基于引射原理的侧吸式反循环钻头结构参数数值研究
范黎明1，殷琨1，张永光1，赵志强1，赵睿智2，张晓3，姜楠楠4
(1. 吉林大学 建设工程学院，吉林 长春，130026；
2. 吉林省公路勘测设计院，吉林 长春，130026；
3. 中国石油天然气集团公司 华东勘察设计研究院，山东 青岛，266071；
4. 烟台国土资源局，山东 烟台，264003)
摘 要：为进一步提高潜孔锤反循环连续取样钻进时反循环取样效果，减少环空岩粉(岩样)漏失，创新地设计出具有引射器结构的侧吸式反循环钻头，并在试验与计算流体动力学(CFD)数值模拟的基础上通过对钻头喷嘴与接受段入口的距离LNT、喷嘴直径DN、底喷孔直径DT、扩压槽深度LD 4个关键参数对环空气体泄漏量影响规律进行研究，探讨引射原理在提高钻头反循环能力上的可行性及其效果，同时为优化设计提供理论依据。研究结果表明：将引射原理引入到反循环钻头中用于降低环空泄漏，提高反循环效果是完全可行的，且效果明显要好于传统的国内传统反循环钻头的效果好；另外，侧吸式反循环钻头的反循环效果受LNT，DN，DT和LD影响明显，且总存在最优结构参数使其反循环效果达到最佳；对于直径为108 mm的侧吸式反循环钻头，LNT = -10 mm，DN = 5 mm，DT = 14 mm，LD = 40 mm是比较理想的参数组合。
关键词：引射器；反循环；钻头；CFD；结构参数；优化
中图分类号：TE242.7 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2011)01-0220-07
Numerical investigation of geometry parameters on
side-ejector DTH hammer RC bit
FAN Li-ming1, YIN Kun1, ZHANG Yong-guang1, ZHAO Zhi-qiang1, ZHAO Rui-zhi2,
ZHANG Xiao3, JIANG Nan-nan4
(1. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China;
2. Jilin Highway Survey and Design Institute, Changchun 130061, China;
3. East China Survey, Design & Research Institute of CNPC, Qingdao 266071, China;
4. Yantai municipal bureau of land and resources, Yantai 264003, China)
Abstract: In order to the sake of improve reverse circulation(RC) performance of center sample RC drilling and minifying air and sample leakiness in annulus, the side-ejector RC bit on the basis of ejection theory was designed innovatively. And based on experiment and computational fluid dynamics (CFD) simulation technique, the effects of four important side-ejection RC bit geometry parameters, i.e., the nozzle exit position (LNT), nozzle diameter (DN), mixing section diameter (DT) and pressure diffuser depth (LD), on its performance were studied to analyze RC feasibility and performance of the ejector applied in RC bit, and to provide theoretical reference for optimization design. The results show that applying ejectors to RC bit to improve RC performance and minify annulus leakiness is absolutely feasible and its RC performance is obviously greater than that of other domestic RC bits. Also, the parameters LNT, DN, DT, LD, have great effects on side-ejector RC bit performance, and there is always an optimum parameter to optimize it. As to d108 side-ejector RC bit, LNT = -10 mm, DN = 5 mm, DT = 14 mm, LD = 40 mm is an ideal parameter combination.
Key words: ejector; reverse circulation (RC); bit; CFD; geometry parameter; optimization
当今世界资源紧缺，亟待进一步勘探和开发。钻探取心(样)是业内公认的探明矿物储量的最直接手段，而贯通式潜孔锤反循环连续取心(样)钻进技术(国外称之为反循环中心取样钻进)是目前世界上最高效的钻孔取样技术，比传统岩心钻探技术在硬岩钻进方面效率提高3~10倍、成本降低1/3~1倍，可不用提钻实时取样，取样率高而准，如今该技术已广泛用于欧美等国，据报道，美国采用该技术完成地质勘探工作量的比例接近总工作量的80%，澳大利亚则已超过80%[1-2]，我国目前也在积极发展和推广该项先进钻进技术。反循环取样效果取决于反循环钻头。反循环钻头的作用在于促成孔底反循环流场的形成。国外成形的贯通式潜孔锤反循环钻头主要是外部喷射式，如美国NUMA、英国Bulroc、瑞典Atlas copco、爱尔兰Mincon等等，这种外部喷射结构的钻头遇到较为破碎的地层时，容易在侧面发生气体漏失，导致取样困难。国内潜孔锤反循环钻头结构以吉林大学研制的为典型，驱动完潜孔锤活塞工作后的气体直接进入底喷孔，大部分气体会携带孔底破碎的岩渣屑由中心通道上返，但仍有部分气体会携带岩粉由钻头与孔壁之间的环状间隙(简称“环空”)泄漏，如果泄漏严重，会导致岩样漏失或者取样困难。
针对目前国内外相关成形产品存在的不足，为进一步提高反循环取样效果，减少环空岩样漏失，促进贯通式潜孔锤反循环连续取样这一先进钻进技术的进一步完善和推广应用，作者所在课题组将化学工业常用的引射器结构应用到反循环钻头中，设计出具有引射器结构的侧吸式反循环钻头，并利用受限贴壁射流原理[3]，在试验与计算流体动力学(CFD)数值模拟的基础上探讨引射原理在提高钻头反循环能力上的可行性，并研究钻头各结构参数对环空气体泄漏量的影响规律，以便为进一步优化设计提供理论依据，同时也对反循环钻头结构形式进行了很好的补充。
1 引射器原理与侧吸式反循环钻头
气体引射器广泛用于流体机械和化工反应设备中，被用来混合两股不同压力的流体或传递能量[4-5]。图1所示为一个单级气体引射器原理示意图：高压气体(引射气流)经喷嘴高速喷出，被引射气流在引射气流的剪切作用下被卷吸进入混合段，并与引射气流发生动量、能量交换，逐渐形成单一均匀的混合气流[6]。侧吸式反循环钻头正是基于该原理设计的(图2)。图3所示为喷嘴处引射结构的放大图，气体经置于钻头外侧的喷嘴高速喷出的同时将环空的泄漏气体重新卷吸进入钻头底喷孔，对环空泄漏的气体实现“重吸收”。行业上用引射系数来评价引射器性能，这里结合钻头的特殊性，引入“环空气体引射率ω”这个概念用以评价侧吸式反循环钻头的反循环效果与环空气体泄漏程度，即环空泄漏的气体质量流量(manulus)与喷嘴喷出的气体质量流量(minlet)之比(ω=manulus/minlet)。ω＜0表示引射能力很弱，环空发生泄漏(此时的ω也可称为泄漏率)；ω=0表示环空无泄漏；ω＞0表明引射能力强，环空不仅无泄漏，且环空原本存在的气体也被卷吸进入钻头底喷孔。
与引射器一样，制约侧吸式反循环钻头的环空气体引射率的关键结构参数也有几个：(1) LNT，即喷嘴与接受段入口的距离，LNT＜0，表明喷嘴在底喷孔外面；LNT＞0，表明喷嘴插入底喷孔中；(2) DN，即喷嘴出口直径；(3) DT，即混合段直径，这里可称为底喷孔直径；(4) LD，即扩压槽深度。引射器的工作过程主要包括湍流造成的2种流体间的剪切、卷吸作用及混合过程中边界层与壁面、压力面间复杂的相互作 用，再加上黏性干扰、分离涡、真实气体效应等物理现象，使得这一过程更加复杂[6]。由于目前其相关理论的发展还不够，因此，很多专家多采用CFD方法对引射器各参数进行研究[7]。Henzler等[8-9]指出，引射器引射能力是一个与喷嘴尺寸、接收段尺寸和形状等有关的函数，同时Henzler[8]认为，LNT越小，引射性能越差。Aphornratana等[10]对LNT进行讨论，认为通过移动喷嘴，调整LNT，完全可以使引射性能最佳 化。还有很多研究人员认为引射性能与LNT/DT有关，Bhutada等[11]认为LNT/DT=3时引射能力最强；Kandakure等[12]通过CFD方法对引射器各参数进行研究，认为当LNT/DT=0时引射能力最强；姜正良等[13]则提出，当LNT/DT≥10时，引射器才能发挥最佳效能。
图1 单级气体引射器原理简图
Fig.1 Schematic diagram of air ejector
图2 侧吸式反循环钻头原理简图
Fig.2 Schematic diagram of side-ejector reverse circulation (RC) bit
图3 侧吸式反循环钻头喷嘴处局部放大图
Fig.3 Partial enlarged view of side-ejector RC bit nozzle
由于引射器内部流场的复杂性以及工作条件的多样性，每个学者得出的结论均不相同。在此，本文作者同样采用CFD手段，对侧吸式反循环钻头(以直径为108 mm的侧吸式反循环钻头为原型) 4个关键参数(LNT，DT，DN和LD)对环空气体引射率ω的影响规律进行研究，以探讨将引射原理用于反循环钻头的可行性并为优化设计提供最优结构参数。
2 CFD建模与试验验证
2.1 数学模型
流体流动受物理守恒定律的支配，任何流动均需满足连续性方程、动量方程，对于气体，还应当满足能量方程[14-15]。
(1) 连续性方程：
(1)
(2) 动量方程组：
(2)
(3)
(4)
(3) 能量方程：
(5)
式中：div表示散度；V为速度矢量；u，v和w分别为速度矢量V在x，y和z方向的分量；ρ为液体密度；μ为动力黏度；p为压强；k为流体传热系数；cp为比热容；Su，Sv和Sw为动量守恒方程的广义源项。
2.2 CFD建模与试验验证
仿真采用商用软件HyperMesh对侧吸式反循环钻头内部流场进行网格划分(见图4)，并利用Fluent作为CFD求解器。为使求解更准确、更快捷。采用纯六面体网格单元对每个模型进行网格划分，每个模型网格单元数为60 000~70 000。对于可压缩理想气体流动，采用耦合求解器[14]。为提高计算精度和收敛性，采用SIMPLEC算法并对对流项采用二阶迎风格式进行离散[16]；近壁面采用标准壁面函数法。计算时，设置残差监视(动量方程、湍动耗散率、湍动能残差均为10-6，连续性方程残差为10-4，能量方程残差为10-5)、出入口质量流量监视以判断计算是否收敛；分别设置质量流量入口边界条件和压力出口边界条件[6]。
图4 钻头几何模型与1/3流道网格模型
Fig.4 Side-ejector RC bit model and 1/3 CFD mesh model
另外，为了确定合适的湍流模型(标准k-ε模型、Realizable k-ε模型和RNG k-ε模型)，分别采用3种模型进行计算并与试验所得结果进行对比(见图5)。图5中对角线表示由CFD所得的环空气引射率与试验结果相等。根据对比可发现3种湍流模型的计算结果与试验结果的误差并不太大(数据点离对角线很近)，且3个湍流模型计算结果之间差别也很小，说明先前建立的CFD模型与实际比较吻合，可以在该模型基础上建立其他相关模型用于后续分析。然而，在这3个湍流模型中，RNG k-ε模型的计算速度最快，故选择RNG k-ε湍流模型作为最终计算模型。
图5 CFD结果与试验结果对比
Fig.5 Comparison of CFD results and experimental data
3 结果
3.1 LNT变化对ω的影响规律
取DN=5 mm，DT=12 mm，LD=30 mm，分别讨论喷嘴入口质量流量为0.06，0.2和0.1 kg/s时，外环空泄漏程度与LNT之间的关系(见图6)。由图6可知：
(1) 整个曲线基本单调递减，LNT增加，环空气体引射率ω反而减少。LNT≈5 mm时必有1个临界值使ω=0，此时环空气体泄漏量为零；随着LNT进一步减小，引射效果也会进一步增强，此时不仅没有泄漏，反而会将外环空内本来存在的气体随同泄漏的气体在引射的强力作用下一起被卷吸进入钻头底喷孔中 (图7)。
(2) 当LNT＜0时，ω越大，说明反循环效果越好，也表明引射器原理在该处起到了作用，随着喷嘴与底喷孔距离的继续拉大，这种引射作用变得更为明显，如图中LNT=-70 mm时，环空气体引射率高达约30%。
(3) 当LNT＞0时，即喷嘴插入底喷孔中(此时的结构等同于传统反循环钻头)，插入越深，引射率ω反而负得越多，说明泄漏量也越大。这就说明侧吸式反循环钻头的反循环效果比传统结构的反循环钻头的反循环效果好(图5所示的试验结果也可证明这一点)。
(4) 当喷嘴入口质量流量发生变化时，环空气体引射率ω变化很小(3条曲线基本重合)，这表明ω会受到喷嘴入口质量流量的影响，但这种影响较喷嘴与接受段入口的距离LNT给ω带来的影响来说非常小。
图6 ω随LNT的变化规律
Fig.6 Effect of LNT on ω
图7 喷嘴处局部截面流线图
Fig.7 Cross-section streamlines of nozzle
3.2 DN不同时，DT变化对ω的影响规律
由于喷嘴置于内喷孔外部(LNT＜0)时喷嘴的引射能力比喷嘴插入底喷孔中(LNT＞0)时强，因此，后面分析均选择LNT＜0进行计算。本次计算着重讨论DN不同时，外环空泄漏程度与DT之间的关系。对计算所得数据进行非线性回归分析，发现这些数据均能被三次多项式很好地拟合，数据散点与拟合曲线如图8所示。由图8可知：
(1) 随着DT的增加，ω先升高后降低，即总会有1个最优DT可使ω达到最大值。总体上，不论LNT和DN多大，ω随着DT的变化趋势基本不变，即二者近似呈三次多项式的关系。
(2) 在图中峰值点之间添加线性趋势线，可看出当LNT一定时，随着DN的增加，最优DT也会相应变大，但增量较小。在LNT = -30~-10 mm和DN=3~7 mm时，最优DT集中在13~15 mm之间。
图8 不同DN时ω随DT的变化规律
Fig.8 Effect of DT on ω at different DN
(3) 纵向比较DN的3个系列发现：当DT相同时，DN越小，其ω越大；DN越大，则ω越小。原因在于喷嘴直径较小会使射流速度较高，从而增加高压气体射流对环空低压气体的卷吸能力。另外，从图中3条曲线间隔距离并不相等可以看出：ω与DN并非是呈线性关系。
(4) 由图8(a)~(c) ω=0那条零线可以看出：尽管当LNT为负值时，曲线的大部分仍位于零线以上(即ω＞0)，但若此时DT选择不恰当(过小或过大)，ω依然会小于0；另外，对比图9中DN=7 mm那条曲线可以看出，图8(c)中位于零线以下的部分比图10(a)中的少很多，这就表明若喷嘴直径DN较大，则喷嘴与底喷孔的距离就应该适当增大(即LNT负增大)，这样才能尽量避免大喷嘴直径导致的ω过小的现象。
3.3 LNT不同时，DT变化对ω的影响规律
LNT不同时，外环空泄漏程度与DT之间的关系能很好地被三次多项式拟合，其数据散点与拟合曲线如图9所示。从图9可见：
图9 不同LNT时ω随DT的变化规律
Fig.9 Effect of DT on ω at different LNT
(1) 纵向来看，LNT越小(离底喷孔越远)，ω越大，这与图6反映出的结论一致。另外，根据图中峰值点的趋势线可以看出，当喷嘴离底喷孔入口距离越近，底喷孔直径应当适当减小，这样才能使引射率ω最大，环空泄漏量最小，反循环效果才能达到最佳。
(2) 如图9(a)所示，LNT=-20 mm，DT=10 mm与LNT=-30 mm和DT=15 mm 2点的|LNT/DT|=2，但此时两点的ω并不相同。相同的LNT/DT却有不同的ω，也就是说，ω与LNT/DT并没有明显规律可寻，否则当LNT/DT不变时，对应的ω也应当不变。该结论与Bhutada等[11-13]的研究结果有所不同。
3.4 扩压槽深度LD变化对ω的影响规律
分别对LNT=-10，LNT=-20和LNT=-30 mm 3种情况下ω随LD的变化规律进行分析。结果表明：ω受LD影响较为明显；当LD约为17 mm时，ω为负值，此时环空发生泄漏。同时，根据3条曲线的相对位置可知：若喷嘴离底喷孔越近(见图10中LNT=-10 mm曲线所示)，必须增大扩压槽深度LD才能保证环空无泄漏(即ω=0)；另外，若LD太小，则气体在进入钻头中心通道时会有较大阻力，大量气体从环空溢出，而喷嘴高速流体引射能力不足以将溢出的气体卷吸进入底喷孔中，导致环空气体泄漏，同时，在地表孔口处会发现有大量粉尘溢出；LD也并非越大越好，而是有1个最优值(LD≈40 mm)。模型不同，最优LD也不同。如图10所示：当DN和DT一定时，LNT越小(喷嘴离底喷孔越远)，最优LD就越大。
图10 不同LNT时ω随LD的变化规律
Fig.10 Effect of LD on ω at different LNT
4 结论
(1) 试验和CFD分析结果不仅证明了将引射原理引入到反循环钻头中用于降低环空泄漏，提高反循环效果是完全可行的，且效果很明显，同时也证明了侧吸式反循环钻头在减少环空气体泄漏量方面的效果明显要比传统的国内传统反循环钻头的效果好。
(2) 引射率ω受LNT，DN，DT和LD影响十分显著。喷嘴置于底喷孔外部时(LNT＜0)，喷嘴的引射效果明显要好于将喷嘴置于底喷孔中的效果。随着喷嘴离底喷孔距离的增加，总能找到1个临界位置使环空无泄漏(即ω=0)；DN较小会使ω较高，但DN越小，其给气流带来的节流作用也越大，这样便会增大空压机的负担；倘若DN太大，ω会降低甚至为负值，只有加大喷嘴与底喷孔的距离(LNT负增大)，才能在一定程度上避免大喷嘴直径导致的环空气体泄漏问题；ω与DT近似呈三次多项式的关系。DT太大或太小均会导致环空发生泄漏(ω＜0)。不论LNT和DN多大，总会有1个最优DT使引射性能达到最佳；对于最优DT，若DN增大，则DT也应适当增大；若喷嘴与底喷孔距离增大(即LNT负方向增大)，则DT也应适当加大，这样才能将喷嘴的引射能力更好地发挥出来；LD不可太大也不可太小，引射率ω与LD之间依然近似满足三次多项式关系，且总有1个最优LD使ω达到最大。
(3) 环空气体引射率ω(或说泄漏率)受到LNT，DN，DT和LD综合影响，设计钻头时，须将所有参数耦合起来考虑。对于分析原型直径为108 mm侧吸式反循环钻头来说，选用LNT＜0(如LNT =-10 mm)、喷嘴直径DN=5 mm、底喷孔直径DT=14 mm、扩压槽深度LD≈40 mm用于结构优化设计是比较理想的。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2009-10-13；修回日期：2010-01-25
基金项目：2009年中国地调局项目(1212010816018)；吉林省科技厅基金资助项目(20040533)；吉林大学“985工程”研究生创新基金资助项目(20080245)
通信作者：殷琨(1952-)，男，吉林长春人，教授，博士生导师，从事钻井工艺技术研究；电话：13804320251；E-mail: yinkun@jlu.edu.cn
