新型旋流式反循環(huán)鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李柏軍，宗緒永

（核工業(yè)二四〇研究所，遼寧 沈陽(yáng)110032）

1 引言

傳統(tǒng)無(wú)引射結(jié)構(gòu)的反循環(huán)鉆頭避免了加拿大、澳大利亞等國(guó)家研制的反循環(huán)鉆頭不能連續(xù)采取柱狀巖心等不足之處，配合貫通式潛孔錘實(shí)現(xiàn)反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)，進(jìn)尺與取心同步進(jìn)行，有效地解決了巖心卡堵和大口徑排屑難的問(wèn)題。目前應(yīng)用的第二代反循環(huán)連續(xù)取心鉆頭在第一代結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一級(jí)引射裝置，改善了反循環(huán)形成質(zhì)量以及鉆頭體性能，鉆進(jìn)效率和取心效果得到了提高。

目前的反循環(huán)鉆頭，是根據(jù)引射器原理，將鉆頭底噴孔設(shè)計(jì)為引射器的噴嘴，設(shè)計(jì)合理的鉆頭底部結(jié)構(gòu)，使其較好地構(gòu)成混合室與擴(kuò)散室。由于底噴孔數(shù)量為多個(gè)，形成多噴嘴引射結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)潛孔錘后的壓縮空氣進(jìn)入噴嘴產(chǎn)生高速射流，對(duì)周圍流體產(chǎn)生卷吸效應(yīng)，對(duì)外環(huán)間隙構(gòu)成抽吸，多個(gè)噴嘴隨鉆頭不斷旋轉(zhuǎn)，故在孔底形成環(huán)狀負(fù)壓區(qū)，氣體被導(dǎo)流到貫通孔內(nèi)后壓力恢復(fù)，這樣將有助于反循環(huán)的形成。但現(xiàn)有結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中仍存在反循環(huán)形成不徹底、鉆頭易斷裂、大直徑鉆頭反循環(huán)形成困難和巖心卡堵、能耗高等問(wèn)題。

空氣反循環(huán)連續(xù)取心鉆進(jìn)技術(shù)，因具有高效、節(jié)能、對(duì)復(fù)雜地形適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，鉆遇地層條件的復(fù)雜性對(duì)沖擊反循環(huán)鉆頭有了新的要求，其結(jié)構(gòu)在不斷更新改進(jìn)，工作效率直接影響鉆進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益（圖1）。

基于目前研究現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種更高效、更節(jié)能環(huán)保的新型反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)。

圖1 貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)所用鉆頭及取出來(lái)的巖心

2 新型反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋流式鉆頭的基本設(shè)計(jì)思路主要借鑒了自然界中漩渦形成負(fù)壓從而產(chǎn)生強(qiáng)力抽吸作用的原理，通過(guò)合理設(shè)計(jì)鉆頭各孔道結(jié)構(gòu)，在鉆頭中心孔道形成漩渦，貫通式潛孔錘排氣通過(guò)鉆頭可在孔底形成大面積負(fù)壓區(qū)，沿鉆頭中心孔道延伸負(fù)壓作用范圍，以獲得良好的抽吸效果，確保反循環(huán)形成過(guò)程良好。鉆頭對(duì)孔底產(chǎn)生強(qiáng)力抽吸作用，順利完成氣舉排渣，使反循環(huán)形成更徹底。

根據(jù)新型鉆頭的設(shè)計(jì)思路，在GQ－127型鉆頭結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，并借助CFD分析軟件合理設(shè)計(jì)孔道結(jié)構(gòu)、尺寸，得到新型旋流式反循環(huán)連續(xù)取心鉆頭結(jié)構(gòu)圖紙，如圖2。

圖2 旋流式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)圖紙

該鉆頭結(jié)構(gòu)采用上下分體結(jié)構(gòu)，采用螺紋連接，螺紋設(shè)計(jì)根據(jù)地質(zhì)巖心鉆探管材螺紋標(biāo)準(zhǔn)，保證連接強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，可以更好的構(gòu)造氣體流道，少量氣流經(jīng)細(xì)小孔道，在巖石表面反射后在負(fù)壓作用下全部流向鉆頭中心孔道，氣流攜帶巖樣沿中心孔道上返實(shí)現(xiàn)全孔反循環(huán)。鉆頭體插接部分和螺紋連接部分分別采用58×3．55、87．5×1．8的標(biāo)準(zhǔn)橡膠密封圈密封，確保流經(jīng)鉆頭體的壓縮空氣不外泄。同時(shí)，螺紋連接的分體鉆頭結(jié)構(gòu)，對(duì)鉆頭體本體強(qiáng)度影響小，可在擰管機(jī)的扭矩作用下擰卸分開(kāi)，當(dāng)下部鉆頭部分磨損嚴(yán)重時(shí)，不必更換整體鉆頭，只更換鉆頭下部即可；鉆頭下部中心孔道開(kāi)有偏心引射孔，形成旋流而造成負(fù)壓，與孔底環(huán)境壓強(qiáng)產(chǎn)生明顯的壓力梯度，抽吸孔底巖屑；偏心孔上方開(kāi)有擴(kuò)壓槽，氣流向上流動(dòng)壓力迅速恢復(fù)，壓強(qiáng)增大，氣舉排渣，防止卡堵；攜帶巖屑的氣流流經(jīng)開(kāi)有螺旋溝槽的鉆頭上部分中心孔道時(shí)，旋流作用加強(qiáng)，流速加快，使得反循環(huán)形成更徹底。

3 新型反循環(huán)鉆頭孔底流場(chǎng)分析與強(qiáng)度計(jì)算

3．1 新型反循環(huán)鉆頭孔底流場(chǎng)分析

運(yùn)用軟件Solid Works建立鉆頭的三維幾何模型，封閉流體流經(jīng)鉆頭體的進(jìn)出口，導(dǎo)入CFD分析軟件Flow Simulation中，建立求借項(xiàng)并添加符合工況的邊界條件（入口0．1225kg／s的質(zhì)量流量，出口和孔底為大氣壓強(qiáng)，設(shè)定出口質(zhì)量流量為求解目標(biāo)），分析求解結(jié)果如圖3所示。

圖3 從左至右為新型反循環(huán)鉆頭的靜壓力云圖、速度云圖和跡線云圖

求得新型反循環(huán)鉆頭的上返質(zhì)量流量0．2121kg／s，上返質(zhì)量流量百分比1．7314；中心通道最低壓強(qiáng)52032．1Pa，孔底流場(chǎng)的最大壓力梯度49292．9Pa。

流場(chǎng)分析：由圖可知，沿中心通道軸線，均為負(fù)壓區(qū)域，孔底環(huán)境壓強(qiáng)與中心孔道底部形成了明顯的壓力梯度，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力吸渣，氣流攜帶巖屑或巖樣被抽吸到中心通道，繼續(xù)上返，壓力恢復(fù)，尤其是在錐形中心通道部分，壓力迅速恢復(fù)，形成旋轉(zhuǎn)的抽吸流場(chǎng)，能更快更好的克服巖屑或巖樣重力，繼續(xù)上返排渣，實(shí)現(xiàn)良好的孔底反循環(huán)鉆進(jìn)效果。

3．2 新型反循環(huán)鉆頭的強(qiáng)度校核

在Solid Works中建立新型反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)模型，新建Simulation求解算例，使用程序默認(rèn)參數(shù)劃分網(wǎng)格，材料選擇合金鋼，添加荷載（在每個(gè)花鍵上添加800N·m的力矩，鉆頭頂部平面添加15000N的力）和幾何約束（固定球齒），如圖4，求解結(jié)果如圖5、圖6。

最大等效應(yīng)力（Von Mises）286．9 MPa，小于屈服強(qiáng)度620．4MPa，安全系數(shù)2．16，滿足設(shè)計(jì)要求。

3．3 對(duì)比新型反循環(huán)鉆頭與傳統(tǒng)GQ－127反循環(huán)鉆頭的分析結(jié)果

在相同的邊界條件下，2種鉆頭結(jié)構(gòu)求得的分析結(jié)果如表1所示。

圖4 求解設(shè)置

圖5 應(yīng)力分布云圖

圖6 位移分布云圖

表1 2種鉆頭結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果

由表1可知，新型反循環(huán)鉆頭具有較強(qiáng)的孔底抽吸能力，更有利于反循環(huán)的形成，大幅提高了反循環(huán)鉆頭性能。雖安全系數(shù)降低，但仍滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)，由于新型反循環(huán)鉆頭的分體結(jié)構(gòu)，下部鉆頭便于更換，不必整體更換鉆頭體。

4 結(jié)論

（1）借助有限元軟件Flow Simulation對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中不同的鉆頭體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析對(duì)比，得到能產(chǎn)生最優(yōu)解的鉆頭體結(jié)構(gòu)、孔道尺寸，如鉆頭體下部的偏心引射孔孔徑7mm、傾角30°、3孔均布、偏移量10mm的偏心引射孔，獲得的抽吸效果好。

（2）運(yùn)用Simulation對(duì)新型反循環(huán)鉆頭進(jìn)行了校核，符合設(shè)計(jì)要求。

（3）首次提出分體的鉆頭結(jié)構(gòu)，除更好的構(gòu)造氣流流道，獲得更好的反循環(huán)效果，還可在鉆頭磨損嚴(yán)重需要更換時(shí)，借助擰卸工具只需更換鉆頭下部結(jié)構(gòu)，節(jié)約成本。

本文只得出了新型旋流式反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)圖紙，并未加工和投入生產(chǎn)，還有待于實(shí)踐檢驗(yàn)、改進(jìn)。

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