气体保护射流特性及破岩实验研究

论文摘要

气体保护水射流是上世纪70年代发展起来的一项技术,现在已经被广泛应用到建筑上高压旋喷注浆过程中,本文在对气体保护水射流充分调研的基础上,进行其数值模拟和破岩实验研究,将其应用到石油行业微小井眼水力钻头中。数值模拟采用k ?ε标准模型和Mixture多相流控制方程,结果表明保护气体能够减少射流摩阻和能量损失,显著提高射流的有效喷距;射流等速核长度随着保护气体速度的增加而增长,常压淹没条件下气体速度到180m/s时等速核长度基本达到稳定值,等速核的长度约为(13~14)D0,比常规淹没射流能够提高等速核长度1.5~1.7倍,围压下气体的保护能力稍有降低;常压和围压淹没条件下气体保护射流都具有自相似性。破岩实验发现气体保护射流的破岩情况与非淹没射流的十分类似,破岩体积并不存在最优喷距,尤其在空化影响不明显时,比常规射流有更好的破岩效果。通气压力和围压之间的压差控制在0.5MPa~1.0MPa之间比较合适。设计了气体保护射流水力钻头,使用间隙密封和O型圈密封相结合的办法解决了水和气体双通道的旋转密封问题,通过在钻头内部加工的流道将保护气体引向每个喷嘴的周围,并对喷嘴、中心旋转轴以及轴承等进行了计算和设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微小井眼钻井与水力破岩技术
• 1.2.2 气体保护射流的研究概况
• 1.3 本文的研究目标及研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 气体保护水射流的数值模拟
• 2.1 FLUNET 软件简要介绍
• 2.2 气体保护水射流的物理模型及网格划分
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 网格划分
• 2.3 流场计算数值模型
• 2.3.1 Mixture 多相流模型
• 2.3.2 标准 k-ε湍流模型
• 2.3.3 离散化方法
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 残差设置和流场的初始化
• 2.4 气体保护射流喷嘴出口附近流场结构
• 2.5 气体保护射流轴向速度衰减规律
• 2.5.1 气体保护射流轴心速度的衰减规律
• 2.5.2 不同断面处气体保护射流轴向速度分布规律
• 2.6 围压下气体保护射流喷嘴出口附近流场结构
• 2.7 本章小结
• 第三章 常压淹没条件下气体保护射流破岩实验
• 3.1 气体保护射流喷嘴结构参数的确定
• 3.1.1 内喷嘴结构参数确定
• 3.1.2 外喷嘴结构参数确定
• 3.2 实验设备及岩样
• 3.3 实验方法和实验方案
• 3.3.1 实验方法
• 3.3.2 实验方案
• 3.4 实验结果与分析
• 3.4.1 喷距对射流破岩效果的影响
• 3.4.2 通气压力对射流破岩效果的影响
• 3.4.3 冲击时间对射流破岩效果的影响
• 3.4.4 与常规非淹没射流破岩效果的对比实验
• 3.5 掺气空化射流破岩效果实验研究
• 3.6 本章小结
• 第四章 围压条件下气体保护射流破岩实验研究
• 4.1 实验设备和岩样
• 4.1.1 实验设备
• 4.1.2 实验岩样
• 4.2 实验方案
• 4.3 实验参数
• 4.4 实验结果及分析
• 4.4.1 围压下喷距对气体保护射流破岩效果的影响规律
• 4.4.2 围压下通气压力对气体保护射流破岩效果的影响规律
• 4.4.3 围压对气体保护射流破岩效果的影响规律
• 4.5 本章小结
• 第五章 气体保护射流破岩钻头的设计
• 5.1 自旋转射流钻头基本理论
• 5.2 气体保护射流钻头的设计原则
• 5.2.1 旋转动密封
• 5.2.2 喷嘴布置
• 5.2.3 阻尼机构
• 5.2.4 设计结果总结
• 5.3 起始旋转扭矩
• 5.4 强度校核
• 5.4.1 中心轴的强度校核
• 5.4.2 轴承的选型校验
• 5.4.3 联接螺纹的强度校核
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢