DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.022

可切换式反循环潜孔锤钻头设计及优化

甘心，殷琨，彭枧明，殷其雷，何将福

(吉林大学 建设工程学院，国土资源部复杂条件钻进技术开放研究实验室，吉林 长春，130026)

摘要：针对现有气动贯通式潜孔(DTH)锤反循环钻探技术在推广应用过程中遇到的岩矿心(样)丢失、卡钻埋钻事故时有发生等问题，提出一种可切换式反循环潜孔锤钻头的新结构，该结构在正常碎岩钻进和“强吹孔”时，可以通过花键套的辅助配合，从而实现反循环原理上的切换。与此同时，采用正交试验设计的方法，运用计算流体动力学(CFD)分析技术对该钻头中备用内喷孔的6个主要结构参数进行优化设计。研究结果表明：备用内喷孔个数(N)对钻头的反循环效果影响最大，其次依次是备用内喷孔直径(D)、倾角(Θ_s)、备用内喷孔与常开内喷孔间距(L)、水平偏角(Θ_d)，而备用内喷孔距孔底高度(H)对钻头的反循环效果影响最小。当N=2，D=5 mm，Θ_s=30°，Θ_d=10°，L=0 mm，H=230 mm时，钻头备用内喷孔结构参数组合最优。

关键词：可切换式钻头；潜孔锤；反循环钻进；正交设计；CFD分析

中图分类号：P634.4             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0508-07

Design and optimization of switchable reverse circulation DTH air hammer bits

GAN Xin, YIN Kun, PENG Jianming, YIN Qilei, HE Jiangfu

 (School of Construction Engineering, Laboratory of Technology for Drilling under Complex Condition of

Ministry of Land and Resources, Jilin University, Changchun 130026, China)

Abstract: According to the drilling accidents such as cores lost or sticking of drilling tools in the process of popularization and the application of reverse circulation drilling technology with a hollow through Down-the-Hole (DTH) air hammer, a structure of the switchable reverse circulation drill bit was proposed. The structure can achieve the switch of reverse circulation both in normal drilling process and blowing hole operations with the assistance of spline sleeve theoretically. Meanwhile, 6 main structural parameters of the auxiliary suction nozzles in the switchable reverse circulation drill bit were optimized by computational fluid dynamics (CFD) analysis and orthogonal design method. The results show that the number of auxiliary suction nozzle (N) has the maximum influence on the performance of reverse circulation drilling, which is followed by the diameter of auxiliary suction nozzle (D), the inclination angle (Θ_s), the deflection angle (Θ_d) and the distance between auxiliary and normal suction nozzle (L). However, the distance between auxiliary suction nozzle and the bottom face of borehole (L) has the minimum effect on the performance of reverse circulation. In conclusion, the optimal parameter combination of auxiliary suction nozzle in the switchable reverse circulation drill bit is N=2, D=5 mm, Θ_s=30°, Θ_d=10°, L=0 mm and H=230 mm.

Key words: switchable drill bit; DTH air hammer; reverse circulation drilling; orthogonal design; CFD analysis

随着社会的飞速发展和人口的与日俱增，人类对于矿产资源的需求量也在不断增加。由于露天和浅部矿产资源逐渐枯竭，迫切需要对地下深部的资源进行勘探开发，其中钻探是探明资源储量最直接有效的手段^[1]。贯通式潜孔锤反循环钻进技术作为钻探方法中的1种，集潜孔锤高效碎岩、流体介质全孔反循环、不停钻连续取心(样)3种钻进工艺于一身^[2]，具有钻进效率高(平均钻进效率可达8~10 m/h)^[3]、钻进成本低(较传统取心钻进技术降低1/3~1/2)、钻孔垂直度高、对复杂地层适应性强、环境污染小^[4]等特点。目前，贯通式潜孔锤反循环钻进技术已成功应用于固体矿产勘探、水文水井钻凿、矿山爆破孔施工^[5]等领域，并且正在向油气资源勘探开发^[6]、基础工程大口径嵌岩桩施工^[7]、非开挖管道铺设等领域拓展。本文作者在前人研究成果的基础上，针对气动贯通式潜孔锤反循环钻探技术在推广应用过程中遇到的问题，设计一种可切换式反循环潜孔锤钻头^[8]。该钻头的底喷孔和常开内喷孔的结构参数均采用现有反循环钻头的设计方式，而对该钻头反循环效果起关键作用的备用内喷孔的主要参数进行正交试验设计，并运用计算流体动力学(CFD)分析软件对该钻头的孔底流场进行数值模拟分析。

1  应用中遇到的问题

在现阶段，气动潜孔锤反循环取样钻探技术在推广应用过程中遇到的主要问题是在正常钻进过程中，孔底及潜孔锤与孔壁之间的环状间隙会残留少量细小颗粒的岩粉。当钻头提离孔底实施“强吹孔”时，压缩气体经底喷孔喷出后，压力转变为动能，形成高速喷射流体直射孔底，且气体体积迅速膨胀^[9]。少部分气体会携带原本残留在孔底的细小颗粒岩粉从钻头与孔壁间的环状间隙逸出，且该部分气体流量小、上返流速低，不足以将岩粉从正循环通道排出孔口，造成逸出的岩粉在潜孔锤与双壁钻杆连接的变径处堆积，不但造成钻孔岩矿心(样)的丢失，而且当孔内遇水或钻遇潮湿地层时，极易造成夹钻和卡钻事故。

为了避免夹钻和卡钻的孔内事故发生，通常采用以下2种方式进行处理和预防。

1) 在钻进过程中采用加接正反强吹接头进行全孔正循环“强吹孔”的方式，将堆积在外环间隙中的岩粉从正循环通道排出孔口。但是该方法在加接正反强吹接头时要停钻、停风，不仅不能保证钻进的连续性、增加辅助钻进时间，而且会造成孔口污染、影响作业现场环境。

2) 采用封堵钻头底喷孔的方式，使压缩气体全部经内喷孔喷射进入钻头中心贯通孔，产生引射卷吸作用，不断抽吸着孔底的岩矿心(样)向上运动。但该方法在正常钻进时，压缩空气无法流经孔底，不能冷却钻头球齿，容易造成球齿过度磨损，且在钻进过程中，单纯依靠内喷孔产生的引射卷吸作用并不能有效地将钻头破碎下的大颗粒岩块快速、顺畅地卷吸进入中心贯通孔，从而造成岩矿心(样)在钻头中心贯通孔入口处产生堵塞。

2  可切换式反循环潜孔锤钻头设计

可切换式反循环潜孔锤钻头结构如图1所示，其与现有常规钻头的区别在于：1) 在钻头花键上设有若干个备用内喷孔；2) 底喷孔不采用贯穿式设计，而是采用与钻头和花键套配合面上的径向孔连通的设计。此外，还需要在与该结构钻头配套的花键套(见图2)内部增设1处环槽，才能使钻头在正常钻进和提钻“强吹孔”时进行功能切换。

可切换式反循环潜孔锤钻头的工作原理如图3所示。由图3可以看出：无论是在正常碎岩钻进还是在提钻“强吹孔”时，常开内喷孔均处于开启状态。在潜孔锤正常钻进时，备用内喷孔进口由于被花键套堵而处于关闭状态，而钻头底喷孔则处于开启状态。驱动活塞冲击作功后的压缩空气，经活塞与芯管之间的环状间隙进入钻头与花键套之间的键槽内，一部分气体经钻头花键槽上设置的常开内喷孔斜向上喷射，进入中心贯通孔，产生强烈的引射卷吸作用；另一部分气体流经花键套与钻头体之间新设计的环槽，通过钻头上的径向孔进入底喷孔后垂直向下喷射并在喷口处形成负压，经过孔底岩石的反射作用进入钻头的中心贯通孔，并同时将破碎下的大颗粒岩心吹起卷吸进入中心贯通孔。在2股气流的共同作用下，反循环钻头的引射卷吸作用较强，能够获得良好的反循环效果，并且流经孔底的气体还可以冷却钻头底部碎岩球齿。

图1  钻头结构图

Fig. 1  Structure of drilling bit

图2  花键套结构图

Fig. 2  Structure of spline sleeve

当潜孔锤提离孔底进行“强吹孔”时，钻头伸出至半圆卡下落到花键套上停止。钻头底部径向孔被堵死、底喷孔完全关闭，气体不再流经孔底，从而有效地避免类似现有反循环钻头在“强吹孔”时出现的气体携带孔底残留岩粉从钻头与孔壁间环状间隙逸出的现象。此时，钻头上的备用内喷孔下行至花键套与钻头间的环槽内，备用内喷孔打开，压缩气体经常开内喷孔和备用内喷孔同时斜向上喷射入中心贯通孔，使整个反循环钻头转变为理想的多喷嘴引射器^[10]，且具有较高的引射抽吸系数，在中心贯通孔下部形成稳定的负压区，并对孔底和外环间隙产生强烈的抽吸作用，将正常碎岩钻进过程中逃逸到潜孔锤与孔壁间环状间隙的细颗粒岩粉重新抽吸回钻头反循环通道并排至地表。

图3  可切换式反循环潜孔锤钻头工作原理示意图

Fig. 3  Schematic principle diagrams of switchable reverse circulation drill bit

通过对可切换式反循环潜孔锤钻头结构及工作原理分析可知：该钻头在正常碎岩钻进时，与现有钻头的反循环抽吸原理一致，区别在于“强吹孔”时的反循环抽吸原理不同。因此，可切换式反循环钻头性能的好坏主要取决于在“强吹孔”时，备用内喷孔的结构参数优化及备用内喷孔与常开内喷孔之间的相互作用。为此，本文将对可切换式反循环潜孔锤钻头的备用内喷孔主要结构参数进行优化。

3  模型建立

郝树青等^[11-12]对反循环钻头的底喷孔和常开内喷孔进行了大量的试验及CFD分析，并得出钻头底喷孔和常开内喷孔合理的参数组合。殷其雷等^[13]对现有反循环钻头的孔底流场进行了数值模拟，得出钻头在孔底正常钻进时的抽吸特性。本文作者在前人研究成果的基础上，在对新设计的可切换式反循环潜孔锤钻头建模时，对底喷孔和常开内喷孔沿用现有钻头的优化参数组合，而对该钻头中备用内喷孔的主要结构参数进行正交试验设计，并运用CFD分析软件对该新型钻头孔底流场进行模拟分析。可切换式反循环潜孔锤钻头备用内喷孔的主要结构参数有6个(见图4)：个数N、直径D、水平偏角Θ_d、倾角Θ_s、距孔底高度H、备用内喷孔与常开内喷孔间距L。

3.1  数学模型

压缩空气在钻头孔底复杂流场中的流动要受到物理守恒定律的支配，需要同时满足质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程^[14]。

质量守恒方程为

                              (1)

动量守恒方程为：

     (2)

    (3)

     (4)

能量守恒方程：

     (5)

式中：div表示散度；u为速度矢量；l，m和n分别为速度矢量u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；c_p为比热容；S_l，S_m和S_n为动量守恒方程的广义源项；T为温度；t为时间；S_T为黏性耗散项。

图4  可切换式反循环潜孔锤钻头结构参数图

Fig. 4  Structural parameters of switchable reverse circulation drill bit

3.2  几何模型及网格划分

据可切换式反循环潜孔锤钻头的结构特点，采用Solidworks软件建立钻头在孔底的流场模型。由于在CFD分析中，网格质量对求解速度和精度有重要的影响，且反循环钻头的流场比较复杂，各个流体通道之间内径相差较大，因此，将钻头的流场模型在Hypermesh软件中采用四面体非结构化网格进行划分(见图5)。划分好的钻头网格模型的单元总数为(3.0~3.1)×10⁵个，单元最大棱为2 mm，可满足计算精度需求。

3.3  边界条件和求解控制

钻头流场模型的入口采用质量入口边界条件，输入的压缩空气质量流量为0.49 kg/s(供风量相当于24 m³/min)、湍流强度为3.42%和水力直径为0.03 m；中心通道上表面出口采用压力出口边界条件，允许有回流现象，输入的湍流强度为2.90%、水力直径为0.038 m；外环间隙上表面出口采用压力出口边界条件，允许有回流现象，输入的湍流强度为1.00%、水力直径为1 cm；其他壁面则采用软件默认的壁面边界条件。

在前处理中，采用基于密度的隐式求解器，该类型求解器对高速可压缩流体的求解精度更高^[15]。在求解控制方程设置中，采用2阶迎风格式离散黏性项和对流项，采用中心差分格式离散扩散项。采用多重网格技术提高整个求解过程的速度，加速迭代收敛。在求解时，采用监测残差曲线及中心贯通孔出口与外环间隙出口的质量流量变化曲线相结合的方式对整个求解过程进行收敛性的判定。当残差曲线低于预设值10^-6并且中心贯通孔出口和外环间隙出口的质量流量变化曲线平稳时，可认定整个迭代求解过程收敛。

图5  钻头网格模型

Fig. 5  Mesh model of drilling bit

4  正交试验设计

在可切换式反循环潜孔锤钻头的结构优化设计中，对6个备用内喷孔的主要结构参数均采用3个变量进行分析，若采用全面模型分析，则模型数量为3⁶(即729)个，CFD模拟分析量及后续统计分析计算量将会非常繁琐。

采用正交试验设计的方法来安排CFD模拟分析：不考虑备用内喷孔6个结构参数间的交互作用，进行6因素3水平CFD模拟分析(见表1)，并选用L₁₈(3⁷)正交表^[16]对模拟数据进行统计分析计算(见表2)，e_m为随机误差。此外，引入“外环间隙吸入气体质量流量Q”作为试验指标。Q越大，表示从钻头与孔壁之间的环状间隙吸入的气体越多，反循环形成效果越好。采用正交试验设计后，模型数量只需要18个，大大减少了CFD模拟分析次数。

表1  备用内喷开孔结构参数因素水平表

Table 1  Orthogonal factors level table for structural parameters of auxiliary suction nozzle

表2  备用内喷孔结构参数L₁₈(3⁷) 正交表

Table 2  L₁₈(3⁷) orthogonal table for structural parameters of auxiliary suction nozzle

表3  备用内喷孔结构参数方差分析

Table 3  Variance analysis for structural parameters of auxiliary suction nozzle

4.1  极差分析

采用极差分析法(直观分析法)讨论因素的主次排序及最优参数组合搭配。由表2可知：备用内喷孔的6个主要结构参数中，个数N对钻头的反循环效果影响最大，其次依次是备用内喷孔直径D、倾角Θ_s、备用内喷孔与常开内喷孔间距L、水平偏角Θ_d，而备用内喷孔距孔底高度H对钻头的反循环效果影响最小。备用内喷孔的最优参数组合搭配是N₁D₁Θ_s1L2Θ_d2H₃，其中：N₁=2，D₁=5 mm，Θ_s1=30°，L₂=0 mm，Θ_d2=10°，H₃=230 mm。最优参数组合并不在这18组试验点中，这也表明优化结果并不只是反映局部试验的信息，而是反映全面试验的信息，体现正交试验设计的均衡分散性和综合可比性。该最优参数组合所获得的试验指标Q=0.585 kg/s。

4.2  方差分析

采用方差分析法来讨论备用内喷孔的6个主要结构参数对试验指标Q影响的显著性水平，如表3所示。从表3可知：备用内喷孔个数N和直径D以及倾角Θ_s均属于显著性因素，对钻头的反循环影响较大；而备用内喷孔水平偏角Θ_d、备用内喷孔距孔底高度H以及备用内喷孔与常开内喷孔间距L则属于不显著因素，对钻头的反循环影响较小。

图7所示为备用内喷孔的3个不显著因素分别取最优值，即当水平偏角Θ_d=10°、距孔底高度H= 230 mm、与常开内喷孔间距L=0 mm时，抽吸量Q随着个数N、直径D以及倾角Θ_s这3个备用内喷孔显著性因素的变化规律。由图7可知：1) 当直径D和倾角Θ_s不变时，抽吸量Q随着个数N的增加而减小，但减小幅度不断缩小；2) 当个数N和倾角Θ_s不变时，抽吸量Q随着直径D的增大而呈线性关系减小，且倾角Θ_s越大，抽吸量Q的减小幅度也越大；3) 当个数N和直径D不变时，抽吸量Q随着倾角Θ_s的增大而减小，且减小幅度不断扩大。

图6  当N和Θ_s变化时，抽吸量Q随D的变化规律

Fig. 6  Variation of suction capability Q with diameter D while N and Θ_s changes

5  结论

1) 该钻头可解决气动贯通式潜孔锤反循环钻探技术在推广应用过程中遇到的岩粉在潜孔锤与双壁钻杆连接变径处堆积从而造成岩矿心(样)丢失甚至夹钻、卡钻等问题。

2) 备用内喷孔个数N对钻头的反循环效果影响最大，其次依次是备用内喷孔直径D、倾角Θ_s、备用内喷孔与常开内喷孔间距L、水平偏角Θ_d，而备用内喷孔距孔底高度H对钻头的反循环效果影响最小。其中个数N、直径D以及倾角Θ_s为显著性因素，对钻头的反循环影响较大。

3) 备用内喷孔的最优参数搭配是：N=2，直径D=5 mm，倾角Θ_s=30°，与常开内喷孔间距L=0 mm，水平偏角Θ_d=10°，距孔底高度H=230 mm，此时抽吸量Q=0.585 kg/s。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-02-05；修回日期：2015-03-20

基金项目(Foundation item)：中国地质调查局项目(12120113096900)(Project (12120113096900) supported by the China Geological Survey Bureau)

通信作者：殷琨，教授，博士生导师，从事多工艺冲击回转钻探工艺及工具研究；E-mail：yinkun@jlu.edu.cn