声速流对钻头温度和压力的影响

气体钻井过程中,喷嘴处容易产生声速流,且在声速流条件下,伴随着压力间断和喷嘴低温,会导致钻头"冰包",环空压力急剧上升而立管却无法检测的现象,容易造成地面及井下事故.以超临界CO2气体钻井为例对钻头渐缩喷嘴压力、温度、流速变化对声速流的影响进行研究.结果表明:气体从喷嘴喷出后,压力急剧降低,体积快速膨胀,产生焦耳汤姆逊效应,使得喷嘴出口温度急剧降低,降低幅度取决于气体性质以及上下游压力比;在进行气体钻井设计时,尤其是需要高压力、大排量喷射钻井时,首先要估算井底压力范围,再计算喷嘴上游临界压力,确定钻头上游安全压力带作为水力参数设计的参考标准,控制好井底与钻头上游之间的压力关系,避免声速流的发生.     

钻井中双级流量分配的理论研究

双级分流系统由导眼体喷嘴组、扩眼体喷嘴组、级间钻柱中心孔和级间环空组成，为一个并联流道系统。推导出了双级流量分配公式，确立了双级流量分配的基本原则，并应用公式对导眼体分流流量进行了参数变化影响规律分析，在其他参数不变的条件下推导出了描述喷嘴组的当量直径和级间段长与导眼体分流流量间的简化关系式。结果表明，导眼体和扩眼体喷嘴组的当量直径对导眼体分流流量影响较大，是调整双级分流的主控因素；级间段长对其影响较小，在喷嘴组设计时给予适当考虑，在两级之间加钻柱时。导眼体的清洗是能保证的；钻铤内径、钻井液表观粘度、喷嘴流量系数对其影响很小，钻井液密度、井眼扩大系数、钻铤外径的影响则更小。     

三牙轮钻头井底平面流场物理模型及相关性检验

在某些筒化及假设的前提下，建立了三牙轮钻头井底平面流场物理模型，并进行了实验验证。实验结果表明，井底平面流场服从所建立的物理模型，从而为井底流场的计算机模拟奠定了基础。     

锥形旋转水射流的试验研究

研究出一种圆锥形水射流喷嘴，并对其结构特点及压力分布进行了分析，从理论和试验结果论述了影响喷嘴射流扩散角的结构因素，包括叶轮叶片的出口角和射流截面压力分布，文中引入喷嘴的几何特征数Ω来表征喷嘴的旋转强度，可用于衡量喷嘴的质量。     

一种新型自振脉冲喷嘴的设计

根据涡旋运动理论，对自振脉冲射流进行了深入分析，认为由振荡腔喷出的射流为一系列不连续的涡旋。对涡旅的产生和增大的规律进行了描述，根据理论计算和大量的试验数据，设计了一种新型的自振脉冲射流喷嘴，对射流轴心冲击压力进行了测试及冲蚀岩样试验，并与普通自振脉冲喷嘴及锥形喷嘴进行了对比．研究结果表明，这种新型自振脉冲喷嘴可产生很强的压力脉动，并能有效地提高射流的冲蚀破碎能力。     

单齿压入作用下岩石内部的应力场以及裂纹扩展规律的实验研究

利用光弹实验分析单齿压入作用下岩石内部产上的应力场，根据断裂力学的理论分析了裂纹扩展的一些基本规律．得出裂纹沿压应力迹线的方向扩展的结论．整体裂纹的分布规律与齿形及应力场分布有关，提高压头的载荷可使裂纹系统发育更加完善，但不会改变裂纹扩展和分布规律，通过受压岩样切片观测．验证了上述结论．实验研究了四种齿形．以弧陵齿破岩效果最佳．     

轴对称紊流射流流场数值模拟

选取标准的Ｋ－ε二方程模型及优选的紊流模型系数，运用有限差分方法对淹没轴对称紊流射流流场进行数值计算．计算结果表明，射流轴心速度是逐渐衰减的，其衰减规律和射流出口雷诺数无关，无因次等速核长度（Ｌ／Ｄ）约为４～５，和实验数据符合较好．对射流径向速度Ｖ沿径向截面的分布及射流基本段内轴向速度分布的相似住进行了预测．     

井底边界条件下喷嘴射流流的数值模拟

用数值模拟的方法研究了符合井底边界条件的轴对称单喷嘴淹没非自由射流流场，给出了不同喷嘴直径、不同喷速、不同喷距下的流场磁量图，并研究了上述工况下的射流轴心速度衰减规律。结果表明，除射流区、撞击区、漫流区、返回区之外，还存在一明显的回流旋涡区，射流出口雷诺数对轴心速度衰减的影响很小，而温流的存在命名得射流轴心速度在靠近井底的区域内受到很大程度的影响。     

牙轮钻头自激振荡脉冲喷嘴的实验研究

在理论和实验研究的基础上,设计了几种用于牙轮钻头的自激振荡脉冲喷嘴,在常压下进行了射流脉冲压力测试和冲蚀天然红砂岩的实验。实验结果表明,所设计的风琴管自激脉冲喷嘴和亥姆霍兹振荡腔脉冲喷嘴具有很强的脉冲效果,其冲蚀岩石能力大大高于普通锥形喷嘴,其中风琴管自激脉冲喷嘴的脉冲效果和破岩能力最强。实验还表明,自激振荡脉冲喷嘴射流存在最优喷距,最优喷距的大小为喷嘴出口直径的7～14倍。自激振荡脉冲喷嘴可直接应用在钻头上,能提高钻井速度,降低钻井成本。