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旋转射流钻头的叶轮设计

旋转射流钻头的叶轮设计王慧艺周卫东(石油大学机械系,山东东营257062)摘要旋转射流钻头是一种新型高效水力破岩钻头,作为旋流发生器的叶轮,其性能直接影响破岩效果.文中分析了旋转射流钻头的内流场,在此基础上提出叶轮设计目标和要求,证明了对圆柱形叶轮,不存在既无径向流又等旋度的叶轮参数.同时,运用翼型绕流理论,推导出有关叶轮长度、半径、叶片安放角等参数与射流喷嘴直径、扩散角、旋度之间的关系式,分析并确定了叶片工作性能与来流压力的关系式.运用实例说明了这些公式的使用以及叶轮段水头损失的估算方法,可为叶轮的设计提供理论指导.主题词旋度;射流;钻头;翼栅;喷嘴;叶轮中国图书资料分类法分类号TE821第一作者简介王慧艺,男,1965年生,讲师.1986年毕业于西北工业大学宇航工程系,1989年获西北工业大学机械学工学硕士,现在石油大学(华东)机械系从事机械设计和计算机辅助设计研究工作.1旋转射流钻井原理旋转射流钻头是径向水平钻井的关键...  (本文共5页) 阅读全文>>

《流体机械》2014年05期
流体机械

径向水平井自进式旋转射流钻头流场特性分析

1前言径向水平井技术起步于20世纪80年代,最初需要锻铣套管和井下扩孔然后转向钻成径向水平井眼[1~4]。近年来发展形成套管内转向的新型径向水平井技术[5~9]。它可以提高单井油气产量,降低钻井成本,特别适用于枯竭油藏、边际油藏、稠油油藏和煤层气藏等[10],是目前钻井行业发展的一个新方向。由于该技术仅依靠水力能量在地层中进行钻进,因此射流钻头是影响径向井水平段延伸长度和钻进速度的关键因素,也是此项技术的难点之一。难度主要体现在射流钻头尺寸较小,但还要满足破岩和扩孔的目的。由于井下应用高压软管作为钻管,其韧性较大,不易承受钻压,因此需采用自进式射流钻头牵引钻管前进的方法,这就要求射流钻头既要能满足破岩钻孔的目的,又要能提供一定的牵引力。基于以上难点问题,本文提出了一种自进式旋转射流钻头。自进式旋转射流钻头参数的设计和选取直接关系到自进式旋转射流钻头的破岩效率和自进能力。本文的目的是通过分析自进式旋转射流钻头的结构及其工作原理,通...  (本文共6页) 阅读全文>>

重庆大学
重庆大学

直旋混合射流流场特性及破岩机理研究

用极小半径径向钻井方法开采低渗油气藏、页岩气和煤层气等,是油气资源钻探发展的重要方向,水射流钻头是该技术的核心部件,其性能决定了钻进效率及钻孔延伸能力。直旋混合射流钻头作为射流钻头的一种,具有较简单的结构和较好的钻进能力,满足径向钻井技术的要求,但对于其流场特性和破岩机理等方面,目前还没有进行深入的研究。本文采用理论分析、数值模拟、3DPIV测试和破岩冲孔实验的方法,针对应用于极小半径径向钻井技术的直旋混合射流钻头,开展了直旋混合射流流场特性、冲蚀损伤岩石机理、钻头结构设计方法及钻孔延伸能力等方面的研究。取得的主要成果有:1分析了直旋混合射流的速度场特性,归纳得到了射流基本结构。射流在轴向上可分为过渡段和均匀混合段,在径向上分为直射流区、弱旋射流区、强旋射流区和外围射流区;得到了直射流区和旋转射流区的分界方程R_(z,x)=F(k,L),以及射流速度沿轴向的计算公式v_m F=(d_f,L,v_o) 、径向的计算公式v_r F=...  (本文共118页) 本文目录 | 阅读全文>>

《石油天然气学报》2012年11期
石油天然气学报

旋转射流钻头叶轮结构参数对射流流场影响规律的研究

在径向水平井高压水射流钻井过程中,旋转射流钻头的结构决定了旋转射流的性能,从而也影响了高压旋转水射流破岩的效率。中国石油大学等高校和一些学者对旋转射流钻头的叶轮、喷嘴结构进行了试验研究,并且取得了一定的成果[1,2];笔者之前也通过Fluent软件对旋转射流钻头内外流场的速度与压力分布和变化规律进行了数值模拟[3]。但叶轮结构对射流流场的影响规律还没有进行深入的探讨。故此将就不同叶轮结构参数对射流流场的影响规律作进一步的研究。1确定叶轮结构参数在影响射流流场的叶轮结构参数中,已经确定叶轮外径为25mm,轮毂直径为6mm;剩下需要考虑的叶轮结构参数为叶轮导向角β、叶轮叶片数n和叶轮长度L0。通过模拟和分析旋转射流的内外流场及应用翼型绕流理论[4],研究以上3个叶轮结构参数对射流流场的影响规律。此外,在使用Fluent软件进行模拟分析时,首先在选定β、n和L0中任意2个结构参数的情况下,改变另外一个结构参数,设计叶轮结构进行模拟试验...  (本文共5页) 阅读全文>>

《天然气工业》2008年03期
天然气工业

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在煤层钻井中具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点。因此,在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。水射流的性能与喷头的结构及设计参数密切相关;不同形式的喷头,产生的射流性能优势不相同。因此,通过对不同水射流破岩过程和破岩机理的分析,在已有经验值的基础上,优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转及偏置可控中心轴自旋转等4种适合在煤层中钻孔,安全排放瓦斯气体的水力旋转式射流钻头。一、水力旋转射流钻头破岩机理分析1.旋转射流的破岩过程和破岩机理[1-3](1)破岩过程旋转射流是在射流喷嘴不旋转的情况下产生的具有三维速度的、射流质点沿着螺旋线轨迹运动而形成的扩散式射流。因此,旋转射流主要是通过某一环状带岩石的不断切削来实现破岩钻孔的。其破岩成孔过程如图图11旋所转示射。流成孔过程示意图(2)破岩机理由于煤岩属非均匀、各向异性、脆性材料,抗压强度高,而抗...  (本文共4页) 阅读全文>>

山东科技大学
山东科技大学

高压水射流钻孔破煤机理研究

瓦斯抽放是治理煤矿瓦斯、防治煤与瓦斯突出的根本措施,但煤层瓦斯抽放钻孔的施工至今仍是工程难题,尤其在松软高地应力的高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层。与传统的机械钻头相比,在这类煤层运用高压水射流钻头进行钻孔施工,具有一定的优势,可以作为一种新的方法和技术途径进行深入研究。作为高压水射流煤层钻孔技术研究的理论基础,研究高压水射流钻孔破煤机理,对于完善高压水射流破岩机理的研究、开发出适合于煤层钻孔的射流钻头、攻克水射流煤层钻孔的技术关键并从根本上解决瓦斯抽放钻孔的施工难题具有重要的理论及工程适用价值。因此,本文围绕高压水射流钻孔破煤机理这一课题,从以下几个方面进行了研究并得出结论:首先,文章对高压水射流结构特性进行了研究。指出煤层中的射流钻孔所涉及的射流问题属于紊动冲击射流问题,并对紊动射流的流域结构、轴线速度、轴线压力的变化规律进行了相应分析,掌握了钻孔中的射流变化规律。其次,以高压水射流冲击动态载荷作用下煤岩应力场的分析为基础,对高压水...  (本文共191页) 本文目录 | 阅读全文>>