自進(jìn)式直旋混合射流鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化與鉆孔能力分析

杜 鵬，張汶定

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

針對(duì)我國(guó)“富煤缺油少氣”的能源結(jié)構(gòu)，煤系氣的開(kāi)采已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的新興趨勢(shì)[1-2]，而通過(guò)極小半徑徑向鉆井技術(shù)可以有效地進(jìn)行煤系氣開(kāi)采，也是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)趨勢(shì)之一[3-4]。該技術(shù)中最核心的部件為射流鉆頭，主要由鉆頭體與葉輪2 部分組成。而鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化將直接影響到破煤鉆井開(kāi)采煤系氣的效率，目前該技術(shù)中應(yīng)用最廣泛、作業(yè)效率最高的是直旋混合射流鉆頭。

直旋混合射流屬于組合射流[5]，兼具直射流能量集中與旋轉(zhuǎn)射流具有較大沖擊面積的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)由于射流在沖擊破碎煤巖時(shí)能量均勻，所以能沿著預(yù)設(shè)定位置進(jìn)行破巖前進(jìn)，偏離度更小。相比目前應(yīng)用到的多噴嘴射流鉆頭與旋轉(zhuǎn)射流鉆頭[6-12]，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。

J.D.Buckman 等[13]設(shè)計(jì)出應(yīng)用于徑向鉆進(jìn)技術(shù)中的新型直旋混合射流鉆頭，針對(duì)該射流鉆頭，國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者進(jìn)行研究。張小寧等[14]采用數(shù)值模擬的方法研究了直旋混合射流井底沖擊流場(chǎng)。吳德松等[15]對(duì)中心孔孔徑、葉輪出口切向角度、收縮角等定性分析研究了其對(duì)射流流場(chǎng)的影響規(guī)律。畢剛等[16]通過(guò)對(duì)直旋混合射流鉆頭內(nèi)外流場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究了射流流場(chǎng)的特點(diǎn)。杜鵬等[17-19]通過(guò)數(shù)值模擬、3DPIV 等方法研究了葉輪中心孔、切槽傾角、直旋混合比、噴嘴長(zhǎng)徑比等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響，并對(duì)直旋混合射流鉆頭最大鉆進(jìn)深度進(jìn)行預(yù)測(cè)，比較全面地給出了鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。但直旋混合射流鉆頭中仍有一些關(guān)鍵參數(shù)如：葉輪槽槽寬、葉輪槽徑向長(zhǎng)度與混合腔腔長(zhǎng)等未加以分析。且以上專家學(xué)者的研究主要以仿真模擬為主，沒(méi)有涉及具體的鉆進(jìn)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其破巖鉆進(jìn)作業(yè)效率。

筆者采用Fluent 數(shù)值仿真與室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，對(duì)直旋混合射流鉆頭體與葉輪的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析研究，據(jù)此得到最優(yōu)鉆頭參數(shù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了鉆進(jìn)試驗(yàn)，通過(guò)分析射流流場(chǎng)的速度變化，對(duì)鉆進(jìn)結(jié)果進(jìn)行解釋分析，并通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)分析法給出了參數(shù)關(guān)聯(lián)度排序，以期為類(lèi)似鉆頭設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

1 直旋混合射流鉆頭結(jié)構(gòu)與工作原理

直旋混合射流鉆頭主要由鉆頭體與葉輪2 部分組成，如圖1 所示。純水經(jīng)高壓設(shè)備加壓后，通過(guò)高壓軟管從射流入口進(jìn)入鉆頭體內(nèi)部。在葉輪前端面分為通過(guò)葉輪中心孔的直射流，通過(guò)葉輪槽的旋轉(zhuǎn)射流與通過(guò)后噴嘴的直射流3 部分。其中通過(guò)中心孔的直射流與葉輪槽的旋轉(zhuǎn)射流作用是沖擊破碎煤巖，通過(guò)后噴嘴的直射流作用是提供自進(jìn)力。之后通過(guò)葉輪的直射流與旋轉(zhuǎn)射流在混合腔內(nèi)部充分均勻混合，再通過(guò)前噴嘴噴出直旋混合射流。射流經(jīng)前噴嘴射出后，在擴(kuò)張段內(nèi)充分發(fā)展擴(kuò)散，之后沖擊在煤巖表面開(kāi)始進(jìn)行煤巖破碎鉆井。直旋混合射流具有空間三維速度，分別為軸向速度u，徑向速度v與切向速度w[20]，如圖2所示。

圖1 射流鉆頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Jet bit structure

圖2 射流空間三維速度Fig.2 Three-dimensional velocity of jet space

2 直旋混合射流流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 射流鉆頭參數(shù)設(shè)定

使用Fluent 軟件對(duì)射流鉆頭關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真，分析不同參數(shù)對(duì)射流速度的影響，在此基礎(chǔ)上得到最優(yōu)參數(shù)。杜鵬等[17-19]對(duì)鉆頭參數(shù)進(jìn)行了分析研究，確定在一定范圍內(nèi)可能存在優(yōu)解：葉輪傾角35°～50°、中心孔孔徑0.8～1.6 mm、葉輪槽槽寬0.5～0.9 mm、葉輪長(zhǎng)度4.0～5.0 mm、葉輪槽徑向長(zhǎng)度2.5～4.0 mm、混合腔腔長(zhǎng)4～8 mm，故在可變范圍內(nèi)選取參數(shù)進(jìn)行具體研究，仿真選取參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鉆頭參數(shù)尺寸Table 1 Different bit parameters and sizes

2.2 數(shù)值模擬

利用Solidworks 軟件建立自進(jìn)式直旋混合射流鉆頭的內(nèi)外流場(chǎng)模型，外部流場(chǎng)設(shè)置為圓柱體，其長(zhǎng)度與直徑分別是前噴嘴直徑的33 倍和22 倍，以確保流場(chǎng)均勻擴(kuò)散，如圖3 所示。用ICEM 軟件對(duì)射流流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4 所示。由于流場(chǎng)模型不是規(guī)則的物理形狀，無(wú)法全部進(jìn)行結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分，因此，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法劃分。射流從前噴嘴噴射出后，射流流速比較大，需要對(duì)前噴嘴出口外部流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，以保證仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確。根據(jù)實(shí)際工況，在徑向鉆進(jìn)開(kāi)采煤系氣時(shí)，所使用的壓力一般為20～50 MPa，在滿足鉆進(jìn)試驗(yàn)的前提下，確保鉆進(jìn)試驗(yàn)安全，設(shè)置流場(chǎng)入口壓力20 MPa，因射流從前噴嘴噴出后在空氣中運(yùn)動(dòng)，直接與大氣接觸，依此設(shè)置出口壓力為101 kPa，壁面設(shè)置為無(wú)滑移“wall”，選擇“RNG k-ε”湍流模型。

圖3 內(nèi)外流場(chǎng)模型Fig.3 Internal and external flow field of the jet

圖4 混合網(wǎng)格劃分Fig.4 Hybrid meshing

網(wǎng)格的劃分?jǐn)?shù)量對(duì)仿真結(jié)果直接產(chǎn)生影響，合適的網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)極大縮短模擬時(shí)間，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。因此需要確定網(wǎng)格劃分合適數(shù)量，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Table 2 Grid independence analysis

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 葉輪槽槽寬對(duì)速度的影響

根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用情況，大多數(shù)射流的工作噴距一般不超過(guò)20 mm。且擴(kuò)張段長(zhǎng)度為10 mm，因此可選取以距離前噴嘴出口截面15 mm 處為靶距參考點(diǎn)，在此靶距處，沿徑向方向提取截面上的三維速度數(shù)據(jù)并繪制位移速度圖像。提取位置如圖5 中豎直黃線所示。其中軸心速度是圓柱形外流場(chǎng)軸心線上的速度，提取位置為圖5 中水平黃線所示，它直接反映出直旋混合射流中直射流部分在外流場(chǎng)中速度衰減變化，直射流作為直旋混合射流沖擊破碎煤巖的重要組成部分，需對(duì)其速度變化加以分析。為更好分析軸心速度變化，故提取整個(gè)外流場(chǎng)軸心線上速度。由于煤特殊的物理學(xué)性質(zhì)，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪切強(qiáng)度，因此，需要對(duì)射流空間三維速度進(jìn)行分析對(duì)比。

圖5 外流場(chǎng)速度數(shù)據(jù)提取位置Fig.5 Location of outflow field velocity data extraction

以表1 中鉆頭編號(hào)3 為例，直旋混合射流速度分布云圖如圖6 所示，速度分布云圖直觀表現(xiàn)出從前噴嘴噴后，直旋混合射流在外流場(chǎng)中的發(fā)展擴(kuò)散狀況。選取表1 中鉆頭編號(hào)分別為3、7、8 作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)葉輪槽寬度分別為0.7、0.5、0.9 mm。其槽寬變化引起的軸心速度與三維速度(軸向、徑向、切向速度)的變化如圖7 所示。

圖6 直旋旋混合射流速度分布云圖Fig.6 Cloud diagram of the velocity distribution of the direct rotating mixed jet

從圖7a 軸心速度及其局部放大圖上可以看出，隨著槽寬增加，即從0.5 mm 到0.7 mm，軸心速度由178 m/s 增大到186 m/s，而槽寬從0.7 mm 增大到0.9 mm，軸心速度變化相對(duì)較小。從圖7b 上看，隨槽寬的變化，射流軸向速度幾乎沒(méi)有變化。從圖7c、圖7d 上看，隨著槽寬變化，在圖中波谷最大速度處，其切向速度與徑向速度均呈現(xiàn)“先增大后減小”趨勢(shì)。這是由于隨著葉輪槽槽寬的增加，其葉輪端面旋轉(zhuǎn)射流通量變大所致。而中心孔直射流通量不變，因此，旋轉(zhuǎn)射流與直射流的通量比值變大，適當(dāng)提高該比值可提高射流流速，但隨著比值的變大，旋轉(zhuǎn)射流過(guò)大，導(dǎo)致混合腔內(nèi)紊流變大，雷諾數(shù)大，不利于射流的流速發(fā)展與破巖能力的提高，故槽寬為0.7 mm 時(shí)最優(yōu)。

圖7 葉輪槽槽寬與流場(chǎng)速度的變化規(guī)律Fig.7 Variation law of flow field velocity with different impeller slot widths

3.2 葉輪徑向長(zhǎng)度對(duì)速度的影響

選取表1 中編號(hào)分別為3、11、12、13 的鉆頭作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)徑向長(zhǎng)度分別為3.5、2.5、3.0、4.0 mm，其軸心速度與三維速度(軸向、徑向、切向速度)如圖8 所示。

圖8 葉輪槽徑向長(zhǎng)度與流場(chǎng)速度的變化規(guī)律Fig.8 Variation law of flow field velocity with the different radial lengths of the impeller slot

從圖8a 軸心速度上可以看出，隨著葉輪徑向長(zhǎng)度的增加，即從2.5 mm 變化到4.0 mm，軸心速度平均3～4 m/s 的速率增加，但相較于基礎(chǔ)速度180 m/s，速度變化較小。從圖8b 上看，其軸向速度幾乎沒(méi)有變化。從圖8c 上看，隨著葉輪徑向長(zhǎng)度的增加，即從2.5 mm增大到3.5 mm，其切向速度逐漸變大，但從3.5 mm 增加到4.0 mm，切向速度略有下降。這是由于徑向長(zhǎng)度的增大，旋轉(zhuǎn)射流增大導(dǎo)致切向速度增大，但徑向長(zhǎng)度過(guò)大，射流紊亂加劇，導(dǎo)致速度又會(huì)下降。從圖8d 可以看出，在徑向長(zhǎng)度為3.5 mm 與4.0 mm 時(shí)，徑向速度的變化優(yōu)于2.5 mm 與3.0 mm。在大約徑向半徑為5.0 mm 位置之前，3.5 mm 時(shí)速度衰減優(yōu)于4.0 mm，5.0 mm 后反之。整體來(lái)看，隨著徑向長(zhǎng)度的增大，射流切向與徑向速度增加，但達(dá)到3.5 mm 后，從軸心速度與軸向速度看，變化平緩。而煤巖的抗壓強(qiáng)度為其拉伸強(qiáng)度的幾十倍左右[21]，3.5 mm 在切向速度上略優(yōu)于4.0 mm，而在徑向速度上，4.0 mm 略優(yōu)于3.5 mm。故徑向長(zhǎng)度3.5 mm與4.0 mm 哪個(gè)更優(yōu)，還需要室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 混合腔腔長(zhǎng)對(duì)速度的影響

選取表1 中編號(hào)為3、14、15 的鉆頭作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)混合腔腔長(zhǎng)分別為6、4、8 mm，其軸心速度與三維速度(軸向、徑向、切向速度)如圖9 所示。

從圖9a、圖9b 可看出，混合腔的變化對(duì)射流軸心速度與軸向速度幾乎沒(méi)有影響。從圖9c 上看，混合腔長(zhǎng)由4 mm 變化到8 mm，其切向速度的絕對(duì)值表現(xiàn)出“先增大后減小”的趨勢(shì)。從圖9d 中看，混合腔長(zhǎng)度由4 mm 增大到6 mm，在徑向半徑為2 mm 左右時(shí)，徑向速度明顯增大，且速度在達(dá)到波谷時(shí)其衰減速率也弱于4 mm，而6 mm 增大到8 mm，在波峰時(shí)徑向速度增大了1 m/s，在波谷時(shí)徑向速度微小變化，略有下降。通過(guò)葉輪切槽的旋轉(zhuǎn)射流與中心孔的直射流在混合腔進(jìn)行充分的混合，來(lái)達(dá)到組合射流各組分物理學(xué)性能一致的狀態(tài)?；旌锨贿^(guò)短，不利于旋轉(zhuǎn)射流旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散性能的發(fā)揮；而混合腔過(guò)長(zhǎng)，在旋轉(zhuǎn)射流離心力的作用下，旋轉(zhuǎn)射流沿著腔壁旋轉(zhuǎn)流出，而過(guò)長(zhǎng)的混合腔具有收束作用，削弱了旋轉(zhuǎn)射流的擴(kuò)散能力，故分析可得混合腔腔長(zhǎng)6 mm 最佳。

圖9 混合腔長(zhǎng)度與流場(chǎng)速度的變化規(guī)律Fig.9 Variation law of flow field velocity with different mixing cavity lengths

4 直旋混合射流鉆進(jìn)試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)設(shè)備主要有：高壓泵站，數(shù)字采集系統(tǒng)、壓力表、數(shù)字位移傳感器(圖10a)、不同參數(shù)的葉輪(圖10b)。煤是動(dòng)植物殘骸等在地質(zhì)作用下長(zhǎng)時(shí)間形成的，具有特殊的物理學(xué)性質(zhì)。在此做簡(jiǎn)化處理，用水泥砂漿制作成抗壓強(qiáng)度為10 MPa 的試塊，以此來(lái)模擬煤的抗壓強(qiáng)度。圖11a 為鉆進(jìn)前試件，葉輪徑向長(zhǎng)度分別為2.5、3、3.5、4.0 mm，葉輪槽槽寬分別為0.5、0.7、0.9 mm；圖11b 為鉆進(jìn)后試件。

圖10 實(shí)驗(yàn)儀器與葉輪Fig.10 Experimental equipment and impellers

圖11 水泥試件鉆進(jìn)前后對(duì)比Fig.11 Comparison before and after drilling

試驗(yàn)選取20 MPa 壓力下，以鉆頭鉆進(jìn)前所處位置為起始位置，位移距離計(jì)為0 mm。使用數(shù)字位移傳感器每隔2 s 采集一次鉆頭鉆進(jìn)距起始位置的位移距離，依此來(lái)繪制不同參數(shù)射流鉆頭鉆進(jìn)水泥砂漿試件的位移與時(shí)間圖像，每組參數(shù)采集3 次數(shù)據(jù)，取其平均值以排除偶然誤差。鉆進(jìn)時(shí)間設(shè)置為30 s。時(shí)間位移圖像與結(jié)果分析如下。

4.1 中心孔孔徑對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

直旋混合射流中直射流的能量與葉輪中心孔孔徑的大小有直接關(guān)系。由圖12 不同孔徑下射流鉆頭鉆進(jìn)位移圖像可知，隨著中心孔孔徑的增大，即從0.8 mm增大到1.6 mm，鉆進(jìn)位移表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。這是由于當(dāng)中心孔孔徑為0.8 mm 時(shí)，相對(duì)中心孔直射流而言，旋轉(zhuǎn)射流占據(jù)較大比例，導(dǎo)致直射流能量較小，且旋轉(zhuǎn)射流中心具有低速區(qū)，在沖蝕鉆進(jìn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)中心凸臺(tái)現(xiàn)象，而直射流由于孔徑小能量弱，無(wú)法完全消除凸臺(tái)，從而阻礙射流鉆頭的持續(xù)前進(jìn)。當(dāng)孔徑為1.2 mm 時(shí)，相比于孔徑為0.8 mm 時(shí)鉆進(jìn)位移明顯提高，這是由于直射流與旋轉(zhuǎn)射流的能量分配較為合理。當(dāng)孔徑增大到1.6 mm 時(shí)，由于此時(shí)混合射流中，直射流占比較大，而直射流能量集中，破巖孔徑小，同時(shí)由于直射流產(chǎn)生的水墊效應(yīng)，進(jìn)一步削弱了直射流的能量，故此時(shí)鉆進(jìn)位移明顯下降。煤巖的力學(xué)性能中，其抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪切強(qiáng)度，所以合理的中心孔孔徑大小，可以有效消除中心凸臺(tái)的同時(shí)，加快煤巖的破碎，提高鉆進(jìn)效率。由試驗(yàn)可得，孔徑為1.2 mm 時(shí)，鉆進(jìn)效率最高。

圖12 不同孔徑鉆進(jìn)位移Fig.12 Drilling displacement with different hole diameters

4.2 葉輪槽寬與徑向長(zhǎng)度對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

葉輪槽槽寬與徑向長(zhǎng)度的變化均直接影響葉輪端面旋轉(zhuǎn)射流通量。如圖13 所示，中心孔孔徑1.2 mm不變，槽寬與徑向長(zhǎng)度的增大，其鉆進(jìn)位移均出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。槽寬從0.5 mm 增大到0.9 mm，徑向長(zhǎng)度從2.5 mm 增大到4.0 mm 的過(guò)程中，由于射流通過(guò)葉輪切槽時(shí)，切槽面積較小，旋轉(zhuǎn)流量小，其旋轉(zhuǎn)性能未得到充分發(fā)展，隨著旋轉(zhuǎn)通量增大，直射流與旋轉(zhuǎn)射流組成的混合射流流量與能量相互均勻混合，達(dá)到最佳。隨著旋轉(zhuǎn)流量進(jìn)一步增大，在混合腔內(nèi)進(jìn)行劇烈的能量動(dòng)量交換，由于前噴嘴當(dāng)量直徑一定，由伯努利方程可知，射流在前噴嘴與混合腔內(nèi)“內(nèi)耗”加劇，不利于射流能量充分釋放。由圖13 可知，當(dāng)槽寬為0.7 mm、徑向長(zhǎng)度為3.5 mm 時(shí)鉆進(jìn)效率最高。

圖13 不同槽寬、不同徑向長(zhǎng)度鉆進(jìn)位移Fig.13 Drilling displacement with different groove widths and radial lengths

4.3 葉輪端面直旋通量比對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

中心孔孔徑、葉輪槽寬與葉輪徑向長(zhǎng)度的參數(shù)變化中，實(shí)質(zhì)影響因素為通過(guò)葉輪的直射流與旋轉(zhuǎn)射流的通量，以葉輪中心孔面積與端面單個(gè)切槽面積的比值來(lái)定義為端面直旋通量比。計(jì)算其比值見(jiàn)表3。

由表3 分析可知，隨著端面直旋通量比的增大，射流形態(tài)由旋轉(zhuǎn)射流占比較大逐漸過(guò)渡到直射流占比較大，射流鉆進(jìn)位移表現(xiàn)出“先增大后減小，又略有上升”的趨勢(shì)。說(shuō)明直旋混合射流比直射流與旋轉(zhuǎn)射流在破巖鉆井中更具有優(yōu)勢(shì)，這是由于直旋混合射流兼具2 種單一形態(tài)射流各自的優(yōu)勢(shì)。所用采用一定通量比下的直射流與旋轉(zhuǎn)射流，可以更好地釋放混合射流的沖擊破巖性能，直旋通量比大約0.54 時(shí)，其組合射流各組分混合較均勻，鉆進(jìn)效率最高。

表3 端面直旋通量比Table 3 End face direct rotation flux ratio

4.4 葉輪傾角對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

葉輪傾角是影響射流流場(chǎng)的形態(tài)的重要參數(shù)之一，射流擴(kuò)散角度約為葉輪傾角的2 倍[22]。試驗(yàn)設(shè)定射流入口恒定壓力為20 MPa，射流壓力大小是射流總能量大小的體現(xiàn)，隨著葉輪槽傾角的增大，射流沖擊煤巖試件的流場(chǎng)作用面積增大，則單位面積上的能量減小，且發(fā)散的射流流場(chǎng)隨靶距增大其能量衰減速度越快，影響破巖鉆井效率，如圖14 所示，在鉆進(jìn)深度上由45°變化到50°時(shí)開(kāi)始下降。而葉輪傾角偏小時(shí)，理論上其旋轉(zhuǎn)射流旋流強(qiáng)度也偏小，射流對(duì)煤巖剪切力小，且破巖面積小，將導(dǎo)致其破巖鉆孔直徑偏小，阻礙鉆頭的前進(jìn)。從實(shí)驗(yàn)中可得當(dāng)葉輪傾角45°時(shí)，射流旋流強(qiáng)度與破巖面積均有利于射流鉆進(jìn)。

圖14 不同傾角鉆進(jìn)位移Fig.14 Drilling displacement with different dip angles

4.5 葉輪長(zhǎng)度對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

葉輪長(zhǎng)度主要影響中心孔直射流與切槽旋轉(zhuǎn)射流流道的長(zhǎng)度。葉輪長(zhǎng)度偏小時(shí)，直射流與旋轉(zhuǎn)射流未能充分發(fā)展，在混合腔內(nèi)相互影響較大。葉輪長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，中心孔流道增大，其產(chǎn)生的摩阻較大，不利于直射流性能的發(fā)揮；葉輪上端面緊鄰的鉆頭體內(nèi)壁上設(shè)置有一定孔徑的后噴嘴，葉輪長(zhǎng)度較大，會(huì)阻礙入口射流進(jìn)入后噴嘴產(chǎn)生推進(jìn)力。因此，射流鉆頭結(jié)構(gòu)中葉輪長(zhǎng)度有一個(gè)較合理的值，如圖15 所示，從試驗(yàn)中可得，長(zhǎng)度為4.5 mm 時(shí)，鉆進(jìn)效率最高。

圖15 不同葉輪長(zhǎng)度鉆進(jìn)位移Fig.15 Drilling displacement with different impeller lengths

4.6 混合腔腔長(zhǎng)對(duì)鉆進(jìn)位移的影響

混合腔位于葉輪后，直旋混合射流在此進(jìn)行混合發(fā)展，由圖16 可得，隨著混合腔腔長(zhǎng)的增加，即4 mm變化到8 mm 過(guò)程中，射流鉆進(jìn)位移先增大后減小。這是由于混合腔腔長(zhǎng)直接影響直射流與旋轉(zhuǎn)射流的混合程度與沿程阻力大小。當(dāng)混合腔過(guò)短時(shí)，射流與混合腔內(nèi)壁摩擦力變小，但射流混合不充分，且有回流干擾，將會(huì)影響破巖效率；混合腔過(guò)長(zhǎng)時(shí)，沿程摩阻變大從而減小射流破巖鉆井的能量，且射流進(jìn)入混合腔后在慣性力的作用下，旋轉(zhuǎn)射流繼續(xù)沿內(nèi)壁面運(yùn)動(dòng)，其擴(kuò)散能力會(huì)被削弱，影響射流經(jīng)前噴嘴射出后的剪切力大小。從試驗(yàn)中可得，當(dāng)混合腔腔長(zhǎng)為6 mm 時(shí)，破巖鉆進(jìn)效率最高。

圖16 不同混合腔腔長(zhǎng)鉆進(jìn)位移Fig.16 Drilling displacement with different mixing chamber lengths

5 參數(shù)敏感性分析

由于試驗(yàn)中采用的是單因素控制變量法，此方法無(wú)法表征各因素之間的相互干擾與作用。因此采用灰色關(guān)聯(lián)度的數(shù)學(xué)分析方法來(lái)研究上述6 個(gè)因素對(duì)射流鉆頭的參數(shù)敏感性[22]。計(jì)算過(guò)程如下：

(1) 確定參考序列與比較序列，以反映系統(tǒng)行為特征的參考序列為y，以影響系統(tǒng)行為的比較序列為xi，相應(yīng)公式如下：

式中：k、i為序列組成的矩陣中某一量值所在k組、i列；y(k)為第k組數(shù)據(jù)的參考序列值，單位與所選物理量有關(guān)；xi(k)為第k組數(shù)據(jù)的第i個(gè)影響因素取值，單位與所選物理量有關(guān)。

(2) 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱歸一化處理，由于所取參數(shù)不同，物理量單位也不同，在進(jìn)行分析時(shí)需要進(jìn)行各因素單位統(tǒng)一處理，常用的量綱歸一化處理方法有：均值化、初值化、最大化、最小化等。

(3) 關(guān)聯(lián)度系數(shù)計(jì)算，首先計(jì)算級(jí)差Δi，接著進(jìn)一步計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù) ξi，公式如下：

式中：Δmin為序列組成矩陣中最小級(jí)差；Δmax為序列組成矩陣中最大級(jí)差；ρ為分辨系數(shù)，在(0，1)內(nèi)取值，ρ越小，關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大，區(qū)分能力越強(qiáng)，通常其值取0.5；Δmin與Δmax計(jì)算公式如下：

計(jì)算出關(guān)聯(lián)系數(shù)后，以各個(gè)關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值作為該因素的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：ri為第i個(gè)影響因素的關(guān)聯(lián)度。

以不同參數(shù)射流鉆頭的鉆進(jìn)位移為參考序列y0，以槽寬、徑向長(zhǎng)度、中心孔孔徑、混合腔腔長(zhǎng)、葉輪長(zhǎng)度與葉輪傾角為被比較序列，分別為x1-x6。按上述步驟計(jì)算可得最終結(jié)果，見(jiàn)表4。

從表4 結(jié)果看，以鉆進(jìn)位移為評(píng)價(jià)對(duì)象，可以得出參數(shù)敏感性從大到小排序依次為：中心孔孔徑、葉輪槽寬、葉輪徑向長(zhǎng)度、混合腔腔長(zhǎng)、葉輪傾角、葉輪長(zhǎng)度。

表4 鉆進(jìn)位移灰色關(guān)聯(lián)度初值化計(jì)算結(jié)果Table 4 Preliminary calculation results of grey correlation degree of drilling displacement

6 結(jié) 論

a.通過(guò)數(shù)值模擬仿真了直旋混合射流鉆頭的槽寬、徑向長(zhǎng)度與混合腔腔長(zhǎng)，對(duì)仿真的射流空間三維速度進(jìn)行分析對(duì)比，從而優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過(guò)具體的室內(nèi)鉆進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果分析，與仿真結(jié)果相驗(yàn)證，確定槽寬、徑向長(zhǎng)度與混合腔腔長(zhǎng)的最優(yōu)參數(shù)分別為0.7、3.5、6 mm。

b.具體的破巖鉆進(jìn)試驗(yàn)驗(yàn)證了以往學(xué)者對(duì)中心孔孔徑大小、葉輪傾角與葉輪長(zhǎng)度理論分析的正確性，同時(shí)確定了最優(yōu)參數(shù)中心孔孔徑1.2 mm、葉輪傾角45°、葉輪長(zhǎng)度6 mm。并與數(shù)值模擬相結(jié)合，結(jié)合煤巖的破碎過(guò)程與物理學(xué)性能分析了不同鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流流場(chǎng)、速度與能量的變化影響，從而解釋了不同參數(shù)下鉆進(jìn)的位移與時(shí)間圖像關(guān)系。

c.通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)度分析法，確定了不同參數(shù)因子對(duì)射流鉆進(jìn)位移的敏感性系數(shù)大小，從大到小依此為：中心孔孔徑、葉輪槽寬、葉輪徑向長(zhǎng)度、混合腔腔長(zhǎng)、葉輪傾角、葉輪長(zhǎng)度。得出對(duì)直旋混合射流鉆進(jìn)位移影響較大的是直射流與旋轉(zhuǎn)射流的通量，依此給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

d.本次實(shí)驗(yàn)中采用的是水泥砂漿試件來(lái)代替自然界的煤巖，簡(jiǎn)化了煤巖復(fù)雜的物理學(xué)特性?？梢赃M(jìn)行實(shí)際的煤巖沖蝕鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)可以探究壓力的變化對(duì)鉆進(jìn)的影響程度并對(duì)沖蝕過(guò)程中的煤巖體破碎機(jī)理等進(jìn)行探究。