旋风式反循环钻头结构设计与反循环效果分析

朱丽红¹，黄勇¹，殷琨²，王京印¹

(1. 中国石油大学(华东) 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)

摘要：为解决引射式反循环钻头在裂隙地层反循环不足问题，基于人造龙卷风的诱发机理，设计旋风式反循环钻头。应用计算流体动力学方法(CFD)对旋风钻头孔底气固流场进行数值模拟，并进一步对比引射钻头与旋风钻头的反循环能力。研究结果表明：旋风钻头钻进过程中，中心通道内的上升旋流对孔底气相流体产生抽吸作用，同时孔底岩屑随气流由钻孔底面上升进入中心通道，形成反循环。与引射钻头相比，旋风钻头在裂隙地层的反循环能力更强，其中心通道内气相流体的最低压力小于-8 kPa、最大流速超过100 m/s，整体携岩效率高于95%，该型钻头可以解决裂隙地层反循环不足问题。

关键词：反循环钻头；人造龙卷风；结构设计；气固两相流；数值模拟

中图分类号：P634.5          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)08-2752-07

Effect analysis of structure design and reverse circulation for tornado-type reverse circulation bit

ZHU Lihong¹, HUANG Yong¹, YIN Kun², WANG Jingyin¹

(1. School of Petroleum Engineering, China University of Petroleum, Qingdao 266580, China;

2. College of Construction Engineering, Jilin University, Changchun 130026, China)

Abstract: In order to overcome the lack of sample for drilling in fractured formation by ejector-type reverse circulation bit, a tornado-type reverse circulation bit on the basis of artificial tornado was designed. Based on computational fluid dynamics (CFD) method, the gas-solid flow field in tornado-type bit was simulated, and the ability of reverse circulation between the two bits was contrasted. The results show that during the drilling of tornado-type bit, the rising swirl pump the gas and cuttings in hole-bottom into center channel and the reverse circulation forms. Compared with the ejector-type bit, the tornado-type bit has a stronger capability of reverse circulation. In the center channel of the bit, the gas pressure is less than -8 kPa, velocity is more than 100 m/s, and the efficiency of cuttings-carrying is higher than 95%. The tornado-type bit can resolve the foregoing problem.

Key words: reverse circulation bit; artificial tornado; structure design; gas-solid two-phase flow; numerical simulation

潜孔锤反循环中心取样技术是一种利用潜孔锤冲击回转碎岩与双壁钻杆中心通道上返岩心相结合的新型钻探工艺方法，该项技术具有优质、高效、低耗等显著特点^[1]。反循环钻头是反循环技术的核心部件：一方面，钻头在潜孔锤的冲击载荷作用下破碎孔底岩石；另一方面，利用钻头自身特殊结构促使孔底流体和岩屑进入钻具中心通道，实现反循环。现有反循环潜孔钻头是基于气体引射原理设计的^[2]，在较完整地层钻进中，钻头与地层形成完整的引射结构，反循环效果好。对于在裂隙发育、漏失严重的地层钻进时，引射结构破坏，钻头反循环效果较差，岩心采取率低，不能满足钻探取样要求。为了提高反循环钻头的地层适应性，必须引入新的反循环机理。自然界中的龙卷风是一种小尺度天气系统，其具有十分强劲的携带和破坏能力，能轻易地将地面重物抛到数米甚至数十米的高空^[3-5]。对于自然界中龙卷风的形成机理的研究尚不明确^[6-9]，但普遍认为龙卷风生成的基本条件是具有上升的气流和水平方向的剪切力^[10]。因此，通过控制诱发射流的喷射角度和强度，在预定流场中产生旋流，促使流场中气体旋转加速，即可实现人工诱发龙卷风。目前，人工诱发龙卷风技术已成功应用于风力发电、铸造冶金、气力输送、通风除尘等众多工业领域^[11-14]。在此，本文作者借鉴前人的研究成果，将人造龙卷风技术引入反循环钻头结构设计，借助计算流体动力学方法(CFD)对新型旋风式反循环钻头孔底气固两相流场进行数值模拟研究，验证设计方案的可行性。

1  旋风式反循环钻头结构设计

诱发龙卷风的关键是引入上升的旋流，根据反循环钻头结构特点，通过在钻头体设置具有一定倾角的旋转喷孔即可形成有效旋流，由此设计出来旋风式反循环钻头。旋风式反循环钻头具体结构如图1所示，在钻头底部沿钻头回转方向开设3个旋喷孔，旋喷孔壁面母线与中心通道内壁面相切，喷孔与钻头底面成一定倾角。当气流进入钻头内部后，经花键槽进入过流孔，最终由旋喷孔以射流形式进入中心通道内，在中心通道内壁面的约束作用下气流由直线运动转变为回转运动，形成上升旋流。中心通道下部流体在旋流的抽吸作用下与旋流一同旋转上升，为了补充被带走的流体，钻孔底面和环空中的气体被吸入中心通道内，进而完成孔底反循环。

图1  旋风式反循环钻头结构示意图

Fig. 1  Schematic view of tornado-type reverse circulation bit

2  数学模型

2.1  物理模型

以Ф133旋风式反循环钻头为例，该型号钻头外径133 mm，旋喷孔直径7 mm，旋喷孔轴线与钻头底面夹角为60°，旋喷孔出口距钻头底面距离为40 mm，中心通道直径为44 mm。根据旋风钻头结构尺寸，设钻孔孔径的扩大率为5%，提取钻孔底面到上部350 mm孔段流场为研究对象，针对裂隙地层，在流场模型底面上设置一个宽度为2 mm的裂隙圈。

反循环钻头内部流场结构较为复杂，在网格划分时采用结构化网格与非结构化网格相结合的方式，以此提高计算精度、降低计算成本。网格划分结果如图2所示，根据流场模型结构特点，将中心通道、旋喷孔、底面空间和环状间隙采用六面体单元进行网格划分，对于旋喷孔与中心通道交汇位置，采用非结构化的四面体网格单元。

图2  旋风钻头模型及流场网格模型

Fig. 2  Tornado-type bit model and mesh model

2.2  控制方程

(1) 气体控制方程包括连续性方程、动量方程和能量方程，其通式可表示为

     (1)

式中：ρ为气体密度；t为时间；f为通用变量；v为求解变量；Г为广义扩散系数；S为广义源项^[15]。

(2) 岩屑在流场运动过程中受到多种力的作用，主要包括重力、曳力、压力梯度力、附近质量力、Magnus力、Saffman升力、Basset力以及热泳力、光电泳力、声泳等。根据牛顿第二定律，岩屑颗粒在拉格朗日坐标系下的运动方程为

      (2)

式中：F_D(u-u_p)为岩屑的单位质量曳力， ；C_D为曳力系数；Re为雷诺数；u为气体速度；u_p为岩屑速度；为岩屑重力；u_p为岩屑速度；ρ_p为岩石的密度；F_x为岩屑的其他作用力。

2.3  湍流模型

Yakhot和Orzag^[16]在标准k-ε模型基础上发展了RNG k-ε模型。与标准k-ε模型相比，该模型的改进表现为在强旋流模拟中精度的提高。该模型对应方程为

  (3)

             (4)

式中：，，η₀=4.377，β=0.012，C_2ε=1.68，η=Sk/ε，。

2.4  计算条件与边界条件

模拟采用的流体材料为空气，其物性参数如下：密度1.225 kg/m³，运动黏滞系数1.78×10^{-2 g/ms}，进入流场的总质量流量为60 g/s。流场模型的3个旋喷孔入口为质量流量入口，中心通道出口、环空出口及裂隙出口为压力出口，其他边界为壁面。

岩屑颗粒采用平面源的方式进入孔底流场内，注入源面为钻孔底面，岩屑颗粒均匀分布于底面网格上。设反循环钻进的机械钻速为5 m/h，钻孔直径为140 mm，地层岩石密度为2.4 g/m³，则单位时间内岩屑颗粒的质量流量为51 g/s。对于进入流场的岩屑假定为球形惯性颗粒，粒径满足Rosin-Rammler粒径分布函数，初始速度为0 m/s，颗粒在运动过程中无旋转，颗粒间无碰撞。

3  数值模拟结果

3.1  气相特征

图3所示为旋风式反循环钻头孔底流场气相特征图。由图3(a)和(c)可知：由于过流断面积减小，压缩空气进入旋喷孔后，流速迅速提高并以射流的形式进入中心通道内，受中心通道内壁面的限制，直线射流转为上升旋流，同时带动中心通道内原有气流一起旋转；随着旋流不断上升，旋流速度逐渐降低，位于中心通道横截面圆周附近的气流的旋转运动减弱，而中心位置气流的旋转逐渐加强；受旋喷孔出口位置旋流的抽吸作用，钻孔底面附近的流体被吸入中心通道内，为补充这部分气流，环空和裂隙中的气体被吸入孔底流场内。由图3(b)和(d)可知：气流由旋喷孔进入中心通道后压力迅速降低，在旋喷孔出口位置形成较大压力梯度；由于旋流的抽吸作用，旋喷孔以下流场均处于负压区内，其中中心通道入口位置的压力最低；沿中心通道向上，压力逐渐升高，在中心通道截面中心位置压力为负值，而在圆周附近压力为正值。

图3  孔底流场内气相特征

Fig. 3  Gas phase characteristics of flow field

流场中心通道不同高度上速度变化曲线如图4所示。可见，各条曲线呈轴对称分布，曲线上速度呈“M”型分布，从x轴0点位置向两侧速度整体呈上升趋势，在靠近中心通道内壁面附近，速度迅速减小并最终降低为0 m/s；随着曲线高度的增加，速度变化幅度先增大后减小，其中曲线y=40 mm波动最为显著，速度最大值接近300 m/s。图5所示为中心通道不同高度上压力变化曲线图。从图5可见：各曲线呈轴对称分布，除曲线y=0 mm以外，其余曲线呈“U”型变化，即y=0 mm点附近压力较低，而两侧压力较高，曲线y=0 mm上的压力分布与之相反；曲线y=40 mm压力变化较大，在流场中心(x=0 mm)附近压力低于-7.5 kPa，在壁面边缘(x=±22 mm)位置压力高于17.5 kPa。

图4  流场不同截面速度变化曲线

Fig. 4  Velocity curves of different sections

图5  流场不同截面压力变化曲线

Fig. 5  Pressure curves of different sections

3.2  固相特征

图6所示为孔底流场内岩屑颗粒浓度分布等值线图。从整个流场来看，钻孔底面(y=-8 mm)上的岩屑颗粒浓度最高，随着截面高度的增加颗粒浓度迅速降低。由图6可知，由底面进入孔底流场内的岩屑颗粒在气流带动下向底面中心汇集，形成高浓度区，其最大颗粒质量浓度高于1 000 kg/m³，由中心沿径向颗粒浓度急剧降低，对于底面大部分区域颗粒质量浓度在200 kg/m³以下，在到达底面边缘位置颗粒浓度有所升高；受中心通道内旋流的抽吸作用，底面岩屑颗粒上升进入中心通道，在通道入口(y=0 mm)截面上颗粒浓度较底面有所下降，但大部分颗粒仍集中于截面中心附近；到达截面y=40 mm时，岩屑的颗粒质量浓度已低于10 kg/m³，颗粒逐渐向中心通道壁面附近扩散；随着截面高度的增加，颗粒浓度进一步降低，同时在旋流的带动下岩屑沿中心通道内壁面旋转上升，位于壁面附近的颗粒浓度开始高于中心位置；到达截面y=300 mm时，截面上的颗粒质量浓度降低为2 kg/m³。

图6  流场内颗粒质量浓度等值线图(单位：kg/m³)

Fig. 6  Contour map of cuttings concentration in flow field

图7  岩屑颗粒运动轨迹

Fig. 7  Particle tracks of cuttings

岩屑的颗粒直径和注入位置对其在孔底流场内的运动规律存在着直接影响，为了验证不同初始条件下颗粒的运动规律，选取4种不同粒径岩屑(d=0.1 mm，0.5 mm，1 mm，5 mm)从底面径向不同位置(x=0，20，50，70 mm)进入流场，模拟岩屑进入流场后的颗粒轨迹。图7所示为4种粒径岩屑从不同位置进入孔底流场后的颗粒轨迹。从图7可以看出：对于不同粒径岩屑，其在流场内的运动规律基本相同，从x=0 mm位置进入流场的颗粒由底面中心沿直线上升进入中心通道，最终由中心通道上部出口排出；其余3个位置进入流场的颗粒在底面附近运动一段位移后上升进入中心通道，在旋流带动下呈螺旋上升运动。对于不同粒径、不同注入位置的岩屑颗粒均能进入到钻头中心通道内，说明旋风钻头具有较强的反循环能力。

4  反循环能力对比

为了进一步验证旋风钻头的反循环能力，在相同孔底流场条件下，对旋风钻头与引射钻头在裂隙地层钻进时的气固两相流场特征进行对比分析。

4.1  气相特征

图8所示为裂隙地层钻进时，引射钻头与旋风钻头孔底流场中轴线上速度与压力对比图。由图8(a)可知：2组曲线的变化趋势相似，但幅度明显不同，旋风钻头中轴线上速度处于较高水平，其最大气体流速高于100 m/s；引射钻头气体流速较低，最大速度不到40 m/s。在压力方面(见图8(b))，旋风钻头中轴线上均处于负压区内，最低负压小于-8 kPa，而引射钻头中轴线上整体压力高于-1 kPa，部分区段压力已为正值。

4.2  固相特征

有效携岩是反循环钻进的最终目的，因此中心通道内上返岩屑颗粒数量是衡量反循环效率的一个重要指标。采用颗粒追踪法计算岩屑反循环效率，当岩屑颗粒进入孔底流场后对颗粒轨迹进行追踪，在足够的计算步长内，若岩屑颗粒进入到中心通道出口，则视其为实现反循环的颗粒；进入环空出口或裂隙出口的岩屑颗粒则视为逃逸颗粒，表示钻头对此种颗粒不具有反循环能力。由此，将由中心通道出口逃逸的颗粒数与进入流场内的总颗粒数之比作为钻头的反循环携岩效率，其表达式为

             (5)

式中：η_particles为反循环携岩效率；N为进入流场的岩屑颗粒总数；n为中心通道出口逃逸的岩屑颗粒数。

图8  气相特征对比图

Fig. 8  Comparison of gas phase characteristics

图9所示为不同粒径岩屑条件下2种反循环钻头的携岩效率。从图9可以看出：在裂隙地层钻进时，引射式反循环钻头的携岩效率较低，其对4种岩屑的携岩效率均低于80%，随着颗粒直径的增大，携岩效率逐渐降低，对于5 mm岩屑的携岩效率仅为60.9%；旋风钻头具有较好的携岩能力，其对各粒径岩屑的携岩效率均高于95%，且受岩屑粒径变化影响小。

图9  反循环携岩效率对比

Fig. 9  Comparison of cuttings-carrying efficiency

5  结论

(1) 旋风式反循环钻头钻进时，旋喷孔内气流以近300 m/s的速度进入中心通道内，带动原有流体一起旋转上升，在中心通道入口附近形成约-7.5 kPa的负压区，促使钻孔环空和裂隙中流体进入中心通道，形成反循环。

(2) 在气流的带动下，岩屑颗粒汇聚于钻孔底面中心，其最大颗粒质量浓度超过1 000 kg/m³，进入中心通道后颗粒质量浓度显著降低，到达出口位置时颗粒质量浓度降低为2 kg/m³。对于粒径为0.1，0.5，1.0及5.0 mm的岩屑颗粒由底面径向0，20，50和70 mm位置进入流场后，均可形成反循环。

(3) 与引射式反循环钻头相比，旋风式反循环钻头在裂隙地层的反循环能力更强，其中心通道内气相流体的最低压力小于-8 kPa、最大流速超过100 m/s，整体携岩效率高于95%。数值模拟结果表明，旋风钻头可以解决裂隙地层反循环不足问题。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-08-01；修回日期：2013-12-20

基金项目：山东省自然科学基金资助项目(ZR2011EEQ012)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110133120013)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(13CX02050A/14CX02164A)；中国石油大学科研启动基金资助项目(Y1302056)

通信作者：朱丽红(1981-)，女，山东新泰人，博士，讲师，从事钻井工程方面研究；电话：18563979478；E-mail：zhulihongjd_2005@163.com