新型旋流式反循環(huán)鉆頭的結構設計

李柏軍，宗緒永

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽110032）

1 引言

傳統(tǒng)無引射結構的反循環(huán)鉆頭避免了加拿大、澳大利亞等國家研制的反循環(huán)鉆頭不能連續(xù)采取柱狀巖心等不足之處，配合貫通式潛孔錘實現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心鉆進，進尺與取心同步進行，有效地解決了巖心卡堵和大口徑排屑難的問題。目前應用的第二代反循環(huán)連續(xù)取心鉆頭在第一代結構基礎上增加一級引射裝置，改善了反循環(huán)形成質量以及鉆頭體性能，鉆進效率和取心效果得到了提高。

目前的反循環(huán)鉆頭，是根據引射器原理，將鉆頭底噴孔設計為引射器的噴嘴，設計合理的鉆頭底部結構，使其較好地構成混合室與擴散室。由于底噴孔數量為多個，形成多噴嘴引射結構，經過潛孔錘后的壓縮空氣進入噴嘴產生高速射流，對周圍流體產生卷吸效應，對外環(huán)間隙構成抽吸，多個噴嘴隨鉆頭不斷旋轉，故在孔底形成環(huán)狀負壓區(qū)，氣體被導流到貫通孔內后壓力恢復，這樣將有助于反循環(huán)的形成。但現(xiàn)有結構在使用過程中仍存在反循環(huán)形成不徹底、鉆頭易斷裂、大直徑鉆頭反循環(huán)形成困難和巖心卡堵、能耗高等問題。

空氣反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術，因具有高效、節(jié)能、對復雜地形適應性強等諸多優(yōu)點，得到了廣泛應用。隨著其應用領域的拓展，鉆遇地層條件的復雜性對沖擊反循環(huán)鉆頭有了新的要求，其結構在不斷更新改進，工作效率直接影響鉆進效率和經濟效益（圖1）。

基于目前研究現(xiàn)狀，本文設計了一種更高效、更節(jié)能環(huán)保的新型反循環(huán)鉆頭結構。

圖1 貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術所用鉆頭及取出來的巖心

2 新型反循環(huán)鉆頭結構設計

旋流式鉆頭的基本設計思路主要借鑒了自然界中漩渦形成負壓從而產生強力抽吸作用的原理，通過合理設計鉆頭各孔道結構，在鉆頭中心孔道形成漩渦，貫通式潛孔錘排氣通過鉆頭可在孔底形成大面積負壓區(qū)，沿鉆頭中心孔道延伸負壓作用范圍，以獲得良好的抽吸效果，確保反循環(huán)形成過程良好。鉆頭對孔底產生強力抽吸作用，順利完成氣舉排渣，使反循環(huán)形成更徹底。

根據新型鉆頭的設計思路，在GQ－127型鉆頭結構基礎上，并借助CFD分析軟件合理設計孔道結構、尺寸，得到新型旋流式反循環(huán)連續(xù)取心鉆頭結構圖紙，如圖2。

圖2 旋流式反循環(huán)鉆頭結構圖紙

該鉆頭結構采用上下分體結構，采用螺紋連接，螺紋設計根據地質巖心鉆探管材螺紋標準，保證連接強度的基礎上，可以更好的構造氣體流道，少量氣流經細小孔道，在巖石表面反射后在負壓作用下全部流向鉆頭中心孔道，氣流攜帶巖樣沿中心孔道上返實現(xiàn)全孔反循環(huán)。鉆頭體插接部分和螺紋連接部分分別采用58×3．55、87．5×1．8的標準橡膠密封圈密封，確保流經鉆頭體的壓縮空氣不外泄。同時，螺紋連接的分體鉆頭結構，對鉆頭體本體強度影響小，可在擰管機的扭矩作用下擰卸分開，當下部鉆頭部分磨損嚴重時，不必更換整體鉆頭，只更換鉆頭下部即可；鉆頭下部中心孔道開有偏心引射孔，形成旋流而造成負壓，與孔底環(huán)境壓強產生明顯的壓力梯度，抽吸孔底巖屑；偏心孔上方開有擴壓槽，氣流向上流動壓力迅速恢復，壓強增大，氣舉排渣，防止卡堵；攜帶巖屑的氣流流經開有螺旋溝槽的鉆頭上部分中心孔道時，旋流作用加強，流速加快，使得反循環(huán)形成更徹底。

3 新型反循環(huán)鉆頭孔底流場分析與強度計算

3．1 新型反循環(huán)鉆頭孔底流場分析

運用軟件Solid Works建立鉆頭的三維幾何模型，封閉流體流經鉆頭體的進出口，導入CFD分析軟件Flow Simulation中，建立求借項并添加符合工況的邊界條件（入口0．1225kg／s的質量流量，出口和孔底為大氣壓強，設定出口質量流量為求解目標），分析求解結果如圖3所示。

圖3 從左至右為新型反循環(huán)鉆頭的靜壓力云圖、速度云圖和跡線云圖

求得新型反循環(huán)鉆頭的上返質量流量0．2121kg／s，上返質量流量百分比1．7314；中心通道最低壓強52032．1Pa，孔底流場的最大壓力梯度49292．9Pa。

流場分析：由圖可知，沿中心通道軸線，均為負壓區(qū)域，孔底環(huán)境壓強與中心孔道底部形成了明顯的壓力梯度，能實現(xiàn)強力吸渣，氣流攜帶巖屑或巖樣被抽吸到中心通道，繼續(xù)上返，壓力恢復，尤其是在錐形中心通道部分，壓力迅速恢復，形成旋轉的抽吸流場，能更快更好的克服巖屑或巖樣重力，繼續(xù)上返排渣，實現(xiàn)良好的孔底反循環(huán)鉆進效果。

3．2 新型反循環(huán)鉆頭的強度校核

在Solid Works中建立新型反循環(huán)鉆頭結構模型，新建Simulation求解算例，使用程序默認參數劃分網格，材料選擇合金鋼，添加荷載（在每個花鍵上添加800N·m的力矩，鉆頭頂部平面添加15000N的力）和幾何約束（固定球齒），如圖4，求解結果如圖5、圖6。

最大等效應力（Von Mises）286．9 MPa，小于屈服強度620．4MPa，安全系數2．16，滿足設計要求。

3．3 對比新型反循環(huán)鉆頭與傳統(tǒng)GQ－127反循環(huán)鉆頭的分析結果

在相同的邊界條件下，2種鉆頭結構求得的分析結果如表1所示。

圖4 求解設置

圖5 應力分布云圖

圖6 位移分布云圖

表1 2種鉆頭結構的分析結果

由表1可知，新型反循環(huán)鉆頭具有較強的孔底抽吸能力，更有利于反循環(huán)的形成，大幅提高了反循環(huán)鉆頭性能。雖安全系數降低，但仍滿足設計要求，同時，由于新型反循環(huán)鉆頭的分體結構，下部鉆頭便于更換，不必整體更換鉆頭體。

4 結論

（1）借助有限元軟件Flow Simulation對設計過程中不同的鉆頭體結構進行分析對比，得到能產生最優(yōu)解的鉆頭體結構、孔道尺寸，如鉆頭體下部的偏心引射孔孔徑7mm、傾角30°、3孔均布、偏移量10mm的偏心引射孔，獲得的抽吸效果好。

（2）運用Simulation對新型反循環(huán)鉆頭進行了校核，符合設計要求。

（3）首次提出分體的鉆頭結構，除更好的構造氣流流道，獲得更好的反循環(huán)效果，還可在鉆頭磨損嚴重需要更換時，借助擰卸工具只需更換鉆頭下部結構，節(jié)約成本。

本文只得出了新型旋流式反循環(huán)鉆頭結構圖紙，并未加工和投入生產，還有待于實踐檢驗、改進。

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