随着浅层油气资源的不断枯竭,在深部坚硬地层以及复杂地质条件下发现油气是逐渐成为勘探开发的重点。在钻井过程中,地层硬度和钻井难度随着井深的增加而不断增大,提高硬地层钻速是世界公认的钻井难题之一。为了充分利用井底水力能量提高钻速,提出了粒子脉冲射流钻井技术,并就粒子脉冲射流性能分析和优化的方法进行了探索,研究兼具重要的理论与实际应用价值。本文首先依据粒子脉冲射流钻井的设想,提出了井底直接调制式脉冲粒子射流的技术方案,完成了配套射流调制工具,即自吸环空流体式自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的原理设计。通过对腔室内两相流场的流动特性分析,揭示了脉冲粒子射流的调制机理。研究了粒子直径、粒子密度、围压和入口压力等井底实际工况对脉冲粒子射流调制的影响,发现在井底条件下,自吸环空流体式自激振荡腔可稳定生成局部负压,因而可在钻井工具内外形成压差,将环空粒子引入,参与调制生成脉冲粒子射流。研究证实了射流调制工具的原理可行;其次,采用大涡模拟法分析了自吸环空流体式自激振荡脉冲射流的瞬态变化及脉动特性,揭示了吸入环空流体强化自激振荡脉冲射流性能的机理,发现自激振荡腔的结构参数对射流的脉动效应影响显著,结构合理的吸入式自激振荡射流的性能明显优于非吸入式脉冲射流;然后,依据大涡模拟的结果,研制了自吸环空流体式自激振荡脉冲粒子射流钻井工具的原理样机,并进行了射流破岩试验,对比分析了射流调制工具自激振荡腔的结构参数对射流性能的影响作用规律。结果表明,射流调制工具出口流速脉动值越大,破岩效果越好,二者呈显著线性相关;最后,以射流调制工具出口流速脉动值为优选依据,采用正交试验法进行数值模拟试验,优选了调制工具的结构参数,数值计算与试验结果吻合良好,证实了井底直接调制式脉冲粒子射流性能分析与优化的方法可行。本文通过数值模拟与试验研究相结合的方法,系统的研究了粒子脉冲射流的调制方法和调制机理,并形成了一种优化射流性能的方法,数值计算结果与破岩试验结果相吻合,表明本文所用的研究方法正确可行,研究结果丰富了射流理论,为实际技术的发展奠定了理论基础。