深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

□ 鄭 森 □ 于凱本 □ 任玉剛 □ 郭建章

1.青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 2660612.國家深?；毓芾碇行?山東青島 266237

1 研究背景

目前,深海巖芯鉆取樣主要有兩種方式。一種是將鉆機(jī)沉放到海底,在母船或鉆井平臺(tái)上遙控操作。另一種是將鉆探設(shè)備安裝在載人潛水器或無人攬控潛水器上,在母船或潛水器上遙控操作[1]。隨著深海科學(xué)調(diào)查工作中載人潛水器技術(shù)的日益成熟,國內(nèi)外對(duì)第二種方式的研究逐漸深入。

鉆頭作為鉆機(jī)的重要組成部分,與鉆進(jìn)參數(shù)的配合是影響取芯率的重要因素。在鉆進(jìn)過程中,影響表現(xiàn)在孔底排粉能力和鉆頭有效冷卻效果等方面,因此,對(duì)孔底流場(chǎng)的研究至關(guān)重要。綜合文獻(xiàn)可知,由于應(yīng)用環(huán)境、鉆頭結(jié)構(gòu)和鉆進(jìn)參數(shù)不同,目前還沒有一個(gè)確定描述鉆頭流場(chǎng)的普遍規(guī)律[2]。從目前的研究結(jié)果來看,還存在以下問題:① 對(duì)于孔底流場(chǎng)的模擬,多采用以水為介質(zhì)的單相流場(chǎng),忽略了巖屑對(duì)流場(chǎng)的影響;② 對(duì)于鉆頭的水力學(xué)研究,通常在鉆頭靜止的流場(chǎng)中進(jìn)行分析,忽略鉆頭轉(zhuǎn)速的影響;③ 在模擬過程中,未考慮實(shí)際應(yīng)用工況等環(huán)境因素的影響[3-5]。

相比陸地鉆探,海底鉆探環(huán)境更為復(fù)雜。海洋環(huán)境具有溫度低、壓力高、底層流變復(fù)雜等特點(diǎn)。由于受限于載人潛水器水下作業(yè)對(duì)所攜帶科考裝備的嚴(yán)格質(zhì)量和能源供應(yīng)要求,第二種方式巖芯取樣鉆機(jī)需要與載人潛水器相匹配[6]。因此,在對(duì)取芯鉆頭流場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí),需要做到模擬環(huán)境與鉆頭實(shí)際工作環(huán)境相近。筆者以取芯金剛石鉆頭為例,應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)鉆頭孔底流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,通過分析機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)速、沖洗液量等鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)攜巖能力的影響,為搭載于載人潛水器的小型鉆機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)提供指導(dǎo)。

2 鉆進(jìn)參數(shù)

2.1 轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)速是影響金剛石鉆進(jìn)效率的主要因素。對(duì)于大多數(shù)硬巖而言,進(jìn)尺速度隨鉆頭轉(zhuǎn)速的提高而提高。轉(zhuǎn)速提高,可以有效縮短工作時(shí)間,同時(shí)加劇鉆頭磨損,影響鉆頭的使用壽命[7]。在一定的巖石條件下,轉(zhuǎn)速n為:

n=60v/(πD)

(1)

式中:D為鉆頭直徑,m;v為推薦的線速度,m/s,金剛石鉆頭一般取 1.5 m/s。

鉆頭轉(zhuǎn)速的影響因素有很多,對(duì)于搭載于載人潛水器的小型鉆機(jī)而言,由于受載人潛水器采樣籃的搭載質(zhì)量和能源供給限制,往往達(dá)不到轉(zhuǎn)速計(jì)算值,需要根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。筆者通過文獻(xiàn)[8]確定轉(zhuǎn)速的研究范圍。

2.2 沖洗液流量

沖洗液流量是決定孔底排粉和對(duì)鉆頭有效冷卻的重要影響參數(shù)。通常情況下,沖洗液流量由返流速度確定[9-10]。沖洗液流量Q為:

Q=6VS

(2)

式中:V為推薦的返流速度,m/s,一般不低于0.2～0.5 m/s;S為鉆桿與鉆孔之間的環(huán)狀面積,cm2。

2.3 巖屑量

計(jì)算巖屑量,實(shí)質(zhì)是對(duì)鉆刃掃掠一周所去除的巖石體積的計(jì)算[11-12]。巖屑量Qs為:

Qs=ρsVsn

(3)

式中:ρs為巖石密度,kg/m3;Vs為鉆刃切削一周的巖石體積,m3。

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型

金剛石鉆頭物理模型中,采用較為普遍的直槽形水口鉆頭,水口數(shù)量為六個(gè)。金剛石鉆頭物理模型和流場(chǎng)模型如圖 1 所示。金剛石鉆頭和流場(chǎng)域的基本參數(shù)見表1。

表1 金剛石鉆頭和流場(chǎng)域基本參數(shù)

▲圖1 金剛石鉆頭模型

由于鉆頭流場(chǎng)域體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為保證計(jì)算精度要求,采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法。通過對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查,結(jié)果表明99%以上的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)集中在0.8～1,網(wǎng)格質(zhì)量較好,能夠滿足描述完整流場(chǎng)特征的要求。根據(jù)鉆頭在海底復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境,為簡(jiǎn)化模擬計(jì)算過程,提出以下假設(shè):① 連續(xù)相為同一均勻不可壓縮流體介質(zhì);② 離散相為具有相同直徑和密度的球形顆粒;③ 不考慮顆粒之間碰撞的影響;④ 不考慮溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響。

3.2 數(shù)值求解方法

筆者應(yīng)用FLUENT 軟件,基于三維非穩(wěn)態(tài)分離式求解器計(jì)算連續(xù)性方程和動(dòng)量方程,湍流模型選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型,材料設(shè)置為海水,控制方程的離散采用有限元體積法,壓力和速度耦合方式采用壓力耦合方程組半隱式方法,動(dòng)量守恒方程和壓力修正方程采用二階迎風(fēng)格式,湍動(dòng)能及湍動(dòng)能耗散率采用一階迎風(fēng)格式,松弛因子采用FLUNET軟件中的推薦值,殘差設(shè)為 10-4。當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂后,將離散相模型打開,離散相材料定義為巖屑顆粒,考慮相間耦合作用,采用隨機(jī)軌道模型來確定顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡[13]。

3.3 邊界條件

連續(xù)相設(shè)置為海水,密度為1 025 kg/m3,黏度為 0.001 8 kg/(m·s)。金剛石鉆頭以磨削方式進(jìn)行破巖,巖屑較小,粒徑取0.5 mm,密度為 2 300 kg/m3。入口設(shè)置為質(zhì)量入口,沖洗液流量設(shè)為 0.05 kg/s、0.1 kg/s。出口設(shè)置為壓力出口,出口壓力為 30 MPa。鉆頭轉(zhuǎn)速分別設(shè)為 0、100 r/min、200 r/min?？椎讕r屑由孔底垂直射入,速度為 0,質(zhì)量流率對(duì)應(yīng)10 mm/min、30 mm/min 和 50 mm/min 機(jī)械鉆速。固壁邊界條件為,對(duì)于連續(xù)相采用無滑移光滑絕熱壁面,離散相與壁面設(shè)置為反射,出口設(shè)置為逃逸。

4 結(jié)果分析

巖屑滯留質(zhì)量是對(duì)鉆頭孔底流場(chǎng)性能的一種量化評(píng)價(jià)[14]。研究表明,有效清洗孔底巖屑,可以防止出現(xiàn)糊鉆、卡鉆現(xiàn)象,保障載人潛水器及作業(yè)潛航員的安全,防止重復(fù)破巖,增加耗能,導(dǎo)致取芯效率降低。巖屑滯留質(zhì)量是孔底流場(chǎng)體積數(shù)值與體積濃度數(shù)值的乘積。筆者提出將離散相體積濃度作為深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場(chǎng)排屑能力的評(píng)價(jià)參數(shù)。

機(jī)械鉆速表示單位時(shí)間內(nèi)鉆頭的進(jìn)尺量,當(dāng)機(jī)械鉆速提高時(shí),取芯時(shí)間變短,消耗功率變大。機(jī)械鉆速對(duì)孔底排屑效果的影響如圖2 所示。由圖2可以看出,在相同的低沖洗液流量下,隨著機(jī)械鉆速的提高,孔底巖屑體積濃度增大,孔底流場(chǎng)巖屑體積濃度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間基本一致。這是因?yàn)闄C(jī)械鉆速提高時(shí),巖屑產(chǎn)生量增大,而孔底流場(chǎng)的巖屑移運(yùn)能力是一定的,增大的巖屑量滯留孔底,導(dǎo)致孔底巖屑體積濃度增大。同時(shí)還可以得出,鉆頭旋轉(zhuǎn)對(duì)孔底流場(chǎng)排屑具有促進(jìn)作用,尤其是隨著機(jī)械鉆速提高;鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí),巖屑體積濃度明顯減小。對(duì)此進(jìn)行原因分析,因鉆頭高速旋轉(zhuǎn)增大了孔底流場(chǎng)紊流度,流場(chǎng)中的巖屑被擾動(dòng),繞軸心做螺旋運(yùn)動(dòng),使得巖屑能躍遷至高流速層,進(jìn)而促進(jìn)孔底流場(chǎng)排屑。

▲圖2 機(jī)械鉆速對(duì)孔底排屑效果影響

沖洗液流量對(duì)孔底排屑效果的影響如圖3 所示。由圖3可以看出,在相同的高機(jī)械鉆速下,隨著沖洗液流量的增大,孔底巖屑體積濃度減小,孔底流場(chǎng)巖屑體積濃度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間變短。沖洗液流量為0.05 kg/s和0.1 kg/s時(shí),環(huán)空處軸向速度如圖4所示。沖洗液流量為0.05 kg/s和0.1 kg/s時(shí),水槽處孔底流速如圖5所示。由圖4、圖5可知,沖洗液流量越大,環(huán)空軸向速度越高,水槽處孔底流速越高,越有利于對(duì)孔底巖屑的清除。

▲圖3 沖洗液流量對(duì)孔底排屑效果影響

綜合圖2 、圖 3 分析可得,沖洗液流量應(yīng)當(dāng)與機(jī)械鉆速相適應(yīng)。要避免沖洗液流量不足,孔底巖屑滯留量增大,產(chǎn)生重復(fù)破巖,從而降低取芯效率。也要避免沖洗液流量過大,造成對(duì)巖芯沖刷,影響取芯質(zhì)量。

采用相同的低機(jī)械鉆速,在不同沖洗液流量下鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)孔底排屑效果的影響如圖6所示。由圖6可以看出,當(dāng)沖洗液流量較大時(shí),隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的提高,孔底巖屑體積濃度減小;當(dāng)沖洗液流量較小時(shí),隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的提高,孔底巖屑體積濃度增大。對(duì)于前者,因大沖洗液流量起主要作用,鉆頭轉(zhuǎn)速提高促進(jìn)孔底流場(chǎng)排屑。對(duì)于后者,因鉆頭轉(zhuǎn)速提高導(dǎo)致巖屑所受到的離心力作用變大,使巖屑沿徑向向孔壁移動(dòng),巖屑運(yùn)移能力降低,這與水作為沖洗液的相關(guān)試驗(yàn)研究得到的結(jié)論一致。

▲圖4 環(huán)空處軸向速度

▲圖5 水槽處孔底流速

▲圖6 鉆頭轉(zhuǎn)速對(duì)孔底排屑效果影響

5 結(jié)束語

筆者采用FLUENT軟件離散相模型,對(duì)深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明,機(jī)械鉆速提高,不影響孔底流場(chǎng)排屑能力;沖洗液流量增大,排屑能力提高。當(dāng)沖洗液流量較大時(shí),提高轉(zhuǎn)速對(duì)孔底排屑能力有促進(jìn)作用。當(dāng)沖洗液流量較小時(shí),提高轉(zhuǎn)速對(duì)孔底排屑能力有抑制作用。機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)速和沖洗液流量三者并非是獨(dú)立的,隨著機(jī)械鉆速提高,需要相應(yīng)增大沖洗液流量,并給定有利于孔底流場(chǎng)排屑的轉(zhuǎn)速。

研究結(jié)果為搭載于載人潛水器的深海原位取芯鉆機(jī)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。