论文摘要
矿产资源是人类社会进步与经济发展的物质基础。随着经济的高速发展，人类社会对资源的需求日益增加，而矿产资源的储量却越来越少。经过多年的开发利用，露矿、浅层矿、易识别矿已勘探殆尽，矿产勘查的方向逐渐转向寻找隐伏矿、深部矿、难识别矿。由于勘探难度和成本日益加大，传统的钻探工艺手段已经不能满足当前矿产勘查的需要。贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进技术集潜孔锤冲击回转碎岩、循环介质全孔反循环、钻进中同步获取岩矿心三种工艺方法于一身，是一种先进的钻探工艺方法。经过多年的发展，该项技术已得到了一定的应用与推广，但在实际应用中也发现，对于在裂隙发育、漏失地层钻进时，存在反循环能力不足、岩屑采取率低等问题。本文针对贯通式潜孔锤反循环钻进技术在实际应用过程中出现的问题，利用计算流体动力学软件（FLUENT）对现有引射式反循环钻头孔底气固两相流场特性进行了数值模拟研究；基于人工诱发龙卷风的形成机理，设计了新型旋风式反循环钻头，并对比分析了引射式反循环钻头与旋风式反循环钻头两者间的反循环效果；采用数值模拟和室内实验方法，分析了旋风钻头反循环效果与旋喷孔结构参数的关系。本文研究取得了以下主要结论：（1）野外试验表明，应用引射式反循环钻头在裂隙发育、漏失地层钻进时，由于钻头与孔底岩石不能形成良好的引射结构，引射钻头反循环能力降低，孔底岩屑（样）不能上返至地表，岩心采取率低。（2）反循环钻进所得岩屑颗粒的粒度分布具有一定的规律。从岩屑样品的粒度累积曲线来看，岩屑颗粒的级配较差，其中粒径小于2mm的组分含量较多，颗粒不均一。采用Rosin-Rammler函数对岩屑样品的粒度分布进行描述，从拟合结果来看，岩屑颗粒符合R-R分布。（3）引射钻头孔底流场的数值模拟结果表明，随孔底钻进条件的不同，钻头底面下部流场边界条件发生改变，孔底流场内气相流体的速度、压力、湍流特征的流场参数变化明显。从流场内气相流体特征来看，完整地层条件下，孔底气体能够形成良好的反向循环，对环空内流体也有一定的抽吸作用；裂隙地层钻进时，一部分气流由裂隙进入地层中，气量损失严重；提钻条件下，钻头距离钻孔底面距离增大，钻头卷吸能力下降。引射钻头携岩能力与岩屑进入流场的位置、颗粒直径、孔底条件密切相关。从岩屑颗粒的注入位置来看，引射钻头对于底面中心附近的岩屑的抽吸携带能力较强，而对于底面圆周附近的岩屑不具备反循环能力；从岩屑颗粒直径来看，钻头携岩能力的从大到小依次为0.1mm>1mm>5mm；从不同孔底条件来看，钻头反循环能力由大到小依次为完整地层>裂隙地层>提钻。（4）旋风钻头孔底流场的数值模拟结果表明，随钻进条件的不同，孔底流场的变化主要表现在钻头底面下部气体流动特征的变化。从孔底流场内气体流量变化来看，旋风钻头对孔底流体抽吸能力较强，同时受孔底流场条件的影响较小，钻头中心孔流量为钻进注入量的2倍以上。旋风钻头携岩能力保持在较高水平，受岩屑进入流场位置、颗粒直径和孔底流场条件影响不明显，均表现出较强的反循环能力，其在完整地层条件下的携岩效果接近100%，整体携岩效率也高于90%。（5）对比旋风钻头和引射钻头两者孔底流场内气固两相流场特性，旋风钻头反循环能力优于引射钻头，前者表现出地层适应性好，携岩能力强，最小携岩注气量要求低等优点。（6）旋风钻头旋喷孔主要结构参数包括三个：旋喷孔直径、旋喷孔倾角和旋喷孔高度。旋风钻头反循环效果随三个结构参数的变化规律为：随旋喷孔直径的增大，环空流量呈二次抛物线变化，在直径为5mm位置达到最大值；随旋喷孔角度的不断增大，环空流量单调递减；旋喷孔高度对环空流量的影响较小，随旋喷孔高度的增加，环空流量稍有增加，两者呈线性关系。