南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1孔螺桿鉆具造斜數(shù)值模擬分析

程紅文，朱恒銀，程錦華，劉兵

(1. 建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2. 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽六安 237010； 3. 吉林大學(xué)，長春 130061)

0 引言

不同巖性的巖石由于其礦物成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，導(dǎo)致巖石的物理力學(xué)性質(zhì)具有較大的差異[1]，且螺桿鉆具在孔內(nèi)造斜時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)極其復(fù)雜[2, 3]，因此其造斜機(jī)理難以通過數(shù)學(xué)公式定量計(jì)算分析。采用軟件模擬螺桿鉆具碎巖過程，是研究螺桿鉆具造斜機(jī)理及造斜規(guī)律的有效方法。

南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1孔為“大陸科學(xué)鉆探選址與鉆探實(shí)驗(yàn)綜合研究”課題的一部分[4, 5]，位于武夷山與南嶺成礦帶交匯處—贛南銀坑多金屬礦田、于都縣銀坑鎮(zhèn)[6, 7]，終孔孔深2967.83 m。根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際試驗(yàn)情況，螺桿鉆具造斜主要發(fā)生在1691.98 m以上孔段，鉆遇的巖層主要有變質(zhì)沉凝灰?guī)r、巖屑石英砂巖、細(xì)砂巖、中層狀粉砂巖、含炭質(zhì)粉砂巖及含炭質(zhì)泥巖等，且多處巖漿巖呈脈狀產(chǎn)出，分別為花崗斑巖、流紋巖、輝長閃長玢巖和花崗閃長斑巖[8-10]。

從上述巖層中選取代表性巖石，采用Abaqus軟件模擬螺桿鉆具碎巖過程。分別模擬螺桿鉆具在軟、硬程度不同的單一巖石中的碎巖狀態(tài)，研究螺桿鉆具造斜機(jī)理及規(guī)律，并分析巖石硬度對造斜的影響；模擬螺桿工具由軟巖進(jìn)入硬巖、硬巖進(jìn)入軟巖界面時(shí)的碎巖狀態(tài)，研究螺桿鉆具造斜機(jī)理及規(guī)律，并分析巖石軟硬界面處的各向異性對造斜的影響。

本次數(shù)值模擬簡化螺桿鉆具的外部受力環(huán)境，直接施加軸向壓力、轉(zhuǎn)速、泵量至造斜鉆頭，以模擬造斜鉆頭碎巖時(shí)在巖層中產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)[11, 12]，從而定性分析螺桿鉆具造斜機(jī)理及規(guī)律。

1 模型相關(guān)參數(shù)

根據(jù)南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1孔螺桿鉆具造斜工藝，選取模型參數(shù)如下：①鉆孔結(jié)構(gòu)為直孔，孔徑97 mm；②孔深100 m；③上覆巖層壓力2.3 MPa；④造斜螺桿鉆具外徑73 mm，彎外管1°，彎外管及以下部分長1 m，造斜鉆頭直徑80 mm；⑤鉆頭承受的軸向鉆壓為8 kN，與鉛垂線夾角1°，鉆頭轉(zhuǎn)速250 r/min，扭矩460 N·m，沖洗液泵量300 L/min，沖洗液密度1.0 g/cm3；⑥螺桿鉆具力學(xué)參數(shù)見表1；⑦巖石力學(xué)參數(shù)見表2。

表1 螺桿鉆具力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of screw drilling tool

表2 巖石力學(xué)參數(shù)Table 2 Rock mechanical parameters

2 模型設(shè)計(jì)

選取南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1孔代表性巖石花崗閃長斑巖、凝灰質(zhì)板巖、粉砂巖及含碳質(zhì)泥巖。①模擬螺桿鉆具在花崗閃長斑巖、凝灰質(zhì)板巖、粉砂巖及含碳質(zhì)泥巖4種單一巖性地層中碎巖狀態(tài)；②模擬螺桿鉆具在凝灰質(zhì)板巖—花崗閃長斑巖、粉砂巖—花崗閃長斑巖、含碳質(zhì)泥巖—花崗閃長斑巖、花崗閃長斑巖—凝灰質(zhì)板巖、花崗閃長斑巖—粉砂巖、花崗閃長斑巖—含碳質(zhì)泥巖6種不同巖性交界面地層的碎巖狀態(tài)。其示意簡圖見圖1。

圖1 螺桿鉆具在單一巖性地層和不同巖性地層交界面鉆進(jìn)示意簡圖Fig.1 Drilling diagram with screw drilling tool at single lithologic formation and the interface between different lithologic formation

采用Abaqus軟件進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，由于兩種巖石交界面處存在尖角，六面體單元?jiǎng)澐掷щy，故巖體采用c3d4單元，螺桿鉆具和鉆頭采用c3d8r單元，見圖2。由于螺桿鉆上部鉆柱只傳遞鉆壓，不傳遞扭矩，故鉆頭與螺桿鉆具間采用connector單元中的Cartesian連接(見圖3)，只耦合平行于z軸方向的力和位移。為了加快connector單元的建立，運(yùn)用Python語言對Abaqus進(jìn)行了二次開發(fā)。

圖2 Abaqus軟件建立的螺桿鉆具及巖體模型Fig.2 Screw drilling tool and rock mass model established by Abaqus software

圖3 鉆頭與螺桿鉆具的Cartesian連接Fig.3 Cartesian connection between bit and screw drilling tool

假設(shè)條件如下：①不考慮巖石和鉆柱、鉆頭的塑性，不考慮鉆柱和孔壁的接觸；②考慮鉆頭和孔底的接觸，沖洗液只考慮對井壁和孔底的壓力；③忽略摩擦生熱和散熱的影響。

3 邊界條件

①巖石邊界條件：上端施加上覆壓力，其余五個(gè)面垂直于該面的方向施加固定邊界條件，見圖4。

圖4 巖石邊界條件示意圖Fig.4 Schematic diagram of rock boundary conditions

②造斜工具邊界條件：上端施加壓力，鉆頭施加轉(zhuǎn)速，鉆柱x、y方向和繞x、y的轉(zhuǎn)角固定；造斜工具下部和孔底摩擦；接觸類型采用Abaqus自帶的面面接觸。

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 單一巖性地層數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1.1 應(yīng)力分析

造斜鉆具在單一巖性地層鉆進(jìn)時(shí)，由于螺桿鉆具的彎外管為1°，螺桿鉆具在孔內(nèi)處于傾斜狀態(tài)(見圖5)，因此其孔底巖石最大主應(yīng)力分布具有明顯偏向性。

圖5 模擬螺桿鉆具在孔內(nèi)碎巖示意圖Fig.5 Simulation diagram of rock breaking with screw drilling tool in hole

模擬造斜鉆具在含炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)板巖及花崗閃長斑巖中鉆進(jìn)時(shí)的應(yīng)力等值線圖，見圖6。由圖6可知，對于上述4種巖石，最大主應(yīng)力最大值相差并不大，但孔底鉆頭左側(cè)(工具面低邊)接觸處的最大主應(yīng)力數(shù)值均明顯大于右側(cè)(工具面高邊)[13]，因此左側(cè)巖石將會(huì)先于右側(cè)破碎，鉆孔將會(huì)向右偏斜，即鉆孔軸線將發(fā)生沿螺桿鉆具高邊工具面方向的偏斜，從而產(chǎn)生導(dǎo)向鉆進(jìn)[14]。因此無論巖石類型如何，對于同一巖性，螺桿鉆具將會(huì)有明顯的導(dǎo)向性，最大主應(yīng)力最大值相差并不大。

圖6 造斜鉆具在不同巖層中鉆進(jìn)時(shí)的應(yīng)力等值線圖Fig.6 Stress contour map of deviation drilling tool when drilling in different rock strata

4.1.2 應(yīng)變分析

模擬造斜鉆具在含炭質(zhì)泥巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)板巖、花崗閃長斑巖中鉆進(jìn)時(shí)的應(yīng)變等值線圖見圖7。對于4種巖石，其最大主應(yīng)變處都為鉆頭接觸的左側(cè)(工具面低邊)，與應(yīng)力分布所得結(jié)果一致，但應(yīng)變數(shù)值大小相差較大。由于花崗閃長斑巖和凝灰質(zhì)板巖巖石強(qiáng)度較大，其應(yīng)變較小，粉砂巖和含炭質(zhì)泥巖強(qiáng)度較小，其應(yīng)變較大。粉砂巖最大主應(yīng)變?yōu)榛◢忛W長斑巖的近4倍，強(qiáng)度最弱的含炭質(zhì)泥巖的最大主應(yīng)變是花崗巖的近9倍。所以，盡管分布規(guī)律相同，在相同鉆壓下，軟質(zhì)巖石會(huì)出現(xiàn)更大的變形，更容易發(fā)生破碎，螺桿鉆具導(dǎo)向鉆進(jìn)速率也更大。

圖7 造斜鉆具在不同巖層中鉆進(jìn)時(shí)的應(yīng)變等值線圖Fig.7 Strain contour map of deflecting drilling tool when drilling in different rock strata

4.2 不同巖性交界面數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.2.1 應(yīng)力分析

分別做了①凝灰質(zhì)板巖—花崗閃長斑巖、②粉砂巖—花崗閃長斑巖、③含碳質(zhì)泥巖—花崗閃長斑巖、④花崗閃長斑巖—凝灰質(zhì)板巖、⑤花崗閃長斑巖—粉砂巖、⑥花崗閃長斑巖—含碳質(zhì)泥巖6個(gè)不同巖性交界面的數(shù)值模擬分析，見圖8。其中圖8(a)、(b)、(c)為上軟層下硬層，圖8(d)、(e)、(f)為上硬層下軟層，作為兩大對照組。

圖8 不同巖性交界面應(yīng)力等值線圖Fig.8 Stress contour map of interface between different rock properties

由圖8(a)、(b)、(c)應(yīng)力等值線圖可看出，當(dāng)?shù)貙訛樯宪泴酉掠矊訒r(shí)，由于上覆巖層的壓力以及巖石邊界的傾角，應(yīng)力會(huì)集中于左上角交界處的較硬地層處，上下地層強(qiáng)度相差越大，該處應(yīng)力值越大。鉆頭附近由于相較巖層上覆壓力鉆壓較小，螺桿鉆對于鉆孔底部附近的應(yīng)力分布影響較小，而且通過圖8(a)、(b)、(c)的對比可以看出，當(dāng)上下地層軟硬相差越大，其對最大主應(yīng)力總體分布影響越小，螺桿鉆的導(dǎo)向功能就越差，可見使用螺桿鉆進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)時(shí)上下地層強(qiáng)度相差不能太大。由圖8(d)、(e)、(f)應(yīng)力等值線圖可看出，當(dāng)?shù)貙訛樯嫌矊酉萝泴訒r(shí)，最大主應(yīng)力出現(xiàn)在地層交界處右下角的較硬地層中。對于鉆頭附近，螺桿鉆對鉆孔底部最大主應(yīng)力場的分布有較大影響。由應(yīng)力圖中可看出，在鉆孔底部的左下角(工具面底邊)，其應(yīng)力值相比周圍有明顯增大，這種情況下，本就強(qiáng)度較小的下部地層，巖石破碎將更加迅速，使得鉆孔軸線會(huì)更快地沿巖層交界面方向彎曲[15, 16]，而受到螺桿鉆具工具面角影響較小，同樣使螺桿鉆導(dǎo)向功能大打折扣。上下地層強(qiáng)度相差越大，螺桿鉆導(dǎo)向功能越差。

4.2.2 應(yīng)變分析

應(yīng)變分析見圖9，圖9(a)、(b)、(c)為上軟層下硬層，圖9(d)、(e)、(f)為上硬層下軟層。

由圖9(a)、(b)、(c)應(yīng)變等值線圖可看出，最大主應(yīng)變也出現(xiàn)在左上角，不同的是，其出現(xiàn)在左上角較軟地層中。其原因在于較軟地層強(qiáng)度較小，受力更容易發(fā)生變形，故應(yīng)變較大。對于鉆孔底部，從應(yīng)變關(guān)系上看，在8 kN的鉆壓下，螺桿鉆并未對孔底的應(yīng)變場產(chǎn)生較大影響，其原因在于鉆壓較小，而下層巖石較硬，難以產(chǎn)生較大變形。因此，從應(yīng)變的角度分析，螺桿鉆對于下部較硬、上部較軟的地層，依然難以取得較好的導(dǎo)向鉆進(jìn)，當(dāng)下部地層強(qiáng)度與上部地層強(qiáng)度相差越大，其效果越差，當(dāng)下部地層與上部地層強(qiáng)度相差越小，導(dǎo)向效果稍好，其結(jié)果與應(yīng)力分析相符。

圖9(d)、(e)、(f)應(yīng)變等值線圖中，最大主應(yīng)變出現(xiàn)在右下角，與應(yīng)力不同的是，其出現(xiàn)在右下角較軟地層中，原因同樣是較軟地層更易發(fā)生變形。與最大主應(yīng)力所得結(jié)論相似，在8 kN的鉆壓下，以本例中螺桿鉆施加的角度，鉆頭與孔底接觸偏左部分應(yīng)變較大，且地層越軟，應(yīng)變越大，下部地層與上部地層強(qiáng)度相差越大，應(yīng)變在孔底左側(cè)越集中，最終也會(huì)導(dǎo)致鉆孔沿巖層交界面方向彎曲，而不受螺桿鉆具工具面角影響，使螺桿具鉆導(dǎo)向效果減弱。

5 結(jié)論

本文選取了南嶺科學(xué)鉆探NLSD-1孔造斜孔段中花崗閃長斑巖、凝灰質(zhì)板巖、粉砂巖、含碳質(zhì)泥巖等典型巖石，通過Abaqus軟件對螺桿鉆具在單一巖性和不同巖性交界面碎巖進(jìn)行數(shù)值模擬研究，得出了如下主要結(jié)論：

(1)螺桿鉆具在單一巖性地層造斜時(shí)，其工具面低邊側(cè)巖石先于工具面高邊側(cè)巖石破碎，使鉆孔軸線沿螺桿鉆具高邊工具面方向進(jìn)行導(dǎo)向鉆進(jìn)。在相同鉆壓下，軟質(zhì)巖石會(huì)出現(xiàn)更大的變形，更容易發(fā)生破碎，螺桿鉆具導(dǎo)向鉆進(jìn)速率也更大。

(2)螺桿鉆具在不同巖性交界面造斜時(shí)，當(dāng)?shù)貙訛樯宪泴酉掠矊訒r(shí)，螺桿鉆具對于鉆孔底部附近的應(yīng)力、應(yīng)變分布影響較小，螺桿鉆的導(dǎo)向功能較差，且上下地層軟硬相差越大，導(dǎo)向功能越差；當(dāng)?shù)貙訛樯嫌矊酉萝泴訒r(shí)，強(qiáng)度較小的下部巖石最先破碎，使鉆孔軸線沿巖層交界面方向彎曲，而受到螺桿鉆具工具面角影響較小，使螺桿鉆導(dǎo)向功能變差，同樣是上下地層強(qiáng)度相差越大，螺桿鉆導(dǎo)向功能越差。

(3)本文數(shù)值模擬分析及得出的結(jié)論，一定程度上揭示了螺桿鉆的造斜機(jī)理和造斜規(guī)律，可以為螺桿鉆具在巖層導(dǎo)向鉆進(jìn)提供相關(guān)的指導(dǎo)依據(jù)。但在實(shí)際的工程中，地層復(fù)雜多變，螺桿鉆具受力環(huán)境也錯(cuò)綜復(fù)雜，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)在不同地層及受力環(huán)境下螺桿鉆具造斜的研究。