深海原位取芯金刚石钻头孔底流场数值模拟分析

□ 郑 森 □ 于凯本 □ 任玉刚 □ 郭建章

1.青岛科技大学 机电工程学院 山东青岛 2660612.国家深海基地管理中心 山东青岛 266237

1 研究背景

目前,深海岩芯钻取样主要有两种方式。一种是将钻机沉放到海底,在母船或钻井平台上遥控操作。另一种是将钻探设备安装在载人潜水器或无人揽控潜水器上,在母船或潜水器上遥控操作[1]。随着深海科学调查工作中载人潜水器技术的日益成熟,国内外对第二种方式的研究逐渐深入。

钻头作为钻机的重要组成部分,与钻进参数的配合是影响取芯率的重要因素。在钻进过程中,影响表现在孔底排粉能力和钻头有效冷却效果等方面,因此,对孔底流场的研究至关重要。综合文献可知,由于应用环境、钻头结构和钻进参数不同,目前还没有一个确定描述钻头流场的普遍规律[2]。从目前的研究结果来看,还存在以下问题:① 对于孔底流场的模拟,多采用以水为介质的单相流场,忽略了岩屑对流场的影响;② 对于钻头的水力学研究,通常在钻头静止的流场中进行分析,忽略钻头转速的影响;③ 在模拟过程中,未考虑实际应用工况等环境因素的影响[3-5]。

相比陆地钻探,海底钻探环境更为复杂。海洋环境具有温度低、压力高、底层流变复杂等特点。由于受限于载人潜水器水下作业对所携带科考装备的严格质量和能源供应要求,第二种方式岩芯取样钻机需要与载人潜水器相匹配[6]。因此,在对取芯钻头流场进行分析时,需要做到模拟环境与钻头实际工作环境相近。笔者以取芯金刚石钻头为例,应用计算流体动力学软件对钻头孔底流场进行数值模拟分析,通过分析机械钻速、转速、冲洗液量等钻进参数对携岩能力的影响,为搭载于载人潜水器的小型钻机设计研发提供指导。

2 钻进参数

2.1 转速

转速是影响金刚石钻进效率的主要因素。对于大多数硬岩而言,进尺速度随钻头转速的提高而提高。转速提高,可以有效缩短工作时间,同时加剧钻头磨损,影响钻头的使用寿命[7]。在一定的岩石条件下,转速n为:

n=60v/(πD)

(1)

式中:D为钻头直径,m;v为推荐的线速度,m/s,金刚石钻头一般取 1.5 m/s。

钻头转速的影响因素有很多,对于搭载于载人潜水器的小型钻机而言,由于受载人潜水器采样篮的搭载质量和能源供给限制,往往达不到转速计算值,需要根据试验进行适当调整。笔者通过文献[8]确定转速的研究范围。

2.2 冲洗液流量

冲洗液流量是决定孔底排粉和对钻头有效冷却的重要影响参数。通常情况下,冲洗液流量由返流速度确定[9-10]。冲洗液流量Q为:

Q=6VS

(2)

式中:V为推荐的返流速度,m/s,一般不低于0.2～0.5 m/s;S为钻杆与钻孔之间的环状面积,cm2。

2.3 岩屑量

计算岩屑量,实质是对钻刃扫掠一周所去除的岩石体积的计算[11-12]。岩屑量Qs为:

Qs=ρsVsn

(3)

式中:ρs为岩石密度,kg/m3;Vs为钻刃切削一周的岩石体积,m3。

3 数值模拟

3.1 物理模型

金刚石钻头物理模型中,采用较为普遍的直槽形水口钻头,水口数量为六个。金刚石钻头物理模型和流场模型如图 1 所示。金刚石钻头和流场域的基本参数见表1。

表1 金刚石钻头和流场域基本参数

▲图1 金刚石钻头模型

由于钻头流场域体积小、结构复杂,为保证计算精度要求,采用四面体非结构网格划分方法。通过对网格质量进行检查,结果表明99%以上的网格质量参数集中在0.8～1,网格质量较好,能够满足描述完整流场特征的要求。根据钻头在海底复杂的应用环境,为简化模拟计算过程,提出以下假设:① 连续相为同一均匀不可压缩流体介质;② 离散相为具有相同直径和密度的球形颗粒;③ 不考虑颗粒之间碰撞的影响;④ 不考虑温度变化对流场的影响。

3.2 数值求解方法

笔者应用FLUENT 软件,基于三维非稳态分离式求解器计算连续性方程和动量方程,湍流模型选择k-ε标准湍流模型,材料设置为海水,控制方程的离散采用有限元体积法,压力和速度耦合方式采用压力耦合方程组半隐式方法,动量守恒方程和压力修正方程采用二阶迎风格式,湍动能及湍动能耗散率采用一阶迎风格式,松弛因子采用FLUNET软件中的推荐值,残差设为 10-4。当计算结果收敛后,将离散相模型打开,离散相材料定义为岩屑颗粒,考虑相间耦合作用,采用随机轨道模型来确定颗粒的运动轨迹[13]。

3.3 边界条件

连续相设置为海水,密度为1 025 kg/m3,黏度为 0.001 8 kg/(m·s)。金刚石钻头以磨削方式进行破岩,岩屑较小,粒径取0.5 mm,密度为 2 300 kg/m3。入口设置为质量入口,冲洗液流量设为 0.05 kg/s、0.1 kg/s。出口设置为压力出口,出口压力为 30 MPa。钻头转速分别设为 0、100 r/min、200 r/min。孔底岩屑由孔底垂直射入,速度为 0,质量流率对应10 mm/min、30 mm/min 和 50 mm/min 机械钻速。固壁边界条件为,对于连续相采用无滑移光滑绝热壁面,离散相与壁面设置为反射,出口设置为逃逸。

4 结果分析

岩屑滞留质量是对钻头孔底流场性能的一种量化评价[14]。研究表明,有效清洗孔底岩屑,可以防止出现糊钻、卡钻现象,保障载人潜水器及作业潜航员的安全,防止重复破岩,增加耗能,导致取芯效率降低。岩屑滞留质量是孔底流场体积数值与体积浓度数值的乘积。笔者提出将离散相体积浓度作为深海原位取芯金刚石钻头孔底流场排屑能力的评价参数。

机械钻速表示单位时间内钻头的进尺量,当机械钻速提高时,取芯时间变短,消耗功率变大。机械钻速对孔底排屑效果的影响如图2 所示。由图2可以看出,在相同的低冲洗液流量下,随着机械钻速的提高,孔底岩屑体积浓度增大,孔底流场岩屑体积浓度达到稳定的时间基本一致。这是因为机械钻速提高时,岩屑产生量增大,而孔底流场的岩屑移运能力是一定的,增大的岩屑量滞留孔底,导致孔底岩屑体积浓度增大。同时还可以得出,钻头旋转对孔底流场排屑具有促进作用,尤其是随着机械钻速提高;钻头旋转时,岩屑体积浓度明显减小。对此进行原因分析,因钻头高速旋转增大了孔底流场紊流度,流场中的岩屑被扰动,绕轴心做螺旋运动,使得岩屑能跃迁至高流速层,进而促进孔底流场排屑。

▲图2 机械钻速对孔底排屑效果影响

冲洗液流量对孔底排屑效果的影响如图3 所示。由图3可以看出,在相同的高机械钻速下,随着冲洗液流量的增大,孔底岩屑体积浓度减小,孔底流场岩屑体积浓度达到稳定的时间变短。冲洗液流量为0.05 kg/s和0.1 kg/s时,环空处轴向速度如图4所示。冲洗液流量为0.05 kg/s和0.1 kg/s时,水槽处孔底流速如图5所示。由图4、图5可知,冲洗液流量越大,环空轴向速度越高,水槽处孔底流速越高,越有利于对孔底岩屑的清除。

▲图3 冲洗液流量对孔底排屑效果影响

综合图2 、图 3 分析可得,冲洗液流量应当与机械钻速相适应。要避免冲洗液流量不足,孔底岩屑滞留量增大,产生重复破岩,从而降低取芯效率。也要避免冲洗液流量过大,造成对岩芯冲刷,影响取芯质量。

采用相同的低机械钻速,在不同冲洗液流量下钻头转速对孔底排屑效果的影响如图6所示。由图6可以看出,当冲洗液流量较大时,随着钻头转速的提高,孔底岩屑体积浓度减小;当冲洗液流量较小时,随着钻头转速的提高,孔底岩屑体积浓度增大。对于前者,因大冲洗液流量起主要作用,钻头转速提高促进孔底流场排屑。对于后者,因钻头转速提高导致岩屑所受到的离心力作用变大,使岩屑沿径向向孔壁移动,岩屑运移能力降低,这与水作为冲洗液的相关试验研究得到的结论一致。

▲图4 环空处轴向速度

▲图5 水槽处孔底流速

▲图6 钻头转速对孔底排屑效果影响

5 结束语

笔者采用FLUENT软件离散相模型,对深海原位取芯金刚石钻头孔底流场进行数值模拟分析。结果表明,机械钻速提高,不影响孔底流场排屑能力;冲洗液流量增大,排屑能力提高。当冲洗液流量较大时,提高转速对孔底排屑能力有促进作用。当冲洗液流量较小时,提高转速对孔底排屑能力有抑制作用。机械钻速、转速和冲洗液流量三者并非是独立的,随着机械钻速提高,需要相应增大冲洗液流量,并给定有利于孔底流场排屑的转速。

研究结果为搭载于载人潜水器的深海原位取芯钻机的设计提供了指导。