自进式直旋混合射流钻头结构优化与钻孔能力分析

自进式射流钻头作为水力喷射径向钻井技术开采煤系气的核心部件,对钻井效率有决定性影响。为获取直旋混合射流钻头结构的最优参数,采用Fluent数值模拟与室内钻进试验相结合的办法,分析不同钻头结构参数下三维流场的速度特性,给出优化准则,并通过钻进试验加以验证,得到钻头的最优参数:中心孔孔径1.2 mm,叶轮槽槽宽0.7 mm,叶轮长度4.5 mm,叶轮径向长度3.5 mm,倾角45°,混合腔腔长6 mm。并通过理论分析解释了不同参数对钻头钻进速度产生变化的原因,主要是通过影响直旋混合射流中直射流与旋转射流的通量,进而引起射流三维的变化。采用灰色关联分析法得出各参数结构对钻进位移的敏感性系数由高到低依次为: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。室内钻进试验结果表明:优化后的射流钻头具有更高的钻进效率,在关联分析中对钻进效率影响最大的是直射流与旋转射流通量,且直旋通量比在0.54时,射流能量分配较合理。研究成果对径向钻井煤层气、天然气开采中钻头的设计与结构优化具有指导意义。

直旋混合射流钻头结构参数优化

煤层水力喷射穿层钻孔技术的核心部件为水射流钻头,而直旋混合射流钻头因其穿层钻孔效率高、稳定性好等优势成为一种常用的水射流钻头。为了得到直旋混合射流钻头的最优结构参数,选择影响钻孔能力的主要参数,先运用Fluent数值模拟分析不同叶轮槽倾角、混合腔长度、叶轮厚度的速度云图,然后通过试验对数值模拟分析结果进行验证,最终得出钻头最优结构参数为混合腔长度6 mm、叶轮厚度4 mm、叶轮槽倾角40°。分析表明:合理地匹配各组参数,可以有效提高钻孔能力。