復(fù)合載荷作用下鉆頭沖擊破巖機(jī)理研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

李思琪， 李 瑋 ， 閆 鐵， 高 晗， 畢福慶， 馬紅濱

(1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2. 中國(guó)石油大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714；3. 中國(guó)石油大慶油田第五采油廠， 黑龍江 大慶 163513；4. 中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院， 新疆 克拉瑪依 834000)

復(fù)合載荷作用下鉆頭沖擊破巖機(jī)理研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

李思琪1， 李 瑋1， 閆 鐵1， 高 晗2， 畢福慶3， 馬紅濱4

(1. 東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318；2. 中國(guó)石油大慶化工研究中心，黑龍江 大慶 163714；3. 中國(guó)石油大慶油田第五采油廠， 黑龍江 大慶 163513；4. 中國(guó)石油集團(tuán)西部鉆探工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院， 新疆 克拉瑪依 834000)

復(fù)合載荷沖擊破巖作為新的高效破巖技術(shù)之一可以解決復(fù)雜難鉆地層機(jī)械鉆速緩慢、鉆具失效嚴(yán)重等問(wèn)題。基于彈性力學(xué)和沖擊力學(xué)理論，建立了復(fù)合載荷作用下壓頭的破巖模型，分析了模型因素對(duì)壓頭侵深的影響。同時(shí)，應(yīng)用有限元軟件分析了復(fù)合載荷作用下巖石位移和應(yīng)力的響應(yīng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步證明復(fù)合載荷沖擊破巖的提速效果。理論研究結(jié)果表明：該破巖方法可以在保證鉆深基礎(chǔ)上，減少鉆具失效；還擴(kuò)大了巖石的響應(yīng)范圍和載荷的作用區(qū)域，加劇了巖石振動(dòng)的劇烈程度；當(dāng)激勵(lì)頻率與巖石固有頻率相同或接近時(shí)，巖石產(chǎn)生共振，整體振動(dòng)位移達(dá)到峰值?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果表明，高頻低幅軸向沖擊工具應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速可達(dá)3 m/h，與常規(guī)鉆具相比，平均提速可達(dá)67.65%。

復(fù)合載荷；沖擊作用；侵深；破巖效率；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

隨著鉆井深度的不斷增加，復(fù)雜地層、難鉆地層所占比例也隨之增大，如高研磨性地層、碳酸鹽巖地層以及火山巖地層等[1]。當(dāng)鉆遇這些地層時(shí)，鉆進(jìn)速度緩慢，鉆具失效嚴(yán)重[2]，現(xiàn)有常規(guī)鉆井方法已不能實(shí)現(xiàn)高效破巖的目的[3]。因此，專家學(xué)者開始探索一些新的高效破巖方法，如粒子沖擊射流破巖[4-5]、超臨界二氧化碳射流破巖[6-7]、高頻諧振沖擊破巖(共振鉆井)以及激光破巖等方法，來(lái)解決當(dāng)前鉆井的難題[8]。本文研究的復(fù)合載荷沖擊破巖即為高頻諧振沖擊破巖的一種形式。

高頻諧振沖擊破巖技術(shù)作為一種新興的鉆井方法，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的研究較少，主要的研究成果如下：Li等[9]研究了諧波振動(dòng)激勵(lì)下鉆具的破巖機(jī)理并進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析；李思琪等[10-11]通過(guò)數(shù)值模擬和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)途徑研究了簡(jiǎn)諧振動(dòng)激勵(lì)下巖石的振動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題；楊威等[12]展開了共振碎巖機(jī)理、孔隙介質(zhì)對(duì)共振破巖過(guò)程的影響等方面的探索；阿伯丁大學(xué)在室內(nèi)成功開展了共振破巖實(shí)驗(yàn)，其切屑速度是常規(guī)鉆井方式的10倍。Wiercigroch[13]申請(qǐng)了共振增強(qiáng)鉆井的發(fā)明專利，發(fā)明了一種可以實(shí)現(xiàn)共振鉆井的裝置與方法；Pavlovskaia等[14]建立了高頻振動(dòng)沖擊鉆井模型，研究了靜態(tài)力，振幅和激勵(lì)頻率等因素對(duì)鉆進(jìn)效果的影響。

本文從復(fù)合載荷共同作用的角度研究了鉆頭的破巖提速機(jī)理。在已有的研究成果中，有關(guān)復(fù)合載荷作用的研究主要指巖石受鉆頭的靜壓切削和鉆頭的振動(dòng)沖擊共同作用[15-16]，這里的振動(dòng)沖擊主要指鉆頭與巖石無(wú)規(guī)律的振動(dòng)碰撞。而本文提出的復(fù)合載荷沖擊作用是一種新的破巖方式，這里的靜載指鉆壓，動(dòng)載指鉆頭施加于巖石上的高頻簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊，研究的是在鉆壓和簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊共同作用下鉆頭的破巖機(jī)理。通過(guò)本文的研究，可為高頻諧振沖擊破巖技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供理論基礎(chǔ)。

1 壓頭的破巖模型

假設(shè)鉆頭與地層巖石的作用為剛性的錐形壓頭與一個(gè)彈塑性半空間體的作用，如圖1所示。由已有研究成果可知，如果沖擊速度遠(yuǎn)低于材料的彈性波速度，或者沖擊的接觸面積和變形區(qū)域相比于碰撞體非常小，材料響應(yīng)是準(zhǔn)靜態(tài)地，準(zhǔn)靜態(tài)理論仍然適用[17-18]。因此，這里認(rèn)為彈塑性半空間體在靜載和簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊載荷作用下的響應(yīng)與準(zhǔn)靜態(tài)加載下的響應(yīng)相似。同時(shí)假設(shè)壓頭和半空間面之間的接觸作用是無(wú)摩擦的，卸載階段材料是彈性卸載。

圖1 錐形壓頭與彈塑性半空間體作用模型Fig.1 Model of conical head and elastoplastic half-space body

1.1 加載階段

剛性錐形壓頭對(duì)彈塑性半空間體沖擊過(guò)程中，由于高壓力，表面下方形成塑性核，并被剩余的彈性材料封閉。由空腔膨脹模型可得塑性核中的應(yīng)力pm為[19]

(1)

式中：ES為介質(zhì)的彈性模量；Y為介質(zhì)的屈服強(qiáng)度；vS為介質(zhì)的泊松比；β為錐形面與彈塑性半空間體之間的夾角。

為保證彈塑性半空間體發(fā)生破碎，作用于沖擊表面的沖擊力大小至少要克服塑性核中的應(yīng)力，即有

(2)

式中：a為接觸面的半徑；D為侵深。

由式(1)、式(2)可得

(3)

式(3)即為錐形壓頭下加載階段載荷和侵深的二次關(guān)系式，可表示為

Fl(δ)=Kldnl, nl=2

(4)

式中，Kl為壓頭加載中的接觸剛度，可表示為

式中，作用于沖擊表面的沖擊力可表示為

(5)

1.2 卸載階段

在卸載階段，錐形壓頭的載荷和侵深關(guān)系式可表示為

Ful=Kul(D-Df)2

(6)

式中，Kul為壓頭卸載中的接觸剛度，可表示為

由于在彈塑性半空間體恢復(fù)階段，有效的錐角β是改變的，載荷和侵深規(guī)律可更精確地近似為

Ful(D)=Kul(D-Df)nul

(7)

式中，nul<2; Df為卸載階段彈塑性半空間體達(dá)到的最終變形。

3 模型因素分析

基于壓頭的破巖模型，對(duì)復(fù)合載荷作用下影響壓頭侵深的因素進(jìn)行分析。

圖2分別為1 000N靜載、振幅為1 000N的簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊以及靜載和簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊共同作用下錐形壓頭侵入砂巖的侵深-時(shí)間曲線。由圖可知，理論上在相同靜載作用下壓頭的侵深是相同的。因此，在靜載作用下壓頭的侵深曲線是一條直線。但是在實(shí)際鉆井作業(yè)中，由于PDC鉆頭黏滑現(xiàn)象的存在，會(huì)存在憋鉆問(wèn)題，每次鉆壓的作用并不能都起到巖石破碎的效果，鉆頭的侵深并不能保持一個(gè)恒定的值。

圖2 不同載荷作用下壓頭侵入砂巖的侵深曲線Fig.2 Relations between invasion depth and time in different loads

在簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊下，壓頭的侵入曲線也呈簡(jiǎn)諧振動(dòng)趨勢(shì)，最大侵深也可達(dá)到單獨(dú)靜載作用下的侵深。但在簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊下，巖石的破碎主要是由于巖石自身響應(yīng)發(fā)生顯著變化而造成的，鉆頭起到的作用主要是傳遞簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊載荷和輔助破巖的作用。相比于常規(guī)鉆井，PDC鉆頭憋鉆問(wèn)題大大減輕，黏滑現(xiàn)象大大減少，鉆頭斷齒、崩齒等現(xiàn)象減少。因此，簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊鉆井可在保證侵深的前提條件下減少鉆具失效。

由復(fù)合載荷共同作用下壓頭的侵入曲線可知，壓頭的侵深大大增加，這是由于在這種情況下，既可以保持靜載作用下的恒定侵深，簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊作用又可以減少鉆壓的負(fù)面效應(yīng)，從而大大提高了鉆頭的破巖效率。

由圖3可知，復(fù)合載荷作用下壓頭侵入不同巖石產(chǎn)生的最大侵深不同，這是由彈性模量、泊松比以及屈服強(qiáng)度等巖石特性共同決定的，這些因素屬于巖石的固有性質(zhì)。這些固有性質(zhì)的不同，決定了巖石固有頻率的不同，在不同激勵(lì)頻率的諧振沖擊作用下，壓頭可產(chǎn)生的最大侵深也截然不同。由圖4可知，在復(fù)合載荷作用下，錐形壓頭隨著β角的增加，產(chǎn)生的最大侵深增加。這是由于β角越大，錐形壓頭垂直作用于巖石表面的作用力越大，因此巖石越易破碎。

圖3 復(fù)合載荷作用下壓頭侵入不同巖石的侵深曲線Fig.3 Relations between invasion depth and time of different rocks under combined load

圖4 復(fù)合載荷作用下不同β角壓頭侵入砂巖的侵深曲線Fig.4 Relations between invasion depth and time of sandstone in different β under combined load

3 數(shù)值模擬

分別應(yīng)用ANSYS有限元軟件中靜力學(xué)分析模塊和諧響應(yīng)分析模塊分析巖石在靜載、復(fù)合載荷作用下錐形壓頭與巖石的作用。壓頭先對(duì)巖石施加1 000N的靜載，進(jìn)行靜力學(xué)分析。在求解的基礎(chǔ)上再次施加沖擊振幅為1 000N，沖擊頻率為1～1 000Hz的諧振力進(jìn)行諧響應(yīng)分析。巖石與壓頭的基本特性參數(shù)如表1所示。巖石與錐形壓頭以2∶1的比例建模，進(jìn)行網(wǎng)格化分，如圖5所示。

圖5 模型的網(wǎng)格劃分效果圖Fig.5 The mesh sample of model

名稱彈性模量E/Pa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3)砂巖1．6×10100．2092557壓頭2．06×10110．37850

靜載、復(fù)合載荷共同作用下求解的巖石位移云圖如6～圖9所示。

如圖6所示，靜載作用下壓頭侵入巖石的位移響應(yīng)主要集中于壓頭與巖石的接觸區(qū)域，此區(qū)域巖石振動(dòng)劇烈，而接觸以外的區(qū)域巖石只會(huì)產(chǎn)生微振動(dòng)，巖石的破碎區(qū)域主要集中于靜載重復(fù)作用下壓頭與巖石的接觸區(qū)域。

圖6 靜載作用下壓頭侵入巖石的位移云圖Fig.6 Displacement contours of rock under static load

圖7 激勵(lì)頻率為200 Hz時(shí)壓頭侵入巖石的位移云圖Fig.7 Displacement contours of rock under 200 Hz excitation frequency

圖8 激勵(lì)頻率為400 Hz時(shí)壓頭侵入巖石的位移云圖Fig.8 Displacement contours of rock under 400 Hz excitation frequency

圖9 激勵(lì)頻率為600 Hz時(shí)壓頭侵入巖石的位移云圖Fig.9 Displacement contours of rock under 600 Hz excitation frequency

圖7～圖9為復(fù)合載荷沖擊作用下壓頭侵入巖石的位移響應(yīng)過(guò)程代表圖。如圖所示，激勵(lì)初期巖石的位移響應(yīng)與靜載作用下類似，隨著激勵(lì)頻率的增加，巖石的振動(dòng)響應(yīng)呈現(xiàn)先劇烈，后平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)激勵(lì)頻率為400 Hz時(shí)，壓頭接觸區(qū)域的巖石振動(dòng)位移顯著，接觸區(qū)域以外的巖石也呈現(xiàn)劇烈振動(dòng)。之后隨著激勵(lì)頻率的增加，巖石又恢復(fù)微振動(dòng)狀態(tài)。由此可以看出，復(fù)合載荷作用下，巖石可以達(dá)到靜載侵入效果的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)一步加大巖石的響應(yīng)程度，擴(kuò)大巖石的響應(yīng)范圍，大大提高巖石的破碎效果。

圖10為砂巖的位移響應(yīng)隨激勵(lì)頻率變化的曲線圖。由圖可知，當(dāng)激勵(lì)頻率達(dá)到330 Hz左右時(shí)，巖石的位移響應(yīng)曲線出現(xiàn)峰值，且明顯高于其它激勵(lì)頻率下巖石的振動(dòng)響應(yīng)。這是由于此時(shí)砂巖達(dá)到了共振狀態(tài)，由共振性質(zhì)可知當(dāng)激勵(lì)頻率與巖石固有頻率相同時(shí)，砂巖產(chǎn)生共振，振動(dòng)劇烈，容易破碎。這也進(jìn)一步說(shuō)明了圖8中當(dāng)激勵(lì)頻率在400 Hz左右時(shí)，巖石整體振動(dòng)劇烈的原因。由此可知，在復(fù)合載荷作用下，如果動(dòng)載的激勵(lì)頻率與巖石的固有頻率相同，激勵(lì)巖石產(chǎn)生共振，巖石將會(huì)產(chǎn)生明顯高于靜載作用下的強(qiáng)烈的振動(dòng)響應(yīng)，巖石達(dá)到易破碎狀態(tài)。

圖10 砂巖的諧響應(yīng)位移頻率曲線Fig.10 The harmonic response curve of sandstone

圖11、圖12分別為靜載、復(fù)合載荷共同作用下求解的巖石應(yīng)力云圖。

圖11 靜載作用下壓頭侵入巖石的應(yīng)力云圖Fig.11 Stress contours of rock under static load

圖12 激勵(lì)頻率為600 Hz時(shí)壓頭侵入巖石的應(yīng)力云圖Fig.12 Stress contours of rock under600 Hz excitation frequency

由靜載、復(fù)合載荷作用下壓頭侵入巖石的應(yīng)力云圖對(duì)比可知，靜載作用下壓頭沖擊力作用區(qū)域主要集中于壓頭與巖石的接觸區(qū)域以及小部分的周邊區(qū)域，靜載作用范圍有限，巖石破碎程度有限。而在復(fù)合載荷沖擊作用下的巖石，載荷作用區(qū)域由最初壓頭周邊擴(kuò)展到整個(gè)巖石，動(dòng)載作用范圍明顯大于靜載，巖石受到的最大應(yīng)力也明顯高于靜載，顯著提高了巖石的破碎程度。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合載荷沖擊作用在現(xiàn)場(chǎng)鉆井作業(yè)中的應(yīng)用，東北石油大學(xué)“高效鉆井破巖技術(shù)研究室”自主研發(fā)了“高頻低幅軸向沖擊工具”。它是通過(guò)工具內(nèi)部獨(dú)特的流道結(jié)構(gòu)，將鉆井液的流體能量轉(zhuǎn)換成高頻的簡(jiǎn)諧振動(dòng)沖擊力傳遞給鉆頭，再配合以鉆壓和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)鉆頭對(duì)巖石的復(fù)合載荷沖擊作用。工具的沖擊頻率為15 Hz，工作鉆壓為6～14 t，轉(zhuǎn)速為50～60 r/min，排量為28～32 L/min。圖13為“高頻低幅軸向沖擊工具”的實(shí)物圖。將沖擊工具應(yīng)用于M井6 500～6 700 m井段，該井段的巖性包括灰色細(xì)砂巖、褐色泥巖、灰褐色粉砂質(zhì)泥巖等，其固有頻率大約在1 000 Hz左右。由于工具的沖擊頻率相比所鉆地層巖石的固有頻率非常小，很難使其共振，因此此次作業(yè)中，工具主要起到的是簡(jiǎn)諧沖擊破巖的作用。

圖13 高頻低幅軸向沖擊工具實(shí)物圖Fig.13 The high-frequency low-amplitude axial impact tool

由圖14可知，“高頻低幅軸向沖擊工具”平均機(jī)械鉆速可達(dá)3 m/h。在6 574～6 668 m井段，常規(guī)鉆具純鉆進(jìn)時(shí)間為50 h，平均機(jī)械鉆速為1.88 m/h，工具平均機(jī)械鉆速為3.33 m/h，為常規(guī)鉆具機(jī)械鉆速的177.1%，提高77.1%。在6 500～6 596 m井段，常規(guī)鉆具純鉆時(shí)間為52.05 h，平均機(jī)械鉆速為1.84 m/h，工具機(jī)械鉆速為2.91 m/h，提高機(jī)械鉆速58.2%。綜上所述，工具應(yīng)用井段平均提速67.65%，這是基于復(fù)合載荷作用減少了鉆頭憋鉆、崩齒等失效問(wèn)題的同時(shí)，還擴(kuò)大了巖石的受力范圍和響應(yīng)程度，在保證鉆具壽命的同時(shí)，提高了復(fù)雜難鉆地層巖石的破巖效率，從而實(shí)現(xiàn)提高機(jī)械鉆速的目的。

圖14 工具機(jī)械鉆速隨井深變化曲線Fig.14 Changes of drilling rate with well depth of tool

5 結(jié) 論

(1)分別建立了壓頭與巖石在復(fù)合載荷沖擊作用下加載階段和卸載階段的作用模型。通過(guò)模型的因素分析可知，復(fù)合載荷作用可以在保證鉆深基礎(chǔ)上，減少鉆具失效；壓頭侵入的深度取決于彈性模型、泊松比等巖石的固有性質(zhì)；β角越大，巖石越易破碎。

(2)通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析可得，復(fù)合載荷沖擊作用擴(kuò)大了巖石的響應(yīng)范圍和載荷的作用區(qū)域，加劇了巖石振動(dòng)的劇烈程度。特別是當(dāng)激勵(lì)頻率與巖石固有頻率相同或接近時(shí)，巖石產(chǎn)生共振，整體振動(dòng)位移達(dá)到峰值，最易破碎。

(3)“高頻低幅軸向沖擊工具”的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用進(jìn)一步證明了復(fù)合載荷沖擊作用的破巖效果：工具應(yīng)用井段平均機(jī)械鉆速可達(dá) 3 m/h，與常規(guī)鉆具相比，平均提速可達(dá)67.65%。

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A study on the rock breaking mechanism of drill bits under combined loads and field applications

LI Siqi1，LI Wei1，YAN Tie1，GAO Han2，BI Fuqing3，MA Hongbin4

(1. Institute of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2. Daqing Petrochemical Research Center, Petro China, Daqing 163714, China; 3. The Fifth Oil Production Plant of Daqing Oilfield, Petro China, Daqing 163513, China; 4. Drilling Engineering Technology Research Institute of XDEC, Petro China, Karamay 834000, China)

Impacting rock under combined loads, as one of efficient rock breaking technology, can solve the drilling problem of complex hard formation, such as slow drilling rate, serious drilling tool failure. Based on the theories of elastic mechanics and impact mechanics, a rock breaking model of indenters was proposed and the effects of factors on the invasion depth were studied. Also, finite element software was used to analyze the response of displacement and the stress of the rock. At last, the effect of increasing speed under the impacting of combined loads was proved further through field applications. Results of theoretical research show that: the technology not only can guarantee the invasion depth, but also can reduce the drilling tool failure. It also can expand the response range of rock and the working area of loads and increase the intensity of rock vibration. When the excitation frequency is the same as or is close to the natural frequency of rock, the rock will be resonant and the vibration displacement is the largest. Effects of field applications show that: the average of drilling rate of high-frequency low-amplitude axial impact tool is 3 m/h. It is increased of 67.65% compared with conventional drilling tools.

combined load; impacting; invasion depth; rock breaking efficiency; field application

“十三五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目20(2016ZX05020-002)；國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(51490650)

2016-04-21 修改稿收到日期： 2016-06-28

李思琪 女，博士，講師，1989年生

李瑋 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1978年生

TE21

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.008