【摘要】：貫通式潛孔錘鉆反循環(huán)鉆進技術(shù)是以壓縮氣體作為循環(huán)介質(zhì),驅(qū)動潛孔錘破碎孔底巖石,并攜帶巖心(巖屑)從中心通道上返至地表,實現(xiàn)連續(xù)取心不停鉆的鉆進技術(shù)。潛孔錘正常工作時,壓縮空氣由雙壁鉆桿環(huán)狀間隙進入,驅(qū)動潛孔錘完成碎巖鉆進工作。由于高壓氣體全部經(jīng)由雙壁鉆桿之間的環(huán)狀間隙到達孔底,并由中心通道返回,鉆桿外壁與井壁之間不存在漏風(fēng)現(xiàn)象,故而貫通式潛孔錘在鉆進破碎地層時具有較大的優(yōu)勢。反循環(huán)鉆頭作為碎巖工具以及形成反循環(huán)的關(guān)鍵性部件,其性能直接影響鉆進效率,國內(nèi)外學(xué)者一直致力于其結(jié)構(gòu)研究。本文創(chuàng)新性提出將螺旋流引入反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)中,結(jié)合反循環(huán)鉆頭結(jié)構(gòu)特點,設(shè)計了新型的螺旋流引射式反循環(huán)鉆頭(螺旋鉆頭),利用螺旋流的強大抽吸力提高鉆頭反循環(huán)效果。并通過CFD數(shù)值模擬與實驗測試的方式將螺旋鉆頭與環(huán)隙噴射式反循環(huán)鉆頭(環(huán)形鉆頭)反循環(huán)形成效果進行了對比分析,驗證了新型的螺旋流引射抽吸式反循環(huán)鉆頭可以在鉆頭內(nèi)部形成強力的螺旋流,能有效提高鉆頭的反循環(huán)效果。又通過一系列的數(shù)值模擬和實驗研究,對螺旋鉆頭螺旋葉片螺旋升角、螺旋葉片長度、螺旋葉片數(shù)量以及螺旋噴嘴面積等結(jié)構(gòu)參數(shù)對反循環(huán)效果的影響規(guī)律進行了深入分析優(yōu)化。(1)與環(huán)隙噴射式反循環(huán)鉆頭相比,新型的螺旋流引射式反循環(huán)鉆頭可以在鉆頭內(nèi)部形成強力螺旋流,有利于提高反循環(huán)效果;(2)在相同進氣量條件下,螺旋鉆頭的抽吸量高于環(huán)形鉆頭:當?shù)讎娍状蜷_時,螺旋鉆頭抽吸量最高可以達到環(huán)形鉆頭的1.44倍;而當?shù)讎娍追忾]時,螺旋鉆頭抽吸量最高可以達到環(huán)形鉆頭的1.26倍;(3)數(shù)值模擬結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合度較高,特別是對于螺旋鉆頭,當?shù)讎娍状蜷_時,實驗與模擬結(jié)果誤差最大不超過9.05%,當?shù)讎娍追忾]時,最大誤差只有2.1%,在后續(xù)對螺旋鉆頭的研究中可以繼續(xù)采用數(shù)值模擬的方法進行研究;(4)當?shù)讎娍状蜷_時,鉆頭反循環(huán)效果主要受噴嘴形成螺旋流的能力、噴嘴阻力引起的能量損失及底噴孔分流三種因素的影響。而當?shù)讎娍追忾]后,鉆頭反循環(huán)效果主要受噴嘴形成螺旋流的能力、噴嘴阻力引起的能量損失兩個因素影響。不同螺旋參數(shù)會對螺旋噴嘴形成螺旋的能力以及噴嘴阻力產(chǎn)生影響,從而影響鉆頭的反循環(huán)效果;(5)螺旋葉片螺旋升角對鉆頭反循環(huán)效果有顯著的影響,螺旋升角越小其形成螺旋能力越強,但同時噴嘴阻力也會越大,從而引起的能量損失和底噴孔分流越大。螺旋葉片長度對噴嘴形成螺旋流的能力影響不大,但增加螺旋葉片長度會使噴嘴阻力大大增加,從而導(dǎo)致能量損失和底噴孔分流加大。螺旋葉片數(shù)量對鉆頭反循環(huán)效果影響不大,增加葉片數(shù)量螺旋噴嘴形成的螺旋能力小幅度增強,但噴嘴阻力會隨著螺旋葉片的增加而增大。螺旋噴嘴面積對鉆頭反循環(huán)效果影響較為明顯,噴嘴間隙越小噴嘴形成螺旋的能力越強,但同時噴嘴阻力也會越大,從而引起的能量損失和底噴孔分流越大。在本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)實驗中,當螺旋葉片螺旋升角為60°、葉片長度為10mm、螺旋葉片數(shù)量為3、噴嘴間隙為1.5mm時,鉆頭反循環(huán)效果最好。
【圖文】：

90年代，一種具有底噴孔和內(nèi)噴孔結(jié)構(gòu)的多噴嘴引射器式反循環(huán)鉆頭（圖1.2）在國內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。當高壓氣體驅(qū)動潛孔錘做高頻振動后，一部分氣體從內(nèi)噴孔向中心通道高速噴射形成高速流體，在噴嘴附近形成低壓區(qū)，在鉆頭內(nèi)外壓力差的作用下促使孔底的氣體攜帶巖屑（巖樣）從中心通道上返。而另一部分氣體則通過底噴孔向下噴射，一方面對鉆頭起到冷卻作用，另一方面氣體經(jīng)由孔底反射后，向中心通道匯聚，促使反循環(huán)形成[18-24]。1-鉆頭體；2-中心通道；3-底噴孔；4-擴壓槽；5-內(nèi)噴射孔圖1.2多噴嘴引射器式反循環(huán)鉆頭雖然經(jīng)過長期的優(yōu)化和改進，多噴嘴引射式反循環(huán)鉆頭得到了迅速的發(fā)展，但依然存在一定問題。例如，在復(fù)雜地層中（如地層裂隙發(fā)育、溶洞較多等地層），由于部分氣體通過底噴孔噴射之后直接進入地層裂隙中，導(dǎo)致部分氣體漏失，容易出現(xiàn)反循環(huán)形成困難等[25-27]。從理論上分析

中心取樣技術(shù)理念與實際生產(chǎn)相結(jié)合的公司之一，其設(shè)計的反循環(huán)鉆頭及配套產(chǎn)品得到了廣泛的認可，被廣泛的應(yīng)用于礦產(chǎn)勘查、鉆孔取樣等領(lǐng)域中，其鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。氣體順著花鍵槽以及鉆頭外側(cè)的凹槽到達孔底，由于鉆頭與井壁之間的外環(huán)空阻力比較大，只能攜帶巖屑向鉆頭底部開設(shè)的吸砂孔順著中心通道上返，從而實現(xiàn)反循環(huán)鉆進。圖1.3 Bulroc反循環(huán)鉆頭瑞典Sandvik公司在Bulroc公司設(shè)計的潛孔錘基礎(chǔ)上增加了一個導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)流罩和鉆頭體之間留有流體通道。通過導(dǎo)流罩增加外環(huán)空的氣體阻力，促使氣體從阻力較小的中心通道上返，形成反循環(huán)。這種方法雖然能在一定程度上改善了反循環(huán)效果的形成，但是過分依賴于導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)，在破碎地層中鉆進時，由于外環(huán)空的間隙不規(guī)則，導(dǎo)致導(dǎo)流罩的結(jié)構(gòu)尺寸難以確定。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P634.41

【參考文獻】

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9 劉建林;;反循環(huán)空氣錘及其在氣體鉆井中的應(yīng)用前景[J];石油礦場機械;2012年07期

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4 博坤;貫通式潛孔錘反循環(huán)鉆進技術(shù)鉆具優(yōu)化及應(yīng)用研究[D];吉林大學(xué);2009年

5 劉建林;氣體鉆井用貫通式潛孔錘關(guān)鍵技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2009年

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本文編號：2635432