基于Fluent的空氣射流切削式反循環(huán)鉆頭參數(shù)優(yōu)化

宗緒永，李柏軍

(核工業(yè)二四〇研究所探礦工程院，遼寧沈陽110032)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，對資源消耗需求的大幅增長，資源勘探方向由容易開采的資源逐漸向地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，開發(fā)難度大的地區(qū)轉(zhuǎn)變。我國西部資源貯藏量大，種類豐富，是未來能源開采的主要地區(qū)。但西部地表鉆探環(huán)境惡劣，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，干旱缺水，地表有較厚土層，且部分地區(qū)上覆較厚的黃土地層。常規(guī)鉆井一般利用鉆井液進行孔底排渣，冷卻鉆頭，對于西部缺水且上覆黃土層地區(qū)，常規(guī)鉆探方法在對黃土層鉆進時，由于黃土具有濕陷性，在鉆進過程中易發(fā)生塌孔、卡鉆埋鉆等事故。針對西部缺水黃土覆蓋層鉆進，王如生［1］等提出利用壓縮空氣代替鉆井液作為鉆探的循環(huán)介質(zhì)進行孔內(nèi)的排渣并采用壓縮空氣的射流切削作用進行噴射鉆進作業(yè)，試驗證明，采用壓縮空氣作為土層鉆進的切削介質(zhì)進行反循環(huán)氣體噴射鉆進比常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進方法鉆進效率高，且能較好控制現(xiàn)場的施工環(huán)境。采用反循環(huán)氣體噴射鉆進技術(shù)配合貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術(shù)，在不用更換鉆進機具的情況下直接對上覆土層和下伏巖層進行連續(xù)鉆進作業(yè)。

反循環(huán)氣體噴射鉆進技術(shù)工藝原理與貫通式潛孔錘反循環(huán)連續(xù)取心鉆進技術(shù)類似，如圖1所示，壓縮空氣由進氣膠管進入雙臂鉆桿的環(huán)狀間隙進入孔底，通過反循環(huán)噴射鉆頭的特殊結(jié)構(gòu)，根據(jù)拉瓦爾噴管原理，壓縮空氣在孔底形成強力射流，對土層進行破碎，由于內(nèi)噴孔產(chǎn)生的負壓，壓縮空氣在孔底形成漩渦，攜帶孔底巖屑沿鉆頭中心通道上返，最后經(jīng)由排渣管排出地表。利用高速氣體切割土層，可防止由于土層摩擦力過大，鉆頭直接切割土層導(dǎo)致扭矩過大，鉆桿扭斷等現(xiàn)象發(fā)生。王如生［1］等主要針對提高空氣反循環(huán)效果進行了研究，但并未對鉆頭噴嘴方面的設(shè)計進行深入研究。鉆頭噴嘴流體對孔底土層的切削能力直接影響了鉆進速度，對鉆頭噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化至關(guān)重要。本文對于鉆頭噴嘴部位結(jié)構(gòu)重新設(shè)計優(yōu)化，利用流體計算動力學(xué)軟件CFD，對孔底流場進行分析，通過噴嘴部位氣體速度及高速氣體分布情況，判斷最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)。

圖1 反循環(huán)氣體噴射鉆頭設(shè)計結(jié)構(gòu)

1 反循環(huán)氣體噴射鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

反循環(huán)氣體噴射鉆頭主要由內(nèi)噴孔部分和底噴孔部分兩部分構(gòu)成。反循環(huán)氣體噴射鉆頭底噴孔部分的設(shè)計依據(jù)為拉瓦爾噴管原理:當(dāng)氣流通過窄喉部位后，氣體速度超過音速，超過音速的氣體流速會隨著噴嘴出口面積加大而加大，高速噴射的氣流形成可以切割土層的空氣射流。反循環(huán)氣體噴射鉆頭的反循環(huán)能力是通過鉆頭體內(nèi)的內(nèi)噴孔來實現(xiàn)的，為保證反循環(huán)效果，設(shè)計內(nèi)噴孔仰角為60°，內(nèi)噴孔中心偏距為10.33 mm。氣體噴射鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。為了研究底噴孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和內(nèi)噴孔個數(shù)對鉆進能力和反循環(huán)能力的影響，本文利用CFD軟件對不同底噴孔直徑、底噴孔數(shù)量、底噴孔擴大段直徑、底噴孔擴大段長度、內(nèi)噴孔數(shù)量5個參數(shù)進行模擬分析，得到噴射能力較強，反循環(huán)能力較好的參數(shù)組合。

2 CFD數(shù)值模擬及邊界條件設(shè)置

采用CFD數(shù)值軟件模擬反循環(huán)氣體噴射鉆頭孔底流場。首先基于三維軟件solidworks建立孔底噴嘴流體三維模型，并采用hypermesh對建立的三維模型進行網(wǎng)格劃分及流體區(qū)域邊界條件劃分命名，對細薄區(qū)域流體進行局部細化處理，劃分網(wǎng)格總數(shù)為547861，如圖2所示。將鉆頭體網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent6．3．25求解器中，設(shè)置好相關(guān)邊界條件后開始計算。對計算結(jié)果進行后處理分析獲得孔底流體可視化相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 典型的鉆頭孔底流體域網(wǎng)格圖

根據(jù)反循環(huán)氣體噴射鉆進工藝參數(shù)，當(dāng)空壓機工作條件為9 m3/min時，設(shè)定雙壁鉆桿環(huán)空間隙為壓縮空氣質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量參數(shù)為0.2 kg/s。鉆頭與孔壁之間的外環(huán)空氣頂端出口與鉆頭中心通道頂端出口為壓力出口。壓縮空氣材料設(shè)置為理想氣體，氣體壁面為絕熱壁面。保證計算精度，采用標(biāo)準K－ε湍流模型，壓力－速度耦合Coupled算法。保證計算收斂，克朗數(shù)時間步長和空間步長均為0.1，亞松弛因子能量設(shè)置為0.5。

3 結(jié)果與討論

3．1 底噴孔個數(shù)對鉆頭鉆進能力與反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個、底噴孔直徑為3 mm、內(nèi)噴孔直徑為8 mm、長度為10 mm的情況下，底噴孔數(shù)量對鉆頭底噴孔流體流速和外環(huán)空抽吸能力的影響如圖3所示。圖3(a)表明，在分別增加底噴孔數(shù)量為3個和4個時，能夠小幅提高底噴孔內(nèi)流體的噴射流速，且在均布有3個和4個內(nèi)噴孔時，噴射流體高速區(qū)向孔底延伸，但采用4個底噴孔時噴射流速和延伸距離均較3個時低，因此，采用3個底噴孔時，能夠獲取相對較高的孔底噴射流速并增大噴射流的高速區(qū)，有利于提高對孔底土層的切削作用。由圖3(b)可知，增加底噴孔個數(shù)使鉆頭的反循環(huán)卷吸能力減小較為明顯，在輸入空氣流量一定的情況下，由于增加了底噴孔的數(shù)量，導(dǎo)致底噴孔分流量增大，內(nèi)噴孔空氣質(zhì)量減小，減小內(nèi)噴孔質(zhì)量流量導(dǎo)致內(nèi)噴孔流體噴射流速降低，卷吸能力下降，從而影響鉆頭的反循環(huán)效果。在底噴孔數(shù)量為2個時，鉆頭對外環(huán)空的抽吸質(zhì)量流量為0.061 kg/s，當(dāng)增加到4個時，抽吸質(zhì)量流量減小到0.055 kg/s。因此，為在保證鉆頭具有較高切削能力的同時，確保鉆頭具有較好的反循環(huán)能力，采用3個直徑為3 mm的底噴孔較為理想。

圖3 底噴孔個數(shù)對底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸能力的影響

3．2 底噴孔直徑對鉆頭鉆進能力和反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個，底噴孔數(shù)量為2個，底噴孔擴大段直徑為8 mm、長10 mm時底噴孔直徑對底噴孔流體噴射流速和鉆頭抽吸能力的影響如圖4所示。如圖4(a)所示，2 mm直徑底噴孔鉆頭比3 mm直徑底噴孔鉆頭具有較好的反循環(huán)能力，但由于其直徑較小，噴射流量有限，導(dǎo)致2 mm底噴孔直徑使噴射流速較低，對土體的切削能力弱。當(dāng)?shù)讎娍字睆剑? mm時，底噴孔流體噴射流速降低較為明顯，表明在該流量時，擴大底噴孔直徑所增加的底噴孔氣體流量不能補償由于底噴孔過流斷面積增加造成的流速降低，不利于底噴孔流體的噴射切削。同時，由于底噴孔直徑的擴大，增加了流體的分流，減小了內(nèi)噴孔流量，導(dǎo)致鉆頭反循環(huán)能力大幅降低，如圖4(b)所示。為了確保鉆頭具有較高的鉆進能力和反循環(huán)能力，底噴孔宜采用3 mm直徑。

圖4 底噴孔直徑對底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響

3．3 底噴孔擴壓段長度對鉆頭鉆進能力和反循環(huán)能力的影響

在內(nèi)噴孔數(shù)量為6個、底噴孔數(shù)量為2個、直徑為3 mm、底噴孔擴壓段直徑為8 mm時，底噴孔擴壓段長度直徑對底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響如圖5所示。由圖5(a)可知，當(dāng)?shù)讎娍讛U壓段長度較小時，有利于提高底噴孔流體的噴射流速，同時有利于延伸噴射流體的高速區(qū)至孔底。當(dāng)?shù)讎娍讛U壓段長度較小時，底噴孔流體能夠在離孔底相對較近的距離內(nèi)發(fā)生擴散，擴散距離的減短有利于其高速區(qū)向孔底延伸。而在對底噴孔擴壓段長度進行改變時，對鉆頭的反循環(huán)能力并無太大影響，如圖5(b)所示。因此，底噴孔擴壓段長度應(yīng)采用較小的5 mm時，能夠在保證鉆頭反循環(huán)能力的同時提高鉆頭的鉆進能力。

3．4 底噴孔擴壓段直徑對鉆頭鉆進能力和反循環(huán)能力的影響

圖6為底噴孔擴大段直徑為4、6、8 mm時孔底噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量。從圖中可以看出，當(dāng)孔擴大段直徑為4 mm時，底噴孔噴射流速最大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＜0.0026 m時，擴大段直徑為6 mm時底噴孔噴射流速大于擴大段為8 mm時底噴孔噴射流速，但流速相差不大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＞0.0026 m，擴大段直徑為6 mm時底噴孔噴射流速小于擴大段為8 mm時底噴孔噴射流速，并且流速差距逐漸拉大。當(dāng)鉆頭距孔底距離＞0.006 m時，擴大段直徑為4 mm時底噴孔噴射流速與擴大段直徑為6 mm底噴孔噴射流速差迅速減小。在底噴孔擴壓段直徑為6 mm時鉆頭反循環(huán)能力最強，底噴孔擴大段直徑為8 mm時雖有所減小，但幅值不大，外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量差值為0.001 kg/s。說明擴大段直徑改變對底噴孔噴射流速影響較大，因此當(dāng)?shù)讎娍讛U大段直徑為8 mm時，能兼顧鉆頭的噴射能力和反循環(huán)能力。

3．5 內(nèi)噴孔個數(shù)對鉆頭鉆進能力和反循環(huán)能力的影響

圖7為內(nèi)噴孔個數(shù)為3、4、5、6時孔底噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量。從圖中可以看出，當(dāng)內(nèi)噴孔個數(shù)為5時，底噴孔噴射流速為最大。內(nèi)噴孔個數(shù)為6時鉆頭的噴射流速與內(nèi)噴孔個數(shù)為5時接近。當(dāng)內(nèi)噴孔個數(shù)為3時，底噴孔噴射流速很小。隨著內(nèi)噴孔個數(shù)的增加，鉆頭的反循環(huán)能力逐漸增強，當(dāng)內(nèi)噴孔個數(shù)＞4.5時，鉆頭反循環(huán)能力達到最佳并且外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量變化很小。因此內(nèi)噴孔個數(shù)為5時，鉆頭的噴射能力和反循環(huán)能力為最好。

圖7 內(nèi)噴孔個數(shù)對底噴孔噴射流速和外環(huán)空抽吸質(zhì)量流量的影響

4 結(jié)論

針對反循環(huán)噴射鉆頭結(jié)構(gòu)，利用CFD軟件對不同底噴孔直徑、底噴孔數(shù)量、底噴孔擴大段直徑、底噴孔擴大段數(shù)量、噴射孔數(shù)量5個參數(shù)進行模擬分析。分析結(jié)果表明，在進風(fēng)質(zhì)量流量一定的情況下，底噴孔直徑為3 mm，底噴孔個數(shù)為2，底噴孔擴大段直徑為8 mm，底噴孔擴大段長度為10 mm，內(nèi)噴孔數(shù)量為5時，反循環(huán)噴射鉆頭噴射能力和反循環(huán)能力最好。圖8為最優(yōu)化組合鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下鉆頭孔底流場速度云圖，在該參數(shù)組合下，鉆頭對外環(huán)空的卷吸流量可達0.057 kg/s，鉆頭底噴孔流體噴射流速在距出口4 mm處仍能保持446 m/s的高速噴射，而一般鉆頭底部出刃為2.5～3 mm，因此該結(jié)構(gòu)參數(shù)下鉆頭能夠保持良好的切削性能。

圖8 最優(yōu)參數(shù)鉆頭結(jié)構(gòu)孔底流場速度云圖

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