钻孔作业中反向扩孔气动冲击器尾气携岩特性.pdf

2 0 1 6年 2月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPLORATI ON AND DEVELOPM ENT Vo 1 ． 43 No． 1 1 2 1 文章编号 1 0 0 0 - 0 7 4 7 2 0 1 6 0 1 - 0 1 2 1 0 6 DOI 1 0 ． 1 1 6 9 8 ／ P E D． 2 0 1 6 ． 0 1 ． 1 5 钻孔作业中反向扩孑 L 气动冲击器尾气携岩特性 徐海 良，李旺，赵宏强，徐绍军 中南大学机电工程学院 基金项目国家自然科学基金 5 1 3 7 5 4 9 9 摘要 建立 了由反向扩孔气动冲击器排气孔到后封头的排屑流场，运用计算流体力学理论和 F L U E N T仿真软件研究 了冲击器工作过程中尾气的携岩特性。基于冲击器的结构和工作原理，对气固两相排屑流场进行 了数值仿真模拟， 进而得到流场 的气相特性 以及岩屑颗粒运动轨迹和浓度分布 规律。结果表明冲击器排气孔尾气进入排屑流场后流 速降低，流场压力由入 口到出口逐渐降低；岩屑颗粒 向流场底部聚集，颗粒平均浓度沿着远离入 口方 向变化不大， 最大浓度 沿着远离入 口方 向逐渐下降，最终趋于平稳。分析 了钻进速度和尾气流量对携岩特性的影响，结果表明 随着钻进速度的增加尾气携岩能力下降，额定工作压力 0 8 MP a时钻进速度应小于 1 2 ． 6 m／ h ；随着尾气质量流量的增 加携岩能力提高，施工时应该在保证冲击器工作性能的情况下适 当增加尾气质量流量。图 1 2 表 1 参 1 3 关键词气体钻井；反向扩孔；气动冲击器；排屑流场模型；携岩特性；气固两相流；数值模拟 中图分 类号 T H4 7 文献 标识码 A Cu t t i n g s c a r r y i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f ba c k - r e a m i n g pn e u m a t i c i m pa c t o r e x h a us t d ur i n g dr i l l i n g o pe r a t i o n x u H a i l i a n g ， L I Wa n g ， Z H AO Ho n g q i a n g ， X U S h a o j u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th e flo w fie l ds of c hi p r e mo va l f r o m t h e i mpa c t o r ’ S e x ha us t h o l e t o i t s r e a r h e a d we r e e s t a b l i s h e d t o s t ud y t h e c u t t i ng s c a r r y i ng c h a r a c t e r i s t i c s o f b a c k r e a mi n g p ne uma t i c i mp a c t o r e x ha u s t b y u t i l i z i ng the c o mpu t a t i o na l flu i d d y na mi c s t h e o r y a n d s i mul a t i o n s o f t wa r e Fl u e n t ． Ba s e d o n t h e s 仃u c n l r e a n d wo r ki n g p r i nc i p l e of t he i mp a c t o r ，the ga s s o l i d t wo p ha s e flo w wa s s i mul a t e d ，a nd t he g a s p h a s e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e fl o w fi e l d a n d t h e mo v i n g t r a j e c t o ry a n d c o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o n o f p a r t i c l e s w e r e o b t a i n e d ． T h e r e s e a r c h s h o ws t h a t o nc e t he e xh a u s t e n t e r s the fie l d i t s s p e e d wi l l s l o w d o wn an d t he fie l d p r e s s u r e wi l l g r a d ua l l y d e c r e a s e fro m t h e e n t r a nc e t o t h e e x i t ；c ut t i n gs pa r t i c l e s wi l l g a t he r a r o un d t he bo t t o m a n d the r e i s mi n o r va r i a t i o n i n t he i r a v e r a ge c o nc e nt r a t i o n a s the y a r e d i s t r i b ut e d a l o n g a c o ntra ry di r e c t i o n a g a i ns t t he e nt r an c e whi l e t h e ma x i mu m c o nc e ntra t i on d e s c e nd s a l o n g t he s a me d i r e c t i on and fina l l y be c o me s s t a b l e ．Mo r e o v e r ， the e f f e c t o f d r i l l ing s pe e d an d e x ha us t ma s s flo w o f the i mpa c t o r o n the s ol i d c a r r yi n g c hara c t e r i s ti c s wa s an a l y z e d． The r es ul t d e mo n s t r a t e s tha t a s the d r i l l i n g s p e e d i n c r e a s e s ， the c a r r yi n g a bi l i t y o f e x ha us t d e c r e a s e s a nd wh e n t h e r a t e d o p e r a t i o n p r e s s ur e i s 0 ． 8 MPa ， t h e d r i l l i ng s p e e d s ho u l d b e l e s s t h an 1 2 ． 6 m／ h；a s the ma s s flo w r a t e o fe x ha u s t i n c r e a s e s ， t h e c a r r yi n g a bi l i t y i nc r e a s e s a s we l l ， a nd t h e ma s s flo w r a t e s ho u l d be mo de r a t e l y i nc r e a s e d u nd e r t he c o n di t i on of e ns u r i ng t he wo r k i ng p e r f o r ma nc e o ft h e i mp a c t o r ． Ke y wor ds ga s d r i l l i n g；b a c k r e am i ng ；p ne uma t i c i mpa c t o r ；c u tti ng s flo w fie l d mod e l ；c u tti ng s c a r r yi n g c h ara c t e r i s t i c s ；g a s s ol i d t wo ph a s e flo w； nu me r i c a l s i mul a t i on 0引言 非开挖技术⋯是一种利用岩土钻掘设备进行地下 管道铺设和修复的施工技术 ，应用该技术能够在不进 行地表开挖的情况下实现管道的铺设 ，减少了施工时 对交通 、环境 和建筑的破坏 。非开挖施工时 ，针对岩 石 、砾卵石复杂地层中的钻掘扩孑 L 作业设计了一种新 型气动 冲击 设备 反 向扩 孔气 动 冲击 器 [ 2 】 。该设 备利 用空气压缩机提供的高压气流 ，经过内部复杂气路结 构推动活塞高速周期运动 ，运动中活塞撞击冲击器的 钻头实现扩孔作业 ，与传统扩孔设备相 比能够极大地 提高开挖岩石 、 砾卵石等复杂地层的施工效率【 3 ] 。冲击 器尾气 的携岩能力 ，不仅关系到岩屑颗粒能否顺利排 到孔外 ，还关系到冲击器的整体性能。本文运用气固 两相流体力学 、固体颗粒物料气力输送理论 ，借助计 算流体力学仿真软件 F L UE NT [ ] 对钻头产生 的岩屑在 冲击器与岩石孔壁之间环形 间隙中的流动规律进行理 论 分析 ，研 究 此段 气路 的气 体 流动 规律 和岩 屑 的运 动 特性 ，分析钻进速度和尾气流量对携岩能力 的影响 。 本文研究问题与气体钻井水平井段携岩问题从本质上 1 2 2 石油勘探与开发 石油工程 V O 1 ． 4 3 N0 ． 1 有许多相似之处 ，可供参考。 1反 向扩孔气动冲击器排屑流场模型 反 向扩孔气动冲击器 由钻头 、进气杆 、活塞、活 塞阀 、活塞缸和后封头组成 见图 1 ，冲击器扩孑 L 直 径为 1 9 0 mm，气缸直径 1 6 0 mm，冲击器长度 1 5 0 0 mm。图 l中冲击器钻头上 3 个均匀分布的排气孔直径 为 2 2 m m。空气压缩机提供的高压气体在推动冲击器 工作周期完成后 ，由排气腔通过排气孔进入到冲击器 的排屑流场。气流 由排气孑 L 进入钻头表面与岩石壁面 形成的气腔中，在岩石壁面的阻挡下 ，气流从钻头上 的开槽和钻头与孔壁的间隙反向进入冲击器与孔壁形 成的环形排屑通道中 ，经过环形通道流出此段岩屑通 路。钻头表面与岩石壁面问距离为 1 0 mm 钻齿高度 ， 流场外径 1 9 0 mm，内径 1 6 0 mm。冲击器的排屑流场 较复杂，采用结构网格和非结构网格相结合的方式 ， 对其进行网格划分 。冲击器气缸外表面与孑 L 壁形成 的 环形间隙段采用正六面体单元的结构网格划分 ，使其 计算精度高且计算成本较低[ 5 ～ 1 ；由于排气孔以及钻头 表面与岩石壁面间气腔部分形状较复杂 ，采用 四面体 单元的非结构网格划分【 5 ～ 1 。 后封头 缸体 活塞 内活塞进气杆 排气孔 a 剖面图 排气腔钻头 J ‘ f b 截面图 图 l 反 向扩子 L 气动冲击 器结构 示意 图 2数学模型 用欧拉． 拉格朗 日法对其流场进行数值模拟 ，将岩屑 颗粒 看成离 散相 ，在拉格 朗 E t 坐标 系下进 行求解 。 岩屑颗粒在流场 中受 到压差 阻力 、摩擦阻力 、 B a s s e t力 两相流中颗粒与流体存在相对加速度时所 产生的一种非恒定气动力 、 压强梯度力 、 速度梯度力、 惯性力和重力等的影响。其 中，压差阻力影响最大 ， 当颗粒粒径较大时受重力的影响明显 ，其他作用力对 颗粒的运动影响较小 ，可以不考虑。 针对 冲击器排屑流 场气 固两 相流动建立数学模 型 ，模型的控制方程主要包括连续性方程 、动量守恒 方程和能量守恒方程 。 连续性方程为 V ． p m V m 0 1 动量 方程为 u ， V - V - - 一 V p p g F I V v V d m I 2 能 量方程 为 2 2 o - E V ∑ l ， 巨 V k e V T 其 中 岩石、砾卵石地层较复杂 ，冲击器钻进速度较慢。 钻 头直 径为 1 9 0 mm，取钻进 速度 为 4 ． 2 m ／ h ，岩石 密 度为 2 4 0 0 k g ／ m ，则钻进时产生的岩屑质量流量为 0 ． 0 8 k g ／ s ，冲击器排气孔尾气质量流量为 0 ． 0 2 k g ／ s 。由 此可以得到流场中固相与气相体积比远小于 1 0 ％。岩 屑颗粒问相互影响较小 ， 不考虑颗粒间相互作用[ ， 采 i 1 ，2 3 巨 I v 扩孔冲击器排屑流场为气固两相湍流流动 ] ，复 杂的三维湍流数值计算问题如果采用直接求解对计算 机性能要求较高，工程实际 中通常通过近似和简化来 降低运算难度 ，本文利用 R NG k - e湍流模型【 进行 求解 小 刍 毒 L t ／』] G 一 I昙 毒 毒 考 ] c -昙 G k -- C 2P 4 其中 ／a 。 t 模拟时气相为空气 ，其密度为 1 ． 2 2 5 k g ／ m ，运动 黏度为 1 ． 7 8 x 1 0 - ’ P a S 。空气从冲击器的排气孔进入 流场 ，采用质 量流量 人 V I 边 界 ，质量 流量 为 0 ． 0 2 k g ／ s ， 入 口最 大静压 为 0 ． 2 2 MP a ，出 口边界 为压力边 界 ，压 力值为 0 ． 1 0 MP a 。岩屑颗粒在孔底岩石壁面释放 ，其 质量流量为 0 ． 0 8 k g ／ s 。取颗粒粒径为 5 mm，初始速度 为零 。 1 2 4 石油勘探 与开发 石油工程 V o 1 ． 4 3 NO ． 1 图 5 X轴方向不同位置处截面岩屑浓度分布曲线 离入射面 ，颗粒在流场中分布逐渐均匀 ，最终随着颗 粒运动达到稳定值 ，但是重力 的影响使得颗粒在流场 底部聚集 ，使得最大浓度远大于平均浓度。 图 6为沿 轴方向不 同截面下半边圆周上的颗粒 浓度沿 Z 轴方向的分布情况 ，可以看 出 x 值越小的截 面，颗粒浓度越小 ；不同截面处岩屑浓度沿 Z轴方向 的分布趋势相同 由 z 一1 0 0 mm到 z O ，颗粒浓度逐 渐增加 ， z 0 时达到最大值 ， 然后由 z O到 z 1 0 0 mm， 颗粒浓度逐渐减小到零 。这是由于岩屑颗粒由排气孔 向出口处运动的过程受到重力的影响，几乎全部颗粒 堆积在管路底部 ，造成了浓度分布不均匀。 图 6 X轴方向不同位置处截面岩屑浓度沿圆周的分布曲线 3 ． 2 ． 2 岩屑 颗粒运 动轨 迹和运 动规 律 岩石被冲击器钻头破碎后由岩石壁面释放 ，进入 钻头表面与岩石壁面形成的气腔内。在气腔内的高压 气流作用下 ，岩屑以较快的速度随气流运动 ，快速运 动的岩屑与钻头和岩石壁面发生碰撞导致岩屑无规则 运动 ，只有 当颗粒运动到环形通道人 口时才能从气腔 逃逸出去 ，这就导致 了该 区域内岩屑颗粒的富集 见 图 7 。 逃逸出气腔的岩屑进入环形通道后运动较规则 ， 颗粒轨迹明显 ，由于气压和气流速度的降低 ，环形管 路 中岩屑运动的速度也下降 ，运动过程中碰到环形通 ．t mm b 5 ． 0n lr n s ⋯ 图 7 不同粒径岩屑颗粒的运动轨迹 道壁面时会反弹 ，形成 s状轨迹。同时管路底部出现 不均匀的疏密流 ，管底岩屑颗粒跳跃前进 ，管路上部 的颗粒还是处于悬浮前进状态。 在输入气相质量流量为 0 ． 0 2 k g ／ s 的情况下 ，为了 研究不同直径岩屑颗粒运动特性 ，分别选取了粒径 为 0 ． 1 m m、5 ． 0 mm、1 0 ． 0 mm、1 5 ． 0 mm 的 4组颗 粒 ，每 组 1 1 个颗粒均匀分布在 z 0 处截面与岩石壁面的交线 上 ，得到如图 7所示的颗粒运动轨迹图。当颗粒直径 为 0 ． 1 mm时，由于运动过程受到的重力影响较小 ，在 气流的作用下 ，轨迹流畅，分布均匀 ，颗粒为均匀流 。 随着颗粒直径的增加 ，重力对轨迹影响明显 ，颗粒向 环形通道底部集中，岩屑颗粒跳跃前进。当颗粒直径 达到 1 5 mm时 ，只有少量表面颗粒悬浮前进 ，剩余颗 粒在环形通道底部 ，形成砂丘流[ 1 2 - 1 3 】 。表 1为 4种粒 径颗粒在环形通道 中的逃逸情况 。综合考虑 ，在输运 过程中岩屑颗粒粒径尽量控制在 5 ～1 0 m m 比较合适 。 表 1 不同粒径颗粒逃逸情况 图 8为不同粒径岩屑颗粒运动速度随时间变化 曲 线 ，可以看出粒径为 0 ． 1 mm时 ，颗粒在通道 内停留 的时间较短 ，且运动速度较小 接近 1 m／ s ，颗粒受 到的重力影响小 ，随着气流运动 ，与通道碰撞次数少 ； 随着粒径的增加 ，颗粒停 留时间增加且运动速度保持 在 2 m／ s 左右 。 3 ． 3钻 进速 度对携岩 特性 的影 响 气动冲击器钻进过程中产生 的岩屑会随着钻进速 度的增加而增多 ，可以根据环形通道出口处的截面岩 屑浓度分布图，分析不同钻进速度时的携岩能力 。 当入 I 1 气相流量为 0 ． 0 2 k g ／ s 时，由图 9 可知 随着 钻进速度的增加 ， 携岩能力下降； 当钻进速度在 1 2 ． 6 m ／ h 1 2 6 石油勘探 与开发 石油工程 V 1 ． 4 3 No ． 1 图 1 2 为不同气相流量下出 口截面颗粒平均浓度和 最 大浓 度变 化 曲线 ，可 以看 出 随着人 口气 相流 量 的 增加出口截面最大浓度先迅速下降， 后下降速度减缓 ； 由于钻进速度不变 ，进入排屑通路的岩屑质量流量不 变，所以岩屑平均浓度变化趋势不明显 。 气相质量流量／ k g s 图 1 2 不同入口气相流量下出口截面颗粒浓度曲线 4结论 反 向扩孔气动冲击器钻进过程中，气流由冲击器 排气孔进入钻头与岩壁形成的气腔内，由于岩壁的阻 挡气流反向进入环形排屑通道 ，冲击器钻进速度为 4 ． 2 m／ h条件下 ，冲击器排气孔尾气以接近 1 5 m／ s 的速度 进入排屑流场 ，达到出 口时气体流速下降到 2 m／ s 。流 场压力由入口到出口呈梯度分布且逐渐降低。 排屑流场中，由于重力的作用岩屑颗粒 向流场底 部聚集 ，导致截面颗粒浓度分布不均匀 。截面上半圆 周浓度为零 ，下半圆周浓度越靠近底部越高 ，出 口处 截面底部最大浓度达到 6 7 ． 9 k g ／ m 。 沿 轴方向不同截 面颗粒平均浓度基本不变 ，最大浓度 由 1 2 3 ． 9 k g ／ m 下 降到 6 7 ． 9 k g ／ m 。 随着钻进速度 的增加环路携岩能力下降，额定工 作压力 0 ． 8 MP a时，破岩钻进速度应该小于 1 2 ． 6 m／ h ， 才能保证尾气的携岩能力。随着入口气相质量流量的 增加 ，环路携岩能力提高 ，施工时应该在保证冲击器 工作性能的情况下适当增加尾气质量流量。 符号注释 c 1 ，c 2 经验常数 ；C d 岩屑浓度 ， k g ／ m ；西 第 ，个方向的位移 ，m；卜体积力矢量 ，N／ m ；g 重 力加速度矢量 ，m／ s ；G b 浮力产生 的湍流动能 ，k g ／ m s 0 ； G 厂一层流速度梯度产生的湍流动能， k g ／ m s ； f - 一第 1 ， 2相 即气相 、固相 ； ， 第 1 ，2 ， 3个方向 即 ，Y，z方向 的方程 ； 湍流动能，m ／ s ； 有效 热传导率 ，w／ m K ； 压力 ，P a ；P f 第 i 相面应 力 ，P a ；f 时间，s ；卜温度 ，K；“ ， 第 个方向流 体速度 ，m／ s ； 第 i 相平均速度矢量，m／ s ；V m 气 固 两相平均混合速度矢量 ，m／ s ；x， ，z 直角坐标系 ； 第 i 相体积分数 ，％； ， 湍流普朗特常数 ； s 湍流耗散率 ，m ／ s ； 流体黏度 ，P a s ；P e 流 体有效黏度 ，P a s ；P m 气固两相混合黏度 ，P a s ； 湍流黏度 ，P a s ；P流体密度 ，k g ／ m ；P i 第 i 相密度 ，k g ／ m ；P m 气固两相混合密度 ，k g ／ m 。 参考文献 【 1 】 候树 刚，陈静 ．非开 挖 技术 的发 展研 究 [ J ] ．科 技进 步 与对 策 ， 2 0 0 3 S 1 2 3 2 2 3 3 ． HO U S h u g a n g ， C HE N J i n g ． De v e l o p me n t o f t r e n c h l e s s t e c h n o l o g y [ J ] ． S c i e n c eT e c h n o l o g y P r o g r e s s a n d P o l i c y , 2 0 0 3 S 1 、 2 3 2 2 3 3 ． [ 2 ] 徐绍 军，徐大鹏 ，徐海 良，等．气动 回扩锤的计算机仿 真与优化 研究 [ J ] ． 工程机械， 2 0 0 8 1 1 6 - 1 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n a l o f S c i e n t i fi c C o m p u t i n g ， 1 9 8 6 ， 1 1 3 - 5 1 ． [ 1 2 ] F A N C h u n ．P l u g fl o w d e n s e p h a s e p n e u ma t i c c o n v e y i n g [ J ] ． Ad v a n c e s i n Me c h a n i c s ， 2 0 0 2 ， 3 2 4 5 9 9 - 6 1 2 ． 【 1 3 ] S A V AG E S B， A n a l y s e s o f s l o w h i g h c o n c e n t r a t i o n fl o ws o f g r a n u l a r ma t e r i a l s [ J 1 ． J o u r n a l o f F l u i d Me c h a n i c s ， 1 9 9 8 ， 3 7 7 1 - 2 6 ． 第一作者简介徐 海良 1 9 6 5 ． ，男，湖南湘 乡人，博 士，中南大 学机电工程学院教授， 主要从事海洋采矿和矿山机械等方面的教学和研 究工作 地址湖 南省长沙市岳麓 区中南大学机 电工程学院 D3 1 5 ，邮 政编码4 1 0 0 8 3 。E - ma i l 1 3 4 2 5 0 C S U ． e d u ． c n 收稿 日期2 0 1 5 - 0 3 。 2 4 修回日期 2 0 1 5 - 1 1 - 2 8 编辑胡苇玮