以内围压下自进力、钻进速度和不同喷头、喷嘴组合的水射流钻进试验。然后利用匀速运动时配重与装置内部密封阻力平衡的方法,对试验装置进行了标定试验,得到了不同围压下,密封件阻力与所需的配重之间的关系式。最后运用此模拟试验装置完成了非淹没、淹没和围压3种状态下水射流钻孔试验,得出了自进式旋转喷头钻进中喷射流量、角度、钻进速度、成孔直径和压力之间的关系。试验结果表明:同等条件下,淹没状态下钻进速度和自进力都有一定减小;围压状态下自进力、钻进速度和成孔直径都随着围压增大而减小,在围压2 MPa后自进力和钻进速度急剧减少;通过对比3种喷头试验结果发现,后喷角度较小时,自进力更大;旋转扭矩较小时,易于卡滞,因此建议选用后喷角为40°的方案,并增大旋转扭矩;同时喷射中实测流量与理论计算流量差别在30%以上,表明喷头有节流现象发生,建议增大喷头过流通径。