据统计,随着国内油气资源的勘探开发,国内老油井单井产量逐年降低,递减率最高达到60%。同时新探明的优质油气资源所占比例较少,低品质油气资源(稠油、低渗透及特低渗透油藏)的储量所占比例越来越大,因此如何提高老油井和低品质油气资源的开采效率已经成为我国迫切需要解决的问题。喷嘴和转向器作为水力深穿透钻孔系统的关键部件,自进式喷嘴钻进性能和转向器通道轨迹设计达不到要求是制约水力深穿透钻孔技术发展的主要原因,限制了水力深穿透钻孔系统的钻进能力。虽然目前对直旋混合射流喷嘴结构及钻进性能有了一定的研究,但是在应用中还存在许多问题和不足,同时对直旋混合射流的结构特性和冲蚀破岩机理等方面还未展开深入研究。本文采用理论研究、仿真研究和实验研究相结合的方法,以提高水力深穿透钻孔系统钻进性能为目的,对自进式喷嘴钻进性能和高压软管在转向器内的通过阻力展开系统性的研究工作。开展了直旋混合射流的结构特性研究,进行了新型自进式喷嘴的结构设计方法、流场特性、钻孔特性和冲蚀破岩机理等方面的研究。进行了高压软管在转向器内的通过阻力分析。取得的主要研究成果如下:(1)直旋混合射流的结构特征分析及喷嘴结构设计通过对直旋混合射流结构和速度特征分析,得到直旋混合射流由外围旋转射流和射流中心直射流组成,这种射流结构解决了旋转射流中心存在低速区问题。进行了直旋混合射流和多孔直射流的流场特性对比研究,发现直旋混合射流结构更加适用于水力深穿透钻孔作业。提出了一种新型自进式喷嘴,该喷嘴加旋流道短,加旋效果好,降低了流体与叶轮之间因摩擦而产生的能量损失,增强了射流对岩石的剪切和拉伸破坏效果。开展了新型自进式喷嘴加旋理论和钻进性能的理论研究,建立了新型自进式喷嘴的旋流数和自进力计算模型。(2)新型自进式喷嘴的钻进性能研究及关键参数分析通过对新型自进式喷嘴的内部流场规律的分析,揭示了直旋混合射流的形成过程。利用正交试验设计方法和方差分析法进行加旋芯体结构参数敏感性分析,结果表明内切入圆心角、中心孔孔径和切入角是显著影响加旋效果的关键参数。开展了新型自进式喷嘴的钻进性能研究,得到了自进式喷嘴关键参数对钻进性能的影响规律及关键参数匹配方案。设计了一套自进式喷嘴自进力测量系统,基于实验得到自进力实验结果与仿真结果非常吻合,验证了数值仿真模型的准确性。(3)基于代理模型的喷嘴多目标优化设计基于三种预测学习方法建立了新型自进式喷嘴钻进性能与其关键参数的关系模型,通过对比发现采用粒子群算法优化后的支持向量机回归模型建立的关系模型预测精度最高,更准确的揭示了喷嘴关键参数与其钻进性能的关系,可作为新型喷嘴的设计模型。利用钻进性能代理模型,采用非支配排序遗传多目标优化算法进行优化,得到了新型自进式喷嘴关键参数的匹配方案,为实际生产提供可靠的依据。进行自进力和水射流破岩实验,通过对比分析得到与原喷嘴结构相比,优化后喷嘴的钻孔孔径增大了 23.2%,钻孔深度略微增加,自进力增大了 16.1%。说明基于支持向量机回归模型的非支配排序遗传多目标优化设计方法可实现喷嘴关键结构参数的快速求解,从而大幅度提高了喷嘴的设计效率。(4)新型自进式喷嘴的破岩特性研究通过对比四种喷嘴结构的水射流破岩效果,得到新型自进式喷嘴的钻孔效果较好。基于新型自进式喷嘴的钻孔孔形和井底速度场分析,揭示了新型自进式喷嘴的破岩机理。基于计算流体动力学和离散元理论相结合的方法,建立了水射流破岩仿真模型。通过研究揭示了直旋混合射流作用下岩石的破碎规律,得到了施工参数对破岩效果的影响规律,建立了水力深穿透钻孔作业的施工参数设计模型。研究结果为现场施工技术参数设计提供了理论基础。(5)转向器阻力计算模型研究及优化设计通过分析高压软管在转向器通道内的力学行为,建立了转向器通过阻力计算模型。基于转向器通过阻力实验得到理论计算结果与实验结果基本吻合,验证了转向器阻力计算模型的准确性。基于粒子群优化算法对转向器轨迹参数进行优化得到了较优的转向器轨迹参数组合,与原结构相比转向器阻力降低了31.5%,对于提高水力深穿透钻孔系统钻进长度,改善油气井开采效率具有非常重要的作用。本文的研究成果为水力深穿透钻孔系统钻进性能的改进,高效自进式喷嘴结构设计和转向器轨迹参数设计提供了理论基础,揭示了直旋混合射流的速度分布规律和冲蚀破岩机理。研究工作对推动水力深穿透钻孔技术的发展具有重要的意义。