基于Fluent的空氣射流切削式反循環鉆頭參數優化

宗緒永，李柏軍

(核工業二四〇研究所探礦工程院，遼寧沈陽110032)

0 引言

隨著我國經濟的迅猛發展，對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環境復雜，開發難度大的地區轉變。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。但西部地表鉆探環境惡劣，地層結構復雜，干旱缺水，地表有較厚土層，且部分地區上覆較厚的黃土地層。常規鉆井一般利用鉆井液進行孔底排渣，冷卻鉆頭，對于西部缺水且上覆黃土層地區，常規鉆探方法在對黃土層鉆進時，由于黃土具有濕陷性，在鉆進過程中易發生塌孔、卡鉆埋鉆等事故。針對西部缺水黃土覆蓋層鉆進，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介質進行孔內的排渣并采用壓縮空氣的射流切削作用進行噴射鉆進作業，試驗證明，采用壓縮空氣作為土層鉆進的切削介質進行反循環氣體噴射鉆進比常規回轉鉆進方法鉆進效率高，且能較好控制現場的施工環境。采用反循環氣體噴射鉆進技術配合貫通式潛孔錘反循環鉆進技術，在不用更換鉆進機具的情況下直接對上覆土層和下伏巖層進行連續鉆進作業。

反循環氣體噴射鉆進技術工藝原理與貫通式潛孔錘反循環連續取心鉆進技術類似，如圖1所示，壓縮空氣由進氣膠管進入雙臂鉆桿的環狀間隙進入孔底，通過反循環噴射鉆頭的特殊結構，根據拉瓦爾噴管原理，壓縮空氣在孔底形成強力射流，對土層進行破碎，由于內噴孔產生的負壓，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致扭矩過大，鉆桿扭斷等現象發生。王如生［1］等主要針對提高空氣反循環效果進行了研究，但并未對鉆頭噴嘴方面的設計進行深入研究。鉆頭噴嘴流體對孔底土層的切削能力直接影響了鉆進速度，對鉆頭噴嘴的結構參數優化至關重要。本文對于鉆頭噴嘴部位結構重新設計優化，利用流體計算動力學軟件CFD，對孔底流場進行分析，通過噴嘴部位氣體速度及高速氣體分布情況，判斷最優噴嘴結構。

圖1 反循環氣體噴射鉆頭設計結構

1 反循環氣體噴射鉆頭結構設計

反循環氣體噴射鉆頭主要由內噴孔部分和底噴孔部分兩部分構成。反循環氣體噴射鉆頭底噴孔部分的設計依據為拉瓦爾噴管原理:當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。反循環氣體噴射鉆頭的反循環能力是通過鉆頭體內的內噴孔來實現的，為保證反循環效果，設計內噴孔仰角為60°，內噴孔中心偏距為10.33 mm。氣體噴射鉆頭結構設計如圖1所示。為了研究底噴孔結構參數和內噴孔個數對鉆進能力和反循環能力的影響，本文利用CFD軟件對不同底噴孔直徑、底噴孔數量、底噴孔擴大段直徑、底噴孔擴大段長度、內噴孔數量5個參數進行模擬分析，得到噴射能力較強，反循環能力較好的參數組合。

2 CFD數值模擬及邊界條件設置

采用CFD數值軟件模擬反循環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對建立的三維模型進行網格劃分及流體區域邊界條件劃分命名，對細薄區域流體進行局部細化處理，劃分網格總數為547861，如圖2所示。將鉆頭體網格模型導入Fluent6．3．25求解器中，設置好相關邊界條件后開始計算。對計算結果進行后處理分析獲得孔底流體可視化相關數據。

圖2 典型的鉆頭孔底流體域網格圖

根據反循環氣體噴射鉆進工藝參數，當空壓機工作條件為9 m3/min時，設定雙壁鉆桿環空間隙為壓縮空氣質量流量入口，質量流量參數為0.2 kg/s。鉆頭與孔壁之間的外環空氣頂端出口與鉆頭中心通道頂端出口為壓力出口。壓縮空氣材料設置為理想氣體，氣體壁面為絕熱壁面。保證計算精度，采用標準K－ε湍流模型，壓力－速度耦合Coupled算法。保證計算收斂，克朗數時間步長和空間步長均為0.1，亞松弛因子能量設置為0.5。

3 結果與討論

3．1 底噴孔個數對鉆頭鉆進能力與反循環能力的影響

在內噴孔數量為6個、底噴孔直徑為3 mm、內噴孔直徑為8 mm、長度為10 mm的情況下，底噴孔數量對鉆頭底噴孔流體流速和外環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量為3個和4個時，能夠小幅提高底噴孔內流體的噴射流速，且在均布有3個和4個內噴孔時，噴射流體高速區向孔底延伸，但采用4個底噴孔時噴射流速和延伸距離均較3個時低，因此，采用3個底噴孔時，能夠獲取相對較高的孔底噴射流速并增大噴射流的高速區，有利于提高對孔底土層的切削作用。由圖3(b)可知，增加底噴孔個數使鉆頭的反循環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量，導致底噴孔分流量增大，內噴孔空氣質量減小，減小內噴孔質量流量導致內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效果。在底噴孔數量為2個時，鉆頭對外環空的抽吸質量流量為0.061 kg/s，當增加到4個時，抽吸質量流量減小到0.055 kg/s。因此，為在保證鉆頭具有較高切削能力的同時，確保鉆頭具有較好的反循環能力，采用3個直徑為3 mm的底噴孔較為理想。

圖3 底噴孔個數對底噴孔噴射流速和外環空抽吸能力的影響

3．2 底噴孔直徑對鉆頭鉆進能力和反循環能力的影響

在內噴孔數量為6個，底噴孔數量為2個，底噴孔擴大段直徑為8 mm、長10 mm時底噴孔直徑對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能力，但由于其直徑較小，噴射流量有限，導致2 mm底噴孔直徑使噴射流速較低，對土體的切削能力弱。當底噴孔直徑＞3 mm時，底噴孔流體噴射流速降低較為明顯，表明在該流量時，擴大底噴孔直徑所增加的底噴孔氣體流量不能補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，由于底噴孔直徑的擴大，增加了流體的分流，減小了內噴孔流量，導致鉆頭反循環能力大幅降低，如圖4(b)所示。為了確保鉆頭具有較高的鉆進能力和反循環能力，底噴孔宜采用3 mm直徑。

圖4 底噴孔直徑對底噴孔噴射流速和外環空抽吸質量流量的影響

3．3 底噴孔擴壓段長度對鉆頭鉆進能力和反循環能力的影響

在內噴孔數量為6個、底噴孔數量為2個、直徑為3 mm、底噴孔擴壓段直徑為8 mm時，底噴孔擴壓段長度直徑對底噴孔噴射流速和外環空抽吸質量流量的影響如圖5所示。由圖5(a)可知，當底噴孔擴壓段長度較小時，有利于提高底噴孔流體的噴射流速，同時有利于延伸噴射流體的高速區至孔底。當底噴孔擴壓段長度較小時，底噴孔流體能夠在離孔底相對較近的距離內發生擴散，擴散距離的減短有利于其高速區向孔底延伸。而在對底噴孔擴壓段長度進行改變時，對鉆頭的反循環能力并無太大影響，如圖5(b)所示。因此，底噴孔擴壓段長度應采用較小的5 mm時，能夠在保證鉆頭反循環能力的同時提高鉆頭的鉆進能力。

3．4 底噴孔擴壓段直徑對鉆頭鉆進能力和反循環能力的影響

圖6為底噴孔擴大段直徑為4、6、8 mm時孔底噴射流速和外環空抽吸質量流量。從圖中可以看出，當孔擴大段直徑為4 mm時，底噴孔噴射流速最大。當鉆頭距孔底距離＜0.0026 m時，擴大段直徑為6 mm時底噴孔噴射流速大于擴大段為8 mm時底噴孔噴射流速，但流速相差不大。當鉆頭距孔底距離＞0.0026 m，擴大段直徑為6 mm時底噴孔噴射流速小于擴大段為8 mm時底噴孔噴射流速，并且流速差距逐漸拉大。當鉆頭距孔底距離＞0.006 m時，擴大段直徑為4 mm時底噴孔噴射流速與擴大段直徑為6 mm底噴孔噴射流速差迅速減小。在底噴孔擴壓段直徑為6 mm時鉆頭反循環能力最強，底噴孔擴大段直徑為8 mm時雖有所減小，但幅值不大，外環空抽吸質量流量差值為0.001 kg/s。說明擴大段直徑改變對底噴孔噴射流速影響較大，因此當底噴孔擴大段直徑為8 mm時，能兼顧鉆頭的噴射能力和反循環能力。

3．5 內噴孔個數對鉆頭鉆進能力和反循環能力的影響

圖7為內噴孔個數為3、4、5、6時孔底噴射流速和外環空抽吸質量流量。從圖中可以看出，當內噴孔個數為5時，底噴孔噴射流速為最大。內噴孔個數為6時鉆頭的噴射流速與內噴孔個數為5時接近。當內噴孔個數為3時，底噴孔噴射流速很小。隨著內噴孔個數的增加，鉆頭的反循環能力逐漸增強，當內噴孔個數＞4.5時，鉆頭反循環能力達到最佳并且外環空抽吸質量流量變化很小。因此內噴孔個數為5時，鉆頭的噴射能力和反循環能力為最好。

圖7 內噴孔個數對底噴孔噴射流速和外環空抽吸質量流量的影響

4 結論

針對反循環噴射鉆頭結構，利用CFD軟件對不同底噴孔直徑、底噴孔數量、底噴孔擴大段直徑、底噴孔擴大段數量、噴射孔數量5個參數進行模擬分析。分析結果表明，在進風質量流量一定的情況下，底噴孔直徑為3 mm，底噴孔個數為2，底噴孔擴大段直徑為8 mm，底噴孔擴大段長度為10 mm，內噴孔數量為5時，反循環噴射鉆頭噴射能力和反循環能力最好。圖8為最優化組合鉆頭結構參數情況下鉆頭孔底流場速度云圖，在該參數組合下，鉆頭對外環空的卷吸流量可達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，因此該結構參數下鉆頭能夠保持良好的切削性能。

圖8 最優參數鉆頭結構孔底流場速度云圖

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