潛孔錘反循環(huán)鉆頭二級引射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

朱麗紅,黃 勇,殷 琨,張大平,任 紅

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026； 3.中油遼河工程有限公司,遼寧盤錦 124000；4.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 267021)

潛孔錘反循環(huán)鉆頭二級引射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

朱麗紅1,黃 勇2,殷 琨2,張大平3,任 紅4

(1.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院,山東青島 266580；2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,吉林長春 130026； 3.中油遼河工程有限公司,遼寧盤錦 124000；4.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 267021)

二級引射裝置能夠有效提高貫通式潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)的反循環(huán)效果。為確定其結(jié)構(gòu)參數(shù),借助計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬,研究二級引射孔直徑d、中心孔直徑D、引射孔角度θ和引射孔距反循環(huán)鉆頭底面距離h等4個結(jié)構(gòu)參數(shù)對鉆頭引射系數(shù)n的影響,并利用試驗(yàn)方法對CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:隨二級引射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)d、D、θ和h的改變,反循環(huán)效果發(fā)生不同程度變化,且存在某一結(jié)構(gòu)參數(shù)組合使反循環(huán)效果達(dá)到最佳,綜合考慮4個參數(shù)的影響效果,確定d=11 mm、D=44 mm、θ=30°和h=180 mm為比較合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)；試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合,CFD數(shù)值模擬可用于確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。

潛孔錘；反循環(huán)；鉆頭；引射裝置；結(jié)構(gòu)參數(shù)

貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取芯(樣)技術(shù)已成功應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、水文水井和基礎(chǔ)施工等領(lǐng)域[1-3],但在使用中也發(fā)現(xiàn)在破碎、漏失地層反循環(huán)不易形成,取樣困難等問題[4],這是用于形成反循環(huán)的引射氣體進(jìn)入地層裂隙,孔底形成的負(fù)壓不足以把鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖心(樣)送入中心通道所致。反循環(huán)鉆頭是影響反循環(huán)形成的關(guān)鍵,為提高貫通式潛孔錘在破碎地層的反循環(huán)效果,在原有反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出在鉆頭中心孔處設(shè)置二級引射裝置,對二級引射裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究,為反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 二級引射裝置及結(jié)構(gòu)參數(shù)

貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆頭引射結(jié)構(gòu)是根據(jù)氣體引射原理設(shè)計(jì)的一種氣體引射器。根據(jù)引射器結(jié)構(gòu)原理與潛孔錘鉆頭實(shí)際結(jié)構(gòu),將鉆頭底部噴孔作為引射噴嘴,并開設(shè)擴(kuò)壓槽,在鉆頭底部形成一個多噴嘴引射結(jié)構(gòu),即一級引射。鉆進(jìn)過程中,高壓氣體由底噴孔噴出并與孔底流體進(jìn)行能量交換,孔底流體在引射氣流的剪切、卷吸作用下一同進(jìn)入中心通道形成反循環(huán)。二級引射也是根據(jù)氣體引射原理提出來的,通過在鉆頭中心通道位置開設(shè)引射孔,利用氣體引射作用對中心通道內(nèi)流體進(jìn)行卷吸,進(jìn)而引導(dǎo)鉆頭底部流體進(jìn)入中心通道,從而提高鉆頭反循環(huán)能力。

通常采用引射系數(shù)n作為引射器性能的評價(jià)指標(biāo),它是被引射氣體流量與引射氣流流量的比值[5]。二級引射孔的引射系數(shù)為環(huán)空質(zhì)量流量(Qannulus)與進(jìn)口質(zhì)量流量(Qinlet)之比(n=Qannulus/ Qinlet)。當(dāng)n＞0時,表示環(huán)空流體進(jìn)入孔底流場,引射性能較好,n值越大反循環(huán)能力越強(qiáng)；當(dāng)n＜0時,表示一部分孔底流體進(jìn)入環(huán)空,反循環(huán)能力較差。引射器的結(jié)構(gòu)見圖1。影響引射性能[6-8]的主要結(jié)構(gòu)參數(shù):①二級引射孔直徑d,即引射流體過流斷面直徑；②引射孔入射角度θ,即引射孔與鉆頭中軸線的夾角；③中心孔直徑D,即被引射流體過流斷面直徑；④二級引射孔噴嘴高度h,即引射孔到鉆頭底面的距離。

2 CFD數(shù)值模擬基礎(chǔ)

2.1 數(shù)學(xué)模型

流體流動受物理守恒定律的支配,孔底流體滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[9]。

(1)質(zhì)量守恒方程:

式中,ρ為密度,kg/m3；t為時間,s；V為速度矢量, m/s。

(2)動量守恒方程:

式中,T為溫度,K；cp為比熱容,J/(kg·K)；k為傳熱系數(shù),W/(m2·K)；ST為黏性耗散項(xiàng)。

2.2 CFD建模及計(jì)算條件

以Φ127反循環(huán)鉆頭為基礎(chǔ)建立孔底流場模型(圖2),借助前處理器Gambit對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并利用Fluent進(jìn)行CFD求解。模型網(wǎng)格單元采用六面體網(wǎng)格,為保證計(jì)算精度又能提高計(jì)算速度,對引射區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密,整體模型網(wǎng)格數(shù)約為10萬個。

采用SIMPLE算法對孔底流場進(jìn)行求解,對流項(xiàng)采用二級迎風(fēng)格式進(jìn)行離散；考慮到反循環(huán)鉆頭孔底流場受壁面影響,選取RNG k-ε湍流模型,壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)；計(jì)算過程中,設(shè)置殘差監(jiān)視、中心孔流量和環(huán)空流量監(jiān)視進(jìn)而判斷計(jì)算是否收斂[10]。將壓縮空氣的進(jìn)口定義為質(zhì)量流量入口,將中心孔出口和環(huán)空出口定義為壓力出口,流場軸向截面定義為對稱邊界,其余為壁面。計(jì)算參數(shù)設(shè)置:流場進(jìn)口氣質(zhì)量流量為0.02 kg/s；d取值為5、7、9、11、13、15 mm；θ取值為30°、40°、50°；D取值為34、44、54 mm；h取值為180、190、200、210、220 mm。

式中,vx、vy和vz是V在x、y和z方向上的分量,m/ s；μ為動力黏度,Pa·s；p為壓力,Pa；Svx、Svy和Svz為動量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

(3)能量守恒方程:

圖2 Φ127鉆頭幾何模型及1/3計(jì)算流場模型Fig.2 Φ127 drill bit geometry model and 1/3 calculated flow field model

3 計(jì)算結(jié)果分析

以引射系數(shù)n值越大,引射效果越好作為優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn),通過數(shù)值模擬分別計(jì)算中心孔直徑D、引射孔入射角度θ、二級引射孔噴嘴高度h取值不同時,d與n之間的對應(yīng)關(guān)系,從而確定中心孔直徑D、引射孔入射角度θ、二級引射孔噴嘴高度h和二級引射孔直徑d四個結(jié)構(gòu)參數(shù)較合理的組合。

3.1 優(yōu)選D值

當(dāng)D分別取34、44、54 mm時,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合,得到中心孔直徑D不同取值條件下n隨d變化曲線,如圖3所示。

由圖3(a)、(b)、(c)可知:無論θ值如何變化,均是D=44 mm時對應(yīng)的變化曲線位置靠上,即相同d值下n值最大,說明當(dāng)D=44 mm時引射效果最佳。此外,9條n與d之間關(guān)系曲線變化的整體趨勢均是先增大后減小,即存在1個最優(yōu)d使n達(dá)到極大值,并且最優(yōu)d值集中在9～11 mm區(qū)間內(nèi),具體取值還需進(jìn)一步數(shù)值計(jì)算確定。

圖3 D取值不同時n隨d變化規(guī)律Fig.3 Variation of n with d for different D

3.2 優(yōu)選θ值

當(dāng)θ分別取30°、40°、50°時,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三階多項(xiàng)式擬合,得到引射孔入射角度θ不同取值條件下n隨d變化曲線,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同θ下n隨d變化規(guī)律Fig.4 Variation of n with D for different θ

由圖4(a)、(b)、(c)可知:無論D值如何變化,均呈現(xiàn)隨θ增加n減小趨勢,且當(dāng)d值相同時,θ越大,n越小。其原因有二:一方面,隨著θ增大,三個噴孔的引射氣流相互作用加大,能量消耗,引射能力降低；另一方面,單級引射器的引射噴嘴與接受管通常采用同心布置,即引射噴嘴與接受管夾角為0°時最有利,隨夾角增大引射氣流角度發(fā)生偏轉(zhuǎn)不利于氣體引射。但是由于反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)和加工條件限制,θ最小取值為30°,因此θ=30°為最優(yōu)值。

進(jìn)一步確定最優(yōu)d值。圖4中9條n與d之間關(guān)系曲線變化的整體趨勢均是先增大后減小,存在一個最優(yōu)d值。當(dāng)D值一定時,曲線變化趨勢基本相同,最優(yōu)d值集中于一點(diǎn),并不隨θ改變而變化,說明最優(yōu)d與D之比固定。具體結(jié)果:當(dāng)D=34 mm時,最優(yōu)d為9 mm,dmax/D≈1/ 4；當(dāng)D=44 mm時,最優(yōu)d為11 mm,dmax/D=1/ 4；當(dāng)D=54 mm時,最優(yōu)d為10 mm,dmax/D≈1/5。

3.3 優(yōu)選h值

根據(jù)優(yōu)選D和θ的結(jié)果,取d=9、11 mm,D=44 mm,θ=30°,對不同h時對n的影響進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:隨h增大n略有減??；n受h影響較小。h在180～220 mm區(qū)間變化時,與d=9 mm對應(yīng)的n值由32.7%減小到29.9%,與d =11 mm對應(yīng)的n值由38.2%減小到34.7%,n值減小幅度均小于10%。由此可見,h值變化對鉆頭引射效果影響較小,在確定最優(yōu)h值時可主要考慮鉆頭自身尺寸和加工因素。根據(jù)Φ127反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu),h=180 mm為最優(yōu)值。

圖5 d取值不同時n隨h變化規(guī)律Fig.5 Variation of n with h for different d

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

利用反循環(huán)孔底流場實(shí)驗(yàn)臺[11]對反循環(huán)鉆頭二級引射孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)CFD模擬結(jié)果,選取二級引射孔徑為7、9、11和13mm,引射角度30°、40°、50°,中心孔直徑44 mm,引射孔距鉆頭底面距離180 mm的鉆頭模型進(jìn)行分析。試驗(yàn)采用完整鉆頭模型,為保證試驗(yàn)條件與模擬條件相同,設(shè)定進(jìn)口邊界條件:壓縮空氣注入質(zhì)量流量為0.06 kg/s、注入壓力0.7 MPa。測定環(huán)空質(zhì)量流量,為使結(jié)果具有可比性,將環(huán)空質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換成引射系數(shù)n,對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對比Fig.6 Contrast between experimental results and simulation results

由圖6(a)、(b)、(c)可知:當(dāng)θ=30°時,d=11 mm對應(yīng)的n約為 39；當(dāng)θ=40°時,d=11 mm對應(yīng)的n約為 29；當(dāng)θ=50°時,d=11 mm對應(yīng)的n約為22,說明θ=30°,d=11m m為較優(yōu)組合。綜合數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)測試結(jié)果可知,二級引射孔結(jié)構(gòu)參數(shù)合理組合為d=11 mm、D=44 mm、θ=30°和h= 180 mm。

試驗(yàn)測試結(jié)果與模擬結(jié)果兩者相對誤差小于15%,誤差的產(chǎn)生主要是由測試儀器精度和模擬流場與實(shí)際工況流場存在一定差距造成的。因此,模擬結(jié)果是合理可靠的,采用CFD模擬反循環(huán)鉆頭孔底流場能夠較為準(zhǔn)確的反映流場內(nèi)部情況,對確定鉆頭二級引射孔結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1)通過在反循環(huán)鉆頭中心通道內(nèi)開設(shè)二級引射結(jié)構(gòu),能有效提高鉆頭反循環(huán)能力。為確定最優(yōu)二級引射結(jié)構(gòu)參數(shù),采用CFD方法對反循環(huán)鉆頭孔底流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并利用引射系數(shù)作為評判反循環(huán)效果優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)結(jié)構(gòu)參數(shù)d、D、θ和h對引射系數(shù)n影響效果各不相同。隨d增大,n先增大后減小,存在最優(yōu)d使n達(dá)到峰值；對比三種D值,當(dāng)D=44 mm時的n值均高于剩余兩種；n隨θ增加逐漸減小；隨h增加n略有減小,h對n影響不明顯。

(3)綜合考慮d、D、θ和h對n的影響,確定Φ127 mm反循環(huán)鉆頭較合理的二級引射結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為引射孔直徑d=11 mm、中心孔直徑D=44 mm、引射孔角度θ=30°、引射孔距鉆頭底面高度h= 180 mm。

(4)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果相對誤差小于15%,說明CFD數(shù)值模擬可用于確定結(jié)構(gòu)參數(shù),進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。

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(編輯 修榮榮)

Structure parameters of DTH reverse circulation drill bit secondary ejector device

ZHU Li-hong1,HUANG Yong2,YIN Kun2,ZHANG Da-ping3,REN Hong4
(1.School of Petroleum Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.College of Construction Engineering,Jilin University,Changchun 130026,China；
3.Liaohe Petroleum Engineering Company Limited,Panjin 124000,China；
4.Drilling Technology Research Institute,Shengli Oilfield,Dongying 267021,China)

The secondary ejector device can effectively improve the reverse circulation effect of the hollow through DTH hammer drilling technology.In order to determine the structure size,the influence of the four structure parameters on the the ejector coefficient n was studied by computational fluid dynamics(CFD)simulation.The structure parameters are the secondary injector hole diameter d,the center hole diameter D,the injector hole angle θ,and the distance h from the injector hole to the reverse circulation drill bit bottom.And the CFD results were verified by the experimental method.The results show that with the secondary ejector device structure parameters d,D,θ and h changing,the reverse circulation effect changes.And there is a structure parameter combination to achieve the best reverse circulation effect.Considering the impact effects of the four parameters,the more reasonable structure parameters are as follows:d=11 mm,D=44 mm,θ=30°,h= 180 mm.In addition,the laboratory experiment results agree well with the numerical simulation results,which shows that CFD simulation can be used to optimize the structure parameter,and the above structure parameters are reasonable.

DTH hammer；reverse circulation；drill bit；ejector device；structure parameter

P 242

A

1673-5005(2013)03-0088-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.015

2012-10-25

中國地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(1212010816018)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2011EEQ012)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(27R1202001A)；新教師博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20110133120013)

朱麗紅(1981-),女,講師,博士,主要從事油氣井工程方面研究。E-mail:zhulihongjd_2005@163.com。