贯通式潜孔锤钻头反循环机理研究及结构优化

论文摘要

前几十年,人们对易进入地区和浅表层资源勘探开发的程度较高,资源已近枯竭；而对边远、高原、复杂条件及深部地层资源勘探不足,有待于更大的投入和开发。现今世界高度重视资源的勘探与开发,投资矿业,加速勘探和开发,已成为世界（包括中国）的经济热点。先进的钻孔设备,领先的钻孔技术,应是当前较长时期内急需研究和发展的对象。贯通式潜孔锤反循环连续取心钻探技术集潜孔锤高效碎岩、流体介质全孔反循环、不停钻连续获取岩矿心三种先进钻探工艺于一体,效率达到常规钻探方法的6-10倍,全孔反循环对孔壁无冲刷,不停钻连续地排出岩矿心,不用水,不受季节寒冷、地层破碎或冻结、岩石坚硬、缺水等因素的影响。我国在该技术研究中已处国际领先地位,并利用该技术解决了一批钻探难题。但是实践发现,正常钻进时,在极破碎、漏失严重地层和大风量条件下反循环排渣效果不理想,仍有小部分气体携带细颗粒岩粉从外环间隙逸出,出现孔口返尘现象,导致部分岩矿样丢失。反循环形成是否彻底是这项钻进技术能否广泛而顺利推广的关键问题。反循环形成的好坏,最重要的因素就是反循环钻头。反循环钻头结构类型、结构参数、喷孔设置等等是钻头形成反循环的关键因素,因此,深入研究更利于反循环的反循环钻头结构以完善反循环中心取样工艺是极其必要的。为了进一步提高贯通式潜孔锤反循环钻进的反循环排渣能力,完善并推广潜孔锤反循环钻进工艺技术,本文结合国内外反循环钻头研究现状,创新设计引射器式反循环结构、环喷式反循环结构、内喷式反循环结构等更有利于提高反循环效果的钻头形式,并对它们各自的关键结构参数进行了数值与试验研究。研究结果不仅表明了新设计的反循环钻头结构形式较传统的反循环钻头具有更强的反循环排渣能力,同时还为设计高性能反循环钻头提供了技术支持。具体研究内容与结论如下：1、引射器式、环喷式、内喷式等反循环结构的数值与试验研究采用EFD数值模拟技术,对引射器式、环喷式、内喷式等新型反循环结构形式的各关键结构参数进行数值模拟。利用正交设计中的数学试验原理对仿真结果进行数据处理。通过讨论各结构参数对反循环效果的影响规律,寻找最有利于反循环的最优结构参数组合,并分析各结构参数之间的主次关系。同时以EFD数值模拟结果为参考,设计反循环试验台,对这两类结构反循环效果进行试验。研究表明,试验结果与仿真结果吻合较好。（1）影响引射器式、环喷式反循环结构反循环效果的主要结构参数有：喷嘴直径、内喷孔直径、内喷孔高度、内喷孔层数、喷嘴距离、底喷孔直径、环空间隙大小等。其中,喷嘴参数和内喷孔参数对反循环效果影响显著。引射器式、环喷式反循环结构的结构参数对反循环的影响规律基本一致：喷嘴直径越小越好；内喷孔层数和内喷孔直径取较大值则会更有利于反循环,而内喷孔高度不能设得太高；较大的喷嘴距离和底喷孔直径均有利于提高反循环效果；收缩角θC对反循环的影响完全可以忽略；扩压槽深度、扩压槽仰角对反循环的影响相对喷嘴直径、内喷孔其他结构参数来说比较小；（2）内喷孔式反循环结构的关键结构参数就是内喷孔直径、内喷孔层数、内喷孔高度。在内喷孔式反循环结构中,内喷孔直径和内喷孔层数是越小越好,与前两类钻头相应变化规律相反；而内喷孔高度在引射器式、环喷式、内喷式三种结构中都有一样的规律,即越小抽吸越强烈；（3）数值与试验研究结果表明,内喷式反循环结构反循环能力最强,其次是环喷式反循环结构、引射器式反循环结构,传统反循环结构反循环效果最差。试验过程中,创新设计的引射器式、环喷式、内喷式反循环结构均能顺利地将环空中的砂粒、岩屑抽吸进中心孔,充分说明了这三种反循环结构的强力反循环性能。2、边界条件对反循环效果影响规律的数值与试验研究影响反循环效果的另一关键因素就是边界条件：系统供风量Qv和中心孔背压PCEN。风量有两类（共三个）关键值,一是“拐点”风量,即该风量下,反循环效果达到最佳；二是临界风量Qvo（左临界风量QV01和右临界风量Qv02）,当风量QV<Qvo时,环空发生泄漏；当Qv01<QV<Qv02时,Qv环>0,环空气体被抽吸至钻头中心孔中,反循环效果最好；当Qv>Qv02时,环空发生漏失,反循环效果变差。因此,要想形成良好反循环,必须将风量控制在一定范围。中心孔背压的升高会降低反循环效果,增加环空漏失的几率。当中心孔背压升高时,风量的关键值也会增大,因此可以适当增加系统供风量以避免因中心孔背压升高而造成反循环形成不良的现象。本文的主要创新点包括：（1）本文在前人研究的基础上,对反循环钻头反循环机理和反循环结构进行了继承和创新,提出了三种新式的反循环钻头结构设计方案。试验证明,三种反循环结构均能对反循环效果带来进一步的提升,且内喷孔式反循环结构对环空的抽吸能力最强；（2）提出了系统风量的两类关键值（即“拐点”风量和临界风量）是影响特定结构反循环效果的关键。且这两类关键值随着结构参数和中心孔背压变化而变化。对于具体的情况,找到特定的关键风量范围是保证钻进过程中反循环形成良好的关键；（3）试验器设计时,吸取了以往试验器的设计经验。新设计的反循环试验器可测试的结构参数更多,可替换性也有所提高；（4）首次利用EFD技术对反循环钻头结构进行大量而系统的优化设计分析,同时也是首次将正交设计和回归分析全面贯穿于反循环钻头流场分析和室内试验设计中。数值模拟和试验表明,采用EFD分析技术在钻头结构优化设计中具有良好的可操作性和可靠性,且正交试验设计和正交回归设计的应用,不仅极大地减少分析和试验时间,更提高了试验的科学性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 气体反循环钻进技术
• 1.2.1 气体反循环钻进技术分类
• 1.2.2 贯通式潜孔锤反循环连续取心钻进技术
• 1.3 潜孔锤反循环钻头国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文研究目的及内容
• 1.5 论文研究的意义
• 本章小结
• 第2章 科学试验设计与EFD数值模拟方法
• 2.1 试验设计与最优化
• 2.1.1 最优化
• 2.1.2 试验优化
• 2.1.3 试验设计
• 2.1.4 正交试验设计
• 2.1.5 数学试验设计
• 2.1.6 部分正交多项式回归设计
• 2.2 EFD仿真技术
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 EFD的网格控制与精度问题
• 2.2.3 EFD的应用领域
• 2.2.4 EFD是优化设计最佳选择
• 本章小结
• 第3章 引射器式反循环结构 结构参数数值与试验研究
• 3.1 引射器式反循环钻头结构原理
• 3.2 基于EFD技术的多结构参数数值模拟
• 3.2.1 主要因素的部分正交多项式回归设计
• 3.2.1.1 模拟方案与结果
• 3.2.1.2 极差分析
• 3.2.1.3 回归系数计算方案、方差分析与统计检验
• 3.2.1.4 主要因素取值变化对反循环效果的影响规律分析
• 3.2.1.5 极值分析
• 3.2.2 仿真计算小结
• 3.3 引射器式反循环结构反循环试验研究
• 3.3.1 试验目的与内容
• 3.3.1.1 实验目的
• 3.3.1.2 试验内容
• 3.3.2 反循环试验台架的研制
• 3.3.2.1 概述
• 3.3.2.2 试验器结构原理
• 3.3.2.3 试验器主要零部件设计及其作用
• 3.3.2.4 试验系统的组成
• 3.3.3 引射器式反循环结构试验方案与结果
• 3.3.3.1 多因素正交试验
• 3.3.3.2 补充试验
• 本章小结
• 第4章 多孔环隙喷射式反循环结构结构参数数值与试验研究
• 4.1 环喷式反循环钻头结构原理
• 4.2 基于EFD技术的多结构参数数值模拟
• 4.2.1 主要因素的部分正交多项式回归设计
• 4.2.1.1 模拟方案与结果
• 4.2.1.2 极差分析
• 4.2.1.3 回归系数计算方案、方差分析与统计检验
• 4.2.1.4 主要因素取值变化对反循环效果的影响规律分析
• 4.2.1.5 极值分析
• 4.2.2 仿真计算小结
• 4.3 环喷式反循环结构反循环试验研究
• 4.3.1 试验目的与内容
• 4.3.1.1 实验目的
• 4.3.1.2 试验内容
• 4.3.2 反循环试验台架的研制
• 4.3.2.1 试验器结构原理
• 4.3.2.2 试验器主要零部件设计及其作用
• 4.3.3 环喷式反循环结构试验方案与结果
• 4.3.3.1 多因素正交试验
• 4.3.3.2 补充试验
• 本章小结
• 第5章 其他反循环结构结构参数数值与试验研究
• 5.1 导流罩式反循环结构
• 5.1.1 数值模拟
• 5.1.2 试验研究
• 5.2 内喷式反循环结构
• 5.2.1 数值模拟
• 5.2.1.1 有无内喷孔对反循环效果的影响
• 5.2.1.2 内喷式反循环结构内喷孔参数对反循环效果的影响
• 5.2.2 试验研究
• E对反循环效果的影响'>5.2.2.1 内喷孔高度H_E对反循环效果的影响
• E变化时对反循环效果的影响'>5.2.2.2 内喷孔层数m与直径D_E变化时对反循环效果的影响
• CEN时Q_V环随Q_V的变化规律'>5.2.2.3 不同背压P_CEN时Q_V环随Q_V的变化规律
• 5.3 多反循环结构反循环效果对比
• 5.3.1 多反循环结构反循环效果数值模拟
• 5.3.2 多反循环结构反循环效果试验研究
• 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文主要结论
• 6.2 论文创新点
• 6.3 展望
• 6.3.1 本文研究的不足
• 6.3.2 后续工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻博期间发表的文章及参与的科研项目
• 一、发表的学术论文
• 二、参与申请的专利
• 三、参与的科研项目
• 致谢