高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井PDC鉆頭切削齒瞬間碰撞破巖分析

楊先倫,何世明,王濤

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院,陜西 西安 710075;2.西南石油大學石油與天然氣工程學院,四川 成都 610500)

0 引言

深部硬地層受高溫和高圍壓的影響,巖石硬度增加和塑形增強,導致PDC鉆頭破巖效果變差.硬地層中機械鉆速的大幅度降低和鉆頭壽命極大的縮短,嚴重制約了PDC鉆頭在深部地層中的有效運用.鉆井實踐表明,深部硬地層鉆進時PDC鉆頭的黏滑振動問題突出,會讓鉆頭承受極大的沖擊載荷,PDC復合片在這種載荷下極容易破裂、斷脫,從而導致鉆頭失效[1-4].

為了解決PDC鉆頭在深部硬地層的應用難題,2000年加拿大阿特拉公司發(fā)明了PDC鉆頭扭力沖擊破巖新方法,即采用扭力沖擊發(fā)生器配合高抗沖擊性PDC鉆頭,扭力發(fā)生器以1 000～2 400 min-1的頻率向鉆頭施加扭向脈沖扭矩,消除了黏滑振動現(xiàn)象,擴展了PDC鉆頭在高硬度脆性巖石(硬質(zhì)泥巖、火成巖等)、高研磨性砂巖、礫巖和硬夾層等地層中的適用范圍,同時大幅提高了機械鉆速.高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井在北美、亞太、中東、非洲等地區(qū)均有應用,機械鉆速提高50%～300%.國內(nèi)已在陸地和海上多個區(qū)塊試驗和推廣了阿特拉扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術.在四川元壩區(qū)塊沙溪廟-自流井組砂巖、礫巖和泥巖地層、塔河油田石炭系地層、塔里木油田石炭系以下地層,機械鉆速提高了90%～200%.總體來看,高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖鉆井技術在國內(nèi)難鉆深部硬地層中取得了很好的提速效果[5-9].

祝效華等[10-14]在關于PDC扭轉(zhuǎn)沖擊破巖機理的研究中,分析了高頻扭轉(zhuǎn)沖擊作用下硬地層中鉆頭的動態(tài)破巖過程,進行了扭力沖擊鉆具的設計與室內(nèi)試驗.本文運用計算機輔助工程軟件,對常規(guī)旋轉(zhuǎn)破巖與高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖情況下的鉆頭切削齒與巖石相互作用進行模擬與對比分析,可為扭力沖擊發(fā)生器與專用PDC鉆頭的國產(chǎn)化研究提供技術參考.

1 切削齒沖擊破巖瞬間碰撞動態(tài)分析

PDC鉆頭扭力沖擊鉆進方式是把持續(xù)慢速的壓剪、切削變成脈沖沖擊與持續(xù)切削的疊加,切削過程中的脈沖沖擊只在極短時間內(nèi)完成[15-17].常規(guī)鉆井時,鉆頭切削齒以均勻的線速度v0作用于巖石上,而扭力沖擊破巖則在鉆頭切削齒上疊加一個周期性沖擊脈沖.沖擊錘簡化為質(zhì)量為m1的質(zhì)點,鉆頭簡化為質(zhì)量為m2的質(zhì)點.在碰撞極短時間內(nèi),沖擊錘和切削齒以同樣的角速度向前運動,直到鉆井液高壓區(qū)與低壓區(qū)的切換導致沖擊錘反方向受力,沖擊錘速度變小,兩接觸面脫離.根據(jù)動量守恒定律可求得沖擊錘的速度變化量.

動量守恒定律為

其中

碰撞后的沖擊錘速度為

則沖擊錘速度變化量為

沖擊錘最大沖擊力為

沖擊錘最大沖擊扭矩為

同時,也可求得鉆頭的線速度增量:

切削齒實際線速度峰值為

式中:v為碰撞前沖擊錘速度,mm/s;ω為碰撞后瞬間沖擊錘與鉆頭共同的角速度,rad/s;r1為沖擊錘旋轉(zhuǎn)半徑,mm;r2為切削齒旋轉(zhuǎn)半徑,mm;FL為鉆井液對沖擊錘面作用力,kN;t1為碰撞前沖擊錘運動時間,s;tc為沖擊作用時間,s;v1為切削齒的實際線速度峰值,mm/s;v′為碰撞后的沖擊錘速度,mm/s;Δv1為沖擊錘速度變化量,mm/s;Δv2為鉆頭切削齒線速度增量,mm/s;A′為沖擊錘最大沖擊力,kN;Bmax為沖擊錘最大沖擊扭矩,kN.mm.

2 切削齒破巖動態(tài)模擬參數(shù)

基于切削齒沖擊破巖瞬間碰撞動態(tài)分析,運用ABAQUS軟件,對PDC鉆頭高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖瞬間碰撞進行動態(tài)模擬,可得出沖擊參數(shù)對破巖效果的影響規(guī)律[18-21].

2.1 巖石屬性

選取的巖心性能參數(shù)如表1所示.

表1 巖心性能參數(shù)

2.2 切削齒屬性

選取冠頂?shù)那邢鼾X作為分析對象,切削齒直徑16 mm,前傾角16°;假設切削齒材料屬性為聚晶金剛石,參數(shù)如表2所示.

表2 切削齒屬性參數(shù)

2.3 切削齒沖擊破巖附加頻率

常規(guī)鉆進時,切削齒以50 mm/s勻速破巖;高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進時,則在切削齒上作用了一個附加脈沖頻率.為了分析附加脈沖頻率對沖擊破巖的影響,本文考慮了在切削齒上附加5種工況的沖擊頻率,分別為0,1 200,1 600,2 000,2 400 min-1.

2.4 施加載荷與約束

在模擬過程中,應考慮鉆井液液柱壓力和圍壓的影響.根據(jù)上述壓力載荷和分析的巖石類型,對巖石側(cè)面施加圍壓,破巖面施加液柱壓力,同時固定巖石底面垂直方向上的位移自由度.模擬加載的垂向應力、最大主應力和鉆井液液柱壓力分別為129.59,87.35,72.00 MPa,地層壓力為66.23 MPa.

PDC切削齒等效為剛體,相關邊界條件與載荷都施加在剛體的參考點上.在切削齒參考點上施加勻速50 mm/s的切削速度,其所受反作用力載荷F=3 kN,固定切削齒參考點所有方向上的旋轉(zhuǎn)自由度和垂直方向上的位移自由度.

3 沖擊頻率對破巖效果的影響

3.1 切向力

PDC鉆頭切削齒的破壞主要由黏滑振動引起的軸向、側(cè)向、切向的振動和沖擊所導致.因為切向力沿著切削方向,表征了切削力的大小和切削齒的工作環(huán)境,所以對比分析不同工況下的切向力,對于了解沖擊頻率對切削齒受力環(huán)境的影響有著重要意義.

5種工況下沖擊頻率對切削齒切向力的影響如圖1所示.開始切削階段,因為初始壓力和脈沖載荷尚未加載,所以均呈現(xiàn)出較大波動,這一階段不用于比較.由圖1可以看出,沒有脈沖載荷時,切削齒切向力呈現(xiàn)巨大波動,峰值達到4.2 kN,但是力的平均值只有2.2 kN,這種波動除了會對切削齒造成較強的切向沖擊外,還會使聚晶金剛石復合片承受很大的交變應力,加速切削齒的疲勞和破壞.在附加頻率為1 200 min-1的脈沖載荷以后,切向力波動明顯減輕,波動峰值降為3.7 kN,均值增加到2.6 kN.1 600 min-1脈沖載荷條件下,切向力峰值為3.5 kN,均值為3.0 kN;2 000 min-1時,切向力峰值為3.5 kN,均值為3.3 kN;2 400 min-1時,切向力峰值為2.8 kN,均值為2.6 kN.

圖1 沖擊頻率對切削齒切向力的影響

3.2 垂向位移

5種工況下沖擊頻率對切削齒垂向位移的影響如圖2所示.由圖2可知,切削齒在沒有脈沖載荷的情況下,振動最強且切削深度最淺,為0.30 mm,破碎坑呈現(xiàn)凹凸不平狀,這種現(xiàn)象實質(zhì)為黏滑振動.施加1 200 min-1的脈沖載荷以后,發(fā)生了2個方面的改變:一是垂向振動次數(shù)和振動頻率均有所減小,分析原因為沖擊載荷使黏滑振動現(xiàn)象有所減緩;二是切削深度有所增加,這是由于黏滑振動現(xiàn)象減輕導致的切削連續(xù)性增強.繼續(xù)增加脈沖載荷頻率至1 600 min-1,出現(xiàn)了3個方面的變化:一是因為切削連續(xù)性的增加導致切屑深度的繼續(xù)增加;二是沖擊載荷減輕,黏滑振動導致的振幅減小;三是振動頻率增加,切削深度增加,但是沖擊力增加得不夠大,導致破碎遇到困難,產(chǎn)生微小振動.當沖擊頻率增加至2 000 min-1時,切削深度達到最大,垂向振動現(xiàn)象也基本消除,此時的沖擊頻率和沖擊能量與巖石的破碎相對應.當沖擊頻率增加到2 400 min-1時,有2個現(xiàn)象值得注意:一是切削深度減小,出現(xiàn)了負增長,分析原因為沖擊頻率過高,沖擊作用時間過短,沖擊能量得不到充分利用,巖石破碎有限;二是垂向位移曲線趨于平滑,黏滑振動現(xiàn)象徹底消失.

圖2 沖擊頻率對切削齒垂向位移的影響

3.3 破巖體積

5種工況下沖擊頻率對巖石破碎體積的影響如圖3所示.由圖3可以看出,當頻率從0增長到2 000 min-1的過程中,巖石破碎體積呈不斷增長趨勢,這與切削深度的不斷增加和切削連續(xù)性增強有關,但是當頻率增加到2400min-1時,巖石破碎體積呈現(xiàn)下降趨勢,這與沖擊頻率太高、作用時間短、破巖不徹底有直接關系.所以從巖石破碎體積角度來看,該模擬中的破巖最優(yōu)沖擊頻率為2 000 min-1.

圖3 沖擊頻率對巖石破碎體積的影響

3.4 巖石破碎比功

破碎比功直接表征破巖效率,結(jié)合巖石破碎體積計算得出破碎比功.5種工況下沖擊頻率對巖石破碎比功的影響如圖4所示.由圖4可以看出,當頻率增加時,巖石破碎比功減小.出現(xiàn)這種趨勢的原因為:雖然破巖能量在增加,但是巖石破碎體積也在增加,破裂面積減小,最終導致破碎比功減小.然而當頻率增加到2 400 min-1時,巖石破碎比功呈現(xiàn)上升趨勢,超過了1 600 min-1條件下的比功,說明破巖效率大大降低,出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是能量在持續(xù)增加,但是破碎體積卻在減小.所以,從破巖效率角度來看,該模擬中的破巖最優(yōu)沖擊頻率也約為2 000 min-1.

圖4 沖擊頻率對巖石破碎比功的影響

4 結(jié)論

1)在鉆壓、脈沖力與切向力的共同作用下,切削齒切向力波動隨沖擊頻率的增加而變小,平均切向力隨沖擊頻率的增大而增大;切削齒的垂向振動幅度隨沖擊頻率的增大而減小,巖石形成體積破碎,破碎深度由淺到深,最后穩(wěn)定在一定切削深度.

2)巖石破碎體積隨沖擊頻率的增加先增大后減小,在沖擊頻率2 000 min-1左右達到最大值;巖石破碎比功隨沖擊頻率的增加先減小后增大,在沖擊頻率2 000 min-1附近達到最小值.