宗緒永，李柏軍

(核工業(yè)二四〇研究所探礦工程院，遼寧沈陽110032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)資源消耗需求的大幅增長，資源勘探方向由容易開采的資源逐漸向地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，開發(fā)難度大的地區(qū)轉(zhuǎn)變。我國西部資源貯藏量大，種類豐富，是未來能源開采的主要地區(qū)。但西部地表鉆探環(huán)境惡劣，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干旱缺水，地表有較厚土層，且部分地區(qū)上覆較厚的黃土地層。常規(guī)鉆井一般利用鉆井液進(jìn)行孔底排渣，冷卻鉆頭，對(duì)于西部缺水且上覆黃土層地區(qū)，常規(guī)鉆探方法在對(duì)黃土層鉆進(jìn)時(shí)，由于黃土具有濕陷性，在鉆進(jìn)過程中易發(fā)生塌孔、卡鉆埋鉆等事故。針對(duì)西部缺水黃土覆蓋層鉆進(jìn)，王如生［1］等提出利用壓縮空氣代替鉆井液作為鉆探的循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行孔內(nèi)的排渣并采用壓縮空氣的射流切削作用進(jìn)行噴射鉆進(jìn)作業(yè)，試驗(yàn)證明，采用壓縮空氣作為土層鉆進(jìn)的切削介質(zhì)進(jìn)行反循環(huán)氣體噴射鉆進(jìn)比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法鉆進(jìn)效率高，且能較好控制現(xiàn)場的施工環(huán)境。采用反循環(huán)氣體噴射鉆進(jìn)技術(shù)配合貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)，在不用更換鉆進(jìn)機(jī)具的情況下直接對(duì)上覆土層和下伏巖層進(jìn)行連續(xù)鉆進(jìn)作業(yè)。

反循環(huán)氣體噴射鉆進(jìn)技術(shù)工藝原理與貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)技術(shù)類似，如圖1所示，壓縮空氣由進(jìn)氣膠管進(jìn)入雙臂鉆桿的環(huán)狀間隙進(jìn)入孔底，通過反循環(huán)噴射鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)，根據(jù)拉瓦爾噴管原理，壓縮空氣在孔底形成強(qiáng)力射流，對(duì)土層進(jìn)行破碎，由于內(nèi)噴孔產(chǎn)生的負(fù)壓，壓縮空氣在孔底形成漩渦，攜帶孔底巖屑沿鉆頭中心通道上返，最后經(jīng)由排渣管排出地表。利用高速氣體切割土層，可防止由于土層摩擦力過大，鉆頭直接切割土層導(dǎo)致扭矩過大，鉆桿扭斷等現(xiàn)象發(fā)生。王如生［1］等主要針對(duì)提高空氣反循環(huán)效果進(jìn)行了研究，但并未對(duì)鉆頭噴嘴方面的設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究。鉆頭噴嘴流體對(duì)孔底土層的切削能力直接影響了鉆進(jìn)速度，對(duì)鉆頭噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化至關(guān)重要。本文對(duì)于鉆頭噴嘴部位結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，利用流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)軟件CFD，對(duì)孔底流場進(jìn)行分析，通過噴嘴部位氣體速度及高速氣體分布情況，判斷最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖1 反循環(huán)氣體噴射鉆頭設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1 反循環(huán)氣體噴射鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

反循環(huán)氣體噴射鉆頭主要由內(nèi)噴孔部分和底噴孔部分兩部分構(gòu)成。反循環(huán)氣體噴射鉆頭底噴孔部分的設(shè)計(jì)依據(jù)為拉瓦爾噴管原理:當(dāng)氣流通過窄喉部位后，氣體速度超過音速，超過音速的氣體流速會(huì)隨著噴嘴出口面積加大而加大，高速噴射的氣流形成可以切割土層的空氣射流。反循環(huán)氣體噴射鉆頭的反循環(huán)能力是通過鉆頭體內(nèi)的內(nèi)噴孔來實(shí)現(xiàn)的，為保證反循環(huán)效果，設(shè)計(jì)內(nèi)噴孔仰角為60°，內(nèi)噴孔中心偏距為10.33 mm。氣體噴射鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。為了研究底噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)對(duì)鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力的影響，本文利用CFD軟件對(duì)不同底噴孔直徑、底噴孔數(shù)量、底噴孔擴(kuò)大段直徑、底噴孔擴(kuò)大段長度、內(nèi)噴孔數(shù)量5個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得到噴射能力較強(qiáng)，反循環(huán)能力較好的參數(shù)組合。

2 CFD數(shù)值模擬及邊界條件設(shè)置

采用CFD數(shù)值軟件模擬反循環(huán)氣體噴射鉆頭孔底流場。首先基于三維軟件solidworks建立孔底噴嘴流體三維模型，并采用hypermesh對(duì)建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分及流體區(qū)域邊界條件劃分命名，對(duì)細(xì)薄區(qū)域流體進(jìn)行局部細(xì)化處理，劃分網(wǎng)格總數(shù)為547861，如圖2所示。將鉆頭體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent6．3．25求解器中，設(shè)置好相關(guān)邊界條件后開始計(jì)算。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理分析獲得孔底流體可視化相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 典型的鉆頭孔底流體域網(wǎng)格圖

根據(jù)反循環(huán)氣體噴射鉆進(jìn)工藝參數(shù)，當(dāng)空壓機(jī)工作條件為9 m3/min時(shí)，設(shè)定雙壁鉆桿環(huán)空間隙為壓縮空氣質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量參數(shù)為0.2 kg/s。鉆頭與孔壁之間的外環(huán)空氣頂端出口與鉆頭中心通道頂端出口為壓力出口。壓縮空氣材料設(shè)置為理想氣體，氣體壁面為絕熱壁面。保證計(jì)算精度，采用標(biāo)準(zhǔn)K－ε湍流模型，壓力－速度耦合Coupled算法。保證計(jì)算收斂，克朗數(shù)時(shí)間步長和空間步長均為0.1，亞松弛因子能量設(shè)置為0.5。

3 結(jié)果與討論

3．1 底噴孔個(gè)數(shù)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力與反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個(gè)、底噴孔直徑為3 mm、內(nèi)噴孔直徑為8 mm、長度為10 mm的情況下，底噴孔數(shù)量對(duì)鉆頭底噴孔流體流速和外環(huán)空抽吸能力的影響如圖3所示。圖3(a)表明，在分別增加底噴孔數(shù)量為3個(gè)和4個(gè)時(shí)，能夠小幅提高底噴孔內(nèi)流體的噴射流速，且在均布有3個(gè)和4個(gè)內(nèi)噴孔時(shí)，噴射流體高速區(qū)向孔底延伸，但采用4個(gè)底噴孔時(shí)噴射流速和延伸距離均較3個(gè)時(shí)低，因此，采用3個(gè)底噴孔時(shí)，能夠獲取相對(duì)較高的孔底噴射流速并增大噴射流的高速區(qū)，有利于提高對(duì)孔底土層的切削作用。由圖3(b)可知，增加底噴孔個(gè)數(shù)使鉆頭的反循環(huán)卷吸能力減小較為明顯，在輸入空氣流量一定的情況下，由于增加了底噴孔的數(shù)量，導(dǎo)致底噴孔分流量增大，內(nèi)噴孔空氣質(zhì)量減小，減小內(nèi)噴孔質(zhì)量流量導(dǎo)致內(nèi)噴孔流體噴射流速降低，卷吸能力下降，從而影響鉆頭的反循環(huán)效果。在底噴孔數(shù)量為2個(gè)時(shí)，鉆頭對(duì)外環(huán)空的抽吸質(zhì)量流量為0.061 kg/s，當(dāng)增加到4個(gè)時(shí)，抽吸質(zhì)量流量減小到0.055 kg/s。因此，為在保證鉆頭具有較高切削能力的同時(shí)，確保鉆頭具有較好的反循環(huán)能力，采用3個(gè)直徑為3 mm的底噴孔較為理想。

圖3 底噴孔個(gè)數(shù)對(duì)底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸能力的影響

3．2 底噴孔直徑對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個(gè)，底噴孔數(shù)量為2個(gè)，底噴孔擴(kuò)大段直徑為8 mm、長10 mm時(shí)底噴孔直徑對(duì)底噴孔流體噴射流速和鉆頭抽吸能力的影響如圖4所示。如圖4(a)所示，2 mm直徑底噴孔鉆頭比3 mm直徑底噴孔鉆頭具有較好的反循環(huán)能力，但由于其直徑較小，噴射流量有限，導(dǎo)致2 mm底噴孔直徑使噴射流速較低，對(duì)土體的切削能力弱。當(dāng)?shù)讎娍字睆剑? mm時(shí)，底噴孔流體噴射流速降低較為明顯，表明在該流量時(shí)，擴(kuò)大底噴孔直徑所增加的底噴孔氣體流量不能補(bǔ)償由于底噴孔過流斷面積增加造成的流速降低，不利于底噴孔流體的噴射切削。同時(shí)，由于底噴孔直徑的擴(kuò)大，增加了流體的分流，減小了內(nèi)噴孔流量，導(dǎo)致鉆頭反循環(huán)能力大幅降低，如圖4(b)所示。為了確保鉆頭具有較高的鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力，底噴孔宜采用3 mm直徑。

圖4 底噴孔直徑對(duì)底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響

3．3 底噴孔擴(kuò)壓段長度對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個(gè)、底噴孔數(shù)量為2個(gè)、直徑為3 mm、底噴孔擴(kuò)壓段直徑為8 mm時(shí)，底噴孔擴(kuò)壓段長度直徑對(duì)底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響如圖5所示。由圖5(a)可知，當(dāng)?shù)讎娍讛U(kuò)壓段長度較小時(shí)，有利于提高底噴孔流體的噴射流速，同時(shí)有利于延伸噴射流體的高速區(qū)至孔底。當(dāng)?shù)讎娍讛U(kuò)壓段長度較小時(shí)，底噴孔流體能夠在離孔底相對(duì)較近的距離內(nèi)發(fā)生擴(kuò)散，擴(kuò)散距離的減短有利于其高速區(qū)向孔底延伸。而在對(duì)底噴孔擴(kuò)壓段長度進(jìn)行改變時(shí)，對(duì)鉆頭的反循環(huán)能力并無太大影響，如圖5(b)所示。因此，底噴孔擴(kuò)壓段長度應(yīng)采用較小的5 mm時(shí)，能夠在保證鉆頭反循環(huán)能力的同時(shí)提高鉆頭的鉆進(jìn)能力。

3．4 底噴孔擴(kuò)壓段直徑對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力的影響

圖6為底噴孔擴(kuò)大段直徑為4、6、8 mm時(shí)孔底噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量。從圖中可以看出，當(dāng)孔擴(kuò)大段直徑為4 mm時(shí)，底噴孔噴射流速最大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＜0.0026 m時(shí)，擴(kuò)大段直徑為6 mm時(shí)底噴孔噴射流速大于擴(kuò)大段為8 mm時(shí)底噴孔噴射流速，但流速相差不大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＞0.0026 m，擴(kuò)大段直徑為6 mm時(shí)底噴孔噴射流速小于擴(kuò)大段為8 mm時(shí)底噴孔噴射流速，并且流速差距逐漸拉大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＞0.006 m時(shí)，擴(kuò)大段直徑為4 mm時(shí)底噴孔噴射流速與擴(kuò)大段直徑為6 mm底噴孔噴射流速差迅速減小。在底噴孔擴(kuò)壓段直徑為6 mm時(shí)鉆頭反循環(huán)能力最強(qiáng)，底噴孔擴(kuò)大段直徑為8 mm時(shí)雖有所減小，但幅值不大，外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量差值為0.001 kg/s。說明擴(kuò)大段直徑改變對(duì)底噴孔噴射流速影響較大，因此當(dāng)?shù)讎娍讛U(kuò)大段直徑為8 mm時(shí)，能兼顧鉆頭的噴射能力和反循環(huán)能力。

3．5 內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)對(duì)鉆頭鉆進(jìn)能力和反循環(huán)能力的影響

圖7為內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為3、4、5、6時(shí)孔底噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量。從圖中可以看出，當(dāng)內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為5時(shí)，底噴孔噴射流速為最大。內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為6時(shí)鉆頭的噴射流速與內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為5時(shí)接近。當(dāng)內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為3時(shí)，底噴孔噴射流速很小。隨著內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)的增加，鉆頭的反循環(huán)能力逐漸增強(qiáng)，當(dāng)內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)＞4.5時(shí)，鉆頭反循環(huán)能力達(dá)到最佳并且外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量變化很小。因此內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)為5時(shí)，鉆頭的噴射能力和反循環(huán)能力為最好。

圖7 內(nèi)噴孔個(gè)數(shù)對(duì)底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響

4 結(jié)論

針對(duì)反循環(huán)噴射鉆頭結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件對(duì)不同底噴孔直徑、底噴孔數(shù)量、底噴孔擴(kuò)大段直徑、底噴孔擴(kuò)大段數(shù)量、噴射孔數(shù)量5個(gè)參數(shù)進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果表明，在進(jìn)風(fēng)質(zhì)量流量一定的情況下，底噴孔直徑為3 mm，底噴孔個(gè)數(shù)為2，底噴孔擴(kuò)大段直徑為8 mm，底噴孔擴(kuò)大段長度為10 mm，內(nèi)噴孔數(shù)量為5時(shí)，反循環(huán)噴射鉆頭噴射能力和反循環(huán)能力最好。圖8為最優(yōu)化組合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下鉆頭孔底流場速度云圖，在該參數(shù)組合下，鉆頭對(duì)外環(huán)空的卷吸流量可達(dá)0.057 kg/s，鉆頭底噴孔流體噴射流速在距出口4 mm處仍能保持446 m/s的高速噴射，而一般鉆頭底部出刃為2.5～3 mm，因此該結(jié)構(gòu)參數(shù)下鉆頭能夠保持良好的切削性能。

圖8 最優(yōu)參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)孔底流場速度云圖

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