潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)巖屑粒度分布規(guī)律

黃 勇，朱麗紅，殷 琨，任 紅

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026 2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580 3.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 267021

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)巖屑粒度分布規(guī)律

黃 勇1，朱麗紅2，殷 琨1，任 紅3

1.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026 2.中國石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東青島 266580 3.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東東營 267021

研究巖屑粒度分布規(guī)律有利于進(jìn)一步分析潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)的碎巖機(jī)理。采用分布函數(shù)和分形方法對(duì)反循環(huán)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑粒度分布進(jìn)行描述，并得到巖屑粒度分布規(guī)律。結(jié)果表明：試驗(yàn)用巖屑的粒度分布符合Gandin－Schuhmann分布和Rosin－Rammler分布，其中巖屑顆粒更貼近于G－S分布；巖屑粒徑遵循分形規(guī)律，可以用分形方法描述反循環(huán)鉆進(jìn)中巖屑粒度的分布特征。從巖屑粒度分布來看，大于5mm的顆粒占總質(zhì)量的74.8%，表明潛孔錘球齒破碎巖石以體積破碎為主；塊狀顆粒分布在5～12mm，說明巖石的體積破碎存在大小差異，并伴隨有重復(fù)破碎。

潛孔錘；反循環(huán)；巖屑；粒度分布；分形

0 引言

巖石破碎是巖石在外部荷載作用下，內(nèi)部細(xì)微裂隙不斷萌生、發(fā)展、匯集，直至相互貫通形成宏觀塊體的過程［1］。破碎產(chǎn)生的碎屑存在著尺寸和數(shù)量上的差異，它們的產(chǎn)生存在隨機(jī)性，但也有規(guī)律可循。研究巖石破壞后巖屑的粒度分布規(guī)律，是探討巖石破壞機(jī)理的重要手段，最終達(dá)到改進(jìn)巖石破碎工藝、提高巖石破壞效率和降低碎巖能耗的目的。潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)作為一種硬巖地層鉆進(jìn)成孔的高效手段，已廣泛應(yīng)用于水文、地質(zhì)、地面工程等領(lǐng)域［2－3］。深入研究反循環(huán)鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的巖石破碎屑的粒度分布情況，有益于碎巖機(jī)理的研究，同時(shí)有助于進(jìn)一步改進(jìn)鉆具結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)。

目前對(duì)于粒度分布規(guī)律的研究方法很多，比較常用的有Gandin－Schuhmann（G－S）分布、Rosin－Rammler（R－R）分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、指數(shù)分布等［4］。近年來，隨著分形理論的快速發(fā)展，該理論也被引入到巖石破碎領(lǐng)域，用來描述巖石的損傷、斷裂過程，研究表明巖石的破壞具有分形特征［4－8］。在前人研究的基礎(chǔ)上，筆者通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲取反循環(huán)鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖石破碎屑，并對(duì)巖屑進(jìn)行篩分，利用分布函數(shù)和分形方法對(duì)巖屑粒度分布規(guī)律進(jìn)行描述，通過巖屑粒度分布規(guī)律進(jìn)一步分析潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)碎巖機(jī)理。

1 潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)技術(shù)是沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的一種，其核心結(jié)構(gòu)是貫通式潛孔錘，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示：壓縮空氣沿雙壁鉆桿環(huán)狀間隙輸入，經(jīng)上接頭3推開逆止閥2進(jìn)入潛孔錘外缸6與內(nèi)缸7間的環(huán)狀間隙，再經(jīng)內(nèi)缸上的進(jìn)氣孔B進(jìn)入前后氣室A和 C，推動(dòng)活塞8往復(fù)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生沖擊力。前后氣室內(nèi)的工作廢氣經(jīng)由活塞內(nèi)孔與心管10外圓柱面之間的環(huán)形間隙進(jìn)入反循環(huán)鉆頭15上部的環(huán)狀空間，由鉆頭上的底噴孔和內(nèi)噴孔排出，形成高速空氣射流。潛孔錘鉆進(jìn)過程中，孔底巖石受到由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)孔底潛孔錘產(chǎn)生的高頻沖擊力和由鉆桿傳來的軸向壓力和回轉(zhuǎn)力共同作用，在動(dòng)靜多重載荷下產(chǎn)生有效體積破碎。沖擊力是動(dòng)荷載，軸向壓力用來減少鉆具反彈和提供預(yù)壓力，水平回轉(zhuǎn)力起到剪切碎巖和均勻破碎的作用。對(duì)巖石破碎產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行粒度分析，有助于了解各個(gè)力在碎巖中的作用，從而進(jìn)一步分析潛孔錘的碎巖機(jī)理。

2 巖屑粒度分布試驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場取樣

取樣鉆進(jìn)試驗(yàn)場地位于河南欒川鉬礦，該礦是我國重要的鉬礦生產(chǎn)基地，有礦產(chǎn)20多種，其中以鉬、鎢、鐵、硫?yàn)橹饕V物。礦區(qū)位于東秦嶺鉬多金屬礦帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，區(qū)內(nèi)巖漿活動(dòng)較為頻繁，礦區(qū)圍巖因受花崗質(zhì)巖漿侵入影響，形成了有一定規(guī)模的熱力變質(zhì)巖（角巖）及接觸交代變質(zhì)巖（矽卡巖）。根據(jù)已有地質(zhì)勘查報(bào)告，選取巖體較為完整的角巖地層進(jìn)行取樣試驗(yàn)，并利用旋流取樣器收集鉆進(jìn)上返的巖屑。

本次鉆進(jìn)試驗(yàn)所鉆地層巖性為透輝石角巖，該類巖石具有較大硬度，可鉆性高，研磨性強(qiáng)，其物理力學(xué)性能指標(biāo)為：密度3.42×103kg／m3，抗壓強(qiáng)度280MPa，彈性模量6.0×104MPa，抗拉強(qiáng)度10 MPa，抗剪強(qiáng)度4MPa，可鉆性Ⅶ級(jí)，研磨性Ⅴ級(jí)。

圖1 貫通式潛孔錘結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic structure of run－through DTH hammer

試驗(yàn)所使用的鉆探設(shè)備和機(jī)具如下：GSD－Ⅲ型鉆機(jī)，Atlas Copco XRVS466型空氣壓縮機(jī)，鉆具組合為SBC－89／44外平雙壁鉆桿＋GQ－108／44型貫通式潛孔錘＋Ф114反循環(huán)取樣鉆頭（圖2）。GQ－108／44貫通式潛孔主要技術(shù)參數(shù)包括：總長1255 mm，外徑108mm，貫通孔直徑44mm，活塞質(zhì)量8.5kg，單次沖擊功268J，沖擊頻率19Hz。反循環(huán)鉆進(jìn)過程中，鉆機(jī)軸向鉆壓6～8kN，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速33r／min，空壓機(jī)輸氣量8～12m3／min。

圖2 反循環(huán)取樣鉆頭Fig.2 Reverse circulation drilling bit

2.2 篩分試驗(yàn)

由于現(xiàn)場收集的巖屑量較大，先將巖石樣品采用環(huán)錐法混合再用四分法縮分，經(jīng)過幾次縮分后將所剩巖樣進(jìn)行手動(dòng)篩分，篩網(wǎng)孔徑分別為0.5、2、3、5、7、10mm，其中，0.5、2mm為方孔篩，其余為圓孔篩。巖屑的篩分結(jié)果見表1。經(jīng)篩分后的巖屑按照篩孔尺寸依次排列，對(duì)應(yīng)的實(shí)物照片如圖3所示。

表1 巖屑粒徑質(zhì)量分布Table 1 Grain size mass distribution of rock samples

3 巖屑粒度描述

3.1 分布函數(shù)描述

描述巖石粒度分布規(guī)律的函數(shù)很多，其中G－S分布和R－R分布應(yīng)用廣泛［9］。一般認(rèn)為G－S分布貼近細(xì)粒度區(qū)，而R－R分布更貼近粗粒度區(qū)［10］。

G－S分布函數(shù)：

式中：x為粒度；y為x的篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)；a為粒度的分布指數(shù)；k為粒度的分布特征值。

R－R分布函數(shù)：

式中：x為粒度；y為x的篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)；a為分布指數(shù)；b為粒度特性系數(shù)。

圖3 篩分后巖屑實(shí)物照片F(xiàn)ig.3 Photo of rock samples after sieving

通過篩分將巖樣按粒徑尺寸劃分為7個(gè)區(qū)段，根據(jù)篩孔尺寸與篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，繪制巖屑的粒度分布函數(shù)曲線。粒徑小于0.5 mm和大于10mm的巖樣在分布函數(shù)擬合過程中引起的誤差較大，在繪制分布函數(shù)曲線圖時(shí)暫不考慮上述兩區(qū)段。

公式（1）可轉(zhuǎn)換為

lny＝alnx－alnk。（3）

此時(shí)G－S函數(shù)改寫為線性函數(shù)Y＝AX＋B的形式。由表1篩分結(jié)果和式（1）繪制出巖樣的粒徑分布散點(diǎn)圖和回歸曲線，如圖4所示。

將式（2）改寫成Y＝AX＋B形式，結(jié)果如下：

ln［－ln（1－y）］＝alnx－alnb。（4）根據(jù)篩分結(jié)果，繪制出巖樣的粒徑分布散點(diǎn)圖和回歸曲線（圖5）。

圖4 巖樣粒度G－S分布Fig.4 Grain size G－S distribution of rock samples

圖5 巖樣粒度R－R分布Fig.5 Grain size R－R distribution of rock samples

由圖4可知，回歸系數(shù)R的絕對(duì)值為0.999 1，線性回歸直線表達(dá)式：Y＝1.473 8 X－3.683 1。由此推算分布函數(shù)的分布指數(shù)a為1.473 8，粒度分布特征值k為12.167。當(dāng)粒度x取k時(shí)，代入式（3），得篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)y為1，說明巖屑的最大粒徑為12.167mm。

由圖5可得到R－R分布下的回歸直線Y＝1.809 4 X－3.963 7，回歸系數(shù)R的絕對(duì)值為0.993 5，則分布函數(shù)的分布指數(shù)a為1.809 4，分布特征值b為8.940 6。b也稱中位徑，表示巖屑篩下累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)的粒徑尺寸為8.940 6 mm。

從G－S分布和R－R分布的趨勢線可以看出，破碎產(chǎn)生的巖屑對(duì)于兩種分布都具有很好的相符性，擬合曲線的回歸系數(shù)均大于0.99，這是由巖屑尺寸處于較小粒徑區(qū)間決定的，其中巖屑粒徑更貼近GS分布。篩分結(jié)果也表明巖屑粒徑均小于20mm，由擬合結(jié)果可知其最大尺寸約為12mm。

3.2 分形維數(shù)描述

由連續(xù)條件下的分形定義［11］可知：

式中：R為巖屑特征尺度；N為特征尺度大于等于R的巖屑數(shù)目；C為常數(shù)；D為分形維數(shù)。

設(shè)上返巖屑總質(zhì)量為M，M（R）為篩網(wǎng)孔徑為R時(shí)篩下巖屑的累積質(zhì)量，則有

同時(shí)，由巖屑質(zhì)量與數(shù)目關(guān)系：

對(duì)比式（5）、（6）和（7），則存在

從而分形維數(shù)

由式（6）繪制M（R）／M－R雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的曲線圖，如圖6所示。n為回歸曲線斜率，其值為1.473 8，由式（8）可得分維數(shù)D為1.526 2。

圖6 巖樣粒度分形曲線Fig.6 Grain size fractal curve of rock samples

由分形維數(shù)D和回歸曲線斜率n關(guān)系可知：當(dāng)巖樣的篩分粒度范圍一定時(shí)，n值越大，擬合曲線斜率越大，維數(shù)D越小，巖樣中粗顆粒含量越大；相反，n值越小，擬合曲線斜率越小，維數(shù)D越大，巖樣中細(xì)顆粒含量越大。分形維數(shù)能夠反映破碎后巖屑的粒度特征，可以作為描述巖石粒度分布的一個(gè)定性指標(biāo)。

3.3 碎巖機(jī)理分析

潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)具有沖擊和回轉(zhuǎn)兩種碎巖手段，由于回轉(zhuǎn)速度較低，碎巖以沖擊破碎為主。鉆頭球齒受力如圖7所示。一般認(rèn)為，在沖擊力作用下，鉆頭球齒破碎巖石主要包括壓碎和剪崩兩部分，鉆進(jìn)中球齒底部巖石受到較高的沖擊荷載，形成高應(yīng)力區(qū)，將下部巖石壓碎，產(chǎn)生較小塊巖屑和巖粉；球齒臨近的巖石受到擠壓發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生大體積巖屑，在壓頭底部形成倒錐形破碎穴。根據(jù)篩分后的質(zhì)量分布表可知，粒徑范圍在7～10mm的巖屑質(zhì)量最大，大于7mm巖屑占總質(zhì)量54.3%，大于5mm的巖屑占總質(zhì)量的74.8%，而小于2mm的巖屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為11%，明顯看出球齒的擠壓剪崩作用是碎巖的關(guān)鍵手段，這也是反循環(huán)鉆進(jìn)具有較高鉆進(jìn)效率的主要原因。

4 結(jié)論

圖7 鉆頭球齒受力示意圖Fig.7 Schematic diagram of drill tooth force

巖屑中塊狀顆粒主要是由體積剪切破壞產(chǎn)生的，其粒徑范圍集中在5～12mm，說明球齒在破碎巖石過程中，每次沖擊產(chǎn)生的破碎坑體積存在大小差異，巖石的最終破碎是多次沖擊累積的結(jié)果，幾次小的體積破碎后，會(huì)產(chǎn)生一次大的體積破碎。巖屑中沒有單顆大尺寸顆粒，級(jí)配較好，這是由于巖屑受到鉆頭中心擋塊限制，大塊顆粒不能進(jìn)入中心通道上返，而在孔底被鉆頭二次或多次破碎，這種破碎產(chǎn)生的巖屑與初次破碎的巖屑具有相同的粒度分布規(guī)律。

1）通過現(xiàn)場試驗(yàn)獲取潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)所產(chǎn)生的巖石破碎屑，并利用篩分法對(duì)巖屑進(jìn)行粒度劃分，得到巖屑的粒徑－質(zhì)量分布關(guān)系。

2）采用粒度分布函數(shù)和分形理論對(duì)巖屑的粒度分布進(jìn)行描述，得到鉆進(jìn)條件下巖石粒度分布規(guī)律。從粒度分布曲線可知，巖屑符合G－S分布與R－R分布，其中更貼近G－S分布，說明巖屑粒徑處于較小粒度區(qū)間內(nèi)。巖屑粒度分布具有分形特征，試驗(yàn)用巖屑的分形維數(shù)為1.526 2，分形維數(shù)可作為表征巖屑粒度分布的度量指標(biāo)。

3）從巖屑的粒度分布來看，粒徑大于7mm的顆粒超過總質(zhì)量的一半，表明潛孔錘鉆進(jìn)以體積破碎為主；巖屑?jí)K度大小不一，粒徑主要分布在5～12 mm，說明巖石的體積破碎存在大小差異，并伴隨有重復(fù)破碎。

4）潛孔錘反循環(huán)鉆進(jìn)中，隨著沖擊頻率、鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆進(jìn)參數(shù)、設(shè)備機(jī)具和地層的不同，必然對(duì)所產(chǎn)生巖屑的粒徑存在一定的影響，這部分研究將是下一步工作的重點(diǎn)。

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Grain Size Distribution Law of Cuttings in DTH Hammer Reverse Circulation Drilling

Huang Yong1，Zhu Li－h(huán)ong2，Yin Kun1，Ren Hong3

Research on grain size distribution law would be helpful to further analysis on rock broken mechanism of DTH hammer reverse circulation drilling.The grain size distribution of cuttings in DTH hammer reverse circulation drilling was described by distribution and fractal function，and its distribution law was obtained.Results showed that the grain size distribution of cuttings conform to Gandin－Schuhmann distribution and Rosin－Rammler distribution，and much closer to G－S distribution.The cutting grain size distribution characteristics of reverse circulation drilling follow the fractal rule and can be described by fractal method.The grain size distribution indicates that the total mass of cuttings greater than 5mm is 74.8%，which shows a predominant volume broken of rock by DTH hammer.The size of massive particle is between 5mm to 12mm，indicating the size difference in volume broken accompanied by repeated crushing.

DTH hammer；reverse circulation；cutting；grain size distribution；fractal

book=2012,ebook=643

P634.1

A

1671－5888（2012） 04－1119－06

2011－10－20

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2011EEQ012）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20110133120013）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（27R1202001A）

黃勇（1981－），男，博士研究生，主要從事多工藝沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)研究，E－mail：huangyongjlu＠163.com。

1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 2.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong，China 3.Drilling Technology Research Institute，Shengli Oilfield，Dongying 267021，Shandong，China