螺旋流引射式反循环钻头设计与实验研究

发布时间：2020-04-21 05:48

【摘要】：贯通式潜孔锤钻反循环钻进技术是以压缩气体作为循环介质,驱动潜孔锤破碎孔底岩石,并携带岩心(岩屑)从中心通道上返至地表,实现连续取心不停钻的钻进技术。潜孔锤正常工作时,压缩空气由双壁钻杆环状间隙进入,驱动潜孔锤完成碎岩钻进工作。由于高压气体全部经由双壁钻杆之间的环状间隙到达孔底,并由中心通道返回,钻杆外壁与井壁之间不存在漏风现象,故而贯通式潜孔锤在钻进破碎地层时具有较大的优势。反循环钻头作为碎岩工具以及形成反循环的关键性部件,其性能直接影响钻进效率,国内外学者一直致力于其结构研究。本文创新性提出将螺旋流引入反循环钻头结构中,结合反循环钻头结构特点,设计了新型的螺旋流引射式反循环钻头(螺旋钻头),利用螺旋流的强大抽吸力提高钻头反循环效果。并通过CFD数值模拟与实验测试的方式将螺旋钻头与环隙喷射式反循环钻头(环形钻头)反循环形成效果进行了对比分析,验证了新型的螺旋流引射抽吸式反循环钻头可以在钻头内部形成强力的螺旋流,能有效提高钻头的反循环效果。又通过一系列的数值模拟和实验研究,对螺旋钻头螺旋叶片螺旋升角、螺旋叶片长度、螺旋叶片数量以及螺旋喷嘴面积等结构参数对反循环效果的影响规律进行了深入分析优化。(1)与环隙喷射式反循环钻头相比,新型的螺旋流引射式反循环钻头可以在钻头内部形成强力螺旋流,有利于提高反循环效果;(2)在相同进气量条件下,螺旋钻头的抽吸量高于环形钻头:当底喷孔打开时,螺旋钻头抽吸量最高可以达到环形钻头的1.44倍;而当底喷孔封闭时,螺旋钻头抽吸量最高可以达到环形钻头的1.26倍;(3)数值模拟结果与实验测试结果吻合度较高,特别是对于螺旋钻头,当底喷孔打开时,实验与模拟结果误差最大不超过9.05%,当底喷孔封闭时,最大误差只有2.1%,在后续对螺旋钻头的研究中可以继续采用数值模拟的方法进行研究;(4)当底喷孔打开时,钻头反循环效果主要受喷嘴形成螺旋流的能力、喷嘴阻力引起的能量损失及底喷孔分流三种因素的影响。而当底喷孔封闭后,钻头反循环效果主要受喷嘴形成螺旋流的能力、喷嘴阻力引起的能量损失两个因素影响。不同螺旋参数会对螺旋喷嘴形成螺旋的能力以及喷嘴阻力产生影响,从而影响钻头的反循环效果;(5)螺旋叶片螺旋升角对钻头反循环效果有显著的影响,螺旋升角越小其形成螺旋能力越强,但同时喷嘴阻力也会越大,从而引起的能量损失和底喷孔分流越大。螺旋叶片长度对喷嘴形成螺旋流的能力影响不大,但增加螺旋叶片长度会使喷嘴阻力大大增加,从而导致能量损失和底喷孔分流加大。螺旋叶片数量对钻头反循环效果影响不大,增加叶片数量螺旋喷嘴形成的螺旋能力小幅度增强,但喷嘴阻力会随着螺旋叶片的增加而增大。螺旋喷嘴面积对钻头反循环效果影响较为明显,喷嘴间隙越小喷嘴形成螺旋的能力越强,但同时喷嘴阻力也会越大,从而引起的能量损失和底喷孔分流越大。在本次结构优化参数实验中,当螺旋叶片螺旋升角为60°、叶片长度为10mm、螺旋叶片数量为3、喷嘴间隙为1.5mm时,钻头反循环效果最好。
【图文】：

反循环钻头,喷孔,钻头体,中心通道

90年代，一种具有底喷孔和内喷孔结构的多喷嘴引射器式反循环钻头（图1.2）在国内得到了迅速的发展。当高压气体驱动潜孔锤做高频振动后，一部分气体从内喷孔向中心通道高速喷射形成高速流体，在喷嘴附近形成低压区，在钻头内外压力差的作用下促使孔底的气体携带岩屑（岩样）从中心通道上返。而另一部分气体则通过底喷孔向下喷射，一方面对钻头起到冷却作用，另一方面气体经由孔底反射后，向中心通道汇聚，促使反循环形成[18-24]。1-钻头体；2-中心通道；3-底喷孔；4-扩压槽；5-内喷射孔图1.2多喷嘴引射器式反循环钻头虽然经过长期的优化和改进，多喷嘴引射式反循环钻头得到了迅速的发展，但依然存在一定问题。例如，在复杂地层中（如地层裂隙发育、溶洞较多等地层），由于部分气体通过底喷孔喷射之后直接进入地层裂隙中，导致部分气体漏失，容易出现反循环形成困难等[25-27]。从理论上分析

反循环钻头

中心取样技术理念与实际生产相结合的公司之一，其设计的反循环钻头及配套产品得到了广泛的认可，被广泛的应用于矿产勘查、钻孔取样等领域中，其钻头结构如图1.3所示。气体顺着花键槽以及钻头外侧的凹槽到达孔底，由于钻头与井壁之间的外环空阻力比较大，只能携带岩屑向钻头底部开设的吸砂孔顺着中心通道上返，从而实现反循环钻进。图1.3 Bulroc反循环钻头瑞典Sandvik公司在Bulroc公司设计的潜孔锤基础上增加了一个导流罩结构，在导流罩和钻头体之间留有流体通道。通过导流罩增加外环空的气体阻力，促使气体从阻力较小的中心通道上返，形成反循环。这种方法虽然能在一定程度上改善了反循环效果的形成，但是过分依赖于导流罩结构，在破碎地层中钻进时，由于外环空的间隙不规则，导致导流罩的结构尺寸难以确定。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P634.41

【参考文献】