分水鉆具的設(shè)計(jì)及其數(shù)值模擬分析

張鵬宇， 郭 威， 賈 瑞， 趙 帥

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026)

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分水鉆具的設(shè)計(jì)及其數(shù)值模擬分析

張鵬宇1,2， 郭 威1,2， 賈 瑞1,2， 趙 帥1,2

(1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林 長春 130026； 2.國土資源部復(fù)雜條件鉆采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130026)

巖(礦)心采取率低是單管取心鉆進(jìn)的主要問題。在鉆進(jìn)時(shí)由于沖洗液對巖心的沖刷作用，使巖(礦)心中的礦物顆粒不斷被沖洗液帶走，造成巖心缺失、巖心采取率過低。從鉆具內(nèi)部流速分布、沖洗液沖刷作用、巖心采取率、沖洗液攜粉等角度出發(fā)，分析了單管鉆進(jìn)時(shí)造成巖心采取率過低的原因，采取分流、降速等方法，設(shè)計(jì)了一套可以在一定程度上提高巖心采取率的分水單管鉆具，通過數(shù)值模擬，證明了該鉆具在滿足及時(shí)清除孔底巖粉的條件下，能使單管鉆具中巖心周圍沖洗液流速降低25%左右，進(jìn)而解決常規(guī)單管鉆進(jìn)巖心采取率不足等問題。

單管鉆進(jìn)；巖心采取率；沖洗液分流；分水單管鉆具；數(shù)值模擬

0 引言

巖心鉆探的主要目的是通過采取巖礦心來了解礦體的埋藏深度、產(chǎn)狀、厚度、分布規(guī)律、礦物組成、巖性、構(gòu)造及成礦條件等，巖礦心采取的數(shù)量多少和品質(zhì)好壞，對判斷地質(zhì)構(gòu)造、評價(jià)礦產(chǎn)資源和油氣開發(fā)的準(zhǔn)確性和可靠性有重要影響。因此，巖礦心的采取和整理是衡量鉆孔質(zhì)量的重要指標(biāo)。巖礦心應(yīng)達(dá)到采取率、完整度、純潔度和代表性等要求[1-2]。

取心方法與鉆進(jìn)方法密切相關(guān)，應(yīng)與鉆進(jìn)方法配套適應(yīng)于不同巖礦層巖心，取心方法的選擇應(yīng)根據(jù)巖礦層的組成及結(jié)構(gòu)特性所形成的物理力學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)的取心難易程度選擇鉆進(jìn)和取心方法。單管取心鉆具結(jié)構(gòu)簡單，在地質(zhì)巖心鉆探中，多用于上部第四系、新近系、古近系巖礦層鉆進(jìn)取心。在粘性大、塑性強(qiáng)、遇水膨脹的高嶺土以及松散易沖刷的地層中進(jìn)行地質(zhì)巖心鉆探時(shí)，所使用的膨潤土沖洗液粘度大，只能選用單層巖心管鉆具的取心方法[3]。三江盆地前進(jìn)拗陷富地1井地層主要為砂巖、泥巖，采用的造漿材料主要為膨潤土，沖洗液粘度較大，選用單管鉆進(jìn)方法施工，在鉆遇松散的泥巖、砂巖地層時(shí)，巖心受沖刷嚴(yán)重，采取率偏低。

在巖心鉆探中，經(jīng)常會遇到極破碎、軟弱易沖蝕等復(fù)雜地層，這類地層巖石破碎、松軟，在進(jìn)入巖心管前往往易被沖洗液沖蝕，進(jìn)入內(nèi)管也常因卡簧卡不牢在打撈時(shí)掉落造成空管[4]。

針對單管鉆進(jìn)施工工程中巖心采取率偏低的問題，對常規(guī)鉆進(jìn)工藝方法和單管鉆具孔內(nèi)流場進(jìn)行分析。

在沖洗液的排量選擇上，沖洗液應(yīng)及時(shí)對孔底的巖粉進(jìn)行清除，并且能順利攜帶巖粉上返。結(jié)合圖1(沖洗液流速分布示意圖)，由于鉆桿與孔壁的環(huán)空間隙較巖心管與孔壁環(huán)空間隙和巖心管與巖心的間隙大，使得沖洗液流速V3小于V2和V1，較大的V1和V2會造成巖心受到強(qiáng)烈的沖刷作用，也會對孔壁的穩(wěn)定性造成影響，此外，垂直向下流動的沖洗液會在巖心頂端造成很大的壓力，易導(dǎo)致巖心堵塞，降低巖心采取率[5]。

此外，考慮到因沖洗液泵工作特性及其它因素的影響，孔底沖洗液的壓力會存在波動，會造成流經(jīng)巖心管的沖洗液流速不穩(wěn)定，可能加劇湍流的強(qiáng)度，加速對巖心的沖刷作用[6]。

圖1 沖洗液流速分布示意圖

巖心管內(nèi)沖洗液的流速是影響巖心采取率的主要因素，在滿足及時(shí)清除孔底巖粉的同時(shí)，應(yīng)盡可能降低流速V1和V2。本文所提出的提高巖心采取率措施的主要原理是適當(dāng)降低巖心管中沖洗液的流速，據(jù)此設(shè)計(jì)了分水取心鉆具，包括穩(wěn)壓分流裝置、增徑巖心管、分水裝置以及與之配套的分級PDC鉆頭。

1 穩(wěn)壓分流裝置

1.1 工作原理

穩(wěn)壓分流裝置的工作原理類似于溢流閥，由彈簧控制閥芯開啟壓力和開啟的程度。當(dāng)巖心管上部的沖洗液壓力大于閥芯開啟壓力時(shí)，沖洗液推動閥心上行，部分流體經(jīng)由閥門排出，使得流至孔底的沖洗液量適當(dāng)減少，巖心管內(nèi)部壓力稍大于設(shè)定壓力時(shí)，少量沖洗液通過閥門流至外鉆具外部，巖心管內(nèi)部壓力大出設(shè)定值較多時(shí)，大量沖洗液通過閥門流出，通過這種調(diào)節(jié)方式維持巖心管內(nèi)部壓力穩(wěn)定。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)鉆具中異徑接頭結(jié)構(gòu)簡單，易于更換，把環(huán)狀溢流閥整合到異徑接頭中，得到穩(wěn)壓分流裝置的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)體圖(見圖2、圖3)。其具體穩(wěn)壓分流原理如下。

根據(jù)沖洗液攜粉能力和鉆進(jìn)參數(shù)設(shè)定巖心管內(nèi)壓力P，該壓力等同于閥芯開啟壓力，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部沖洗液壓力P′大于設(shè)定值P時(shí)，沖洗液壓力作用在環(huán)狀閥芯上，推動彈簧和環(huán)狀閥芯上移，沖洗液入口和沖洗液出口之間的通路被打開，部分沖洗液沿此通路分流出去，泄去P和P′的壓力差ΔP，維持巖心管內(nèi)的壓力和流速穩(wěn)定。環(huán)狀閥芯打開的門限壓力P1和閥門開啟程度由墊圈和兩組彈簧進(jìn)行控制。

1—?dú)んw；2—調(diào)節(jié)墊圈；3—彈簧；4—沖洗液入口；5—環(huán)狀閥芯；6—沖洗液出口

圖2 穩(wěn)壓分流裝置半剖視圖

圖3 穩(wěn)壓分流裝置實(shí)體圖

2 增徑巖心管

2.1 工作原理

為了在鉆進(jìn)過程中保持巖心穩(wěn)定性的同時(shí)，降低沖洗液對巖心的沖刷作用，提高巖心的采取率和完整性，可在巖心管上設(shè)置一定數(shù)量的溝槽，來增加巖心和巖心管間的過流面積，降低該區(qū)域的沖洗液流速，達(dá)到預(yù)期的效果。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巖心管中巖心和管壁之間的間隙非常小，常見的N、H系列的單管取心鉆具管材匹配見表1，其間隙大小分別為1.5、2 mm，巖心和管壁環(huán)空間隙太小，會使沖洗液流速過大，對巖心的沖刷作用增強(qiáng)[7]，此外，過小的環(huán)空間隙會增加循環(huán)阻力，增加沖洗液泵的荷載。針對以上問題，所設(shè)計(jì)的增徑巖心管(內(nèi)壁帶溝槽)見圖4。

表1 取心鉆具管材匹配規(guī)格尺寸(外徑/內(nèi)徑)

圖4 增徑巖心管

在保證巖心管有可靠強(qiáng)度安全系數(shù)的同時(shí)，在其內(nèi)壁增加適當(dāng)大小和數(shù)量的溝槽，能有效增加巖心和巖心管之間的間隙，使得沖洗液流速V1降低，在一定程度上降低沖洗液對巖心的沖刷。之所以沒有單獨(dú)增大巖心管的內(nèi)徑，而采用增加溝槽的形式，一方面是為了保持巖心管的剛度，另一方面是保證巖心在巖心管中的穩(wěn)定性。另外，對巖心管內(nèi)壁溝槽的邊棱做圓角處理，減輕溝槽邊棱對巖心的刮磨作用。

3 分水裝置

3.1 工作原理

為了避免沖洗液對巖心的直接垂直角度的沖刷，單層巖心管鉆進(jìn)時(shí)有時(shí)會采用分水帽來降低沖刷作用，而常規(guī)的分水帽使得沖洗液過流斷面進(jìn)一步縮小，增大了循環(huán)阻力，在分水帽區(qū)域的速度梯度也較大，易產(chǎn)生湍流，增加對巖心沖刷程度，不易于保證巖心的完整性[8]，針對這種情況，設(shè)計(jì)了一種與增徑巖心管相配套的新型分水裝置，避免因沖洗液巖心的垂直沖刷使巖心劈裂造成堵塞，同時(shí)避免在分水裝置處產(chǎn)生過大的流速梯度。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)分水裝置如圖5所示，該分水裝置與增徑巖心管相配合，錐形的面板部分用來抵抗沖洗液的垂直角度沖刷作用，而側(cè)面的六個(gè)翼板嵌入巖心管的溝槽中，用來穩(wěn)定分水裝置在巖心管的位置，使分水裝置隨巖心一同相對于巖心管上升。該分水裝置在降低沖洗液直接沖刷作用的同時(shí)，保證了環(huán)空間隙不至過小，使沖洗液流速以小的速度梯度通過分水裝置。

在分水裝置的材料選擇上，應(yīng)盡量選擇強(qiáng)度高、硬度大、耐沖蝕的材料，在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)，盡量降低分水裝置的壁厚。

4 分級鉆頭

4.1 工作原理

PDC鉆頭在鉆進(jìn)泥巖地層時(shí)，易產(chǎn)生泥包，影響鉆速和取心，PDC鉆頭的鉆頭類型，冠部形狀，水力結(jié)構(gòu)，切削齒形狀、數(shù)量、角度等均會對泥包產(chǎn)生重要影響[9]。實(shí)踐證明，在鉆進(jìn)泥巖、砂巖時(shí)，帶有棱邊(三角形或四邊形)的復(fù)合片鉆頭比采用圓形復(fù)合片鉆頭進(jìn)尺效果好。針對松散易沖刷地層，采用復(fù)合片分級布置的方式，上下兩層分別為四邊形、三角形復(fù)合片，中間設(shè)置較大的水口，這種上下布置的方式有利于沖洗液攜帶巖粉、保持孔底清潔。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分級鉆頭結(jié)構(gòu)見圖6。該鉆頭由鉆頭剛體、四邊形復(fù)合片和三角形復(fù)合片組成，四邊形復(fù)合片和三角形復(fù)合片上下布置，所采取的分級排布的PDC復(fù)合片類似于超前鉆頭，下層復(fù)合片超前破碎鉆頭下方地層，上層復(fù)合片破碎外圈巖體，這種布置方式可以保證孔底清潔、降低沖洗液對巖心的沖刷作用，在鉆頭底部設(shè)置6組水口；由于所采取的取心方式為卡簧卡取巖心，在鉆頭剛體內(nèi)部還設(shè)置有卡簧座[10-13]。

圖5 分水裝置 圖6 分級鉆頭

5 數(shù)值模擬

5.1 流體區(qū)域模型的抽取及網(wǎng)格劃分

為了分析改進(jìn)后分水鉆具內(nèi)部沖洗液流速分布，將所設(shè)計(jì)的整套鉆具進(jìn)行裝配(見圖7)，調(diào)整環(huán)狀閥心的上移距離為5 cm，另外，繪制含巖心的鉆孔模型，將改進(jìn)后的鉆具與鉆孔模型合理裝配，見圖8。為了形成對比，同時(shí)在相同條件下對普通單管鉆具進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用FLUENT對分水鉆具和常規(guī)鉆具進(jìn)行仿真模擬。

圖7 改進(jìn)鉆具

圖8 改進(jìn)鉆具和鉆孔模型

將圖8模型導(dǎo)入到ANSYS的DesignModeler模塊中，以by caps方式抽取出流體區(qū)域模型，并在WorkBench中劃分網(wǎng)格，對模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域做加密處理，如圖9所示。

圖9 分水鉆具流體區(qū)域網(wǎng)格劃分及邊界條件

5.2 邊界條件定義及定義求解

將劃分完成后的網(wǎng)格導(dǎo)入至FLUENT，定義入口、出口及壁面，如圖10所示。設(shè)置沖洗液入口為inlet，入口處流速設(shè)定為為3.5 m/s(對應(yīng)沖洗液泵量為200 L/min)，壓力為1.8×107Pa，上返環(huán)空頂部為outflow。沖洗液密度1.08 g/cm3，粘度為0.008 Pa·s。采用k-e湍流模型。

圖10 定義邊界條件

根據(jù)流體動力學(xué)建立鉆具內(nèi)流場的N-S控制方程,由于模型內(nèi)部不考慮溫度變化，因此，不加入能量方程[14-16]，對應(yīng)的質(zhì)量守恒和動量守恒方程如下。

(1)質(zhì)量守恒方程：

(?ρ/?t)+?(ρUj)/?=0

(2)動量守恒方程：

(3)湍流RNGk-ε模型方程：

k-ε湍流模型是基于渦粘性假設(shè)的雙方程湍流模型，k是湍流動能，ε是湍流耗散率，湍流考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流效應(yīng)，RNGk-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動，因此，采用該模型，其方程為：

Cε2ρε+Cε1pkb)

設(shè)定監(jiān)視器，計(jì)算求解。

5.3 后處理

將運(yùn)算結(jié)果導(dǎo)入至Tecplot中進(jìn)行后處理，取中心切面，查看鉆具內(nèi)部流速分布，分水鉆具和常規(guī)鉆具流速分布見圖11，巖心周圍沖洗液自孔底至巖心上部速度分布見圖12。

圖11 速度分布云圖

5.4 結(jié)果分析

在沖洗液泵量為200 L/min、環(huán)狀閥芯上移5 cm條件下，由圖11、圖12可知，孔底環(huán)空沖洗液上返的流速可達(dá)0.75～1.75 m/s，可以達(dá)到及時(shí)清除孔底巖粉、冷卻鉆頭的需求；常規(guī)鉆具中的沖洗液全部由巖心管流經(jīng)孔底，再經(jīng)環(huán)空上返至地表，經(jīng)計(jì)算，在上述泵量下，常規(guī)巖心周圍沖洗液平均流速可達(dá)0.9～2.3 m/s，而通過對改進(jìn)后的鉆具進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示，巖心周圍的沖洗液流速為0.5～1.75 m/s。改進(jìn)后的鉆具可以在滿足清除巖粉的同時(shí)，可以顯著降低巖心周圍的沖洗液流速，從而降低沖洗液對巖心的沖刷作用，提高巖心采取率。

6 結(jié)論

(1)在松散易沖刷的砂巖、泥巖中鉆進(jìn)時(shí)，常出現(xiàn)巖心不完整、巖心采取率較低的現(xiàn)象。主要原因是單管鉆具中沖洗液對巖心直接沖刷作用，由于在巖心管中環(huán)空間隙較小，沖洗液流速往往過大，沖洗液對巖心的沖刷作用就會加劇，單管鉆進(jìn)過程中降低沖刷作用、提高巖心采取率的途徑，除了采用合理的鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)外，還可通過鉆具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)降低巖心周圍沖洗液的流動速度。

(2)所設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓分流裝置可以分流出部分沖洗液，降低由鉆桿中心通入孔底的沖洗液流量，同時(shí)能穩(wěn)定巖心管內(nèi)沖洗液壓力和流速；增徑巖心管主要是通過增加巖心與巖心管的環(huán)空面積來降低該處的沖洗液流速；分水裝置與巖心管配合，防止沖洗液對巖心的垂直沖刷作用；分級鉆頭采用三角形復(fù)合片與四面性復(fù)合片相組合，同時(shí)與改進(jìn)后的較大水口配合，使排粉順暢。理論上由上述裝置組成的鉆具可以降低沖洗液對巖心的沖刷作用，提高巖心采取率。

(3)由數(shù)值模擬結(jié)果可知，改進(jìn)后的分水鉆具與常規(guī)單管鉆具相比，巖心管內(nèi)部巖心周圍的沖洗液流速有一定程度的降低，環(huán)空間隙和孔底的沖洗液流速均可達(dá)到清除孔底巖粉的要求。由于流速是影響沖刷作用的主要因素，可知該鉆具可顯著降低巖心周圍的沖洗液流速，提高巖心采取率。

(4)現(xiàn)場施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求，通過更換調(diào)節(jié)墊、更換彈簧和調(diào)節(jié)鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)等途徑，控制分水裝置的分水流量，避免因孔底流量過小導(dǎo)致卡鉆、孔底流量過大造成巖心采取率降低等情況。

(5)本文在理論和數(shù)值模擬層面對分水鉆具做了研究分析，尚未應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，為了驗(yàn)證其可行性，下步研究將結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，完善鉆具模型、加工成品，并在實(shí)際鉆探工程中檢驗(yàn)其取心效果，并針對應(yīng)用中的不足做進(jìn)一步改進(jìn)。

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Design of Split-flow Drilling Tool and Its Flow Field Numerical Simulation

ZHANG Peng-yu1,2, GUO Wei1,2, JIA Rui1,2, ZHAO Shuai1,2

(1.College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun Jilin 130026, China; 2.Key Lab of Drilling and Exploitation Technology in Complex Conditions, Ministry of Land and Resources, Changchun, Jilin 130026, China)

The low core recovery is the main problem in single tube drilling. That tiny mineral particle of the core being taken away by drilling fluids continually causes the deficiency of core. The reasons for low core recovery is studied from the points of velocity profile, erosion action, core recovery and cuttings removal, and a set of single tube split-flow drilling tool has been designed with flow-distributing and area increasing to improve core recovery. The 3d-fem numerical simulation shows that this modified drilling tool can reduce the velocity of drilling fluids around core by about 25% under the condition of timely cuttings removal and solve the low core recovery.

single tube drilling; core recovery; flushing fluid distribution; split-flow single tube drilling tool; numerical simulation

2016-07-11；

2017-04-04

中國地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“三江盆地東部地區(qū)地質(zhì)調(diào)查井工程”(編號：12120115001601-05)

張鵬宇，男，漢族，1992年生，吉林大學(xué)在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)，研究方向?yàn)榈叵沦Y源鉆采技術(shù)及天然氣水合物取樣技術(shù)，吉林省長春市西民主大街938號，1187463850@qq.com。

P634.4

A

1672-7428(2017)05-0053-05