潛孔鉆頭研究現(xiàn)狀及展望

馮一璟，張來斌，梁偉（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

楊帆（中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249）

鄧嶸（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都 610500）

馮定（長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023）

隨著空氣鉆井的規(guī)模化應(yīng)用，空氣錘因其機(jī)械鉆速快、具有防斜糾斜等優(yōu)點(diǎn)而在油氣田開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。俗話說“鉆頭不到，油氣不冒”，潛孔鉆頭在空氣錘鉆井過程中起到非常重要的作用，而潛孔鉆頭的使用壽命直接關(guān)系到空氣錘乃至氣體鉆井的效率。潛孔鉆頭的使用數(shù)量與鉆井成本息息相關(guān)，根據(jù)國外資料統(tǒng)計(jì)，以單位進(jìn)尺來算，使用潛孔鉆頭引起的成本約為整個(gè)鉆井成本的20%。由此可以看出，潛孔鉆頭的使用數(shù)量直接關(guān)系到整個(gè)鉆井的經(jīng)濟(jì)效益［1，2］。國產(chǎn)潛孔鉆頭存在技術(shù)性能指標(biāo)偏低，可靠性不穩(wěn)定，使用壽命低等一系列不足之處，因此開展?jié)摽足@頭的相關(guān)研究，為探索改進(jìn)鉆頭性能及提高鉆頭壽命具有重要意義。

1 潛孔鉆頭工作原理

潛孔鉆頭是通過沖擊旋轉(zhuǎn)方式破巖的，作用在潛孔鉆頭上的載荷主要有3個(gè)：沖擊力、鉆壓及扭矩。沖擊力是潛孔鉆頭破巖的主要作用力，沖擊波由鉆頭傳遞給井底巖石，對(duì)井底巖石進(jìn)行高頻往復(fù)式?jīng)_擊破碎；鉆壓的作用除了抑制沖程過后鉆頭的回彈，還可以直接壓碎表層巖石；而上部鉆機(jī)給鉆頭提供的扭矩，使鉆頭對(duì)井底巖石進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削，在這3種力的共同作用下，潛孔鉆頭的破巖變成一個(gè)高效復(fù)雜的過程。潛孔鉆頭的尾部與潛孔沖擊器相連接，當(dāng)具有一定質(zhì)量和速度的活塞沖擊鉆頭尾部時(shí)，在時(shí)間極短的沖擊載荷和極大的沖擊速度作用下，巖石的表面形成了局部破碎，產(chǎn)生如圖1中Ⅰ－Ⅰ所示的溝槽，此時(shí)將鉆頭旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α，再進(jìn)行第2次沖擊，形成圖中Ⅱ－Ⅱ所示的溝槽。如果連續(xù)不斷地對(duì)炮孔進(jìn)行沖擊旋轉(zhuǎn)，并不停地排出巖屑，便可以形成圖中的圓形炮孔。潛孔鉆頭在破巖時(shí)，溝槽的形成依靠沖擊作用，沖擊鉆頭尾部所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變以波的形式作用于孔底巖石上，使巖石產(chǎn)生局部破碎；而扇形區(qū)域則是鉆頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)，巖石受剪切作用而形成的［3～5］。所以潛孔鉆頭的破巖成孔過程實(shí)質(zhì)上是沖擊壓碎和剪切刮削的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如圖1所示。

2 潛孔鉆頭結(jié)構(gòu)研究

易高來提出將鉆頭頭部端面由四翼對(duì)稱結(jié)構(gòu)改進(jìn)為三翼整體結(jié)構(gòu)，這樣不僅可以改善布齒條件和排氣孔的設(shè)計(jì)，而且提高了鉆頭的整體強(qiáng)度。并且將鉆頭端面分成3個(gè)區(qū)域，即雙斜面中心大平面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以使所有硬質(zhì)合金齒達(dá)到比較均勻的磨損，而且便于加工及固齒［6］。對(duì)于大直徑潛孔鉆頭，齒圈數(shù)多，里圈齒間距應(yīng)取上限，邊緣圈距應(yīng)取下限。每圈齒數(shù)應(yīng)根據(jù)所擔(dān)負(fù)的破碎孔地面積百分比來確定，以得最佳破巖效果，使鉆刃磨損均勻。每圈球齒的位置應(yīng)保證每個(gè)齒和整個(gè)鉆頭受力均勻［7］。符夷雄等研究了破巖機(jī)型與球齒鉆頭的結(jié)構(gòu)形狀、所鉆巖性的合理性，并獲得了足夠沖擊功時(shí)，潛孔鉆頭的破巖效果更好；齒數(shù)較多時(shí)，潛孔鉆頭對(duì)沖擊能更敏感；在硬脆巖石、較大沖擊能條件下，球齒鉆頭使用效果最佳的結(jié)論［8］。李華等在工作條件布齒理論的基礎(chǔ)上，從球齒破碎機(jī)理出發(fā)，探討了相鄰球齒對(duì)破巖效果的影響，從而確定了最優(yōu)齒間距，并確定了鉆頭的最佳齒位和合理的齒數(shù)，最優(yōu)齒間距為（D1＋D2）／2（D1、D2分別為相鄰壓頭碎巖產(chǎn)生一次大剪切時(shí)破碎穴的最大直徑），球齒數(shù)目可以由沖擊功確定［9］。金鑫通過研究發(fā)現(xiàn)，潛孔鉆頭齒傾角取值大小與其工作所承受的切向載荷、軸向載荷、硬質(zhì)合金強(qiáng)度、刮削摩擦系數(shù)等有關(guān)系，應(yīng)通過力學(xué)分析來確定其值大小，但根據(jù)設(shè)計(jì)得出傾角一般在30～45°［10］。黃志強(qiáng)等通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致潛孔鉆頭失效的主要原因是邊齒鉆井過程中受到剪切破壞，而并非是邊齒受壓破壞或者受拉破壞，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推薦在沖擊力較小時(shí)傾角為20～50°，在沖擊力較大時(shí)，傾角為35～40°［11］。楊茂君對(duì)潛孔鉆頭井底流場進(jìn)行研究以后認(rèn)為，噴嘴向鉆頭中心靠攏可以提高流體對(duì)牙齒的沖洗能力，并可有效的吹掃井底巖屑，減少由于沖擊巖屑而造成重復(fù)鉆進(jìn)［12］。

圖1 潛孔鉆頭破巖機(jī)理

3 潛孔鉆頭靜力學(xué)研究

Akchiko、Kumano等試驗(yàn)研究了沖擊速度為18～40m／s時(shí)，半球形齒和圓錐齒在不同沖擊速度時(shí)對(duì)塑性頁巖的沖擊情況。基于體積應(yīng)變和靜壓力經(jīng)驗(yàn)公式以及試驗(yàn)結(jié)果，建立了鉆頭鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)速度、巖石可鉆性之間的數(shù)學(xué)模型，在模型建立過程假定鉆頭所產(chǎn)生的沖擊能功全部作用在破碎和壓碎巖石過程［13］。Werner Goldsmith等研究了尖端桿對(duì)耐堿巖石沖擊破碎情況，并根據(jù)分析獲得，在相同的研究工況下，具有最大破碎坑的鉆齒為120°鍥形齒；而具有最大鑿入深度的鉆齒為60°錐形齒；對(duì)峰值高和鉆硬地層巖石需持續(xù)時(shí)間短的應(yīng)力波，這樣可更好的鉆磨硬巖石；對(duì)于軟地層巖石，應(yīng)力峰值小和持續(xù)時(shí)間長的應(yīng)力波有助于鉆磨軟地層巖石；研究結(jié)論也得出在相同能量鉆磨地層時(shí)，石灰?guī)r沒有頁巖的易鑿深，應(yīng)力波沖擊巖石過程，巖石與鉆頭之間剛開始處于自由狀態(tài)，然后活塞鉆入巖石時(shí)固定狀態(tài)，最后活塞被反彈脫離接觸［14～16］。刁順等在考慮了活塞端面與末速度作用力而產(chǎn)生的應(yīng)力，并提出了在簡諧力作用下的反射波與入射波之間的方程，該方程的提出主要是針對(duì)前期研究未考慮活塞的末速度對(duì)鉆頭應(yīng)力的作用［17，18］。譚卓英等人針對(duì)邊齒的受力情況，系統(tǒng)的研究了邊齒的失效問題，得出了鉆齒孔的應(yīng)力分布情況以及鉆齒孔易失效的部位，同時(shí)理論分析了鉆頭體和球齒的疲勞特性情況，最后得出了鉆齒孔喇叭口的最終形成原因［19，20］。甘海仁等根據(jù)相關(guān)的鑿巖機(jī)現(xiàn)場測試結(jié)果，詳細(xì)研究了鑿巖機(jī)與沖擊破巖類工具的入射應(yīng)力波形、性能特性與潛孔鉆頭之間的應(yīng)力峰值關(guān)系［21，22］。

4 潛孔鉆頭計(jì)算機(jī)仿真研究

林元華建立了鉆頭牙齒沖擊巖石過程互作用模型，完成了仿真軟件編制，采用數(shù)值模擬方法測算了沖擊器活塞沖擊力和沖旋鉆井機(jī)械鉆速［23］。周曄應(yīng)用ANSYS有限元軟件數(shù)值模擬了潛孔鉆頭鉆齒過盈量對(duì)齒孔和牙齒應(yīng)力的影響規(guī)律［24］。金鑫應(yīng)用LS－DYNA有限元軟件分析了不同類型鉆齒的破巖形態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果得出沖擊破巖主要有斷裂區(qū)、破碎區(qū)和無損區(qū)3種形態(tài)；同時(shí)得出錐形齒和球形齒相結(jié)合破巖效率最優(yōu)，并推薦使用該布齒方案［10］。魏振強(qiáng)通過非線性有限元軟件ANSYS／LSDYNA對(duì)不同沖擊功作用下的潛孔鉆頭與巖石互作用過程進(jìn)行仿真，仿真表明適當(dāng)增加沖擊功能夠提高潛孔鉆頭破巖效率和鉆進(jìn)速度。但沖擊功過大，對(duì)進(jìn)一步提高巖石破碎坑的深度和巖石破碎體積沒有明顯效果，反而會(huì)降低物探?jīng)_旋鉆頭的使用壽命［25，26］。王琳通過在 ANSYS中建立 Q13115－H64型潛孔鉆頭的有限元模型，對(duì)不同過盈量下鉆頭本體的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，并提出針對(duì)鉆頭本體不同的齒孔間距，采用不同的配合過盈量，從而保證鉆頭上所有柱齒固緊效果都能達(dá)到最優(yōu)［27］。黃志強(qiáng)、周已等應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)不同牙齒過盈量時(shí)鉆頭本體應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了模擬研究，并得出了相應(yīng)的應(yīng)力分布圖，為合理進(jìn)行潛孔鉆頭本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和校驗(yàn)方法［28］。黃繼亮采用ANSYS／LS－DYNA有限元仿真分析軟件對(duì)空氣錘活塞－鉆頭－巖石的破巖過程進(jìn)行了仿真研究，得出沖擊應(yīng)力波傳播過程中，鉆頭胎體部位氣孔交匯處應(yīng)力幅值最大，是鉆頭最薄弱之處，加之長期處于高頻交變沖擊應(yīng)力的作用下，是導(dǎo)致鉆頭胎體部位疲勞斷裂的主要原因［29］。趙艷嬌采用有限元分析軟件CFD研究表明，反循環(huán)潛孔鉆頭引射孔與鉆頭中心貫通通道夾角為45°時(shí)反循環(huán)形成效果最好，并對(duì)不同外徑的鉆頭分別進(jìn)行仿真模擬分析，分別得到了最有利于實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)的底部排風(fēng)孔傾角，同時(shí)優(yōu)化了現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu)，使其更有效的實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)［30］。祝效華、羅衡通過仿真分析剖析了動(dòng)靜載在破巖中聯(lián)動(dòng)作用及對(duì)破巖的影響，發(fā)現(xiàn)沖擊功－破巖比功曲線有界限明顯的波動(dòng)區(qū)與穩(wěn)定區(qū)，并由此提出了空氣沖旋鉆井臨界沖擊功、臨界鉆壓的概念［31，32］。

5 潛孔鉆頭材料研究

太原重機(jī)學(xué)院工廠技術(shù)科的劉鴻雁等從鉆頭制造方法和加工工藝等方面進(jìn)行了研究，以此來提高鉆頭強(qiáng)度，提高其使用壽命，并對(duì)硬質(zhì)合金齒的選擇和硬質(zhì)合金的鑲焊作了一定的技術(shù)總結(jié)［33］。根據(jù)球形壓模破巖的有效機(jī)理和彎曲應(yīng)力恒等的要求，李常春、寧曙光設(shè)計(jì)出耐鈍硬質(zhì)合金柱齒，證明了耐鈍硬質(zhì)合金柱破巖時(shí)，巖石面對(duì)齒面的反作用力基本是壓應(yīng)力，很少出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，所以用該合金柱齒潛孔鉆頭鑿巖時(shí)，牙齒不易破碎；并且在合金柱齒高度磨損很多的情況下，其鈍臺(tái)直徑也遠(yuǎn)低于2／3合金柱直徑，故其不易鈍化［34，35］。針對(duì)高風(fēng)壓潛孔鉆頭由于滲碳工藝不合理而造成的鉆頭崩塊、裂紋，陳儒軍、徐家軍提出采用低濃度滲碳＋高溫回火＋一次淬火＋低溫回火工藝可以較好地解決鉆頭的崩塊等問題［36］。黃志強(qiáng)、沈岳等就空氣重新鉆頭鉆進(jìn)中牙齒頻繁斷裂、脫落及磨損嚴(yán)重等問題，分析了空氣錘牙齒的失效機(jī)理，采用了納米改進(jìn)型技術(shù)，在硬質(zhì)合金中摻雜納米AL2O3制備出的AL2O3／WC－Co納米／微米復(fù)合材料，對(duì)其性能、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并就其耐磨性、耐沖擊性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明復(fù)合材料的耐磨性和耐沖擊性得到了大幅提高［37］。黃志強(qiáng)、劉清友等經(jīng)試驗(yàn)研究確定了新型鉆頭最佳的熱處理工藝，并推薦最佳淬硬層深度范圍為：1.8～2.0mm［38，39］。李宏利、于慶增等人在高溫高壓下將人造金剛石與硬質(zhì)合金一次燒結(jié)制備了高性能聚晶金剛石復(fù)合齒，并對(duì)這種金剛石潛孔鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn)，得出在偏硬的巖層鑿巖時(shí)，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金潛孔鉆頭相比，其壽命提高了653%、效率提高了79%［40，41］。

6 結(jié)語

由于潛孔鉆頭破巖效率較高，在硬地層及難鉆地層得到了廣泛的應(yīng)用。潛孔鉆頭破巖方式為錘擊破巖，在實(shí)際鉆進(jìn)過程有效的減少了鉆頭磨損，鉆具損壞較輕，間接降低了整個(gè)鉆井成本，受到油田企業(yè)的親睞。通過前面研究回顧發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外針對(duì)潛孔鉆頭布齒研究開展較少，缺乏對(duì)鉆頭牙齒受力特點(diǎn)的分析，存在一定的盲目性。由于大型CAD／CAE／CFD軟件可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)潛孔鉆頭，這使?jié)摽足@頭在虛擬設(shè)計(jì)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研發(fā)下，可使得潛孔鉆頭布齒更為合理，潛孔鉆頭使用壽命更長，大大的縮短了研發(fā)周期。

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