潜孔锤反循环钻头二级引射装置结构参数研究

朱丽红,黄 勇,殷 琨,张大平,任 红

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580；2.吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026； 3.中油辽河工程有限公司,辽宁盘锦 124000；4.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 267021)

潜孔锤反循环钻头二级引射装置结构参数研究

朱丽红1,黄 勇2,殷 琨2,张大平3,任 红4

(1.中国石油大学石油工程学院,山东青岛 266580；2.吉林大学建设工程学院,吉林长春 130026； 3.中油辽河工程有限公司,辽宁盘锦 124000；4.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 267021)

二级引射装置能够有效提高贯通式潜孔锤钻进技术的反循环效果。为确定其结构参数,借助计算流体动力学(CFD)数值模拟,研究二级引射孔直径d、中心孔直径D、引射孔角度θ和引射孔距反循环钻头底面距离h等4个结构参数对钻头引射系数n的影响,并利用试验方法对CFD计算结果进行验证。结果表明:随二级引射装置结构参数d、D、θ和h的改变,反循环效果发生不同程度变化,且存在某一结构参数组合使反循环效果达到最佳,综合考虑4个参数的影响效果,确定d=11 mm、D=44 mm、θ=30°和h=180 mm为比较合理的结构参数；试验结果与数值模拟结果基本吻合,CFD数值模拟可用于确定结构参数。

潜孔锤；反循环；钻头；引射装置；结构参数

贯通式潜孔锤反循环连续取芯(样)技术已成功应用于矿产勘查、水文水井和基础施工等领域[1-3],但在使用中也发现在破碎、漏失地层反循环不易形成,取样困难等问题[4],这是用于形成反循环的引射气体进入地层裂隙,孔底形成的负压不足以把钻进产生的岩心(样)送入中心通道所致。反循环钻头是影响反循环形成的关键,为提高贯通式潜孔锤在破碎地层的反循环效果,在原有反循环钻头结构基础上,提出在钻头中心孔处设置二级引射装置,对二级引射装置结构参数进行研究,为反循环钻头结构改进提供理论依据。

1 二级引射装置及结构参数

贯通式潜孔锤反循环钻头引射结构是根据气体引射原理设计的一种气体引射器。根据引射器结构原理与潜孔锤钻头实际结构,将钻头底部喷孔作为引射喷嘴,并开设扩压槽,在钻头底部形成一个多喷嘴引射结构,即一级引射。钻进过程中,高压气体由底喷孔喷出并与孔底流体进行能量交换,孔底流体在引射气流的剪切、卷吸作用下一同进入中心通道形成反循环。二级引射也是根据气体引射原理提出来的,通过在钻头中心通道位置开设引射孔,利用气体引射作用对中心通道内流体进行卷吸,进而引导钻头底部流体进入中心通道,从而提高钻头反循环能力。

通常采用引射系数n作为引射器性能的评价指标,它是被引射气体流量与引射气流流量的比值[5]。二级引射孔的引射系数为环空质量流量(Qannulus)与进口质量流量(Qinlet)之比(n=Qannulus/ Qinlet)。当n＞0时,表示环空流体进入孔底流场,引射性能较好,n值越大反循环能力越强；当n＜0时,表示一部分孔底流体进入环空,反循环能力较差。引射器的结构见图1。影响引射性能[6-8]的主要结构参数:①二级引射孔直径d,即引射流体过流断面直径；②引射孔入射角度θ,即引射孔与钻头中轴线的夹角；③中心孔直径D,即被引射流体过流断面直径；④二级引射孔喷嘴高度h,即引射孔到钻头底面的距离。

2 CFD数值模拟基础

2.1 数学模型

流体流动受物理守恒定律的支配,孔底流体满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[9]。

(1)质量守恒方程:

式中,ρ为密度,kg/m3；t为时间,s；V为速度矢量, m/s。

(2)动量守恒方程:

式中,T为温度,K；cp为比热容,J/(kg·K)；k为传热系数,W/(m2·K)；ST为黏性耗散项。

2.2 CFD建模及计算条件

以Φ127反循环钻头为基础建立孔底流场模型(图2),借助前处理器Gambit对模型进行网格划分,并利用Fluent进行CFD求解。模型网格单元采用六面体网格,为保证计算精度又能提高计算速度,对引射区网格进行加密,整体模型网格数约为10万个。

采用SIMPLE算法对孔底流场进行求解,对流项采用二级迎风格式进行离散；考虑到反循环钻头孔底流场受壁面影响,选取RNG k-ε湍流模型,壁面采用标准壁面函数；计算过程中,设置残差监视、中心孔流量和环空流量监视进而判断计算是否收敛[10]。将压缩空气的进口定义为质量流量入口,将中心孔出口和环空出口定义为压力出口,流场轴向截面定义为对称边界,其余为壁面。计算参数设置:流场进口气质量流量为0.02 kg/s；d取值为5、7、9、11、13、15 mm；θ取值为30°、40°、50°；D取值为34、44、54 mm；h取值为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为动力黏度,Pa·s；p为压力,Pa；Svx、Svy和Svz为动量守恒方程的广义源项。

(3)能量守恒方程:

图2 Φ127钻头几何模型及1/3计算流场模型Fig.2 Φ127 drill bit geometry model and 1/3 calculated flow field model

3 计算结果分析

以引射系数n值越大,引射效果越好作为优选标准,通过数值模拟分别计算中心孔直径D、引射孔入射角度θ、二级引射孔喷嘴高度h取值不同时,d与n之间的对应关系,从而确定中心孔直径D、引射孔入射角度θ、二级引射孔喷嘴高度h和二级引射孔直径d四个结构参数较合理的组合。

3.1 优选D值

当D分别取34、44、54 mm时,进行数值计算,并对计算结果进行三阶多项式拟合,得到中心孔直径D不同取值条件下n随d变化曲线,如图3所示。

由图3(a)、(b)、(c)可知:无论θ值如何变化,均是D=44 mm时对应的变化曲线位置靠上,即相同d值下n值最大,说明当D=44 mm时引射效果最佳。此外,9条n与d之间关系曲线变化的整体趋势均是先增大后减小,即存在1个最优d使n达到极大值,并且最优d值集中在9～11 mm区间内,具体取值还需进一步数值计算确定。

图3 D取值不同时n随d变化规律Fig.3 Variation of n with d for different D

3.2 优选θ值

当θ分别取30°、40°、50°时,进行数值计算,对计算结果进行三阶多项式拟合,得到引射孔入射角度θ不同取值条件下n随d变化曲线,结果如图4所示。

图4 不同θ下n随d变化规律Fig.4 Variation of n with D for different θ

由图4(a)、(b)、(c)可知:无论D值如何变化,均呈现随θ增加n减小趋势,且当d值相同时,θ越大,n越小。其原因有二:一方面,随着θ增大,三个喷孔的引射气流相互作用加大,能量消耗,引射能力降低；另一方面,单级引射器的引射喷嘴与接受管通常采用同心布置,即引射喷嘴与接受管夹角为0°时最有利,随夹角增大引射气流角度发生偏转不利于气体引射。但是由于反循环钻头结构和加工条件限制,θ最小取值为30°,因此θ=30°为最优值。

进一步确定最优d值。图4中9条n与d之间关系曲线变化的整体趋势均是先增大后减小,存在一个最优d值。当D值一定时,曲线变化趋势基本相同,最优d值集中于一点,并不随θ改变而变化,说明最优d与D之比固定。具体结果:当D=34 mm时,最优d为9 mm,dmax/D≈1/ 4；当D=44 mm时,最优d为11 mm,dmax/D=1/ 4；当D=54 mm时,最优d为10 mm,dmax/D≈1/5。

3.3 优选h值

根据优选D和θ的结果,取d=9、11 mm,D=44 mm,θ=30°,对不同h时对n的影响进行分析,结果如图5所示。由图5可知:随h增大n略有减小；n受h影响较小。h在180～220 mm区间变化时,与d=9 mm对应的n值由32.7%减小到29.9%,与d =11 mm对应的n值由38.2%减小到34.7%,n值减小幅度均小于10%。由此可见,h值变化对钻头引射效果影响较小,在确定最优h值时可主要考虑钻头自身尺寸和加工因素。根据Φ127反循环钻头结构,h=180 mm为最优值。

图5 d取值不同时n随h变化规律Fig.5 Variation of n with h for different d

4 试验验证

利用反循环孔底流场实验台[11]对反循环钻头二级引射孔结构参数的模拟结果进行试验验证。根据CFD模拟结果,选取二级引射孔径为7、9、11和13mm,引射角度30°、40°、50°,中心孔直径44 mm,引射孔距钻头底面距离180 mm的钻头模型进行分析。试验采用完整钻头模型,为保证试验条件与模拟条件相同,设定进口边界条件:压缩空气注入质量流量为0.06 kg/s、注入压力0.7 MPa。测定环空质量流量,为使结果具有可比性,将环空质量流量转换成引射系数n,对比结果如图6所示。

图6 试验结果与模拟结果对比Fig.6 Contrast between experimental results and simulation results

由图6(a)、(b)、(c)可知:当θ=30°时,d=11 mm对应的n约为 39；当θ=40°时,d=11 mm对应的n约为 29；当θ=50°时,d=11 mm对应的n约为22,说明θ=30°,d=11m m为较优组合。综合数值模拟结果和试验测试结果可知,二级引射孔结构参数合理组合为d=11 mm、D=44 mm、θ=30°和h= 180 mm。

试验测试结果与模拟结果两者相对误差小于15%,误差的产生主要是由测试仪器精度和模拟流场与实际工况流场存在一定差距造成的。因此,模拟结果是合理可靠的,采用CFD模拟反循环钻头孔底流场能够较为准确的反映流场内部情况,对确定钻头二级引射孔结构参数提供理论依据。

5 结 论

(1)通过在反循环钻头中心通道内开设二级引射结构,能有效提高钻头反循环能力。为确定最优二级引射结构参数,采用CFD方法对反循环钻头孔底流场进行数值模拟,并利用引射系数作为评判反循环效果优劣的标准。

(2)结构参数d、D、θ和h对引射系数n影响效果各不相同。随d增大,n先增大后减小,存在最优d使n达到峰值；对比三种D值,当D=44 mm时的n值均高于剩余两种；n随θ增加逐渐减小；随h增加n略有减小,h对n影响不明显。

(3)综合考虑d、D、θ和h对n的影响,确定Φ127 mm反循环钻头较合理的二级引射结构参数组合为引射孔直径d=11 mm、中心孔直径D=44 mm、引射孔角度θ=30°、引射孔距钻头底面高度h= 180 mm。

(4)计算结果与试验测试结果相对误差小于15%,说明CFD数值模拟可用于确定结构参数,进一步验证上述结构参数的合理性。

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(编辑 修荣荣)

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

中国地质调查局项目(1212010816018)；山东省自然科学基金项目(ZR2011EEQ012)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(27R1202001A)；新教师博士点基金项目(20110133120013)

朱丽红(1981-),女,讲师,博士,主要从事油气井工程方面研究。E-mail:zhulihongjd_2005@163.com。