目前中国国内煤层气资源急需开发,以缓解国内资源紧张问题。通过极小半径径向钻井技术开采煤层气是目前勘探开发主要趋势之一。在径向钻井技术中核心部件为水射流钻头,对于径向钻井技术的钻进效率和开采效果有着决定性影响。在众多类型射流钻头中,直旋混合射流钻头具有可靠稳定性、较强钻进能力等优势,因此适用于径向钻井的技术要求,但针对煤岩破岩机理及其流场特性等方面的研究,目前还需要进一步的研究。本文主要采用理论分析、数值模拟和破岩冲孔试验的方法,对直旋混合射流钻头应用于破碎煤岩开展了射流破碎煤岩机理、钻头结构设计、钻头内部结构优化以及钻孔冲孔试验等方面研究。取得的成果主要有:1)在理论分析上,研究射流基本结构和煤岩基本性能以及结构特点,探究冲击煤岩体主要阶段,将水射流冲击煤岩破坏形式进行分类,从而得出破碎煤岩一般过程大致分为:形成初始破碎坑;微裂纹阶段;微裂纹扩展阶段;形成宏观破坏阶段。2)对直旋混合射流钻头进行结构优化设计,主要通过仿真模拟分析了其中核心部件—叶轮。通过结果对比分析优化了叶轮部分参数:其叶轮槽个数为6;槽倾角为45°;槽宽度为0.7;叶轮长度为5 mm;腔收缩段角为60°。并且对射流进行结构分区,在径向上大致分为:直射流区、强旋射流区、弱旋射流区和外围射流区;在轴向上大致分为:过滤段和均匀混合段。3)对三类射流进行冲孔试验,分析其冲孔特性,确立直旋混合射流的优势,并且仿真部分结果进行了验证性试验。根据试验结果,分析射流流场与破岩效果之间的影响:射流破岩效果不仅仅和射流冲击速度有关,还与射流对于岩体的作用方式有着较大的关系。旋转射流更加容易在其表面产生裂纹,有利于射流静态作用下对于煤岩体表面以及内部裂纹扩散,形成宏观层面上破碎岩体。本论文研究成果为水射流径向钻井技术提供了一定的理论指导,丰富了其流场特性、破岩机理等方面的研究,具有一定意义。图[59]表[8]参[91]