高速旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖數(shù)值模擬及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

景英華, 袁鑫偉, 姜 磊, 張 恒, 倪紅堅(jiān)

(1.中國石油天然氣集團(tuán)西部鉆探工程有限公司,新疆庫爾勒 841000; 2.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院,山東青島 266580)

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井中,“液動(dòng)沖擊器+PDC鉆頭”鉆井在現(xiàn)場試驗(yàn)中取得良好的提速效果[1]。自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具是液動(dòng)沖擊器的一種,它區(qū)別于傳統(tǒng)液動(dòng)沖擊器,具有無機(jī)械活動(dòng)易損部件、沖擊力來源于鉆井液流體的自激振蕩、穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[2-5]。螺桿鉆具配合自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具,通過高速旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井可有效提高機(jī)械鉆速。旋轉(zhuǎn)沖擊破巖提速主要原因是沖擊增加了鉆頭吃入地層深度[6-7],且?guī)r石呈體積破碎狀態(tài)。筆者采用顯式動(dòng)力學(xué)有限元模擬PDC鉆頭在雙向載荷作用下的破巖過程,對比常規(guī)鉆進(jìn)、旋沖鉆進(jìn)及高速旋沖鉆進(jìn)3種鉆進(jìn)狀態(tài)下,鉆頭轉(zhuǎn)速、沖擊力、沖擊頻率等對破巖效率的影響,揭示高速旋轉(zhuǎn)沖擊破巖的提速機(jī)制。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 基本假設(shè)

假設(shè):①PDC齒為硬質(zhì)合金處于彈性無塑性變形狀態(tài);②將微小時(shí)間段內(nèi)PDC齒的螺旋切削等效為平面切削;③巖層無限大。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

模擬中研究單個(gè)PDC齒切削巖石,物理模型及其網(wǎng)格劃分見圖1。其中W為作用在單PDC上的鉆壓,kN;v為前進(jìn)速度,m/s。復(fù)合片尺寸為Φ17 mm×3 mm,巖石尺寸為80 mm×40 mm×30 mm,PDC齒后傾角為20°,PDC齒初始吃入深度設(shè)計(jì)為2 mm。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間取模型對稱的一半進(jìn)行計(jì)算。

圖1 PDC巖石物理模型及網(wǎng)格劃分Fig.1 Physical model and its meshing of PDC

1.3 材料定義及參數(shù)設(shè)置

PDC齒材料為硬質(zhì)合金,設(shè)置為剛體,密度ρ=15.0×103kg/m3,彈性模量E=579 GPa,泊松比μ=0.22。巖石材料設(shè)置為混凝土,采用HJC模型[7-9]定義。選用的材料模型參數(shù)見表1。其中G為材料剪切模量,GPa;ρ為材料的密度,kg/m;fc為材料抗壓強(qiáng)度,GPa;T為材料所能承受的最大拉應(yīng)力,GPa;A為歸一化黏聚強(qiáng)度參數(shù);B為歸一化壓力硬化參數(shù);N為壓力硬化指數(shù);C為應(yīng)變率系數(shù);D1和D2為材料損傷參數(shù);Smax為歸一化最大強(qiáng)度極限;pcrush和plock為材料線彈性范圍內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度測試過程中壓力和材料壓實(shí)壓強(qiáng),GPa;μcrush和μlock分別為材料線彈性范圍內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度測試過程中體積應(yīng)變和視體積應(yīng)變;EFmin為材料斷裂塑性應(yīng)變;K1、K2、K3為與材料相關(guān)的常數(shù),GPa;Fs為與軟件相關(guān)的參數(shù)。

表1 混凝土H-J-C材料模型參數(shù)

HJC模型的強(qiáng)度以規(guī)范化等效應(yīng)力描述為

σ*=[A(1-D)+BP*N](1+Clnε*).

(1)

1.4 邊界條件及載荷

模擬計(jì)算中,限定巖石底端面所有自由度,巖石的切分面對稱約束,為模擬無限大地層,3個(gè)周面設(shè)置為非反射邊界條件,沿x方向施加速度載荷,并限定其z方向的平動(dòng)自由度及所有旋轉(zhuǎn)自由度。

假設(shè)PDC鉆頭直徑為215.9 mm,鉆壓為40 kN,23 cm自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具形成的沖擊力約為16 kN,任意時(shí)刻有20個(gè)齒與地層接觸,則旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)過程中,所建立的1/2片PDC齒受壓力載荷在1～1.4 kN間周期波動(dòng),周期為2 ms(自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的振蕩頻率為500～700 Hz)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖2為高速旋沖破巖過程中PDC齒切削巖石的不同時(shí)刻的內(nèi)部等效應(yīng)力分布云圖?？梢钥闯?在鉆壓和沖擊載荷的作用下,PDC齒沿著巖石表面的切向和法向運(yùn)動(dòng),接觸部分巖石應(yīng)力逐漸增加,當(dāng)達(dá)到巖石材料的屈服極限時(shí),巖石破碎并被移除,實(shí)現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井破巖過程的模擬。

圖2 同時(shí)刻巖石內(nèi)部等效應(yīng)力云圖Fig.2 Equivalent stress cloud map of rock at different times

圖3 前進(jìn)阻力隨時(shí)間波動(dòng)情況Fig.3 Forward resistance fluctuates with time

基于上述模擬方法,以相同時(shí)間內(nèi)破碎巖石的體積即巖石失效單元的數(shù)量作為衡量破巖效果的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)考察PDC齒吃入巖層的深度。圖3為巖石破碎過程中PDC齒前進(jìn)阻力的變化。可以看出,單齒PDC前進(jìn)切削巖石過程中,在有沖擊力作用下和沒有沖擊力作用下PDC齒受到的前進(jìn)阻力隨時(shí)間而波動(dòng)。因?yàn)閹r石達(dá)到屈服強(qiáng)度以后脫離本體,模擬中失效的單元是立即刪除,因此切削力驟降,這種變化規(guī)律反應(yīng)了PDC切削巖石過程中“躍進(jìn)式”的破碎特性[11-12]。從圖4的PDC齒前進(jìn)阻力可以看出,雖然有沖擊作用下PDC齒的吃入地層深度增加,二者前進(jìn)阻力上卻相差不大,表明沖擊振動(dòng)減少了鉆頭的前進(jìn)阻力,并且模擬后期沖擊作用下PDC齒的前進(jìn)阻力的變化更穩(wěn)定,表明沖擊振動(dòng)減少了鉆頭的黏滑效應(yīng)。

2.1 鉆頭轉(zhuǎn)速對破巖效率的影響

模擬中設(shè)置沖擊頻率為500 Hz,則沖擊力作用的周期為T=2 ms;假定選擇某個(gè)PDC齒距離鉆頭中心的距離為r=0.05 m,常規(guī)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)時(shí)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為N=60 r/min,則PDC齒的前進(jìn)速度為v=0.314 m/s,為計(jì)算方便取v=0.3 m/s,高速旋沖工況下取v=0.6和v=0.9 m/s,即此時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)速分別為115和172 r/min。圖4為3種轉(zhuǎn)速下巖石的破碎情況(其他參數(shù)均相同)。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下巖石破碎情況Fig.4 Rock elements failed at different speeds

從圖4看出轉(zhuǎn)速對破巖效率的影響比較明顯,轉(zhuǎn)速越大單位時(shí)間內(nèi)破碎巖石的體積越大,當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速由0.3 m/s提高到0.9 m/s時(shí)單位時(shí)間破碎巖石體積即破巖效率提高了近1倍。圖5為3種工況下PDC齒前進(jìn)阻力的變化情況,可以看出鉆頭轉(zhuǎn)速越快,鉆頭前進(jìn)的阻力變化越劇烈。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下前進(jìn)阻力變化情況Fig.5 Change of forward resistance at different rotational speeds

2.2 沖擊力對破巖效率的影響

模擬高速旋轉(zhuǎn)沖擊工況下相同沖擊頻率不同沖擊力幅值的巖石破碎情況,其中v=0.6 m/s,W=1 kN,沖擊力頻率為500 Hz,沖擊力幅值分別為0(即無沖擊作用)、300、350、400和450 N。圖6為不同沖擊力幅值作用下巖石破碎情況。可以看出,在其他條件相同的情況下巖石破碎單元的數(shù)量隨沖擊力的幅值增大而增大,即沖擊力的增加能提高旋沖破巖的效率,其中有沖擊作用下巖石破碎效率提高了54.6%～97.8%。

圖6 不同沖擊力作用下巖石破碎情況Fig.6 Rock elements failed under different impact forces

圖7為不同沖擊力作用PDC齒吃入巖層的深度曲線。可以看出,在其他條件相同沖擊力幅值不同的條件下PDC齒吃入地層深度隨沖擊力的增大而增大,印證了破碎體積隨沖擊力的增大而增大的變化規(guī)律。

圖7 不同沖擊力作用下PDC齒吃入地層深度情況Fig.7 Depth of PDC penetrating rock under different impact force

2.3 沖擊頻率對破巖效率的影響

模擬高速旋沖狀態(tài)不同頻率對破巖效果的影響,邊界條件設(shè)置為:v=0.6 m/s,W=1 kN,假設(shè)不同頻率下沖擊力幅值均為400 N,分別模擬沖擊頻率為0、100、200、400和500 Hz。結(jié)果見圖8。

從圖8看出,在沖擊力幅值及其他條件相同的情況下,巖石破碎單元的數(shù)量隨沖擊頻率的增大而增大,其中頻率從200到500 Hz巖石破碎效率是增加的,增加幅度為24.2%～85.1%,且100 Hz與200 Hz沖擊力作用下破碎效率較為接近,400 Hz與500 Hz沖擊力作用下破碎效率較為接近,結(jié)合圖7、圖8表明,沖擊力幅值的增加相比沖擊頻率的增加對破巖效率的影響更大。

圖8 不同沖擊頻率作用下巖石破碎情況Fig.8 Rock elements failed under different impact frequency

3 高速旋轉(zhuǎn)沖擊破巖提速機(jī)制

通過對旋沖破巖中鉆頭轉(zhuǎn)速、沖擊力幅值及沖擊頻率的控制變量單因素模擬研究可以看出,高速旋轉(zhuǎn)沖擊相比于旋轉(zhuǎn)沖擊在使用相同的自激振蕩式?jīng)_擊工具后,正是由于提高了轉(zhuǎn)速從而提高了破巖效率,而相比于常規(guī)的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)既提高了鉆頭轉(zhuǎn)速又增加了鉆頭的吃入地層深度從而提高破巖效率。圖9為3種不同工況下的巖石破碎情況。

圖9 不同工況下巖石破碎情況Fig.9 Rock elements failed under different working conditions

從圖9看出,破巖效率由高到低依次為高速旋沖鉆進(jìn)、旋沖鉆進(jìn)和常規(guī)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，而且在常規(guī)鉆進(jìn)過程中巖石破碎過程比較線性,旋沖鉆進(jìn)和高速旋沖鉆進(jìn)都有一個(gè)短時(shí)間內(nèi)破碎巖石的體積突然增加的過程,表明沖擊破巖的過程有一個(gè)能量積蓄到突然釋放的過程,反映到宏觀上是“體積破碎”。

圖10為3種不同工況條件下PDC齒吃入巖石的深度?？梢钥闯?旋沖破巖過程中單個(gè)PDC齒吃入巖石的深度都明顯高于常規(guī)鉆進(jìn),且高速旋沖破巖與旋沖破巖在鉆壓及沖擊力幅值不變但前進(jìn)速度增加的情況下,牙齒的吃入深度有所降低,表明高速旋沖破巖過程中轉(zhuǎn)速和沖擊力同時(shí)影響著切削齒吃入深度。

圖10 不同工況下牙齒吃入深度Fig.10 Depth of PDC penetrating rock under different working conditions

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井受到地面設(shè)備和井下工具的限制,轉(zhuǎn)速一般在60～120 r/min,沖擊器的沖擊頻率一般為15～20 Hz,而自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具由于采用了自激振蕩式水力元件沖擊頻率為500 Hz以上,為了避免對井底巖石的重復(fù)沖擊,最大限度提高破巖效率,要求同時(shí)提高轉(zhuǎn)速。因此自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具與螺桿鉆具聯(lián)合使用是相輔相成的,是對單獨(dú)使用螺桿鉆具與自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的強(qiáng)化升級。

4 現(xiàn)場驗(yàn)證

自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊工具(ZJXC)與螺桿鉆具(PDM)聯(lián)合使用作為一種新的思路在塔河油田10區(qū)和12區(qū)由中石化華北石油工程公司承鉆的TH10435H井和TH12272井進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

4.1 TH10435井

TH10435H井使用兩套自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具,分別入井2次,鉆進(jìn)井段為1 804～6 047 m,總純鉆時(shí)間為260.6 h,平均機(jī)械鉆速16.3 m/s。鉆具組合:Φ250.88 mmPDC+Φ203 mmZJXC+Φ197 mmPDM+Φ203.2 mmDC+Φ248 mmSTB+Φ177.8 mmDC+Φ127 mmHWDP+XO(411×520)+Φ139.7 mmDP。鉆井參數(shù):鉆壓40～100 kN,轉(zhuǎn)速50～60 r/min,排量31～32 L/s、泵壓21～22 MPa,鉆井液密度1.29～1.30 g/cm3。表2為TH10435H井與附近地層相同使用鉆井參數(shù)相近的鄰井單獨(dú)使用螺桿鉆具的機(jī)械鉆速對比,可以看出試驗(yàn)2井最高提速達(dá)90.5%,平均提速效果達(dá)60.9%。

表2 試驗(yàn)井TH10435H與鄰井TH10417X機(jī)械鉆速對比

4.2 TH12272井

TH12272井鉆進(jìn)至白堊系下統(tǒng)亞格列木組井深5 172 m時(shí),下入自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具,并鉆至完鉆井深6 318 m,共使用一套工具,純鉆時(shí)間167.48 h,進(jìn)尺1 146 m,平均機(jī)械鉆速6.84 m/h,鉆具組合:Φ250.88 mm PDC+Φ203 mm ZJXC+Φ197 mm PDM+Φ203.2 mm DC+Φ248 mm STB+Φ203 mm DC+Φ177.8 mm NDC+Φ177.8 mm DC+Φ165.1 mm DC+Φ127 mm HWDP+XO(411×520)+Φ139.7 mm DP。表3給出了實(shí)驗(yàn)井TH12272井與附近地層相同使用鉆井參數(shù)相近的鄰井相同井段單獨(dú)使用螺桿鉆具的機(jī)械鉆速對比數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高速旋沖作業(yè)井TH12272相對單獨(dú)使用螺桿鉆進(jìn)的鄰井TH12266和TH12256,平均提速效果分別為35.51%和45%。

表3 實(shí)驗(yàn)井TH12272與臨井TH12266、TH12256機(jī)械鉆速對比

5 結(jié) 論

(1)旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井中,在其他條件相同的情況下,增大鉆頭的轉(zhuǎn)速,鉆頭吃入地層深度減少,前進(jìn)阻力增大且波動(dòng)更為劇烈,巖石破碎效率提高。

(2)增大鉆頭上的沖擊力幅值可有效增加鉆頭吃入地層的深度,提高巖石破碎效率;增大鉆頭上沖擊力頻率,鉆頭輸入能量增加,有效提高了破巖體積。

(3)螺桿鉆具結(jié)合自激振蕩式高速旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具形成的自激振蕩式高速旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)相比于自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)提高了鉆頭轉(zhuǎn)速;相對于單獨(dú)螺桿鉆進(jìn),提高了切削齒的吃深。高速旋沖鉆進(jìn)相比單獨(dú)使用螺桿鉆具提速效果明顯,試驗(yàn)井相對于鄰井單螺桿鉆井,提速比例分別為60.9%、35.51%和45%。