摘要：在复杂地层钻进中，由于反循环钻头结构不够合理，反循环往往难以形成，究其原因，主要是孔底气体容易从裂隙中漏失，在孔底形成的负压不够大，不足以将岩心上举至上返通道内，或者是至上返通道内又没有获得足够的加速度，从而使其顺利到达地表。针对这些问题，作者运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的科学研究方法对孔底反循环形成机理与过程进行深入研究，重点对影响反循环形成的钻头新增引射孔各参数、底部排风孔各参数以及其它相关参数进行优化设计，并将研究结论与专家的经验总结汇合形成钻头参数优选软件。本文的研究目的是通过对钻进中孔底及钻头腔体内流场特性研究，找到更有利于反循环形成的最优相关参数，改善反循环效果。
关键词：取心钻头；仿真；优化
一、取心钻头孔底流场仿真技术
松散软弱破碎地层等复杂地层取心和孔壁稳定一直是困扰地质钻探工程界的技术难题。本文以汶川地震断裂带科学钻探工程（WFSD）为例，针对地震断裂带的松软破碎地层取心困难，如岩心采取率低，回次进尺短，堵心严重和孔壁不稳定造成孔内事故频发等，采用ANSYS CFX仿真软件对取心钻头孔底流场进行数值模拟，根据速度场、压力场在取心钻头上的分布、大小，参照地层和岩心采取率情况，优化钻头的水力结构，如不隔水、半隔水和阶梯式全隔水钻头；同时调整钻进参数——泵量大小，泵量过大，孔底流场强，取心率低，易冲刷孔壁，泵量过小，孔底流场弱，上返流速低，携岩能力差，易卡钻和烧钻等。通过优化取心钻头的水力结构和钻进参数，取心效果明显改善，达到了预期效果。为取心钻头流体动力学理论部分，主要为取心钻头孔底流场数值模拟提供理论依据；建立取心钻头流体控制方程及数学模型，进行了三类取心钻头（不隔水、半隔水和阶梯式全隔水）孔底流场数值模拟和初步应用；针对孔底流场分析影响因素，对PDC阶梯式全隔水钻头的阶梯高度进行优化研究，并介绍了取心钻头在汶川地震断裂带科学钻探工程中的应用情况。钻头水力学研究已进入数值模拟的新时代，为优化钻头结构设计提供了极大的方便。但目前在取心钻头结构设计数值模拟研究方面仍存在以下不足，一是以牛顿流体——水为介质，一般不考虑钻井液的粘切；二是忽略钻头回转对流场影响，常假定钻头处于静止状态；三是认为孔底水平光滑；四是对孔底流场的研究大多处在定性阶段等。本文针对取心钻头孔底流场分析存在的问题，采用ANSYS CFX软件对取心钻头孔底流场分析，以非牛顿流体——钻井液为介质，采用幂律模式μ=Κγ~n模型；考虑钻头旋转对孔底流场影响，对几何模型分区为旋转流动域和非旋转域，动静交界面为距离钻进平面约70mm的位置，尽量靠近存在旋转效应的几何面；钻进孔底认为不光滑，钻头吃入岩石一定深度等。考虑流场内的流动具有一定的旋流效应，计算时采用改进的RNG k-ε湍流模型。本论文取心钻头孔底流场数值模拟成功克服了目前流场模拟的不足，非常直观和定量的分析钻头在孔底的速度场和压力场分布、方向和大小等，基本反映孔底流场的真实情况。根据数值模拟结果，生产制造出多种不同水力结构的取心钻头，在汶川地震断裂带科学钻探工程中进行大量现场试验，得出：不隔水钻头取心率低，不适合汶川地震科钻需求；对于相对松散破碎、局部软硬不均的地层，采用半隔水取心钻头能满足岩心采取率要求；对于松软破碎的炭质板岩、断层泥及断层角砾岩等地层，采用PDC阶梯式全隔水取心钻头，取心效果良好。阶梯式全隔水取心钻头水口大小一定时，水口阶梯高度和水力参数是影响钻头孔底流场的主要因素，它对松软破碎地层岩心采取率具有重要作用。论文对阶梯式全隔水取心钻头水口的不同阶梯高度进行孔底流场数值模拟，然后针对同一水口阶梯高度和不同泵量进行组合数值模拟，将仿真数据通过Origin回归分析、曲线法及Matlab作图法进行数据分析，总结归纳孔底流场回归方程式和图形图像，研究一种适合松软破碎地层取心钻进的最佳钻头水力结构——阶梯高度和钻进参数——泵量。汶川科钻实践证明，φ150mm直径的PDC阶梯式全隔水取心钻头以10-20mm水口阶梯高度为最佳。对现场工程技术人员来说，可以根据取心钻头孔底流场的回归方程式、图形图像非常方便与直观的优选所需要的钻头水口阶梯高度和泵量大小。当阶梯高度一定时，可以调整泵量大小适应地层变化情况。通过取心钻头的孔底流场仿真和优化研究，建立取心钻头孔底流场数值模拟的三维数学模型，设置边界条件和水力参数等，模拟钻头孔底的实际工况进行定量的流场分析与对比，计算过程采用固化流程，为模型修改以及多工况计算提供简单快捷的处理方式，为广大科技工作者对取心钻头水力结构的优化设计提供理论依据；对现场工作者来说，根据取心钻头孔底流场的回归方程式、图形图像以及地层情况等非常直观快速的优选取心钻头，提高功效，节省了成本等。因此，该文的研究对松软破碎等复杂地层取心钻头的优化设计和选择提供一定的借鉴和参考，具有较好的社会和经济价值。
二、取心钻头结构优化
1.钻头阶梯高度及排水槽大小的优化
阶梯式隔水底喷钻头排水槽尽量大，可以减小钻头与孔壁间的速度场，避免产生涡旋与对孔壁的冲刷，保护孔壁稳定。根据上述钻头孔底的速度场与压力场图，如何确定取心钻头最佳阶梯高度（即水槽高度），保证孔底流场适中，既不冲刷岩心，又不产生涡旋，顺利排出岩粉，还需要对孔底流场做进一步的分析。
WFSD－2孔针对取心率低，先后采取多种取心钻头结构设计，特别对阶梯式隔水底喷PDC取心钻头的阶梯的高度、排水槽的大小进行了优选，钻头的阶梯高度10～15m时，排水槽面积约2160mm2，取心效果显著提高，其他高度时，取心率均有所降低。
2.钻头内侧润滑能力的优化
钻头隔水环不要太长，内侧留有水槽、调节钻头与卡簧座的径向可隙3～5mm，以适当的泥浆量流入钻头内侧、保证钻头润滑和携带若粉，提高回次长度。
WFSD－2孔1452．91～1453．81m采用热压隔水底喷，1446．46～1450．42m采用合金隔水底喷取心时，钻头隔水环内侧没有水槽，阶梯高度高，钻头底部没有足够润滑，导致堵心、磨心，岩心采取率也降低。在1388．88～1390．40m补心时采用全隔液保真电镀取心钻头，结果无岩心且钻头胎体破坏，主要是钻头底部没有泥浆润滑而破坏。
3.泥浆性能与水力参数的优化
取心钻头结构确定后，优化泥浆性能，起到护心作用，避免岩心分散；优化水力参数，在满足上返流速携带岩粉的基础上，尽量减少泵量，减小对岩心的冲刷。
汶川科钻2号孔施工，泥浆保持一种良好的流变模式，同时采用变器对泥浆泵进行调速，改变泵量，找到一种合适的水力参数。孔径150mm的钻孔实践中，泵量5－91s为最佳。
4.结论与建议
（1）对于破碎松牧地层，应果用阶梯式隔水底喷防冲蚀取心钻头，减少泥浆对岩心的冲刷，提高岩心采取率。
（2）钻头的排水槽尽量大，降低速度流场，减少对孔壁的冲刷，保持孔壁稳定；钻头隔水环不要太长，适当留有内水槽，调节钻头与卡簧座的径向间隙，以适当的泥浆量流入钻头内侧与岩心交界面，保证钻头润滑和携带岩粉，减少堵心、磨心。
（3）利用计算流体动力学CFD技术对不同取心钻头模型、不同工况下进行数值模拟，定量化的计算孔底流场，大大缩短钻头的研发周期，节约成本。
（4）取心钻头数值模拟以泥浆为流动介质，粘度采用的非牛顿粘度率为 Ostwald de Waele模型流场；考虑钻头旋转对流场的影响；考虑流场内的流动具有一定的旋流效应，计算采用RNC
模型；未考虑温度的影响。分析的工况和钻头工作时的实际工就相同。
参考文献：
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[2]吴金生；取心钻头孔底流场仿真与优化研究[D]；成都理工大学；2015年
[3]舒慧；高速PDC取心钻头的计算机辅助设计[D]；长江大学；2016年
论文作者:陈启涛
论文发表刊物:《基层建设》2019年第3期
论文发表时间:2019/4/26
标签：钻头论文; 岩心论文; 地层论文; 数值论文; 阶梯论文; 水口论文; 水力论文; 《基层建设》2019年第3期论文;