硅油控制自旋射流钻头转速下的黏性力矩特性

• Published in: 煤炭学报 Vol. 49; no. 11; pp. 4542 - 4552
• Main Authors: 葛兆龙, 张娣, 卢义玉, 周哲, 崔予怀
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室,重庆 400044%重庆大学资源与安全学院,重庆 400044 01.11.2024; 重庆大学资源与安全学院,重庆 400044
• Subjects: coalbed methane; 煤层气; 牛顿流体; shear thinning fluid; 流变特性; 转速控制; rotational speed control; rheological property; Newtonian fluid; 剪切稀化流体; self-rotating jet bit; 自旋射流钻头
• ISSN: 0253-9993
• DOI: 10.13225/j.cnki.jccs.2024.0609

TD431; 利用转速可控自旋射流钻头破煤钻孔,可提高水力喷射树状钻孔技术的煤层气开发效率.在钻头有界环空内填充硅油产生的黏性力矩可有效控制钻头转速,但黏性力矩特性仍不明晰.量化分析了不同黏度硅油流变特性;基于自主搭建的流体有界环空受迫流动动力学测试装置,获得了不同转速和有界环空内径下硅油的黏性力矩;阐明了硅油在有界环空内的流动状态,推导了黏性力矩模型并进行了适用性讨论.结果表明:硅油依黏度不同可近似为牛顿流体(黏度≤5 Pa·s)和以Cross流变模型描述的剪切稀化流体.牛顿型硅油在有界环空内受迫流动时表观黏度基本不变,因此其黏性力矩随自身黏度和转速线性增加,随内径增加增速加快,这有利于多压力梯度下的转速控制.Cross型硅油的剪切应力随剪切速率呈现为增加、减小、再增加趋势,导致其黏性力矩存在由转速和内径协同控制的峰值,且硅油黏度越大,黏性力矩取得峰值时的转速和内径组合越多;为避免Cross型硅油控速时因黏性力矩减小而发生钻头转速失控,需根据转速控制范围合理选择硅油黏度和有界环空内径.在 84%的测试转速和内径组合下,Cross型硅油黏性力矩大于相同条件下的牛顿型硅油,表明前者更适合高压力下的转速控制,后者更适合低压力.本次实验条件下,硅油在有界环空内的受迫流动为层流,推导的牛顿型和Cross型黏性力矩模型分别在内径不超过14.5 mm和等于14.5 mm下具有较高的可靠性,最大误差为14.3%.