鉆孔作業(yè)中反向擴(kuò)孔氣動沖擊器尾氣攜巖特性

徐海良，李旺，趙宏強(qiáng)，徐紹軍（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

鉆孔作業(yè)中反向擴(kuò)孔氣動沖擊器尾氣攜巖特性

徐海良，李旺，趙宏強(qiáng)，徐紹軍
（中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院）

摘要：建立了由反向擴(kuò)孔氣動沖擊器排氣孔到后封頭的排屑流場，運用計算流體力學(xué)理論和FLUENT仿真軟件研究了沖擊器工作過程中尾氣的攜巖特性?；跊_擊器的結(jié)構(gòu)和工作原理，對氣固兩相排屑流場進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，進(jìn)而得到流場的氣相特性以及巖屑顆粒運動軌跡和濃度分布規(guī)律。結(jié)果表明：沖擊器排氣孔尾氣進(jìn)入排屑流場后流速降低，流場壓力由入口到出口逐漸降低；巖屑顆粒向流場底部聚集，顆粒平均濃度沿著遠(yuǎn)離入口方向變化不大，最大濃度沿著遠(yuǎn)離入口方向逐漸下降，最終趨于平穩(wěn)。分析了鉆進(jìn)速度和尾氣流量對攜巖特性的影響，結(jié)果表明：隨著鉆進(jìn)速度的增加尾氣攜巖能力下降，額定工作壓力0.8 MPa時鉆進(jìn)速度應(yīng)小于12.6 m/h；隨著尾氣質(zhì)量流量的增加攜巖能力提高，施工時應(yīng)該在保證沖擊器工作性能的情況下適當(dāng)增加尾氣質(zhì)量流量。圖12表1參13

關(guān)鍵詞：氣體鉆井；反向擴(kuò)孔；氣動沖擊器；排屑流場模型；攜巖特性；氣固兩相流；數(shù)值模擬

0　引言

非開挖技術(shù)[1]是一種利用巖土鉆掘設(shè)備進(jìn)行地下管道鋪設(shè)和修復(fù)的施工技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)能夠在不進(jìn)行地表開挖的情況下實現(xiàn)管道的鋪設(shè)，減少了施工時對交通、環(huán)境和建筑的破壞。非開挖施工時，針對巖石、礫卵石復(fù)雜地層中的鉆掘擴(kuò)孔作業(yè)設(shè)計了一種新型氣動沖擊設(shè)備——反向擴(kuò)孔氣動沖擊器[2]。該設(shè)備利用空氣壓縮機(jī)提供的高壓氣流，經(jīng)過內(nèi)部復(fù)雜氣路結(jié)構(gòu)推動活塞高速周期運動，運動中活塞撞擊沖擊器的鉆頭實現(xiàn)擴(kuò)孔作業(yè)，與傳統(tǒng)擴(kuò)孔設(shè)備相比能夠極大地提高開挖巖石、礫卵石等復(fù)雜地層的施工效率[3]。沖擊器尾氣的攜巖能力，不僅關(guān)系到巖屑顆粒能否順利排到孔外，還關(guān)系到?jīng)_擊器的整體性能。本文運用氣固兩相流體力學(xué)、固體顆粒物料氣力輸送理論，借助計算流體力學(xué)仿真軟件FLUENT[4]對鉆頭產(chǎn)生的巖屑在沖擊器與巖石孔壁之間環(huán)形間隙中的流動規(guī)律進(jìn)行理論分析，研究此段氣路的氣體流動規(guī)律和巖屑的運動特性，分析鉆進(jìn)速度和尾氣流量對攜巖能力的影響。本文研究問題與氣體鉆井水平井段攜巖問題從本質(zhì)上有許多相似之處，可供參考。

1　反向擴(kuò)孔氣動沖擊器排屑流場模型

反向擴(kuò)孔氣動沖擊器由鉆頭、進(jìn)氣桿、活塞、活塞閥、活塞缸和后封頭組成（見圖1），沖擊器擴(kuò)孔直徑為190 mm，氣缸直徑160 mm，沖擊器長度1 500 mm。圖1中沖擊器鉆頭上3個均勻分布的排氣孔直徑為22 mm。空氣壓縮機(jī)提供的高壓氣體在推動沖擊器工作周期完成后，由排氣腔通過排氣孔進(jìn)入到?jīng)_擊器的排屑流場。氣流由排氣孔進(jìn)入鉆頭表面與巖石壁面形成的氣腔中，在巖石壁面的阻擋下，氣流從鉆頭上的開槽和鉆頭與孔壁的間隙反向進(jìn)入沖擊器與孔壁形成的環(huán)形排屑通道中，經(jīng)過環(huán)形通道流出此段巖屑通路。鉆頭表面與巖石壁面間距離為10 mm（鉆齒高度），流場外徑190 mm，內(nèi)徑160 mm。沖擊器的排屑流場較復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方式，對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。沖擊器氣缸外表面與孔壁形成的環(huán)形間隙段采用正六面體單元的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，使其計算精度高且計算成本較低[5-6]；由于排氣孔以及鉆頭表面與巖石壁面間氣腔部分形狀較復(fù)雜，采用四面體單元的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分[5-6]。

圖1　反向擴(kuò)孔氣動沖擊器結(jié)構(gòu)示意圖

2　數(shù)學(xué)模型

巖石、礫卵石地層較復(fù)雜，沖擊器鉆進(jìn)速度較慢。鉆頭直徑為190 mm，取鉆進(jìn)速度為4.2 m/h，巖石密度為2 400 kg/m3，則鉆進(jìn)時產(chǎn)生的巖屑質(zhì)量流量為0.08 kg/s，沖擊器排氣孔尾氣質(zhì)量流量為0.02 kg/s。由此可以得到流場中固相與氣相體積比遠(yuǎn)小于10%。巖屑顆粒間相互影響較小，不考慮顆粒間相互作用[7]，采用歐拉-拉格朗日法對其流場進(jìn)行數(shù)值模擬[8]，將巖屑顆?？闯呻x散相，在拉格朗日坐標(biāo)系下進(jìn)行求解。

巖屑顆粒在流場中受到壓差阻力、摩擦阻力、Basset力（兩相流中顆粒與流體存在相對加速度時所產(chǎn)生的一種非恒定氣動力）、壓強(qiáng)梯度力、速度梯度力、慣性力和重力等的影響。其中，壓差阻力影響最大，當(dāng)顆粒粒徑較大時受重力的影響明顯，其他作用力對顆粒的運動影響較小，可以不考慮。

針對沖擊器排屑流場氣固兩相流動建立數(shù)學(xué)模型，模型的控制方程主要包括連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程[9]。

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

能量方程為：

擴(kuò)孔沖擊器排屑流場為氣固兩相湍流流動[10]，復(fù)雜的三維湍流數(shù)值計算問題如果采用直接求解對計算機(jī)性能要求較高，工程實際中通常通過近似和簡化來降低運算難度，本文利用RNG k-ε湍流模型[11]進(jìn)行求解：

模擬時氣相為空氣，其密度為1.225 kg/m3，運動黏度為1.78×10-5Pa·s。空氣從沖擊器的排氣孔進(jìn)入流場，采用質(zhì)量流量入口邊界，質(zhì)量流量為0.02 kg/s，入口最大靜壓為0.22 MPa，出口邊界為壓力邊界，壓力值為0.10 MPa。巖屑顆粒在孔底巖石壁面釋放，其質(zhì)量流量為0.08 kg/s。取顆粒粒徑為5 mm，初始速度為零。

3　數(shù)值模擬結(jié)果及討論

3.1氣相特性

圖2為反向擴(kuò)孔氣動沖擊器底部排屑流場氣相特性圖，可以看出：氣流在沖擊器排氣孔時，排氣孔內(nèi)氣流速度逐漸增加，氣壓逐步降低；排氣孔中的高速射流進(jìn)入孔底時，由于巖壁的阻擋，氣流速度迅速降低，氣壓升高，在孔底巖石壁面形成3個明顯的高壓漩渦區(qū)；在巖壁的阻擋下射流方向改變，由沖擊器排氣孔進(jìn)入環(huán)形排屑通道，在轉(zhuǎn)彎處形成低壓漩渦；氣流進(jìn)入環(huán)形通道后由于出口壓力低于入口壓力定值，以及存在壁面摩擦，環(huán)形通道內(nèi)壓力逐漸降低，最終達(dá)到和出口壓力一樣的常值。

圖2　排屑流場氣相壓力云圖

圖3為反向擴(kuò)孔氣動沖擊器排屑流場縱向截面速度云圖，可以看出：氣流由沖擊器排氣孔進(jìn)入鉆頭與巖壁形成的氣腔內(nèi)，由于巖壁的阻擋氣流反向進(jìn)入環(huán)形排屑通道，最終進(jìn)入出口；排氣孔內(nèi)的氣流速度沿其軸線方向逐漸增加到15 m/s，氣流進(jìn)入排氣孔出口時由于氣腔空間急劇增加，氣流速度迅速下降到5 m/s，并且在排氣孔兩側(cè)形成氣流漩渦；進(jìn)入到環(huán)形通道后氣流速度方向改變，由于通道壁面的摩擦阻力，流速逐漸降低，最終接近2 m/s。

圖3　流場速度云圖

3.2攜巖特性

3.2.1巖屑顆粒濃度分布規(guī)律

通過仿真模擬可以得到環(huán)形巖屑通道沿x軸方向不同位置處截面巖屑濃度分布云圖（見圖4）。由圖4可知，巖屑顆粒主要集中在管路底部，隨著x值的減小，濃度逐漸減小，最終達(dá)到穩(wěn)定的排屑濃度值；x=170 mm處截面處于鉆頭表面和巖石壁面之間，沖擊器排氣孔高壓氣體帶動下，巖屑由巖石壁面向空腔中擴(kuò)散，在巖石與鉆頭之間形成濃度較高而分布范圍廣泛的氣固混合物，受重力的影響巖屑顆粒濃度出現(xiàn)分層，越靠近底部顆粒濃度越高（達(dá)到160 kg/m3），而頂部顆粒濃度幾乎為零，巖屑在環(huán)形通路底部形成巖屑床；鉆頭表面與巖石壁面之間的顆粒大部分會沉積在兩者之間的空腔，未能在氣流的作用下輸運出去，在鉆頭的沖擊和旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)作用下進(jìn)一步粉碎；x=100 mm處的巖屑已經(jīng)進(jìn)入沖擊器排屑的輸運管路，此時濃度較低，底部最高濃度在120～130 kg/m3；隨著x值的減小濃度進(jìn)一步降低，當(dāng)達(dá)到出口時環(huán)形管路截面最大巖屑濃度降低到60～70 kg/m3。

圖4　x軸方向不同位置處截面的巖屑顆粒濃度分布云圖

圖5為沿x軸方向不同截面處巖屑顆粒平均濃度和最大濃度分布曲線，可以看出：顆粒平均濃度沿著遠(yuǎn)離入口方向變化不大，這是因為鉆進(jìn)速度不變，進(jìn)入流場的顆粒質(zhì)量流量不變，只有少許顆粒在運動中無法逃逸出出口，因此平均濃度基本不變；最大濃度沿著遠(yuǎn)離入口方向逐漸下降，最終趨于平穩(wěn)，在x=100 mm處最大濃度為123.9 kg/m3，顆粒運動到出口時截面最大濃度下降為67.9 kg/m3，主要是由于隨著顆粒遠(yuǎn)離入射面，顆粒在流場中分布逐漸均勻，最終隨著顆粒運動達(dá)到穩(wěn)定值，但是重力的影響使得顆粒在流場底部聚集，使得最大濃度遠(yuǎn)大于平均濃度。

圖5　x軸方向不同位置處截面巖屑濃度分布曲線

圖6為沿x軸方向不同截面下半邊圓周上的顆粒濃度沿z軸方向的分布情況，可以看出：x值越小的截面，顆粒濃度越?。徊煌孛嫣帋r屑濃度沿z軸方向的分布趨勢相同：由z=-100 mm到z=0，顆粒濃度逐漸增加，z=0時達(dá)到最大值，然后由z=0到z=100 mm，顆粒濃度逐漸減小到零。這是由于巖屑顆粒由排氣孔向出口處運動的過程受到重力的影響，幾乎全部顆粒堆積在管路底部，造成了濃度分布不均勻。

圖6　x軸方向不同位置處截面巖屑濃度沿圓周的分布曲線

3.2.2巖屑顆粒運動軌跡和運動規(guī)律

巖石被沖擊器鉆頭破碎后由巖石壁面釋放，進(jìn)入鉆頭表面與巖石壁面形成的氣腔內(nèi)。在氣腔內(nèi)的高壓氣流作用下，巖屑以較快的速度隨氣流運動，快速運動的巖屑與鉆頭和巖石壁面發(fā)生碰撞導(dǎo)致巖屑無規(guī)則運動，只有當(dāng)顆粒運動到環(huán)形通道入口時才能從氣腔逃逸出去，這就導(dǎo)致了該區(qū)域內(nèi)巖屑顆粒的富集（見圖7）。逃逸出氣腔的巖屑進(jìn)入環(huán)形通道后運動較規(guī)則，顆粒軌跡明顯，由于氣壓和氣流速度的降低，環(huán)形管路中巖屑運動的速度也下降，運動過程中碰到環(huán)形通道壁面時會反彈，形成S狀軌跡。同時管路底部出現(xiàn)不均勻的疏密流，管底巖屑顆粒跳躍前進(jìn)，管路上部的顆粒還是處于懸浮前進(jìn)狀態(tài)。

圖7　不同粒徑巖屑顆粒的運動軌跡

在輸入氣相質(zhì)量流量為0.02 kg/s的情況下，為了研究不同直徑巖屑顆粒運動特性，分別選取了粒徑為0.1 mm、5.0 mm、10.0 mm、15.0 mm的4組顆粒，每組11個顆粒均勻分布在z=0處截面與巖石壁面的交線上，得到如圖7所示的顆粒運動軌跡圖。當(dāng)顆粒直徑為0.1 mm時，由于運動過程受到的重力影響較小，在氣流的作用下，軌跡流暢，分布均勻，顆粒為均勻流。隨著顆粒直徑的增加，重力對軌跡影響明顯，顆粒向環(huán)形通道底部集中，巖屑顆粒跳躍前進(jìn)。當(dāng)顆粒直徑達(dá)到15 mm時，只有少量表面顆粒懸浮前進(jìn)，剩余顆粒在環(huán)形通道底部，形成砂丘流[12-13]。表1為4種粒徑顆粒在環(huán)形通道中的逃逸情況。綜合考慮，在輸運過程中巖屑顆粒粒徑盡量控制在5～10 mm比較合適。

表1　不同粒徑顆粒逃逸情況

圖8為不同粒徑巖屑顆粒運動速度隨時間變化曲線，可以看出：粒徑為0.1 mm時，顆粒在通道內(nèi)停留的時間較短，且運動速度較?。ń咏? m/s），顆粒受到的重力影響小，隨著氣流運動，與通道碰撞次數(shù)少；隨著粒徑的增加，顆粒停留時間增加且運動速度保持在2 m/s左右。

3.3鉆進(jìn)速度對攜巖特性的影響

氣動沖擊器鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖屑會隨著鉆進(jìn)速度的增加而增多，可以根據(jù)環(huán)形通道出口處的截面巖屑濃度分布圖，分析不同鉆進(jìn)速度時的攜巖能力。

當(dāng)入口氣相流量為0.02 kg/s時，由圖9可知：隨著鉆進(jìn)速度的增加，攜巖能力下降；當(dāng)鉆進(jìn)速度在12.6 m/h時，巖屑床形成，并且只占據(jù)環(huán)形通路底部一小部分；鉆進(jìn)速度由12.6 m/h增加到21.0 m/h時，巖屑濃度增加更快，巖屑床高度迅速增高，當(dāng)鉆進(jìn)速度為21.0 m/h時，巖屑床高度達(dá)到環(huán)形通路總高度的1/4；鉆進(jìn)速度達(dá)到37.8 m/h時，巖屑床高度達(dá)到環(huán)形通路總高度的1/3。因此，反向擴(kuò)孔氣動沖擊器破巖鉆進(jìn)速度應(yīng)該小于12.6 m/h，當(dāng)鉆進(jìn)速度大于此速度時，環(huán)形通路的攜巖能力將逐漸下降，沖擊器將會出現(xiàn)堵死現(xiàn)象。

圖8　不同粒徑巖屑顆粒運動速度隨時間變化曲線

圖9　不同鉆進(jìn)速度時環(huán)形通道出口截面顆粒濃度分布云圖

圖10為不同鉆進(jìn)速度時環(huán)形通道出口處的截面平均濃度和最大濃度曲線圖，可以看出：隨著鉆進(jìn)速度的增加，出口截面濃度最大值急劇增加，由鉆進(jìn)速度為2.1 m/h時的33.90 kg/m3增大到鉆進(jìn)速度為37.8 m/h時的562.58 kg/m3；出口截面的平均濃度增長較慢，由3.76 kg/m3增加到62.47 kg/m3。

3.4入口氣相流量對攜巖特性的影響

圖11為不同入口氣相質(zhì)量流量時（鉆進(jìn)速度4.2 m/h）出口處的巖屑濃度分布云圖，可以看出：隨著氣相質(zhì)量流量的增加，環(huán)路攜巖能力提高；當(dāng)入口氣相流量為0.02 kg/s時，顆粒在環(huán)路底部聚集，形成巖屑床；氣相流量增加到0.03 kg/s時，通路底部聚集巖屑減少；氣相流量由0.04 kg/s增加到0.06 kg/s時，巖屑在環(huán)路中分布逐漸均勻。增大排屑流場氣相質(zhì)量流量，需要改變沖擊器的結(jié)構(gòu)參數(shù)或系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而影響沖擊器的綜合性能。因此，氣相質(zhì)量流量的選擇，應(yīng)該綜合考慮攜巖能力和沖擊器的工作效率。

圖10　不同鉆進(jìn)速度時環(huán)形通道出口截面濃度分布曲線

圖11　不同入口氣相流量下出口截面顆粒濃度云圖

圖12為不同氣相流量下出口截面顆粒平均濃度和最大濃度變化曲線，可以看出：隨著入口氣相流量的增加出口截面最大濃度先迅速下降，后下降速度減緩；由于鉆進(jìn)速度不變，進(jìn)入排屑通路的巖屑質(zhì)量流量不變，所以巖屑平均濃度變化趨勢不明顯。

圖12　不同入口氣相流量下出口截面顆粒濃度曲線

4　結(jié)論

反向擴(kuò)孔氣動沖擊器鉆進(jìn)過程中，氣流由沖擊器排氣孔進(jìn)入鉆頭與巖壁形成的氣腔內(nèi)，由于巖壁的阻擋氣流反向進(jìn)入環(huán)形排屑通道，沖擊器鉆進(jìn)速度為4.2 m/h條件下，沖擊器排氣孔尾氣以接近15 m/s的速度進(jìn)入排屑流場，達(dá)到出口時氣體流速下降到2 m/s。流場壓力由入口到出口呈梯度分布且逐漸降低。

排屑流場中，由于重力的作用巖屑顆粒向流場底部聚集，導(dǎo)致截面顆粒濃度分布不均勻。截面上半圓周濃度為零，下半圓周濃度越靠近底部越高，出口處截面底部最大濃度達(dá)到67.9 kg/m3。沿x軸方向不同截面顆粒平均濃度基本不變，最大濃度由123.9 kg/m3下降到67.9 kg/m3。

隨著鉆進(jìn)速度的增加環(huán)路攜巖能力下降，額定工作壓力0.8 MPa時，破巖鉆進(jìn)速度應(yīng)該小于12.6 m/h，才能保證尾氣的攜巖能力。隨著入口氣相質(zhì)量流量的增加，環(huán)路攜巖能力提高，施工時應(yīng)該在保證沖擊器工作性能的情況下適當(dāng)增加尾氣質(zhì)量流量。

符號注釋：

C1，C2——經(jīng)驗常數(shù)；Cd——巖屑濃度，kg/m3；dj——第j個方向的位移，m；F——體積力矢量，N/m3；g——重力加速度矢量，m/s2；Gb——浮力產(chǎn)生的湍流動能，kg/ （m·s3）；Gk——層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，kg/（m·s3）；i——第1，2相（即氣相、固相）；j——第1，2，3個方向（即x，y，z方向）的方程；k——湍流動能，m2/s2；ke——有效熱傳導(dǎo)率，W/（m·K）；p——壓力，Pa；pi——第i相面應(yīng)力，Pa；t——時間，s；T——溫度，K；uj——第j個方向流體速度，m/s；vi——第i相平均速度矢量，m/s；vm——氣固兩相平均混合速度矢量，m/s；x，y，z——直角坐標(biāo)系；ia——第i相體積分?jǐn)?shù)，%；ka，ea——湍流普朗特常數(shù)；ε——湍流耗散率，m2/s3；μ——流體黏度，Pa·s；μe——流體有效黏度，Pa·s；μm——氣固兩相混合黏度，Pa·s；μt——湍流黏度，Pa·s；ρ——流體密度，kg/m3；ρi——第i相密度，kg/m3；ρm——氣固兩相混合密度，kg/m3。

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（編輯胡葦瑋）

Cuttings carrying characteristics of back-reaming pneumatic impactor exhaust during drilling operation

XU Hailiang, LI Wang, ZHAO Hongqiang, XU Shaojun
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract:The flow fields of chip removal from the impactor’s exhaust hole to its rear head were established to study the cuttings carrying characteristics of back-reaming pneumatic impactor exhaust by utilizing the computational fluid dynamics theory and simulation software Fluent. Based on the structure and working principle of the impactor, the gas solid two phase flow was simulated, and the gas phase characteristics of the flow field and the moving trajectory and concentration distribution of particles were obtained. The research shows that: once the exhaust enters the field its speed will slow down and the field pressure will gradually decrease from the entrance to the exit; cuttings particles will gather around the bottom and there is minor variation in their average concentration as they are distributed along a contrary direction against the entrance while the maximum concentration descends along the same direction and finally becomes stable. Moreover, the effect of drilling speed and exhaust mass flow of the impactor on the solid carrying characteristics was analyzed. The result demonstrates that: as the drilling speed increases, the carrying ability of exhaust decreases and when the rated operation pressure is 0.8 MPa, the drilling speed should be less than 12.6 m/h; as the mass flow rate of exhaust increases, the carrying ability increases as well, and the mass flow rate should be moderately increased under the condition of ensuring the working performance of the impactor.

Key words:gas drilling; back-reaming; pneumatic impactor; cuttings flow field model; cuttings carrying characteristics; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

基金項目：國家自然科學(xué)基金（51375499）

中圖分類號：TH47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0747(2016)01-0121-06

DOI:10.11698/PED.2016.01.15

第一作者簡介：徐海良（1965-），男，湖南湘鄉(xiāng)人，博士，中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，主要從事海洋采礦和礦山機(jī)械等方面的教學(xué)和研究工作。地址：湖南省長沙市岳麓區(qū)中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院D315，郵政編碼：410083。E-mail：134250@csu.edu.cn

收稿日期：2015-03-24修回日期：2015-11-28