深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場數值模擬分析

□ 鄭 森 □ 于凱本 □ 任玉剛 □ 郭建章

1.青島科技大學 機電工程學院 山東青島 2660612.國家深海基地管理中心 山東青島 266237

1 研究背景

目前,深海巖芯鉆取樣主要有兩種方式。一種是將鉆機沉放到海底,在母船或鉆井平臺上遙控操作。另一種是將鉆探設備安裝在載人潛水器或無人攬控潛水器上,在母船或潛水器上遙控操作[1]。隨著深海科學調查工作中載人潛水器技術的日益成熟,國內外對第二種方式的研究逐漸深入。

鉆頭作為鉆機的重要組成部分,與鉆進參數的配合是影響取芯率的重要因素。在鉆進過程中,影響表現在孔底排粉能力和鉆頭有效冷卻效果等方面,因此,對孔底流場的研究至關重要。綜合文獻可知,由于應用環境、鉆頭結構和鉆進參數不同,目前還沒有一個確定描述鉆頭流場的普遍規律[2]。從目前的研究結果來看,還存在以下問題:① 對于孔底流場的模擬,多采用以水為介質的單相流場,忽略了巖屑對流場的影響;② 對于鉆頭的水力學研究,通常在鉆頭靜止的流場中進行分析,忽略鉆頭轉速的影響;③ 在模擬過程中,未考慮實際應用工況等環境因素的影響[3-5]。

相比陸地鉆探,海底鉆探環境更為復雜。海洋環境具有溫度低、壓力高、底層流變復雜等特點。由于受限于載人潛水器水下作業對所攜帶科考裝備的嚴格質量和能源供應要求,第二種方式巖芯取樣鉆機需要與載人潛水器相匹配[6]。因此,在對取芯鉆頭流場進行分析時,需要做到模擬環境與鉆頭實際工作環境相近。筆者以取芯金剛石鉆頭為例,應用計算流體動力學軟件對鉆頭孔底流場進行數值模擬分析,通過分析機械鉆速、轉速、沖洗液量等鉆進參數對攜巖能力的影響,為搭載于載人潛水器的小型鉆機設計研發提供指導。

2 鉆進參數

2.1 轉速

轉速是影響金剛石鉆進效率的主要因素。對于大多數硬巖而言,進尺速度隨鉆頭轉速的提高而提高。轉速提高,可以有效縮短工作時間,同時加劇鉆頭磨損,影響鉆頭的使用壽命[7]。在一定的巖石條件下,轉速n為:

n=60v/(πD)

(1)

式中:D為鉆頭直徑,m;v為推薦的線速度,m/s,金剛石鉆頭一般取 1.5 m/s。

鉆頭轉速的影響因素有很多,對于搭載于載人潛水器的小型鉆機而言,由于受載人潛水器采樣籃的搭載質量和能源供給限制,往往達不到轉速計算值,需要根據試驗進行適當調整。筆者通過文獻[8]確定轉速的研究范圍。

2.2 沖洗液流量

沖洗液流量是決定孔底排粉和對鉆頭有效冷卻的重要影響參數。通常情況下,沖洗液流量由返流速度確定[9-10]。沖洗液流量Q為:

Q=6VS

(2)

式中:V為推薦的返流速度,m/s,一般不低于0.2～0.5 m/s;S為鉆桿與鉆孔之間的環狀面積,cm2。

2.3 巖屑量

計算巖屑量,實質是對鉆刃掃掠一周所去除的巖石體積的計算[11-12]。巖屑量Qs為:

Qs=ρsVsn

(3)

式中:ρs為巖石密度,kg/m3;Vs為鉆刃切削一周的巖石體積,m3。

3 數值模擬

3.1 物理模型

金剛石鉆頭物理模型中,采用較為普遍的直槽形水口鉆頭,水口數量為六個。金剛石鉆頭物理模型和流場模型如圖 1 所示。金剛石鉆頭和流場域的基本參數見表1。

表1 金剛石鉆頭和流場域基本參數

▲圖1 金剛石鉆頭模型

由于鉆頭流場域體積小、結構復雜,為保證計算精度要求,采用四面體非結構網格劃分方法。通過對網格質量進行檢查,結果表明99%以上的網格質量參數集中在0.8～1,網格質量較好,能夠滿足描述完整流場特征的要求。根據鉆頭在海底復雜的應用環境,為簡化模擬計算過程,提出以下假設:① 連續相為同一均勻不可壓縮流體介質;② 離散相為具有相同直徑和密度的球形顆粒;③ 不考慮顆粒之間碰撞的影響;④ 不考慮溫度變化對流場的影響。

3.2 數值求解方法

筆者應用FLUENT 軟件,基于三維非穩態分離式求解器計算連續性方程和動量方程,湍流模型選擇k-ε標準湍流模型,材料設置為海水,控制方程的離散采用有限元體積法,壓力和速度耦合方式采用壓力耦合方程組半隱式方法,動量守恒方程和壓力修正方程采用二階迎風格式,湍動能及湍動能耗散率采用一階迎風格式,松弛因子采用FLUNET軟件中的推薦值,殘差設為 10-4。當計算結果收斂后,將離散相模型打開,離散相材料定義為巖屑顆粒,考慮相間耦合作用,采用隨機軌道模型來確定顆粒的運動軌跡[13]。

3.3 邊界條件

連續相設置為海水,密度為1 025 kg/m3,黏度為 0.001 8 kg/(m·s)。金剛石鉆頭以磨削方式進行破巖,巖屑較小,粒徑取0.5 mm,密度為 2 300 kg/m3。入口設置為質量入口,沖洗液流量設為 0.05 kg/s、0.1 kg/s。出口設置為壓力出口,出口壓力為 30 MPa。鉆頭轉速分別設為 0、100 r/min、200 r/min。孔底巖屑由孔底垂直射入,速度為 0,質量流率對應10 mm/min、30 mm/min 和 50 mm/min 機械鉆速。固壁邊界條件為,對于連續相采用無滑移光滑絕熱壁面,離散相與壁面設置為反射,出口設置為逃逸。

4 結果分析

巖屑滯留質量是對鉆頭孔底流場性能的一種量化評價[14]。研究表明,有效清洗孔底巖屑,可以防止出現糊鉆、卡鉆現象,保障載人潛水器及作業潛航員的安全,防止重復破巖,增加耗能,導致取芯效率降低。巖屑滯留質量是孔底流場體積數值與體積濃度數值的乘積。筆者提出將離散相體積濃度作為深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場排屑能力的評價參數。

機械鉆速表示單位時間內鉆頭的進尺量,當機械鉆速提高時,取芯時間變短,消耗功率變大。機械鉆速對孔底排屑效果的影響如圖2 所示。由圖2可以看出,在相同的低沖洗液流量下,隨著機械鉆速的提高,孔底巖屑體積濃度增大,孔底流場巖屑體積濃度達到穩定的時間基本一致。這是因為機械鉆速提高時,巖屑產生量增大,而孔底流場的巖屑移運能力是一定的,增大的巖屑量滯留孔底,導致孔底巖屑體積濃度增大。同時還可以得出,鉆頭旋轉對孔底流場排屑具有促進作用,尤其是隨著機械鉆速提高;鉆頭旋轉時,巖屑體積濃度明顯減小。對此進行原因分析,因鉆頭高速旋轉增大了孔底流場紊流度,流場中的巖屑被擾動,繞軸心做螺旋運動,使得巖屑能躍遷至高流速層,進而促進孔底流場排屑。

▲圖2 機械鉆速對孔底排屑效果影響

沖洗液流量對孔底排屑效果的影響如圖3 所示。由圖3可以看出,在相同的高機械鉆速下,隨著沖洗液流量的增大,孔底巖屑體積濃度減小,孔底流場巖屑體積濃度達到穩定的時間變短。沖洗液流量為0.05 kg/s和0.1 kg/s時,環空處軸向速度如圖4所示。沖洗液流量為0.05 kg/s和0.1 kg/s時,水槽處孔底流速如圖5所示。由圖4、圖5可知,沖洗液流量越大,環空軸向速度越高,水槽處孔底流速越高,越有利于對孔底巖屑的清除。

▲圖3 沖洗液流量對孔底排屑效果影響

綜合圖2 、圖 3 分析可得,沖洗液流量應當與機械鉆速相適應。要避免沖洗液流量不足,孔底巖屑滯留量增大,產生重復破巖,從而降低取芯效率。也要避免沖洗液流量過大,造成對巖芯沖刷,影響取芯質量。

采用相同的低機械鉆速,在不同沖洗液流量下鉆頭轉速對孔底排屑效果的影響如圖6所示。由圖6可以看出,當沖洗液流量較大時,隨著鉆頭轉速的提高,孔底巖屑體積濃度減小;當沖洗液流量較小時,隨著鉆頭轉速的提高,孔底巖屑體積濃度增大。對于前者,因大沖洗液流量起主要作用,鉆頭轉速提高促進孔底流場排屑。對于后者,因鉆頭轉速提高導致巖屑所受到的離心力作用變大,使巖屑沿徑向向孔壁移動,巖屑運移能力降低,這與水作為沖洗液的相關試驗研究得到的結論一致。

▲圖4 環空處軸向速度

▲圖5 水槽處孔底流速

▲圖6 鉆頭轉速對孔底排屑效果影響

5 結束語

筆者采用FLUENT軟件離散相模型,對深海原位取芯金剛石鉆頭孔底流場進行數值模擬分析。結果表明,機械鉆速提高,不影響孔底流場排屑能力;沖洗液流量增大,排屑能力提高。當沖洗液流量較大時,提高轉速對孔底排屑能力有促進作用。當沖洗液流量較小時,提高轉速對孔底排屑能力有抑制作用。機械鉆速、轉速和沖洗液流量三者并非是獨立的,隨著機械鉆速提高,需要相應增大沖洗液流量,并給定有利于孔底流場排屑的轉速。

研究結果為搭載于載人潛水器的深海原位取芯鉆機的設計提供了指導。