2024-10-09
逆循環ダウンザホール (RC-DTH) エアハンマー掘削は、硬岩掘削のための高速かつコスト効率の高い方法です。エア RC ドリルビットは、逆循環を形成する RC-DTH エアハンマードリルシステムの心臓部であるため、大径 RC ドリルビットは革新的に設計され、吸引能力に関して数値的に最適化されました。結果は、吸引ノズルの仰角と偏向角を大きくすると、ドリルビットの吸引能力が向上することを示しています。ドリルビットの性能は、空気流量が約 1.205 kg/s のときに最適な状態に達し、その後は空気質量流量の増加とともに逆の変動傾向を示します。この研究で研究したドリルビットの場合、吸引ノズルの最適な直径は 20 mm です。外径665mmのRCドリルと外径400mmのRC-DTHエアハンマーを製作し、フィールドトライアルを実施した。現場試験の結果、RC-DTHエアハンマー掘削工法による貫通速度は、従来の回転掘削工法に比べて2倍以上であることがわかりました。この掘削アプローチは、陸上の石油およびガス掘削、地熱掘削、および関連する野外掘削作業のための潜在的な貯留層形成を生成する坑井ボアの上部に適用される大直径の硬岩掘削に大きな可能性をもたらします。
1 はじめに
ダウン・ザ・ホール (DTH) エアハンマー掘削は、硬岩掘削において最も効率的な掘削方法の 1 つと考えられています 1-3。DTH エアハンマー掘削では、頻繁な打撃動作により、より真っ直ぐな穴とメートルあたりの低コストが達成されます。 4、5 ドリルビットインサートが岩層に接触する時間は、通常、総動作時間の約 2% であり、その結果、ビット上瞬間重量 (WOB) が高くなります。平均 WOB はより低いレベルに維持されます。6-8 また、掘削中地震探査 (SWD) の目的や掘削条件の特徴付けにも使用できる可能性が示されています。9, 10 これらに加えて、従来の泥水掘削方法と比較して、空気を使用します。環底孔圧力が低いため、循環流体の貫入速度（ROP）が高くなります11。さらに、地層間隙圧よりも低い環底孔圧力を使用して、潜在的な生成地層を掘削することで、追跡に影響を与える可能性のある地層の損傷を排除できます。前述の利点により、DTH エアハンマー掘削は鉱業で広く使用されており、硬岩層の下にある石油およびガスの貯留層が増えているため、石油およびガスの掘削作業にも拡張されています。
逆循環ダウンザホール（RC-DTH）エアハンマーは、空気によって駆動される革新的な DTH ハンマー穴あけ工具です12。 従来の DTH エアハンマーシステムとは異なり、特別に設計された構造のドリルビットが RC-DTH の主要部品です。 DTH エア ハンマー システムと二重壁ドリル パイプは、圧縮空気とドリルの切粉の両方の輸送通路を構築します。13 掘削中、圧縮空気が二重壁パイプの環状部に注入され、RC-DTH エア ハンマーを駆動します。逆循環が形成される逆循環 (RC) ドリルビットに作用する高周波打撃を実行します。14 この掘削方法の顕著な特徴は、パーカッション掘削とエア RC 掘削技術の組み合わせです。
従来、空気直接循環掘削では、圧縮空気がドリルパイプの中央通路を通ってボーリング孔底部に入力され、その後、排気によりドリルパイプと孔壁によって形成される環状空間を通ってボーリング切粉がボーリング孔から排出されます15。一方、エア RC 掘削では、圧縮空気が二重壁スイベルを介して二重壁ドリルパイプの環状空間に入ります。ドリルの切粉を運ぶ排気は、外側のドリルパイプとボアホール壁によって形成される環状空間ではなく、内側のドリルパイプの中央通路を通って地表に戻ります。図1に示すように、エアRC掘削システムの中央通路の断面積（黄色の円b）は、環状の断面積（緑色の環状a）の断面積よりもはるかに小さくなります。エアドリリングの最小体積要件によれば、ドリル切粉の輸送を満たすには、エアの最小移動速度（標準状態）は約 15.2 m/s であると考えられます。 Sharma と Chowdhry によって行われた研究 16 では、空気を適切な移動速度に保つことのみがドリルの切粉を効率的に輸送できることも示しています。エア RC 掘削は、ドリルの切粉を運ぶ空気が掘削杭とボアホール壁の間の環状空間ではなく中央通路を流れるため、閾値移動速度に到達するのが明らかにはるかに簡単です 17-20。したがって、空気消費量が少なく、その結果としての掘削能力が向上します。大径穴加工がエアRCドリルの大きな利点であり、リーマコストと作業時間を大幅に削減します。また、排出管から排出されるエアーや切粉を、掘削現場から離れた場所に設置した切粉・集塵装置に直接導くことができるため、油分を含まない雰囲気となり作業環境が改善され、掘削作業員の作業の妨げとなります。掘削粉塵の脅威から機器を保護します。14、21
図1
エア逆循環掘削工法の概略図
RC-DTH エアハンマードリルシステムでは、RC ドリルビットが空気の逆循環を形成する重要な部品です。 RC-DTH エアハンマードリルに関するこれまでの取り組みのほとんどは、逆循環能力を高めるためのより良い設計を目的とした逆循環ドリルビットの性能に焦点を当てていました。代表的な取り組みには、リブに吸引ノズルをセットした RC ドリルビットが含まれます。 Luoらによって調査されたRCドリルビットの粉塵制御性能。旋回発電機を備えた RC ドリルビットの性能分析。 14、20、22、23 これらの以前の研究で研究されたこれらの RC ドリルビットの直径は 80 ～ 200 mm の範囲でした。大径（300 mm 以上）の RC ドリルビットの応用可能性の評価と性能分析は、まだほとんど解明されていません。大径ドリルビットの RC 能力を向上させるために、吸引ノズルパラメータがドリルビットの性能に及ぼす影響を計算機的に研究し、その実現可能性を検証するためにフィールド試験を実施しました。
2 RC ドリルビットの説明
RCドリルビットの概略構造を図2に示します。圧縮空気は、吸引ノズルとフラッシング ノズルを通ってドリル工具の中心通路に流れ込みます。空気は吸引ノズルに入り、そこで高い流速のジェットを形成します。ジェットポンプ効果により、隣接する空気の一部がジェットに取り込まれ、その結果、ジェットの近くに負圧ゾーンが形成されます。ボーリング孔の底部と中央通路内の負圧ゾーンとの間のこの圧力差により、その下の空気と掘削切粉に作用する揚力が発生する可能性があります。一方、ドリルの切粉と混合した空気は、フラッシング ノズルから出るジェット流の助けにより、ドリル工具の中央通路に継続的に吸引され、ドリルの切粉を中央通路に押し込みます。この吸引能力は RC ドリルビットの性能を評価する上で非常に重要であり、ドリルパイプとボーリング孔壁の間の環状空間に取り込まれた空気の質量流量と総入力質量流量の比で表すことができます。 。
図2
大径エア逆循環ドリルビットの概略構造
3 計算シミュレーションのアプローチ
3.1 計算領域とグリッド
外径665mmの逆循環ドリルビットを検討した。外径400mmのRC-DTHエアハンマーに適合するドリルビットのサイズです。計算ドメインは、Altair HyperWorks ソフトウェアによって確立されました。典型的なメッシュ化された計算領域を図 3 に示します。計算領域は主に、吸引ノズル、フラッシング ノズル、ドリル ビットの内壁と外壁の間の環状空間、ドリル ビットとボアホールによって形成される環状空間を含む 5 つの部分で構成されます。壁、およびドリルツールの中心通路。ドメインの複雑な幾何学形状により、すべての計算ドメインは四面体の非構造グリッドでメッシュ化されました。ドリルビットモデルのグリッド感度を分析するために、グリッド セルの 3 つの密度が使用されました。表 1 の結果は、最大差が 5% 未満であることを示しています。時間コストとモデルの精度のバランスをとるために、計算では中グリッドが使用されました。
図3
逆循環ドリルビットの内部流れ場の典型的な格子モデルと境界条件の種類
| グリッド | セルの数 | 混入質量流量 (kg/s) |
| 細かいグリッド | 4 870 311 | 0.41897 |
| 中グリッド | 3 010 521 | 0.42015 |
| 粗いグリッド | 1 546 375 | 0.43732 |
| ％ 違い | 4.4 |
表 1. 計算ドメインのグリッド感度分析
3.2 支配方程式と境界条件
内部の空気の流れは、質量、運動量、エネルギーの保存則に従うと考えられています。一般的な支配方程式は次のとおりです [24]。
ここで、ϕ は従属変数、u は速度ベクトル、Γ は拡散係数、S は一般ソース項を表します。
図 3 に示すように、空気入口は Mass_flow_inlet 境界条件として定義されます。 RC-DTH エアハンマーツール (直径 400 mm) の体積流量は 30 ～ 92 m3/min (標準状態) で変化します。これは、質量流量 0.6025 ～ 1.848 kg/s に相当します。中央通路の出口と、ボーリング孔壁とドリルツールとの間の環状部の出口は、大気に開放されている。したがって、これら 2 つの出口は Pressure_outlet 境界条件として定義され、ゲージ圧力は 0 に設定されます。計算領域の他の境界は、滑りのない静止壁境界条件として設定されました。
連続性と運動量保存方程式およびエネルギー保存方程式は、Ansys Fluent を使用して解かれました。内部空気流の予測には、圧縮性流れのナビエ・ストークス方程式と適切な乱流モデルが採用されました。流れシミュレーションは、3D 密度ベースのソルバーを使用して実行されました。このアプローチでは、定義された値が収束するまで、反復法を使用して支配ナビエ・ストークス方程式が順次解かれます。速度と圧力の結合に対処するために、連続性と運動量方程式を圧力の方程式にリンクする半陰的圧力リンク方程式 (SIMPLE) アルゴリズム スキームが、かなりの精度と収束を満たすのが容易なため採用されました。さらに,モデル輸送方程式に基づく標準的なk-ε乱流モデルを使用した。乱流の運動エネルギーと乱流の散逸率に関する対流項は二次風上離散化によって計算され、拡散項は中心差分によって解かれました。
4 シミュレーション結果と考察
図4に中心通路中心線上の静圧変化を示します。噴射方向における吸引ノズル出口付近の静圧は、ボアホール底部の静圧よりも大幅に低くなります。圧力差は 20 kpa に達し、明確な揚力をもたらし、ドリルの切りくずをボーリング孔の底から効率的に送り出します。効果的な逆循環を形成するには、吸引ノズルの構造を特別に設計する必要があります。したがって、異なる吸引ノズルパラメータを持つ 14 の計算領域が確立され、調査されました。 RCドリルビットの逆循環能力に及ぼす入力空気質量流量,吸引ノズルの直径,仰角および偏向角の影響を研究した。図 5 は、RC ドリルビットの典型的な速度等高線を示しています。観察されたように、圧縮空気が中央通路に流入すると、吸引ノズルの出口とボアホールの底の近くでいくつかの渦が発生します。吸引ノズルの出口付近に発生する渦は、低圧域の領域を拡大しますが、吸引ノズルから噴出する噴流の運動エネルギーを無駄に消費し、噴流の引き込み効果を弱めます。 、中央通路を通過するドリルの切削が必然的に妨げられます。ジェットによって引き起こされる渦は、ボアホール底部のフラッシング ノズルから流れ出し、ドリルの切粉を巻き上げ、中央の通路に持ち上げるのに役立ちます。
図4
ドリルビットの中心通路の中心線上の一般的な静圧分布
図5
ドリルビット内部の流れ場の典型的な速度等高線
4.1 吸気能力に対する入力空気質量流量の影響
入力空気質量流量は、ドリルツールの製造時に調整できる唯一のパラメータです。また、RCドリルビットの先端にはDTHエアハンマーが組み込まれているため、ドリルビットを通過する空気質量流量は時間の経過とともに変化します。一般に、空気質量流量は、DTH エアハンマーのピストン運動により変更されます。ドリルビットの吸引能力に対する入力空気質量流量の影響を調査することで、穴あけプロセスの指針を得ることができます。図 6 は、逆循環能力に対する入力空気質量流量の影響を示しています。このグループのシミュレーションでは、仰角 60°、吸引ノズルの直径 18 mm、偏向角 15° など、吸引ノズルのいくつかの構造パラメーターが指定されました。また、吸引ノズルは中央通路壁の周方向に対称に配置されており、吸引ノズルの数は全て６本である。ドリルパイプとボアホール壁の間の環状空間からの吸引空気質量流量は、入力空気質量流量の増加とともに増加し、入力空気質量流量が 1.205 kg/s のときに最大に達し、その後、吸引空気質量流量が増加します。ドリルパイプとボアホール壁によって形成される環状部からの質量は、入力空気質量流量の増加とともに急速に減少します。入力空気質量流量が 1.205 kg/s 未満の場合、入力空気の入力空気質量流量を増加すると、吸引ノズルからの空気流の噴射速度が向上し、吸引空気質量流量が向上します。一方、ドリルビットの中心通路の断面積は限られており、入力空気が多すぎると空気流の抵抗が増大し、それによってドリルビットの吸引能力が弱まります。観察されたように、吸込能力（吸込空気質量流量と入力空気質量流量との比）は、入力空気質量流量の増加とともに減少しました。これは、空気の圧縮性に起因し、空気の圧縮により多くのエネルギーが消費されたと考えられます。
図6
入力空気質量流量がドリルビットの逆循環能力に及ぼす影響
4.2 吸引ノズル径が吸引能力に与える影響
入力空気には、二重壁ドリルパイプの環状空間、吸引ノズル、およびフラッシング ノズルから排出される 2 つの通路があります。入力空気質量流量が与えられた場合、吸引ノズル径が大きくなるにつれて、吸引ノズルとフラッシングノズルの空気質量流量の比は増加します。 RCドリルビットは噴射速度を一定に保つと吸引能力が高まります。図7に吸引ノズル径が逆循環能力に及ぼす影響を示します。このグループのシミュレーションでは、仰角 60°、偏向角 15°、入力空気質量流量 70 m3/min など、吸引ノズルのいくつかの構造パラメータが与えられました。吸引ノズルの直径が 20 mm 未満の場合、吸引ノズルの直径を大きくすると、ドリルビットの吸引能力が向上します。直径が20mmを超えると、ドリルビットの吸引能力が著しく弱まります。吸引ノズルから噴出するエアジェットの勢いは、ドリルビットの逆循環能力に支配的な影響を及ぼします。吸引ノズルの直径が 20 mm より大きい場合、吸引ノズルでの質量流量の増加振幅よりもジェット速度の減少振幅が優先され、それによってドリルビットの吸引能力が弱まります。
図7
吸引ノズル径がドリルビットの逆循環能力に及ぼす影響
4.3 吸引ノズル仰角が吸引能力に及ぼす影響
吸引ノズル仰角は、中心通路の断面と吸引ノズルの中心線との間の角度として定義される。図 8 は、仰角を大きくするとドリルビットの逆循環能力が向上することを示しています。吸引ノズルからの噴流は、ドリルビットの壁内で傾斜しているすべての吸引ノズルについて互いに干渉することになる。ジェット間の衝突によりエネルギーが消費され、ジェット流の軸方向の運動量が減少し、ドリルビットの逆循環能力が損なわれます。噴流間の干渉は吸引ノズルの仰角が小さいほど強くなります。
図8
吸引ノズル仰角がドリルビット逆循環能力に及ぼす影響
4.4 吸引ノズル振れ角が逆循環能力に及ぼす影響
吸引ノズルの偏向角とは、１つの吸引ノズルの中心線を中央通路の断面に投影したものと、吸引ノズルの出口における中央通路壁の法線方向との間の角度を表す。図9は、吸引ノズルの偏向角が吸引能力に及ぼす影響を示しています。吸引ノズルの偏向角が増加するにつれて、ドリルビットの吸引能力は大幅に向上します。偏向角を持った吸引ノズルからの空気流は、中央通路に旋回流を形成し、ドリルビットの吸引能力を向上させます。また、噴流を偏向させることにより噴流間の干渉を抑制することができる。ただし、たわみ角の最大値はドリルビットの直径によって制限され、無限に大きくすることはできません。
図9
吸引ノズル偏向角がドリルビット逆循環能力に及ぼす影響
5 フィールドトライアル
硬岩層における RC-DTH エアハンマーによる貫入速度を検証するために、外径 665 mm のドリルビットと外径 400 mm の RC-DTH エアハンマー (RC-DTH 400) を使用しました。製造された。シミュレーション結果は,外径665mmのRCドリルビットに対する吸引ノズル径,仰角,偏向角を含む吸引ノズルパラメータの最適値は,それぞれ20mm,60°,20°であることを示した。それにもかかわらず、吸引ノズルのパラメータが大きすぎると、ドリルビットの強度が弱まってしまいます。ドリルビットの寿命を確保するために、直径 18 mm、仰角 45°、偏向角 10°の 6 本の吸引ノズルが最終的に選択されました。 RC-DTH エアハンマーの設計構造と製作した RC-DTH エアハンマーツールの試作品の写真を図 10 に示します。 RC-DTH エアハンマーが動作しているとき、ピストンの動きは分割できます。バックホールフェーズとストロークフェーズの 2 つのフェーズに分かれており、各フェーズでは吸気、空気膨張、空気圧縮、排気の各段階が行われます。 RC-DTH400 の公称空気圧力は 1.8 MPa、公称空気体積流量は 92 m3/min です。ピストンの公称衝撃周波数と衝撃速度は、それぞれ 14.35 Hz と 8.01 m/s です。外径140mmの二重壁ドリルパイプ、二重壁ケリー、二重壁スイベルなどのその他のアクセサリコンポーネントも製造されました。
図10
逆循環ダウンザホールエアハンマーツールの設計構造と写真イメージ
フィールド試験場は中国広東省仏山市にあります。試験地の地層は、厚さ 3.99 m の緩い土壌、厚さ 17 m の風化粘土質シルト岩、および風化した粘土質シルト岩の下にある未風化の赤色粘土質シルト岩から構成されています。緩い土壌層と風化した粘土質シルト岩層は、従来の回転掘削法を使用して容易に掘削できます。しかし、風化されていない赤い粘土質シルト岩の掘削の貫入速度は比較的低く、<2 m/h に達する場合もあります。そして、沈下したスラグは掃除が困難です。
RC-DTHエアハンマー掘削試験を実施するために、従来の回転掘削法により、緩い土壌層と風化した粘土質シルト岩層を掘削します。次に、RC-DTH エアハンマー掘削システムを使用して、風化されていない赤色粘土質シルト岩層を掘削しました。フィールド テスト システムのレイアウトを図 11 に示します。最大風量流量 34 m3/min、公称空気圧 30 bar のアトラスコプコ製エアコンプレッサー 1 台と、最大風量の Ingersoll Rand 製エアコンプレッサー 1 台です。圧縮空気を供給するために、25.5 m3/min の流量と 24 bar の公称空気圧が使用されました。ピストンを潤滑するためにルブリケータが使用されました。 Guangxi Liugong Group Co., Ltd.製の回転掘削リグ SD20E を使用して、掘削プロセスで回転力と WOB を提供しました。
図11
フィールドテストシステムのレイアウト
2 つの試験ボーリング孔が掘削され、ボーリング孔の最大深さは 50.8 m です。掘削プロセスでは6.0 m/hの最大貫入速度が観察され、空気体積流量と空気圧力が公称値以下の条件では平均貫入速度は4.5 m/hでした。現場テストでは、吸引ノズルのパラメーターが最適ではない場合でも、RC ドリルビットが良好な逆循環状態に達することができることがわかりました。ボーリング孔のフラッシングプロセスでは、沈下するスラグは見つかりませんでした。図 12 に示すように、ドリルツールの環状空間とボーリング孔壁から漏れる空気と塵はほとんどありませんでした。地表に戻ったドリルの切粉は、ほとんどが中～大型の粒子です。さらに、ボーリング孔のフラッシングプロセスでは沈下するスラグは見られず、ドリルの切りくずは継続的に地表に戻ることができます。 RC-DTH エアハンマー掘削システムは良好な作動状態にあり、大口径ボーリング孔掘削において優れた性能を発揮したと結論付けることができます。
図12
フィールド試験の写真画像。 A、掘削プロセスで形成される逆循環。 B、切削加工を掘削する。 C、ボアホールフラッシングプロセス。 D、スプレー流のある排出パイプの口
6 結論
浸透率を向上させ、環境に優しい掘削作業を行うために、潜在的な貯留層を生成する地層の上の上部硬質地層を掘削する RC-DTH エアハンマー掘削アプローチが提案されました。逆循環を実現するRC-DTHエアハンマードリルシステムのキーパーツであるRCドリルビットについて、直径665mmのRCドリルビットのパラメトリックスタディを実施しました。結果は、吸引ノズルの仰角と偏向角の増加がドリルビットの逆循環能力を改善できることを示しています。ドリルビットの逆循環能力は、入力空気質量流量が 1.205 kg/s のときに最大に達し、その後入力空気質量流量が増加するにつれて低下します。外径665mmのドリルビットと外径400mmのRC-DTHエアハンマーを製作し、フィールドテストを行った。現場試験の結果、設計された大径RCドリルビットの逆循環能力は良好で、現場試験での最大貫通速度は6.0m/hであり、掘削作業時間とコストを大幅に削減できることがわかりました。
謝辞
この研究は、中国国家重点研究開発プログラム (助成金番号 2016YFC0801402 および 2016YFC0801404)、中国国家科学技術主要プロジェクト (助成金番号 2016ZX05043005)、中国国家自然科学財団 (助成金番号 51674050) によって資金提供されました。 ）。匿名の査読者の並外れたアドバイスに感謝いたします。
