旋風式反循環鉆頭結構設計與反循環效果分析

朱麗紅，黃勇，殷琨，王京印

(1. 中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島，266580；2. 吉林大學 建設工程學院，吉林 長春，130026)

潛孔錘反循環中心取樣技術是一種利用潛孔錘沖擊回轉碎巖與雙壁鉆桿中心通道上返巖心相結合的新型鉆探工藝方法，該項技術具有優質、高效、低耗等顯著特點[1]。反循環鉆頭是反循環技術的核心部件：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構促使孔底流體和巖屑進入鉆具中心通道，實現反循環。現有反循環潛孔鉆頭是基于氣體引射原理設計的[2]，在較完整地層鉆進中，鉆頭與地層形成完整的引射結構，反循環效果好。對于在裂隙發育、漏失嚴重的地層鉆進時，引射結構破壞，鉆頭反循環效果較差，巖心采取率低，不能滿足鉆探取樣要求。為了提高反循環鉆頭的地層適應性，必須引入新的反循環機理。自然界中的龍卷風是一種小尺度天氣系統，其具有十分強勁的攜帶和破壞能力，能輕易地將地面重物拋到數米甚至數十米的高空[3-5]。對于自然界中龍卷風的形成機理的研究尚不明確[6-9]，但普遍認為龍卷風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，通過控制誘發射流的噴射角度和強度，在預定流場中產生旋流，促使流場中氣體旋轉加速，即可實現人工誘發龍卷風。目前，人工誘發龍卷風技術已成功應用于風力發電、鑄造冶金、氣力輸送、通風除塵等眾多工業領域[11-14]。在此，本文作者借鑒前人的研究成果，將人造龍卷風技術引入反循環鉆頭結構設計，借助計算流體動力學方法(CFD)對新型旋風式反循環鉆頭孔底氣固兩相流場進行數值模擬研究，驗證設計方案的可行性。

1 旋風式反循環鉆頭結構設計

誘發龍卷風的關鍵是引入上升的旋流，根據反循環鉆頭結構特點，通過在鉆頭體設置具有一定傾角的旋轉噴孔即可形成有效旋流，由此設計出來旋風式反循環鉆頭。旋風式反循環鉆頭具體結構如圖1 所示，在鉆頭底部沿鉆頭回轉方向開設3 個旋噴孔，旋噴孔壁面母線與中心通道內壁面相切，噴孔與鉆頭底面成一定傾角。當氣流進入鉆頭內部后，經花鍵槽進入過流孔，最終由旋噴孔以射流形式進入中心通道內，在中心通道內壁面的約束作用下氣流由直線運動轉變為回轉運動，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上升，為了補充被帶走的流體，鉆孔底面和環空中的氣體被吸入中心通道內，進而完成孔底反循環。

圖1 旋風式反循環鉆頭結構示意圖Fig.1 Schematic view of tornado-type reverse circulation bit

2 數學模型

2.1 物理模型

以Ф133 旋風式反循環鉆頭為例，該型號鉆頭外徑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。根據旋風鉆頭結構尺寸，設鉆孔孔徑的擴大率為5%，提取鉆孔底面到上部350 mm 孔段流場為研究對象，針對裂隙地層，在流場模型底面上設置一個寬度為2 mm 的裂隙圈。

反循環鉆頭內部流場結構較為復雜，在網格劃分時采用結構化網格與非結構化網格相結合的方式，以此提高計算精度、降低計算成本。網格劃分結果如圖2 所示，根據流場模型結構特點，將中心通道、旋噴孔、底面空間和環狀間隙采用六面體單元進行網格劃分，對于旋噴孔與中心通道交匯位置，采用非結構化的四面體網格單元。

圖2 旋風鉆頭模型及流場網格模型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性方程、動量方程和能量方程，其通式可表示為

式中：ρ 為氣體密度；t 為時間；φ為通用變量；v 為求解變量；Г 為廣義擴散系數；S 為廣義源項[15]。

(2) 巖屑在流場運動過程中受到多種力的作用，主要包括重力、曳力、壓力梯度力、附近質量力、Magnus 力、Saffman 升力、Basset 力以及熱泳力、光電泳力、聲泳等。根據牛頓第二定律，巖屑顆粒在拉格朗日坐標系下的運動方程為

2.3 湍流模型

Yakhot 和Orzag[16]在標準k-ε 模型基礎上發展了RNG k-ε 模型。與標準k-ε 模型相比，該模型的改進表現為在強旋流模擬中精度的提高。該模型對應方程為

2.4 計算條件與邊界條件

模擬采用的流體材料為空氣，其物性參數如下：密度1.225 kg/m3，運動黏滯系數1.78×10-2g/ms，進入流場的總質量流量為60 g/s。流場模型的3 個旋噴孔入口為質量流量入口，中心通道出口、環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入孔底流場內，注入源面為鉆孔底面，巖屑顆粒均勻分布于底面網格上。設反循環鉆進的機械鉆速為5 m/h，鉆孔直徑為140 mm，地層巖石密度為2.4 g/m3，則單位時間內巖屑顆粒的質量流量為51 g/s。對于進入流場的巖屑假定為球形慣性顆粒，粒徑滿足Rosin-Rammler 粒徑分布函數，初始速度為0 m/s，顆粒在運動過程中無旋轉，顆粒間無碰撞。

3 數值模擬結果

3.1 氣相特征

圖3 所示為旋風式反循環鉆頭孔底流場氣相特征圖。由圖3(a)和(c)可知：由于過流斷面積減小，壓縮空氣進入旋噴孔后，流速迅速提高并以射流的形式進入中心通道內，受中心通道內壁面的限制，直線射流轉為上升旋流，同時帶動中心通道內原有氣流一起旋轉；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運動減弱，而中心位置氣流的旋轉逐漸加強；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，為補充這部分氣流，環空和裂隙中的氣體被吸入孔底流場內。由圖3(b)和(d)可知：氣流由旋噴孔進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，旋噴孔以下流場均處于負壓區內，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值，而在圓周附近壓力為正值。

圖3 孔底流場內氣相特征Fig.3 Gas phase characteristics of flow field

流場中心通道不同高度上速度變化曲線如圖4 所示。可見，各條曲線呈軸對稱分布，曲線上速度呈“M”型分布，從x 軸0 點位置向兩側速度整體呈上升趨勢，在靠近中心通道內壁面附近，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 點附近壓力較低，而兩側壓力較高，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 流場不同截面速度變化曲線Fig.4 Velocity curves of different sections

圖5 流場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 所示為孔底流場內巖屑顆粒濃度分布等值線圖。從整個流場來看，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，由底面進入孔底流場內的巖屑顆粒在氣流帶動下向底面中心匯集，形成高濃度區，其最大顆粒質量濃度高于1 000 kg/m3，由中心沿徑向顆粒濃度急劇降低，對于底面大部分區域顆粒質量濃度在200 kg/m3以下，在到達底面邊緣位置顆粒濃度有所升高；受中心通道內旋流的抽吸作用，底面巖屑顆粒上升進入中心通道，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；到達截面y=40 mm 時，巖屑的顆粒質量濃度已低于10 kg/m3，顆粒逐漸向中心通道壁面附近擴散；隨著截面高度的增加，顆粒濃度進一步降低，同時在旋流的帶動下巖屑沿中心通道內壁面旋轉上升，位于壁面附近的顆粒濃度開始高于中心位置；到達截面y=300 mm 時，截面上的顆粒質量濃度降低為2 kg/m3。

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

圖7 巖屑顆粒運動軌跡Fig.7 Particle tracks of cuttings

巖屑的顆粒直徑和注入位置對其在孔底流場內的運動規律存在著直接影響，為了驗證不同初始條件下顆粒的運動規律，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)進入流場，模擬巖屑進入流場后的顆粒軌跡。圖7 所示為4 種粒徑巖屑從不同位置進入孔底流場后的顆粒軌跡。從圖7 可以看出：對于不同粒徑巖屑，其在流場內的運動規律基本相同，從x=0 mm 位置進入流場的顆粒由底面中心沿直線上升進入中心通道，最終由中心通道上部出口排出；其余3 個位置進入流場的顆粒在底面附近運動一段位移后上升進入中心通道，在旋流帶動下呈螺旋上升運動。對于不同粒徑、不同注入位置的巖屑顆粒均能進入到鉆頭中心通道內，說明旋風鉆頭具有較強的反循環能力。

4 反循環能力對比

為了進一步驗證旋風鉆頭的反循環能力，在相同孔底流場條件下，對旋風鉆頭與引射鉆頭在裂隙地層鉆進時的氣固兩相流場特征進行對比分析。

4.1 氣相特征

圖8 所示為裂隙地層鉆進時，引射鉆頭與旋風鉆頭孔底流場中軸線上速度與壓力對比圖。由圖8(a)可知：2 組曲線的變化趨勢相似，但幅度明顯不同，旋風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))，旋風鉆頭中軸線上均處于負壓區內，最低負壓小于-8 kPa，而引射鉆頭中軸線上整體壓力高于-1 kPa，部分區段壓力已為正值。

4.2 固相特征

有效攜巖是反循環鉆進的最終目的，因此中心通道內上返巖屑顆粒數量是衡量反循環效率的一個重要指標。采用顆粒追蹤法計算巖屑反循環效率，當巖屑顆粒進入孔底流場后對顆粒軌跡進行追蹤，在足夠的計算步長內，若巖屑顆粒進入到中心通道出口，則視其為實現反循環的顆粒；進入環空出口或裂隙出口的巖屑顆粒則視為逃逸顆粒，表示鉆頭對此種顆粒不具有反循環能力。由此，將由中心通道出口逃逸的顆粒數與進入流場內的總顆粒數之比作為鉆頭的反循環攜巖效率，其表達式為

圖8 氣相特征對比圖Fig.8 Comparison of gas phase characteristics

式中：ηparticles為反循環攜巖效率；N 為進入流場的巖屑顆粒總數；n 為中心通道出口逃逸的巖屑顆粒數。

圖9 所示為不同粒徑巖屑條件下2 種反循環鉆頭的攜巖效率。從圖9 可以看出：在裂隙地層鉆進時，引射式反循環鉆頭的攜巖效率較低，其對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，對于5 mm 巖屑的攜巖效率僅為60.9%；旋風鉆頭具有較好的攜巖能力，其對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 反循環攜巖效率對比Fig.9 Comparison of cuttings-carrying efficiency

5 結論

(1) 旋風式反循環鉆頭鉆進時，旋噴孔內氣流以近300 m/s 的速度進入中心通道內，帶動原有流體一起旋轉上升，在中心通道入口附近形成約-7.5 kPa 的負壓區，促使鉆孔環空和裂隙中流體進入中心通道，形成反循環。

(2) 在氣流的帶動下，巖屑顆粒匯聚于鉆孔底面中心，其最大顆粒質量濃度超過1 000 kg/m3，進入中心通道后顆粒質量濃度顯著降低，到達出口位置時顆粒質量濃度降低為2 kg/m3。對于粒徑為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位置進入流場后，均可形成反循環。

(3) 與引射式反循環鉆頭相比，旋風式反循環鉆頭在裂隙地層的反循環能力更強，其中心通道內氣相流體的最低壓力小于-8 kPa、最大流速超過100 m/s，整體攜巖效率高于95%。數值模擬結果表明，旋風鉆頭可以解決裂隙地層反循環不足問題。

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