朱麗紅，黃勇，殷琨，王京印

(1. 中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島，266580；2. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春，130026)

潛孔錘反循環(huán)中心取樣技術(shù)是一種利用潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)碎巖與雙壁鉆桿中心通道上返巖心相結(jié)合的新型鉆探工藝方法，該項(xiàng)技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗等顯著特點(diǎn)[1]。反循環(huán)鉆頭是反循環(huán)技術(shù)的核心部件：一方面，鉆頭在潛孔錘的沖擊載荷作用下破碎孔底巖石；另一方面，利用鉆頭自身特殊結(jié)構(gòu)促使孔底流體和巖屑進(jìn)入鉆具中心通道，實(shí)現(xiàn)反循環(huán)?，F(xiàn)有反循環(huán)潛孔鉆頭是基于氣體引射原理設(shè)計(jì)的[2]，在較完整地層鉆進(jìn)中，鉆頭與地層形成完整的引射結(jié)構(gòu)，反循環(huán)效果好。對(duì)于在裂隙發(fā)育、漏失嚴(yán)重的地層鉆進(jìn)時(shí)，引射結(jié)構(gòu)破壞，鉆頭反循環(huán)效果較差，巖心采取率低，不能滿足鉆探取樣要求。為了提高反循環(huán)鉆頭的地層適應(yīng)性，必須引入新的反循環(huán)機(jī)理。自然界中的龍卷風(fēng)是一種小尺度天氣系統(tǒng)，其具有十分強(qiáng)勁的攜帶和破壞能力，能輕易地將地面重物拋到數(shù)米甚至數(shù)十米的高空[3-5]。對(duì)于自然界中龍卷風(fēng)的形成機(jī)理的研究尚不明確[6-9]，但普遍認(rèn)為龍卷風(fēng)生成的基本條件是具有上升的氣流和水平方向的剪切力[10]。因此，通過(guò)控制誘發(fā)射流的噴射角度和強(qiáng)度，在預(yù)定流場(chǎng)中產(chǎn)生旋流，促使流場(chǎng)中氣體旋轉(zhuǎn)加速，即可實(shí)現(xiàn)人工誘發(fā)龍卷風(fēng)。目前，人工誘發(fā)龍卷風(fēng)技術(shù)已成功應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、鑄造冶金、氣力輸送、通風(fēng)除塵等眾多工業(yè)領(lǐng)域[11-14]。在此，本文作者借鑒前人的研究成果，將人造龍卷風(fēng)技術(shù)引入反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，借助計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)對(duì)新型旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭孔底氣固兩相流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

誘發(fā)龍卷風(fēng)的關(guān)鍵是引入上升的旋流，根據(jù)反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)在鉆頭體設(shè)置具有一定傾角的旋轉(zhuǎn)噴孔即可形成有效旋流，由此設(shè)計(jì)出來(lái)旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭。旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，在鉆頭底部沿鉆頭回轉(zhuǎn)方向開設(shè)3 個(gè)旋噴孔，旋噴孔壁面母線與中心通道內(nèi)壁面相切，噴孔與鉆頭底面成一定傾角。當(dāng)氣流進(jìn)入鉆頭內(nèi)部后，經(jīng)花鍵槽進(jìn)入過(guò)流孔，最終由旋噴孔以射流形式進(jìn)入中心通道內(nèi)，在中心通道內(nèi)壁面的約束作用下氣流由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成上升旋流。中心通道下部流體在旋流的抽吸作用下與旋流一同旋轉(zhuǎn)上升，為了補(bǔ)充被帶走的流體，鉆孔底面和環(huán)空中的氣體被吸入中心通道內(nèi)，進(jìn)而完成孔底反循環(huán)。

圖1 旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic view of tornado-type reverse circulation bit

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 物理模型

以Ф133 旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭為例，該型號(hào)鉆頭外徑133 mm，旋噴孔直徑7 mm，旋噴孔軸線與鉆頭底面夾角為60°，旋噴孔出口距鉆頭底面距離為40 mm，中心通道直徑為44 mm。根據(jù)旋風(fēng)鉆頭結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)鉆孔孔徑的擴(kuò)大率為5%，提取鉆孔底面到上部350 mm 孔段流場(chǎng)為研究對(duì)象，針對(duì)裂隙地層，在流場(chǎng)模型底面上設(shè)置一個(gè)寬度為2 mm 的裂隙圈。

反循環(huán)鉆頭內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在網(wǎng)格劃分時(shí)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式，以此提高計(jì)算精度、降低計(jì)算成本。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示，根據(jù)流場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將中心通道、旋噴孔、底面空間和環(huán)狀間隙采用六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于旋噴孔與中心通道交匯位置，采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格單元。

圖2 旋風(fēng)鉆頭模型及流場(chǎng)網(wǎng)格模型Fig.2 Tornado-type bit model and mesh model

2.2 控制方程

(1) 氣體控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，其通式可表示為

式中：ρ 為氣體密度；t 為時(shí)間；φ為通用變量；v 為求解變量；Г 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S 為廣義源項(xiàng)[15]。

(2) 巖屑在流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到多種力的作用，主要包括重力、曳力、壓力梯度力、附近質(zhì)量力、Magnus 力、Saffman 升力、Basset 力以及熱泳力、光電泳力、聲泳等。根據(jù)牛頓第二定律，巖屑顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程為

2.3 湍流模型

Yakhot 和Orzag[16]在標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型基礎(chǔ)上發(fā)展了RNG k-ε 模型。與標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型相比，該模型的改進(jìn)表現(xiàn)為在強(qiáng)旋流模擬中精度的提高。該模型對(duì)應(yīng)方程為

2.4 計(jì)算條件與邊界條件

模擬采用的流體材料為空氣，其物性參數(shù)如下：密度1.225 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)1.78×10-2g/ms，進(jìn)入流場(chǎng)的總質(zhì)量流量為60 g/s。流場(chǎng)模型的3 個(gè)旋噴孔入口為質(zhì)量流量入口，中心通道出口、環(huán)空出口及裂隙出口為壓力出口，其他邊界為壁面。

巖屑顆粒采用平面源的方式進(jìn)入孔底流場(chǎng)內(nèi)，注入源面為鉆孔底面，巖屑顆粒均勻分布于底面網(wǎng)格上。設(shè)反循環(huán)鉆進(jìn)的機(jī)械鉆速為5 m/h，鉆孔直徑為140 mm，地層巖石密度為2.4 g/m3，則單位時(shí)間內(nèi)巖屑顆粒的質(zhì)量流量為51 g/s。對(duì)于進(jìn)入流場(chǎng)的巖屑假定為球形慣性顆粒，粒徑滿足Rosin-Rammler 粒徑分布函數(shù)，初始速度為0 m/s，顆粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)旋轉(zhuǎn)，顆粒間無(wú)碰撞。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 氣相特征

圖3 所示為旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭孔底流場(chǎng)氣相特征圖。由圖3(a)和(c)可知：由于過(guò)流斷面積減小，壓縮空氣進(jìn)入旋噴孔后，流速迅速提高并以射流的形式進(jìn)入中心通道內(nèi)，受中心通道內(nèi)壁面的限制，直線射流轉(zhuǎn)為上升旋流，同時(shí)帶動(dòng)中心通道內(nèi)原有氣流一起旋轉(zhuǎn)；隨著旋流不斷上升，旋流速度逐漸降低，位于中心通道橫截面圓周附近的氣流的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)減弱，而中心位置氣流的旋轉(zhuǎn)逐漸加強(qiáng)；受旋噴孔出口位置旋流的抽吸作用，鉆孔底面附近的流體被吸入中心通道內(nèi)，為補(bǔ)充這部分氣流，環(huán)空和裂隙中的氣體被吸入孔底流場(chǎng)內(nèi)。由圖3(b)和(d)可知：氣流由旋噴孔進(jìn)入中心通道后壓力迅速降低，在旋噴孔出口位置形成較大壓力梯度；由于旋流的抽吸作用，旋噴孔以下流場(chǎng)均處于負(fù)壓區(qū)內(nèi)，其中中心通道入口位置的壓力最低；沿中心通道向上，壓力逐漸升高，在中心通道截面中心位置壓力為負(fù)值，而在圓周附近壓力為正值。

圖3 孔底流場(chǎng)內(nèi)氣相特征Fig.3 Gas phase characteristics of flow field

流場(chǎng)中心通道不同高度上速度變化曲線如圖4 所示?？梢姡鳁l曲線呈軸對(duì)稱分布，曲線上速度呈“M”型分布，從x 軸0 點(diǎn)位置向兩側(cè)速度整體呈上升趨勢(shì)，在靠近中心通道內(nèi)壁面附近，速度迅速減小并最終降低為0 m/s；隨著曲線高度的增加，速度變化幅度先增大后減小，其中曲線y=40 mm 波動(dòng)最為顯著，速度最大值接近300 m/s。圖5 所示為中心通道不同高度上壓力變化曲線圖。從圖5 可見：各曲線呈軸對(duì)稱分布，除曲線y=0 mm 以外，其余曲線呈“U”型變化，即y=0 mm 點(diǎn)附近壓力較低，而兩側(cè)壓力較高，曲線y=0 mm上的壓力分布與之相反；曲線y=40 mm 壓力變化較大，在流場(chǎng)中心(x=0 mm)附近壓力低于-7.5 kPa，在壁面邊緣(x=±22 mm)位置壓力高于17.5 kPa。

圖4 流場(chǎng)不同截面速度變化曲線Fig.4 Velocity curves of different sections

圖5 流場(chǎng)不同截面壓力變化曲線Fig.5 Pressure curves of different sections

3.2 固相特征

圖6 所示為孔底流場(chǎng)內(nèi)巖屑顆粒濃度分布等值線圖。從整個(gè)流場(chǎng)來(lái)看，鉆孔底面(y=-8 mm)上的巖屑顆粒濃度最高，隨著截面高度的增加顆粒濃度迅速降低。由圖6 可知，由底面進(jìn)入孔底流場(chǎng)內(nèi)的巖屑顆粒在氣流帶動(dòng)下向底面中心匯集，形成高濃度區(qū)，其最大顆粒質(zhì)量濃度高于1 000 kg/m3，由中心沿徑向顆粒濃度急劇降低，對(duì)于底面大部分區(qū)域顆粒質(zhì)量濃度在200 kg/m3以下，在到達(dá)底面邊緣位置顆粒濃度有所升高；受中心通道內(nèi)旋流的抽吸作用，底面巖屑顆粒上升進(jìn)入中心通道，在通道入口(y=0 mm)截面上顆粒濃度較底面有所下降，但大部分顆粒仍集中于截面中心附近；到達(dá)截面y=40 mm 時(shí)，巖屑的顆粒質(zhì)量濃度已低于10 kg/m3，顆粒逐漸向中心通道壁面附近擴(kuò)散；隨著截面高度的增加，顆粒濃度進(jìn)一步降低，同時(shí)在旋流的帶動(dòng)下巖屑沿中心通道內(nèi)壁面旋轉(zhuǎn)上升，位于壁面附近的顆粒濃度開始高于中心位置；到達(dá)截面y=300 mm 時(shí)，截面上的顆粒質(zhì)量濃度降低為2 kg/m3。

圖6 流場(chǎng)內(nèi)顆粒質(zhì)量濃度等值線圖(單位：kg/m3)Fig.6 Contour map of cuttings concentration in flow field

圖7 巖屑顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.7 Particle tracks of cuttings

巖屑的顆粒直徑和注入位置對(duì)其在孔底流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在著直接影響，為了驗(yàn)證不同初始條件下顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選取4 種不同粒徑巖屑(d=0.1 mm，0.5 mm，1 mm，5 mm)從底面徑向不同位置(x=0，20，50，70 mm)進(jìn)入流場(chǎng)，模擬巖屑進(jìn)入流場(chǎng)后的顆粒軌跡。圖7 所示為4 種粒徑巖屑從不同位置進(jìn)入孔底流場(chǎng)后的顆粒軌跡。從圖7 可以看出：對(duì)于不同粒徑巖屑，其在流場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本相同，從x=0 mm 位置進(jìn)入流場(chǎng)的顆粒由底面中心沿直線上升進(jìn)入中心通道，最終由中心通道上部出口排出；其余3 個(gè)位置進(jìn)入流場(chǎng)的顆粒在底面附近運(yùn)動(dòng)一段位移后上升進(jìn)入中心通道，在旋流帶動(dòng)下呈螺旋上升運(yùn)動(dòng)。對(duì)于不同粒徑、不同注入位置的巖屑顆粒均能進(jìn)入到鉆頭中心通道內(nèi)，說(shuō)明旋風(fēng)鉆頭具有較強(qiáng)的反循環(huán)能力。

4 反循環(huán)能力對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證旋風(fēng)鉆頭的反循環(huán)能力，在相同孔底流場(chǎng)條件下，對(duì)旋風(fēng)鉆頭與引射鉆頭在裂隙地層鉆進(jìn)時(shí)的氣固兩相流場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 氣相特征

圖8 所示為裂隙地層鉆進(jìn)時(shí)，引射鉆頭與旋風(fēng)鉆頭孔底流場(chǎng)中軸線上速度與壓力對(duì)比圖。由圖8(a)可知：2 組曲線的變化趨勢(shì)相似，但幅度明顯不同，旋風(fēng)鉆頭中軸線上速度處于較高水平，其最大氣體流速高于100 m/s；引射鉆頭氣體流速較低，最大速度不到40 m/s。在壓力方面(見圖8(b))，旋風(fēng)鉆頭中軸線上均處于負(fù)壓區(qū)內(nèi)，最低負(fù)壓小于-8 kPa，而引射鉆頭中軸線上整體壓力高于-1 kPa，部分區(qū)段壓力已為正值。

4.2 固相特征

有效攜巖是反循環(huán)鉆進(jìn)的最終目的，因此中心通道內(nèi)上返巖屑顆粒數(shù)量是衡量反循環(huán)效率的一個(gè)重要指標(biāo)。采用顆粒追蹤法計(jì)算巖屑反循環(huán)效率，當(dāng)巖屑顆粒進(jìn)入孔底流場(chǎng)后對(duì)顆粒軌跡進(jìn)行追蹤，在足夠的計(jì)算步長(zhǎng)內(nèi)，若巖屑顆粒進(jìn)入到中心通道出口，則視其為實(shí)現(xiàn)反循環(huán)的顆粒；進(jìn)入環(huán)空出口或裂隙出口的巖屑顆粒則視為逃逸顆粒，表示鉆頭對(duì)此種顆粒不具有反循環(huán)能力。由此，將由中心通道出口逃逸的顆粒數(shù)與進(jìn)入流場(chǎng)內(nèi)的總顆粒數(shù)之比作為鉆頭的反循環(huán)攜巖效率，其表達(dá)式為

圖8 氣相特征對(duì)比圖Fig.8 Comparison of gas phase characteristics

式中：ηparticles為反循環(huán)攜巖效率；N 為進(jìn)入流場(chǎng)的巖屑顆?？倲?shù)；n 為中心通道出口逃逸的巖屑顆粒數(shù)。

圖9 所示為不同粒徑巖屑條件下2 種反循環(huán)鉆頭的攜巖效率。從圖9 可以看出：在裂隙地層鉆進(jìn)時(shí)，引射式反循環(huán)鉆頭的攜巖效率較低，其對(duì)4 種巖屑的攜巖效率均低于80%，隨著顆粒直徑的增大，攜巖效率逐漸降低，對(duì)于5 mm 巖屑的攜巖效率僅為60.9%；旋風(fēng)鉆頭具有較好的攜巖能力，其對(duì)各粒徑巖屑的攜巖效率均高于95%，且受巖屑粒徑變化影響小。

圖9 反循環(huán)攜巖效率對(duì)比Fig.9 Comparison of cuttings-carrying efficiency

5 結(jié)論

(1) 旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭鉆進(jìn)時(shí)，旋噴孔內(nèi)氣流以近300 m/s 的速度進(jìn)入中心通道內(nèi)，帶動(dòng)原有流體一起旋轉(zhuǎn)上升，在中心通道入口附近形成約-7.5 kPa 的負(fù)壓區(qū)，促使鉆孔環(huán)空和裂隙中流體進(jìn)入中心通道，形成反循環(huán)。

(2) 在氣流的帶動(dòng)下，巖屑顆粒匯聚于鉆孔底面中心，其最大顆粒質(zhì)量濃度超過(guò)1 000 kg/m3，進(jìn)入中心通道后顆粒質(zhì)量濃度顯著降低，到達(dá)出口位置時(shí)顆粒質(zhì)量濃度降低為2 kg/m3。對(duì)于粒徑為0.1，0.5，1.0及5.0 mm 的巖屑顆粒由底面徑向0，20，50 和70 mm位置進(jìn)入流場(chǎng)后，均可形成反循環(huán)。

(3) 與引射式反循環(huán)鉆頭相比，旋風(fēng)式反循環(huán)鉆頭在裂隙地層的反循環(huán)能力更強(qiáng)，其中心通道內(nèi)氣相流體的最低壓力小于-8 kPa、最大流速超過(guò)100 m/s，整體攜巖效率高于95%。數(shù)值模擬結(jié)果表明，旋風(fēng)鉆頭可以解決裂隙地層反循環(huán)不足問(wèn)題。

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