潜孔锤反循环钻进技术在某水电站的试验应用

水利工程中的钻孔工程具有特殊的工况,采用正循环潜孔锤钻进方法在狭窄封闭的洞室内进行钻孔施工,粉尘污染严重,施工环境恶劣,影响作业工人的身体健康。为了解决施工洞室内的粉尘污染问题,在某水电站的排水孔施工中,首次应用了潜孔锤反循环钻进技术,并在上仰孔和下行孔施工试验中获得成功,有效控制和降低了洞室内的粉尘问题,有利于维护良好的施工环境。设计的A、B两种结构类型钻头主要差别是内喷孔的位置不同,A型钻头的内喷孔设计在花键上的各个平键之间,B型钻头的内喷孔则设计在花键的平键上。CFD数值模拟计算结果显示,A型钻头对环空抽吸的空气量是0.199 987 04kg/s,略大于B型钻头的0.177 524 64kg/s,说明A型钻头的抽吸能力优于B型钻头。上仰孔和下行孔的钻进试验结果表明,内喷孔设计在花键上的各个平键之间且具有双排12个内喷孔的A型钻头结构更为合理,在施工中A型钻头比B型钻头的孔口粉尘少。从反循环排渣效果看,A型钻头破碎的大部分岩粉和大颗粒岩块从中心通道排出,反循环排渣效果优于B型钻头。

潜孔锤钻进孔口密封器流场数值模拟及优化设计

为定向收集风动潜孔锤钻进时排出的岩矿样,降低粉尘污染同时提高岩矿样采取率,对孔口密封器内流场进行了计算流体动力学分析(CFD),分别讨论了传统密封器、隔板式密封器、流线型式密封器结构形式及其相关结构参数(隔板位置L、出口直径d、出口角度θ)对密封效果的影响规律并进行优化设计。分析表明,三类密封器密封效果受结构形式和出口直径d影响最为明显:当d为40～160mm时,隔板式和流线式密封器密封效果远好于传统密封器;当d>160mm时,隔板式密封器与传统密封器的效果相当,而流线式密封器的效果始终是三者当中最好的。经现场试验证明,采用优化过的孔口密封器对岩矿样实施定向收集,除尘效果很好,且岩矿样平均采取率可达97%。

基于CFD的高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性研究

通过计算流体动力学分析与实验室测试,对SC-86H型高能射流式液动冲击器活塞与缸体密封特性进行研究,分析了活塞密封段长度、环状间隙尺寸、活塞往复运动速度、角速度以及活塞外表面螺旋槽螺距与半径等参数对射流式冲击器前后腔之间泄漏量的影响。结果表明:活塞密封段长度、环状间隙尺寸、角速度以及活塞表面螺旋槽螺距均对射流式液动冲击器性能影响较小;活塞运动速度与泄漏量近似成正比例关系;随着活塞螺旋槽半径的增大,泄漏量会明显增大。活塞回程与冲程初期阶段,活塞运动速度较小,活塞处瞬时泄漏量占进入缸体前后腔流体流量的比例较大,使活塞无法快速加速运动,尤其是当活塞杆直径较大时,回程阶段泄漏量对活塞运动的影响更显著,导致冲击器工作性能大幅下降,甚至无法工作。

YSC178A型液动锤射流元件底盖板外壁冲蚀机理

应用CFD动态分析技术,对具有内分流结构的YSC178A型液动锤的速度场进行了研究,分析了不同形状不同尺寸的分流孔对速度场的影响。研究发现:在一定直径的圆柱形分流孔出口处附近存在分流流束附壁现象,且附壁的分流流束特征与冲蚀坑的形状和大小之间有较好的对应关系,表明YSC178A型液动锤射流元件底盖板外壁出现冲蚀坑是由从一定直径的圆柱形分流孔喷出的分流流束附壁冲蚀造成的;分析结果还显示,喇叭形分流孔大大优于圆柱形分流孔,足够长且出口直径较大的喇叭形分流孔,其出口处附近流束附壁现象大幅度减轻以致消失,可以大幅度降低高速射流能量并减弱分流流束对底盖板外壁的冲蚀,避免出现显著冲蚀坑。

可切换式反循环潜孔锤钻头设计及优化

针对现有气动贯通式潜孔(DTH)锤反循环钻探技术在推广应用过程中遇到的岩矿心(样)丢失、卡钻埋钻事故时有发生等问题,提出一种可切换式反循环潜孔锤钻头的新结构,该结构在正常碎岩钻进和"强吹孔"时,可以通过花键套的辅助配合,从而实现反循环原理上的切换。与此同时,采用正交试验设计的方法,运用计算流体动力学(CFD)分析技术对该钻头中备用内喷孔的6个主要结构参数进行优化设计。研究结果表明:备用内喷孔个数(N)对钻头的反循环效果影响最大,其次依次是备用内喷孔直径(D)、倾角(Θ_s)、备用内喷孔与常开内喷孔间距(L)、水平偏角(Θ_d),而备用内喷孔距孔底高度(H)对钻头的反循环效果影响最小。当N=2,D=5 mm,Θ_s=30°,Θ_d=10°,L=0 mm,H=230 mm时,钻头备用内喷孔结构参数组合最优。

水射流破碎油页岩应力波效应的数值模拟

应用ANSYS/LS-DYNA软件,采用SPH-FEM方法对水射流破碎油页岩的三维非线性冲击动力学问题进行了模拟研究。以射流速度200 m/s为例,得到了水射流破碎油页岩过程中能量转化关系曲线以及应力波在油页岩表面和内部的传播和衰减规律:射流中心点的应力值总是当射流与油页岩开始接触时达到最大;接触初期油页岩表面及内部应力值波动比较剧烈,但是整体在呈下降趋势;射流速度越大,应力峰值就越大,同时衰减得越厉害;一个应力波周期内,油页岩内部沿射流中心线方向上各点的应力峰值总是大于油页岩表面上等距离各点的应力峰值。针对不同的射流速度,在油页岩表面及油页岩内部沿射流中心线方向共选取5个点,通过模拟获得了这5个点的等效应力值随时间变化的曲线。模拟结果表明:水射流速度越大,对油页岩的冲击作用就越明显,越有利于在射流中心区域形成破碎坑,模拟结果对于了解油页岩的水射流破岩机理具有重要意义。同时利用该方法可以得到不同水射流速度时其油页岩破碎能力,可以为油页岩高压水射流原位破碎时的水力参数优选以及钻头喷嘴设计提供一定的参考依据。

射流式液动锤活塞回程缓冲机构

CFD动态分析了回程缓冲机构不同弹簧刚度系数对射流元件控制道内流动特性和活塞回程冲击速度的影响。实验结果表明:缓冲机构施加在活塞上的弹簧作用力不会影响射流元件主射流的正常附壁和切换,刚度系数较大的弹簧可以显著降低活塞回程冲击速度,减小回程中活塞对射流元件的冲击;弹簧增幅在5倍时,活塞回程冲击速度降幅为52.88%,有效避免了射流元件中硬质合金零件在工作中发生断裂的现象。

大直径引射器式反循环钻头结构设计及数值模拟

针对油气勘探开发特点的要求,将贯通式潜孔锤反循环钻井技术应用于大直径井眼段、复杂地层深井段的油气勘探开发领域,并根据多喷嘴引射器原理,设计一种外径为660 mm的新型大直径引射器式反循环钻头,并进行计算流体动力学(CFD)分析以及野外钻井试验。研究结果表明:该新型大直径反循环钻头结构设计合理,所形成的一、二级引射结构均对反循环形成效果和抽吸能力有良好促进作用,最高钻进效率可达6.0 m/h,平均钻进效率为4.5 m/h,并将井底破碎下的不同颗粒粒度的岩渣屑及地层流体抽吸进入钻头内部形成稳定反循环携带至地表,孔底无沉渣,并且外环间隙无岩渣屑泄漏现象。

活塞冲锤主要参数对射流元件临界流速的影响

应用CFD动态分析技术,以SC71B型射流式液动锤为研究对象,研究了活塞直径、活塞杆直径、活塞冲锤质量和行程对射流式液动锤射流元件临界流速的影响,并进行了实验验证。结果表明:理论预测值与实测值相对误差小于7.5%,精度远高于以往经验估计;射流元件临界流速随着活塞直径的增加而降低,随着活塞杆直径和活塞冲锤质量的增加而升高,与行程大小无关。以SC71B型射流式液动锤为例,为降低射流元件临界流速以减轻冲蚀,应设计40～42 mm的活塞直径、23～26 mm的活塞杆直径和11.2～23.5 kg的活塞冲锤质量。活塞直径增加23.5%时,射流元件临界流速降低了2/3;活塞杆直径增加60%时,射流元件临界流速提高了近4倍;活塞冲锤质量增加5倍时,射流元件临界流速只增加了1倍。

压缩气体射流切割破土机理

压缩气体射流切割破土机理既是气力喷射反循环钻孔技术的基础也是其重要的理论依据,而气力喷射反循环钻孔技术又是一项高效环保的软地层钻进技术,所以压缩气体射流切割破土机理研究对于气力喷射反循环钻孔技术有重要意义。首先,应用CFD软件模拟,得出8mm直径喷孔切割能力为2.868×103 kPa,与单喷孔地秤实验得到的2.468×103 kPa拟合较好,其值都远远大于软地层破坏强度;其次,通过LS-DYNA模拟可知单次喷射18μs时的切割深度约为2.23mm;最后,用CFD软件分析得到土体微裂隙断裂压力分布图及气体流速图。结果表明,压缩气体射流切割破土机理为:压缩气体沿薄弱环节进入孔隙和微裂隙后急剧膨胀,在恢复到钻孔围压过程中继续膨胀、扩张,同时在反循环抽吸力的共同作用下使土体结构破坏、断裂脱离母体;符合土体微裂隙断裂原理。