复式反循环钻头结构设计与仿真分析

发布时间：2018-02-04 18:56

本文关键词： 复式反循环钻头引射器封隔器 EFD仿真技术正交试验设计　出处：《吉林大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：人类社会的发展离不开资源的供给，赖以生存的生活资料都来源于矿产资源，而随着社会的不断发展，对资源的需求和依赖也越来越大。资源的紧缺迫使勘探工作向深部矿、难勘探矿发展。随着矿产资源勘探任务难度的加大，，更加需要探矿工作者对钻探技术和钻探机具进行研究。气体反循环钻进技术，是指在钻孔底部采用特殊的装置，如反循环钻头、交叉接头或封隔器等，利用驱动活塞后的废气将破碎后的岩心、岩屑从双壁钻杆的中心通道上返至地表的一种钻进技术。现有反循环形成机理主要有两种，一种是国外及国内部分单位研究的封隔器封堵形成反循环，一种是以吉林大学为代表研究的基于引射器形成的反循环。但是目前国内外对这两种反循环机理以及实际反循环效果的的对比研究较少。形成反循环的关键因素是反循环钻头。本文运用SolidWorks Flow Simulation软件对国内的引射器式反循环钻头和封隔器式反循环钻头两种钻头孔底进行流场分析，研究两种反循环钻头形成反循环的机理，通过野外试验，进一步对比研究两种反循环钻头的反循环机理和反循环效果。针对仿真模拟和野外试验中出现的问题，为进一步提高反循环效果，将两种反循环钻头进行结合，设计出新型的复式反循环钻头，并对复式反循环钻头的结构参数进行优化。本文具体的研究内容与结论如下所示：（一）运用计算流体软件SolidWorks Flow Simulation对两种反循环钻头孔底流场进行模拟分析，获得孔底流场的速度和压力变化情况。通过对孔底流场的分析，研究出两种反循环钻头形成反循环的机理不同：引射器式反循环钻头形成反循环是依靠内喷孔和底喷孔高速气流的抽吸作用对孔底和外环流体进行抽吸；封隔器式反循环钻头形成反循环是依靠封隔套在外环空的封堵作用迫使流体由中心通道流出孔底。仿真模拟过程数据的统计图表明，引射器式反循环钻头外环质量流量为正数，约为入口质量流量的20%，对环空气流有一定的抽吸作用；封隔器式反循环钻头外环质量流量为负数，约为入口质量流量的20%，反循环形成不完全，会有部分正循环的形成。（二）在洛阳栾川钼矿进行野外对比试验，进一步研究两种钻头的反循环机理。试验表明，两种形式的反循环钻具都能形成很好的反循环，在鹅颈弯管处都有大量的岩屑和岩粉高速排出。表明引射器和封隔器对反循环的形成都有积极的作用。但是在孔口的位置，引射器式反循环钻具和封隔器式反循环钻具在钻进过程中都会出现返尘的现象。对出现的问题进行理论分析：引射器式反循环钻进出现返风是由于钻头底喷孔与孔底岩石未能形成良好的引射结构，对外环流体的抽吸作用下降；封隔器式反循环钻进出现返尘现象是由于复杂地层使实际钻孔直径增大，外环空通道过流面积增大导致流动阻力减小，未能将全部的气体封堵在孔底。（三）针对仿真模拟中出现的外环空有正循环的形成和野外试验中孔口返风的现象，结合两种钻头的特点，发挥各自的优势，设计出复式反循环钻头，将引射器的原理和封隔器的原理同时作用在钻头上。仿真结果表明，复式反循环钻头能够提高反循环效果。（四）对复式反循环钻头的结构参数进行优化，采用正交试验设计的方法。科学的确定试验次数，对试验结果进行极差和方差分析，分析影响Q环空的各个参数的主次顺序以及各参数的最优组合水平。复式反循环钻头的主要结构参数对反循环效果影响的主次顺序为封隔套的长度L、内喷射孔的个数N、内喷孔直径Dn、内喷孔倾斜角度n、内喷孔高度H1；而且内喷孔的倾斜角度与内喷孔的高度的交互作用对复式反循环钻头的反循环效果也有重要的影响。对各因素对Q环空的影响做进一步的分析，结合实际钻头设计，选取最终的结构参数。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P634.41

【参考文献】