氣體鉆井超前探測震源工具設(shè)計(jì)及力學(xué)性能模擬研究

李 皋， 黎洪志， 簡 旭， 王 軍， 王松濤

（1. 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)）, 四川成都 610500；2. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司川東鉆探公司, 重慶 401147）

氣體鉆井不僅用于提高機(jī)械鉆速和治理井漏，還在發(fā)現(xiàn)和保護(hù)儲層方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[1]。然而，地層出水、井眼失穩(wěn)等工程瓶頸使其受到嚴(yán)重制約，隨鉆超前探測技術(shù)可提前預(yù)測到鉆頭前方的地層界面、斷層、溶洞和異常高壓等風(fēng)險(xiǎn)地層，降低鉆頭前方地層信息的不確定性，保證氣體鉆井的安全性[2-5]。當(dāng)井下沖擊震源工具產(chǎn)生可控的振動波信號時(shí)，可根據(jù)鉆柱頂端振動波的主頻預(yù)測鉆頭前方地層的巖性，而牙輪鉆頭產(chǎn)生的軸向沖擊能量弱、振動無規(guī)律，無法用于聲波前探[6-7]，因此氣體鉆井近鉆頭沖擊震源工具的設(shè)計(jì)與研發(fā)成為迫切需要。國內(nèi)外學(xué)者對井下沖擊振動工具開展了大量研究，倪紅堅(jiān)等人[8]研制了自激振蕩式旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具，王冠[9]對該工具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。為了克服鉆頭震源強(qiáng)度不足的問題，J. J. KOLLE等人[10]研制了一種掃頻水力脈沖震擊器。由于氣體鉆井的環(huán)空介質(zhì)為空氣，壓縮性比較強(qiáng)，因此上述類型沖擊結(jié)構(gòu)不適合氣體鉆井的工況。管志川等人[11-12]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式井下吸振沖擊鉆井工具，基于此工具的功能，可考慮采用花鍵帶動沖擊塊上下移動。張玉英[13]設(shè)計(jì)了一種整體機(jī)械式隨鉆震擊器，由于卡瓦需要較大的阻力情況下才能產(chǎn)生震擊力，因此卡瓦不能被用于井下沖擊震源工具設(shè)計(jì)中，但可以借鑒隨鉆震擊器上提、下放鉆柱的方式，使工具產(chǎn)生沖擊力。劉剛等人[14]設(shè)計(jì)了一種卡瓦式井下震源，由于井下環(huán)境比較復(fù)雜，其錨定裝置可能會影響井壁的穩(wěn)定性和引發(fā)井下故障，因此該震源不適合作為氣體鉆井的井下震源。

綜合分析井下沖擊震源工具的工作原理發(fā)現(xiàn)，采用摩擦卡瓦機(jī)構(gòu)需要較大的井下阻力，且設(shè)計(jì)難度很大，因此設(shè)計(jì)氣體鉆井井下沖擊震源工具時(shí)，可采用上提鉆柱的方式帶動沖擊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動波信號。筆者基于氣體鉆井隨鉆聲波探測原理，并結(jié)合室內(nèi)沖擊試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化了沖擊震源工具的結(jié)構(gòu)及尺寸，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了力學(xué)性能分析，設(shè)計(jì)了適用于氣體鉆井的井下沖擊震源工具。該工具可顯著衰減鉆柱振動波的尾波，有利于地層反射波信號的識別。

1 沖擊震源工具結(jié)構(gòu)及工作原理

基于氣體鉆井環(huán)境下隨鉆前探工具自激自收的原理，確定了沖擊震源工具的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了適用于氣體鉆井的隨鉆近鉆頭沖擊震源工具（見圖1），其主要由傳動機(jī)構(gòu)、沖擊機(jī)構(gòu)和吸振機(jī)構(gòu)組成。沖擊震源工具的上接頭與彈片連接件通過螺紋連接，彈片肩帶動沖擊塊一起上行并壓縮彈簧。底部吸振機(jī)構(gòu)由金屬圓盤和減振材料組成，用于衰減縱向上的振動尾波，吸振圓筒用于衰減徑向上的振動尾波。連接體的內(nèi)花鍵與傳動桿的外花鍵相連接，正常鉆進(jìn)時(shí)可為下部鉆具組合傳遞鉆壓和扭矩。該震源工具采用上提鉆柱的方式產(chǎn)生振動波信號，激發(fā)方式操作方便，沖擊能量強(qiáng)且不需要井下供電，作業(yè)時(shí)間短，降低了卡鉆、溢流風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 沖擊震源工具的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of impact source tool

根據(jù)沖擊震源工具的結(jié)構(gòu)，結(jié)合現(xiàn)場鉆井工況，可知其工作原理為：

1）正常鉆進(jìn)時(shí)，上接頭的花鍵與連接頭的花鍵相連接，沖擊震源工具處于關(guān)閉狀態(tài)。沖擊震源工具可為鉆柱傳遞鉆壓和扭矩，保證氣體的循環(huán)流通。起鉆時(shí)，傳動桿的限位機(jī)構(gòu)帶動下部鉆具組合一起上行，更換鉆頭。

2）當(dāng)鉆遇需要超前探測的層段時(shí)，停止鉆進(jìn)，保持氣體循環(huán)流通；上提鉆柱，傳動桿帶動沖擊塊一起上行，并壓縮彈簧；當(dāng)彈簧被壓縮到一定距離時(shí)，沖擊塊在重力和彈力的作用下脫離彈片肩，向下沖擊吸振圓盤，產(chǎn)生標(biāo)志性的振動波信號，實(shí)現(xiàn)超前探測的目的；下筒體內(nèi)的吸振圓筒和吸振圓盤用于衰減鉆鋌振動波信號，提高識別地層反射波的能力。

3）當(dāng)沖擊震源工具完成一次沖擊后，下放鉆柱傳動桿下行，彈片連接件的彈片肩與沖擊塊的凹槽相連接，沖擊震源工具處于關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)超前探測的需要，需要井下沖擊震源產(chǎn)生振動波信號時(shí)，重復(fù)上提、下放鉆柱即可。

2 沖擊震源工具機(jī)構(gòu)優(yōu)化

2.1 吸振機(jī)構(gòu)優(yōu)化

沖擊源測距試驗(yàn)結(jié)果表明，聚四氟乙烯的衰減系數(shù)大，因此選用聚四氟乙烯作為吸振機(jī)構(gòu)的減振材料[15]。為分析井下沖擊震源內(nèi)底部吸振機(jī)構(gòu)對鉆鋌振動波的衰減效果，在地面建立了相應(yīng)的沖擊試驗(yàn)裝置，模擬井下震源工具的沖擊方式。用空心圓管和鋼球來模擬鉆鋌和沖擊塊，用玻璃圓筒模擬沖擊塊所處的腔室，分析鋼球沖擊不同吸振機(jī)構(gòu)對鉆鋌振動波的影響。

鋼球沖擊未使用聚四氟乙烯的吸振機(jī)構(gòu)時(shí)，空心圓柱上接收到的振動波形和頻譜如圖2所示。從圖2可以看出，振動波形中的尾波非常顯著，并存在二次沖擊振動波；頻譜圖中存在各種頻率成分的振動波，主頻在5 000 Hz左右。

圖2 未使用聚四氟乙烯時(shí)的振動波形和頻譜Fig.2 Vibration waveform and frequency spectrum without PTFE

用同一鋼球沖擊使用聚四氟乙烯的吸振機(jī)構(gòu)，不同沖擊高度下加速度傳感器接收到的振動波形和頻譜如圖3所示。

圖3 使用聚四氟乙烯后鋼球在不同沖擊高度的振動波形和頻譜Fig.3 Vibration waveform and frequency spectrum with PTFE of steel ball at different impact heights

從圖3可以看出，首波為雷克子波且加速度最大，振動波形中的尾波顯著衰減，振動波形中存在二次沖擊振動波，這是因?yàn)殇撉蛟诓ＡA筒內(nèi)落下時(shí)會多次沖擊金屬；隨著沖擊高度增大，首波的加速度逐漸增大。沖擊高度大于50 cm時(shí)，振動波內(nèi)未發(fā)現(xiàn)二次沖擊振動波，這是因?yàn)殡S著沖擊高度增大，鋼球第一次沖擊金屬與第二次沖擊金屬的時(shí)間間隔增長，導(dǎo)致加速度傳感器未記錄到二次沖擊振動波。不同沖擊高度下沖擊振動波的主頻分別為501和612 Hz，表明聚四氟乙烯可以顯著衰減振動波的高頻成分，且介于地震勘探和測井的頻率之間，可實(shí)現(xiàn)高分辨率、遠(yuǎn)距離探測的目的。隨著沖擊高度增大，振動波形中的二次沖擊振動波減少，頻譜圖中的低頻成分減少。因此，為了更好地提取鉆鋌振動波內(nèi)弱地層的反射波信號，選用聚四氟乙烯衰減鉆鋌振動波的尾波。同時(shí)，提高沖擊塊的沖擊高度，可增大首波的加速度幅值，降低二次沖擊振動波對地層反射波信號的干擾。

使用鋼球沖擊聚四氟乙烯吸振機(jī)構(gòu)，得到?jīng)_擊力與沖擊能量的關(guān)系（見圖4）。由圖4可知，沖擊力隨沖擊能量增加呈線性增加，并在落石沖擊力研究中得到驗(yàn)證[16]。根據(jù)圖4的擬合關(guān)系式可求得，當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，沖擊力為1 330 N，再根據(jù)牛頓第二定律可計(jì)算出質(zhì)量為12.94 kg金屬圓盤的振動加速度為102.75 m/s2。

圖4 沖擊力與沖擊能量的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between impact force and impact energy

砂巖中的振動波加速度幅值與傳播距離呈負(fù)指數(shù)關(guān)系[17]，可表示為：

式中：y為不同傳播距離時(shí)接收到的振動波幅值，m/s2；x為振動波的傳播距離，m；α為砂巖的衰減系數(shù)，取0.25；A0為震源強(qiáng)度，m/s2。

沖擊試驗(yàn)時(shí)加速度傳感器的最小分辨率為0.98 m/s2，當(dāng)沖擊能量為50 J時(shí)，砂巖上振動波的最遠(yuǎn)傳播距離為18.61 m，可實(shí)現(xiàn)氣體鉆井超前探測的目的。

2.2 沖擊機(jī)構(gòu)優(yōu)化

VIBSIT-50微型可控震源單次沖擊的能量為50 J，可產(chǎn)生頻率高達(dá)1 500 Hz的震源信號，在較長時(shí)間內(nèi)而不是在短時(shí)間用大功率發(fā)射，可以在不損失分辨率或略有損失的情況下達(dá)到較大的穿透深度[18-19]。聚四氟乙烯在長時(shí)間載荷的作用下會發(fā)生塑性變形，沖擊能量越強(qiáng)，聚四氟乙烯的塑性變形越大，從而影響底部吸振機(jī)構(gòu)的性能。因此，選擇沖擊震源的激發(fā)能量為50 J，沖擊塊的質(zhì)量為10 kg，不僅能實(shí)現(xiàn)超前探測的目的，同時(shí)也可延長吸振機(jī)構(gòu)的使用壽命。

根據(jù)沖擊震源的激發(fā)能量，利用RecurDyn軟件對沖擊塊的運(yùn)動過程進(jìn)行模擬計(jì)算，得到震源裝置外筒的長度為1 076 mm，傳動桿的長度為1 064 mm。沖擊塊的運(yùn)動速度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示，沖擊塊與底部金屬圓盤碰撞時(shí)的速度為3 411.1 mm/s，根據(jù)動能方程，計(jì)算得到碰撞時(shí)的能量為58.18 J。

圖5 改進(jìn)后沖擊塊的運(yùn)動速度與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between movement speed and time of impact block after improvement

底部金屬圓盤受到的沖擊力與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示，此時(shí)金屬圓盤受到的最大沖擊力為1 652.98 N，遠(yuǎn)小于金屬的屈服強(qiáng)度。底部聚四氟乙烯受到的沖擊力與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖7所示，此時(shí)聚四氟乙烯受到的最大沖擊力為1 796.88 N。

圖6 改進(jìn)后底部金屬圓盤受到的沖擊力與時(shí)間的關(guān)系Fig.6 Relationship between impact force and time of bottom metal disc after improvement

圖7 改進(jìn)后聚四氟乙烯受到的沖擊力與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Relationship between impact force and time of PTFE after improvement

3 工具關(guān)鍵部件的力學(xué)性能研究

3.1 底部吸振圓盤的力學(xué)性能

為了增強(qiáng)吸振圓盤的強(qiáng)度，考慮將不銹鋼和聚四氟乙烯復(fù)合為一體，以增強(qiáng)聚四氟乙烯的抗沖擊能力。為分析復(fù)合吸振圓盤的抗沖擊能力，首先通過單軸壓縮試驗(yàn)獲取聚四氟乙烯的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，優(yōu)選出準(zhǔn)確描述聚四氟乙烯力學(xué)性能的本構(gòu)模型；然后利用Abaqus軟件分析吸振圓盤中聚四氟乙烯變形量與沖擊力的關(guān)系，為震源沖擊力設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

單軸壓縮試驗(yàn)中，聚四氟乙烯的長度為50 mm，直徑為25 mm，在Abaqus軟件中設(shè)置其泊松比為0.40，輸入聚四氟乙烯的單軸應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)；選擇適用于小應(yīng)變的超彈性材料的Mooney-Rivlin模型。將聚四氟乙烯網(wǎng)格模型的底端固定，頂部施加載荷，模擬單軸壓縮試驗(yàn)。模擬結(jié)果表明，頂部中心處應(yīng)力較小，邊緣處應(yīng)力較大。隨著聚四氟乙烯壓縮位移的增加，頂部中心處的應(yīng)力逐漸增加。將該模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比（見表1），發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相對誤差在±20%以內(nèi)，驗(yàn)證了該本構(gòu)模型及試驗(yàn)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

表1 不同壓縮位移下聚四氟乙烯的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Simulation results and test results of PTFE under different compression displacements

基于選取的本構(gòu)模型和試驗(yàn)參數(shù)，利用Abaqus軟件對沖擊機(jī)構(gòu)中聚四氟乙烯進(jìn)行力學(xué)性能模擬研究。沖擊機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格模型從上到下依次為沖擊塊、金屬墊片和聚四氟乙烯。該模型中聚四氟乙烯和金屬墊片固定在一起，然后將模型底部固定，在頂部施加載荷，分析不同壓縮位移下沖擊塊的沖擊力。模擬結(jié)果表明，不同沖擊力下聚四氟乙烯的中心處應(yīng)力較小，邊緣處的應(yīng)力最大；隨著沖擊力增大，聚四氟乙烯中心處的壓力顯著增大。根據(jù)不同壓縮位移下聚四氟乙烯的應(yīng)力，計(jì)算得到了聚四氟乙烯所承受的沖擊力（見表2）。聚四氟乙烯的壓縮位移為0.1 mm時(shí)，聚四氟乙烯承受的沖擊力為2 003.95 N，此時(shí)聚四氟乙烯的相對變形僅為0.03%。由圖7可知，沖擊震源工具優(yōu)化后，聚四氟乙烯受到的最大沖擊力為1 796.88 N，因此該沖擊震源工具中的底部吸振機(jī)構(gòu)可以承受沖擊塊的沖擊。

表2 聚四氟乙烯不同壓縮位移下承受的沖擊力Table 2 Impact force on PTFE under different compression displacements

3.2 傳動桿限位機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能

利用SolidWorks軟件對傳動桿螺紋連接面處進(jìn)行力學(xué)性能模擬研究，確定該限位機(jī)構(gòu)的抗拉能力。傳動桿參數(shù)采用鉆鋌材質(zhì)參數(shù)，其彈性模量為216 GPa，泊松比為0.30，屈服強(qiáng)度為710 MPa。將傳動桿的頂端固定，在限位機(jī)構(gòu)處施加相當(dāng)于下部鉆具組合重量的拉力，得到傳動桿臺階在拉力600，800和1 150 kN下的應(yīng)力分布云圖（見圖8）。

圖8 不同拉力下螺紋連接面的應(yīng)力分布云圖Fig.8 Stress distribution on threaded connection surface under different tensions

從圖8可以看出，隨著傳動桿臺階處載荷增大，螺紋面的應(yīng)力主要集中在螺紋第一圈和第二圈上，因此第一圈和第二圈螺紋容易產(chǎn)生疲勞失效；當(dāng)臺階處的拉力增大到1 150 kN時(shí)，螺紋面的應(yīng)力主要集中在第一圈螺紋處，且已經(jīng)達(dá)到了材料的屈服強(qiáng)度。因此，限位機(jī)構(gòu)處承受下部鉆具的重量不能超過1 150 kN。

4 現(xiàn)場施工方案及其主要優(yōu)勢

氣體鉆井過程中，可將沖擊震源工具安裝在兩根鉆鋌間（要盡可能靠近鉆頭），傳動桿承受下面鉆鋌的拉力，鉆鋌的重量全部施加到鉆頭上，保證鉆頭與地層緊密耦合，提高識別弱地層反射波信號的能力。當(dāng)鉆遇需要超前探測的層位時(shí)，停止頂驅(qū)鉆進(jìn)，保持氣體循環(huán)，上提鉆具使沖擊震源工具激發(fā)低頻振動波信號，安裝于空氣錘上的檢波器接收鉆頭前方地層的反射波信號，利用鉆柱內(nèi)微波中繼器接力傳輸?shù)姆绞綄⑻綔y數(shù)據(jù)傳輸至地面。

目前，隨鉆聲波探測技術(shù)主要采用單極縱波源、偶極橫波源和方位縱波源，隨鉆條件下聲源激發(fā)的波場容易受到環(huán)空介質(zhì)和鉆柱的強(qiáng)烈調(diào)制，且鉆鋌模式波會嚴(yán)重干擾地層反射波的識別[20-23]。因此，上述施工方案中，利用鉆頭與地層的接觸將沖擊振動波信號傳入地層，可降低振動波在環(huán)空介質(zhì)中的衰減，提高振動波的透射能力。吸振圓盤結(jié)構(gòu)可承受沖擊塊的沖擊，吸振圓盤內(nèi)的聚四氟乙烯能顯著衰減鉆鋌上的振動尾波，提高識別地層弱反射波信號的能力。起下鉆作業(yè)過程中，傳動桿限位結(jié)構(gòu)可承受下部鉆具的拉力。該震源工具產(chǎn)生的沖擊能量強(qiáng)且不需井下供電，沖擊振動波的頻率介于地震勘探和測井頻率之間，可滿足氣體鉆井條件下高分辨率、遠(yuǎn)距離探測的目的。

5 結(jié) 論

1）基于氣體鉆井的環(huán)境，設(shè)計(jì)了沖擊震源工具的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了震源工具的吸振機(jī)構(gòu)和沖擊機(jī)構(gòu)。在氣體鉆井過程中，當(dāng)鉆遇到需要超前探測的風(fēng)險(xiǎn)地層時(shí)，停止鉆進(jìn)，通過上提鉆柱的方式產(chǎn)生高能量的低頻振動波信號，該震源激發(fā)方式可降低鉆進(jìn)過程中噪音的干擾，震源能量強(qiáng)且不需要供電系統(tǒng)，可以很好地適應(yīng)氣體鉆井的井下環(huán)境。

2）震源工具關(guān)鍵部件的抗沖擊能力有限元分析結(jié)果表明，金屬墊片和聚四氟乙烯組成的吸振機(jī)構(gòu)可承受沖擊塊的沖擊，可用于衰減鉆柱的振動尾波。起下鉆過程中，傳動桿的限位機(jī)構(gòu)可承受下部鉆具的拉力，其可靠性滿足氣體鉆井作業(yè)要求。

3）該隨鉆沖擊震源工具可在鉆井液環(huán)境中應(yīng)用，當(dāng)鉆遇需要超前探測的地層時(shí)，停止鉆進(jìn)和鉆井液循環(huán)，可以減少井底的噪音干擾，更易于識別鉆頭前方的弱地層反射波信號，提高隨鉆前探的能力。