大直徑引射器式反循環鉆頭結構設計及數值模擬

甘心，殷琨，何將福，殷其雷

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大直徑引射器式反循環鉆頭結構設計及數值模擬

甘心，殷琨，何將福，殷其雷

(吉林大學建設工程學院，國土資源部復雜條件鉆進技術開放研究實驗室，吉林長春，130026)

針對油氣勘探開發特點的要求，將貫通式潛孔錘反循環鉆井技術應用于大直徑井眼段、復雜地層深井段的油氣勘探開發領域，并根據多噴嘴引射器原理，設計一種外徑為660 mm的新型大直徑引射器式反循環鉆頭，并進行計算流體動力學(CFD)分析以及野外鉆井試驗。研究結果表明：該新型大直徑反循環鉆頭結構設計合理，所形成的一、二級引射結構均對反循環形成效果和抽吸能力有良好促進作用，最高鉆進效率可達6.0 m/h，平均鉆進效率為4.5 m/h，并將井底破碎下的不同顆粒粒度的巖渣屑及地層流體抽吸進入鉆頭內部形成穩定反循環攜帶至地表，孔底無沉渣，并且外環間隙無巖渣屑泄漏現象。

油氣勘探；大直徑鉆頭；反循環鉆井；引射器；計算流體動力學(CFD)分析

貫通式潛孔錘反循環鉆井技術具有氣體鉆井不污染儲層、提高單井油氣產量[1]、消除鉆井液漏失的優點，同時具有反循環鉆井所需最小注氣量少[2]、對井壁擾動小[3]、排渣效果不受孔徑限制、對地層適應能力強的優點，同時也具有沖擊回轉鉆井鉆進效率高、鉆孔垂直度好、鉆頭壽命長、鉆井成本低的優點。因此，將貫通式潛孔錘反循環鉆井技術引入油氣勘探開發領域，可以解決常規正循環潛孔錘在深井段、大直徑井眼鉆進過程中遇到的鉆進效率低、排渣困難[4]、空壓機增壓機等設備投入量大、成本高等問題，為解決我國當前油氣勘探開發領域所面臨的低壓、低滲、低產油氣藏的高效開發問題[5]和提高復雜地層、深井硬巖地層鉆進速度低等難題提供新的技術手段。而貫通式潛孔錘反循環鉆井技術能否在大口徑油氣資源勘探開發領域成功應用，反循環鉆頭是關鍵環節。反循環鉆頭除了需具備高效破碎巖石的功能外，還必須具備抽吸并引導井底巖渣屑及外環間隙流體介質快速進入鉆頭內部貫通孔形成穩定反循環流體的重要功 能[6]。若反循環鉆頭的抽吸效果顯著，則可以及時、順暢地將破碎下的巖渣屑抽吸進入鉆頭內部形成反循環，并消除巖渣屑向外環間隙流動的趨勢；若抽吸效果不好，則除了出現巖渣屑在井底沉積，造成重復破碎，影響鉆進效率之外，還可能出現巖渣屑向外環間隙泄漏，并堆積在鉆頭背面臺階上，造成卡鉆、埋鉆等孔內事故。因此，設計一種具備強力抽吸效果的大直徑反循環鉆頭十分必要。

1 大直徑引射器式反循環鉆頭設計

氣體引射器廣泛應用于流體機械和化工反應設備中[7]。圖1所示為單級氣體引射器結構示意圖，高壓噴射流體從噴嘴高速噴出后會產生強烈的卷吸作用[8]，將周圍低壓被卷吸流體卷吸進入混合室內進行動量和能量的交換[9]，并逐漸形成均勻的混合流體[10?11]。

本文作者根據油氣勘探開發領域井眼直徑大、井深、不取塊狀巖心等特點，并據多噴嘴引射器原理，設計一種氣體鉆井用新型大直徑引射器式反循環鉆頭，其結構原理如圖2所示。

1—噴嘴；2—接受室；3—混合室；4—擴壓室A—噴射流體；B—被引射流體

1—內噴孔；2—貫通孔；3—底噴孔；4—排渣孔；5—擴壓槽

大直徑引射器式反循環鉆頭井底流場主要由底噴孔、擴壓槽、排渣孔、貫通孔以及內噴孔等組成。鉆頭內部結構的三維模型如圖3所示。

該大直徑引射器式反循環鉆頭外徑為660 mm，鉆頭的具體結構設計如下：

圖3 反循環鉆頭內部結構三維模型

1) 底噴孔采用分段式設計，將噴出口置于鉆頭底唇面外沿，且將噴出口噴射軸線設計為向鉆頭中心傾斜的噴射方式，傾斜角為15°，6個底噴孔采用異徑分布；

2) 鉆頭底面采用的是內凹式球面設計[12]；

3) 在鉆頭底面布置3個偏心距各不相同的圓形排渣孔，這3個排渣孔相交于貫通孔底部，且排渣孔直徑小于貫通孔直徑；

4) 在花鍵槽內設置6個向上傾斜的內噴孔，其噴射軸線采用螺旋型噴射方式[13]。

2 反循環鉆頭模型建立

由于大直徑引射器式反循環鉆頭直徑大，鉆頭整體結構復雜，內噴孔、底噴孔及排渣孔數量較多。鉆頭在井底工作時，壓縮空氣從內噴孔和底噴孔高速噴出后，在受限的環境下流動，并且多股射流之間還存在相互干涉碰撞，使得流體在鉆頭內部流場中的流動形態非常復雜，采用理論計算很難進行分析研究。

因此，本文運用CFD軟件對大直徑引射器式反循環鉆頭進行數值模擬分析，研究底噴孔、內噴孔、排渣孔及鉆頭底面形狀對反循環形成機理和抽吸效果的影響。

此外，還針對該鉆頭進行在不同供風量條件下的反循環抽吸效果分析，找出與該鉆頭相匹配的最優供風量。

2.1 數學模型

流體在鉆頭井底復雜流場中的流動要受到物理守恒定律的支配，需要同時滿足質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程[14]。

質量守恒方程為

動量守恒方程：

能量守恒方程為

式中：div為散度；為速度矢量；，和分別為速度矢量在，和方向的分量；為流體密度；為動力黏度；為壓強；為流體傳熱系數；c為比常壓熱容；為溫度；S，S和S為動量守恒方程的廣義源項[15]。

2.2 幾何模型及網格劃分

根據大直徑引射器反循環鉆頭的結構特點，采用Solidworks軟件創建如圖4所示的鉆頭井底流場模型。

1—貫通孔；2—內噴孔；3—鉆頭與井壁間隙；4—底噴孔；5—擴壓槽；6—排渣孔

在CFD分析中，網格質量對求解速度和精度有重要的影響。由于反循環鉆頭的流場比較復雜，各個流體通道之間尺寸相差較大，如：中心貫通孔直徑為 95 mm，而內噴孔和底噴孔的直徑分別僅為18 mm和10 mm，因此，對整個流場模型全部采用四面體非結構化網格進行劃分。劃分好的反循環鉆頭網格模型的單元總數為893 805個，單元最大尺寸為3 mm，充分滿足計算精度需要。

2.3 邊界條件和求解控制

內噴孔和底噴孔入口都采用質量入口邊界條件，輸入壓縮空氣質量流量、湍流強度和水力直徑等主要參數；中心貫通孔上表面和外環間隙上表面均采用壓力出口邊界條件，允許有回流現象，輸入湍流強度和水力直徑等主要參數；其他壁面則全部采用壁面邊界條件。

在前處理中，采用基于密度的隱式求解器，該類型求解器對高速可壓縮流體的求解精度更高[16]。在求解控制方程設置中，采用二階迎風格式離散黏性項和對流項[17]，采用中心差分格式離散擴散項。采用多重網格技術提高整個求解過程的速度，加速迭代收斂。在求解時，采用監測殘差曲線和貫通孔出口和外環間隙出口處的質量流量變化曲線相結合的方式對整個求解過程收斂性進行判定。當殘差曲線低于預設值并且質量流量曲線平穩時，可認定整個迭代求解過程收斂。

3 CFD分析結果

3.1 底噴孔設計對反循環形成的影響

圖5所示為底噴孔處速度矢量圖。從圖5可以看出：底噴孔采用向內傾斜的噴射方式，相當于在井底形成1個一級引射結構。壓縮空氣從噴出口噴出后，將壓力能轉變為動能，形成高速噴射流體，卷吸擴壓槽內的流體形成低壓區。由于底噴孔的噴出口位于鉆頭底唇面外沿，在正常鉆進時，鉆頭連續回轉，底噴孔噴出口附近的低壓區能夠大面積掃過鉆頭底唇面形成較大面積的連續環狀低壓帶，在壓差作用下更好地將鉆頭外齒圈破碎下的巖渣屑和外環間隙流體介質向擴壓槽內抽吸，消除巖渣屑向外環間隙流動的傾向，實現流體介質的全井反循環。

圖5 底噴孔處速度矢量圖

3.2 鉆頭底面形狀設計對反循環形成的影響

圖6所示為反循環鉆頭縱向截面上的速度分布云圖。從圖6可知：由于鉆頭底面采用內凹式設計，在正常鉆進時，井底巖石會形成1個中心凸臺，使高速噴射流體和被卷吸流體在井底巖石的反射作用下更順暢地向排渣孔流動，而且擴壓槽的容腔體積也不斷擴大，2股流體在擴壓槽內不斷進行動量和能量交換。高速噴射流體的流速逐漸降低，邊界層逐漸向外擴展，而被卷吸流體的流速逐漸增大，被卷吸量也逐漸增多。進入貫通孔后，噴射流體與被卷吸流體充分混合形成混合流體實現上返。

鉆頭底面采用內凹式設計，不僅減小了壓縮空氣抽吸井底巖渣屑形成反循環的阻力，而且增大了井底巖渣屑向外環間隙泄漏的阻力，有助于反循環形成更加徹底。

圖6 鉆頭縱向截面速度云圖

3.3 內噴孔設計對反循環形成的影響

圖7所示為內噴孔噴射流體的流線圖。從圖7可知：內噴孔噴射軸線采用向上傾斜的螺旋型噴射方式，相當于在鉆頭內部貫通孔中形成1個二級引射結構。壓縮空氣經內噴孔高速噴出后，所具有的初始速度會使其沿著貫通孔產生旋轉上升的流動，并且分布在貫通孔近壁面區域內，可以有效地避免內噴孔之間多股射流集中碰撞產生的“風簾效應”，造成噴射流體的能量損失以及阻礙下部多相流體的上返運動。在內噴孔噴射流體的二級引射卷吸作用下，貫通孔中心區域形成1個流體的低壓“空腔”，不斷抽吸著下部的混合流體向上運動，共同組成反循環上返流體。

圖8所示為貫通孔軸線上的速度和靜壓力變化曲線，其中，虛線1為內噴孔與貫通孔交匯處的位置，虛線2為貫通孔底距離井底的高度。從圖8可知：壓縮空氣經內噴孔噴出后，壓力能轉變為動能，速度增大，壓力減小，形成的高速噴射流會卷吸下部貫通孔內的混合流體向上運動，使混合流體的上返流速迅速增大，貫通孔內的壓力大幅下降并形成負壓區。當到達一定高度后，隨著多股噴射流體與被卷吸流體之間不斷發生動量和能量交換，噴射流體流速逐漸下降，卷吸作用逐漸減弱，貫通孔內混合流體流速出現小幅度降低，靜壓力逐漸升高。

(a) 仰視圖；(b) 主視圖

(a) 速度變化曲線；(b) 靜壓力變化曲線

3.4 排渣孔設計對反循環形成的影響

圖9所示為鉆頭底部流體流線圖。從圖9可以看出：在偏離鉆頭底面中心設置3個排渣孔的方式與傳統巖心鉆探使用的小口徑反循環鉆頭排渣孔只設置在鉆頭底面中心點的方式相比，具有以下優點：

1) 可以有效地縮短外齒圈破碎下的巖渣屑沿擴壓槽經排渣孔流入內部貫通孔的運移路徑；

2) 3個排渣孔偏離中心點距離不相等，有利于使鉆頭底面不同位置處破碎下的巖渣屑能夠快速、及時地經排渣孔進入鉆頭內部貫通孔；

3) 3個偏心排渣孔的入口會隨著鉆頭的回轉掃過更大面積，更有利于排渣和形成反循環，有效防止井底沉渣現象；

4) 3個排渣孔同時相交于貫通孔底部，可以有效地減少相互干涉碰撞、阻礙多相混合流體反循環形成；

5) 排渣孔直徑小于貫通孔直徑，可以限制進入內部貫通孔中的巖塊顆粒粒度，有效地避免在鉆具中心反循環排渣通道發生卡堵現象。

3.5 供風量變化對反循環形成的影響

圖10所示為不同供風量條件下，從鉆頭與井壁間外環間隙抽吸進入的流體質量流量變化曲線。從圖10可知：

圖9 鉆頭底部流體流線圖

1) 在供風量小于30 m3/min時，隨著供風量的增加，抽吸流體質量流量的增幅較小。這是由于供風量小，多股射流在鉆頭底部的噴射流速較低，形成的低壓區面積較小，對井底巖渣屑和外環間隙流體產生的引射卷吸作用也較微弱。

2) 在供風量大于30 m3/min時，隨著供風量的增加，抽吸流體質量流量的增幅也隨之增大。這是由于供風量增大，壓縮空氣的噴射流速逐漸增大，對外環間隙產生的引射卷吸作用顯著增強。

3) 當供風量達到90 m3/min時，抽吸流體質量流量最大，為0.550 881 kg/s。

4) 當供風量超過90 m3/min時，抽吸流體質量流量開始緩慢減小。這是由于鉆頭底部結構尺寸有限，多股高速射流在井底受限流場產生的相互干涉碰撞作用不斷增強，導致混合流體反循環阻力逐漸增大。

圖10 抽吸質量流量隨供風量的變化曲線

從CFD分析結果可知：新型大直徑引射器式反循環鉆頭的整體結構設計合理，所形成的一、二級引射器式反循環是均為主動型的反循環方式，兩者疊加能夠形成穩定的反循環抽吸效果。即使在鉆遇破碎、漏失地層或者鉆進過程遇到底噴孔發生堵塞的情況下，單純依靠內噴孔的二級引射卷吸作用仍能形成穩定反循環。

4 試驗效果

在完成鉆頭的整體結構設計之后，對660 mm新型大直徑引射器式反循環鉆頭進行加工并進行野外鉆井試驗。

試驗現場的地層條件如下：地表為30 cm厚的混凝土蓋板，下部地層以微風化褐紅色的泥質粉砂巖為主，夾雜砂巖夾層，巖石較完整，硬度等級為Ⅳ級。

現場試驗得出：660 mm新型大直徑引射器式反循環鉆頭在供風量為60 m3/min時，最高鉆進速度可達6 m/h，平均鉆進速度在4 m/h以上。從反循環連續排出的巖渣屑顆粒情況來看，既有較大顆粒的巖塊也有細小顆粒的巖屑，最大顆粒的巖塊最長直徑約為 68 mm，與鉆頭排渣孔的通孔直徑相當，這說明壓縮空氣在鉆具中心通道上返流速很高，能夠將大顆粒巖塊快速、及時地攜帶至地表，反循環排渣能力很強，無巖渣屑卡堵現象出現。

將貫通式潛孔錘提離井底一定高度進行“強吹孔”時，反循環排出的多相混合流體幾乎都是清潔的，巖屑量很少，孔底無沉渣，這說明該大直徑引射器式反循環鉆頭沖擊破碎下的巖渣屑及地層流體都能及時地被底噴孔高速噴出的壓縮空氣卷吸進入鉆頭貫通孔內上返，鉆頭與井壁間外環間隙無巖渣屑泄漏。

5 結論

1) 本文針對油氣勘探開發井眼直徑大、井深、不取塊狀巖心的特點需要，根據多噴嘴引射器原理設計了一種外徑為660 mm的新型大直徑引射器式反循環鉆頭，并對鉆頭底噴孔、內噴孔、排渣孔、鉆頭底面形狀以及該鉆頭在不同供風量條件下的反循環抽吸效果進行了CFD數值模擬分析。從分析結果來看，該鉆頭的底噴孔、內噴孔、排渣孔等結構設計合理，所形成的一、二級引射結構均對反循環形成有良好促進作用，且當該鉆頭在供風量為90 m3/min時，反循環抽吸效果顯著。

2) 660 mm新型大直徑引射器式反循環鉆頭在供風量為60 m3/min時，最高鉆進速度達到6 m/h，平均鉆進速度在4 m/h以上。反循環形成效果和抽吸能力顯著，可以將井底破碎下的不同顆粒粒度的巖渣屑及地層流體抽吸進入鉆頭內部貫通孔內并攜帶至地表，其中最大顆粒的巖塊最長直徑約為68 mm，孔底無沉渣，且外環間隙無巖渣屑泄漏現象。

[1] 朱麗紅. 油氣勘探風動潛孔錘反循環鉆井系統流體動力學參數研究[D]. 長春: 吉林大學建設工程學院, 2010: 5?6.ZHU Lihong. Researches on fluid-dynamic parameters of pneumatic DTH hammer reverse circulation drilling system used in oil-gas exploration[D]. Changchun: Jilin University. College of Construction Engineering, 2010: 5?6.

[2] 孟英峰, 練章華, 唐波, 等. 反循環鉆頭井底流場研究及其新產品開發[J]. 天然氣工業, 2004, 24(9): 51?53. MENG Yingfeng, LIAN Zhanghua, TANG Bo, et al. Research on the bottomhole flow field of reverse circulation bit and its product development[J]. Natural Gas Industry, 2004, 24(9): 51?53.

[3] BO Kun, WANG Maosen, ZHAO Zhiqiang. Numerical simulation on bottom hole flow fields of reverse circulation bit[J]. Applied Mechanics and Materials, 2012, 256: 2826?2830.

[4] Kirk G, Muzondo T, Harney D. Improved grade control using reverse circulation drilling at Mogalakwena Platinum mine, South Africa[C]// Proceedings of 8th International Mining Geology Conference 2011. Australia: Australasian Institute of Mining and Metallurgy, 2011: 329?340.

[5] 楊虎, 王利國. 欠平衡鉆井基礎理論與實踐[M]. 北京: 石油工業出版社, 2009: 1?2. YANG Hu, WANG Liguo. Basic theory and practice of underbalanced dilling[M]. Beijing: Petroleum Industry Press, 2009: 1?2.

[6] YIN Qilei, PENG Jianming, BO Kun, et al. Study on dust control performance of a hammer drill bit[J]. International Journal of Mining, Reclamation and Environment, 2013, 27(6): 393?406.

[7] 范黎明, 殷琨, 張永光, 等. 基于引射原理的側吸式反循環鉆頭結構參數數值研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2011, 42(1): 220?226. FAN Liming, YIN Kun, ZHANG Yongguang, et al. Numerical investigation of geometry parameters onside-ejector DTH hammer RC bit[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2011, 42(1): 220?226.

[8] 趙承慶, 姜毅. 氣體射流動力學[M]. 北京: 北京理工大學出版社, 1998: 74?77. ZHAO Chengqin, JIANG Yi. The kinetics of gas jet[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1998: 74?77.

[9] 王茂森. 全孔反循環潛孔錘參數優化及其鉆進工藝研究[D]. 長春: 吉林大學建設工程學院, 2007: 56?67. WANG Maosen. The parameters optimization of the reverse circulation DTH hammer and studies on its drilling technique[D]. Changchun: Jilin University. College of Construction Engineering, 2007: 56?67.

[10] Yadav R L, Patwardhan A W. Design aspects of ejectors: Effects on suction chamber geometry[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(15): 3886?3897.

[11] Praitoon C, Somchai W. Effect of throat diameters of the ejector on the performance of the refrigeration cycle using a two-phase ejector as an expansion device[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(4): 601?608.

[12] 劉建林. 氣體鉆井用貫通式潛孔錘關鍵技術研究[D]. 長春: 吉林大學建設工程學院, 2009: 140?146.LIU Jianlin. Researches on the key technologies of hollow-through DTH used in gas drilling[D]. Changchun: Jilin University. College of Construction Engineering, 2009: 140?146.

[13] 劉建林. 專用反循環鉆頭內噴孔結構設計研究[J]. 石油機械, 2012, 40(6): 7?12. LIU Jianlin. Structural design of the internal jet orifice for special reverse circulation drill bit[J]. China Petroleum Machinery, 2012, 40(6): 7?12.

[14] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京: 清華大學出版社, 2004: 196?198. WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 196?198.

[15] 林建忠, 阮曉東, 陳邦國, 等. 流體力學[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005: 76?95. LIN Jianzhong, RUAN Xiaodong, CHEN Bangguo, et al. Fluid mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2005: 76?95.

[16] 趙志強, 殷琨, 博坤, 等. 大直徑氣力反循環鉆頭結構參數數值模擬與優化[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2013, 44(10): 4264?4272. ZHAO Zhiqiang, YIN Kun, BO Kun, et al. Numerical simulation and optimization of structural parameters on large-diameter air reverse circulation DTH hammer bit[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2013, 44(10): 4264?4272.

[17] 范黎明, 殷琨, 張曉光, 等. 潛孔錘鉆進孔口密封器流場數值模擬及優化設計[J]. 吉林大學學報(地球科學版), 2011, 41(2): 511?516. FAN Liming, YIN Kun, ZHANG Xiaoguang, et al. Numerical simulation of geometry parameters for optimization design of orifice sealer used in DTH hammer drilling[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 2011, 41(2): 511?516.

(編輯 羅金花)

Structural design and numerical simulation on large-diameter reverse circulation drill bits with ejectors

GAN Xin, YIN Kun, HE Jiangfu, YIN Qilei

(Laboratory of Technology for Drilling under Complex Condition of Ministry of Land and Resources, College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

In order to apply the reverse circulation drilling technology with hollow through DTH air hammer to the exploration and production of oil and gas resource by means of large diameter wells or deep wells in complicated stratum, a new 660 mm diameter reverse circulation drill bit with ejectors was innovatively designed on the basis of ejecting theory with multi-nozzles according to the requirements for exploring and producing oil and gas resources, and the detailed computational fluid dynamics (CFD) analysis and subsequent field drilling tests were also completed. The results show that the ejecting structures of both the first ejector and the second ejector on new large-diameter reverse circulation drill bit have a positive influence on the formation of reverse circulation and the improvement of suction capability. The optimum penetration rate of drill bit can reach 6.0 m/h, and the average penetration rate is 4.5 m/h. The cuttings with various particle sizes and the fluid reserved in strata can be duly discharged from the bottom of drilling wells to earth surface, and no extra sediments exist in the bottom of drilling wells. Furthermore, no cuttings are leaked from the annular space between borehole wall and the drill string.

exploration of oil and gas resource; large-diameter drill bit; reverse circulation drilling; ejector; computational fluid dynamics (CFD) analysis

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.09.015

TE247

A

1672?7207(2015)09?3267?07

2014?09?20；

2014?11?30

中國地質調查局項目(12120113096900) (Project(12120113096900) supported byChina Geological Survey Bureau)

殷琨，教授，博士生導師，從事多工藝沖擊回轉鉆探工藝及工具研究；E-mail: yinkun@jlu.edu.cn