集減振、脈沖和沖擊于一體的鉆井提速工具設(shè)計及仿真

劉 鵬

(中石化石油工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102206)

引 言

鉆頭破碎巖石過程中，因鉆頭與地層的相互作用，管柱與井壁的碰撞和摩擦，泥漿泵上水振動等原因，導(dǎo)致鉆井過程中始終存在鉆柱振動，而且鉆柱振動具有極大的危害性，能夠引起如鉆頭損傷、鉆柱磨損及鉆柱疲勞失效等問題[1]，為此，國內(nèi)外對鉆柱振動的影響因素及規(guī)律進行了大量研究，其中減少振動危害的研究較多，對鉆柱振動利用的研究較少。

為了提高破巖效率，國內(nèi)外研發(fā)了多種以沖擊作用、水力脈沖等為動力來源的提速工具，通過增加破巖作用力，降低井底壓實效應(yīng)等手段實現(xiàn)提速。管志川等[2]研發(fā)的井底減振增壓器，通過鉆柱的縱向振動帶動柱塞上下運動，將少部分鉆井液壓縮后通過鉆頭上的特制噴嘴產(chǎn)生100 MPa以上高壓射流來提高破巖效率。李根生等[3]研制的水力脈沖空化射流裝置，當(dāng)下鉆到井底進行鉆井液循環(huán)時，一部分鉆井液進入導(dǎo)流體帶動葉輪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)子與定子互相封閉時，流道面積最??；當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子互相流通時，流道面積最大，從而造成流道面積周期性變化，在下游形成持續(xù)的高壓脈動射流。陶興華等[4]研制的射流沖擊器利用射流元件的附壁效應(yīng)和雙穩(wěn)射流元件的切換原理，鉆井液交替從射流元件的兩個出口射出，推動活塞在缸體中上、下往復(fù)運動，活塞帶動沖擊體實現(xiàn)沖擊。

目前，大部分提速工具以單一功能為主，工具動力來源以鉆井液的動能為主，工具使用壽命受限于易損件磨損情況。為了融合多種提速手段，提高工具在井下應(yīng)用的可靠性，在研究鉆柱軸向振動規(guī)律的基礎(chǔ)上提出了一種以鉆柱軸向振動為動力來源的集減振、脈沖和沖擊于一體的多功能鉆井提速工具(下文簡稱：多功能提速工具)。該工具既可以減少鉆柱軸向振動造成的危害，又可實現(xiàn)脈沖射流和沖擊鉆進，有效提高破巖效率，滿足不同區(qū)域、不同地質(zhì)條件下的提速要求。

1 工具的原理

1.1 工具的組成

多功能提速工具分為3個系統(tǒng)：減振系統(tǒng)、脈沖射流系統(tǒng)和沖擊系統(tǒng)。減振系統(tǒng)是利用彈簧將鉆柱的軸向振動能量轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，減少對鉆頭的損害；脈沖系統(tǒng)是節(jié)流裝置在壓縮彈簧過程中改變流體的過流面積形成脈沖式射流，加快井底攜巖效率，同時增強水力輔助破巖效果，提高機械鉆速；沖擊系統(tǒng)是利用鉆柱軸向振動帶動沖錘給鉆頭施加沖擊功，提高破巖效率。多功能提速工具主要由中心軸、花鍵、碟簧、沖錘、傳動短節(jié)和阻流塊等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能提速工具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of multi-function speedup tool 1.上接頭；2.中心軸；3.花鍵外筒；4.花鍵；5.密封件；6.承壓環(huán)；7.碟簧外筒；8.碟簧；9.中接頭；10.帶動塊； 11.帶動槽；12.沖錘；13.保護外筒；14.阻流動塊；15.阻流靜塊；16.八方；17.傳動短節(jié)；18.卡環(huán)；19.下接頭

1.2 工作原理及適用性

工具未被施加鉆壓時(圖1(a))，沖錘與傳動短節(jié)未接觸，阻流動塊位于阻流靜塊上端，碟簧處于自由狀態(tài)；鉆進過程中，在鉆壓的作用下，中心軸向下移動，壓縮碟簧，將鉆壓向下傳遞，直至傳遞到鉆頭。井口轉(zhuǎn)盤或井下動力鉆具的扭矩通過花鍵傳遞至外筒，外筒通過八方帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆具未發(fā)生振動時，沖錘與傳動短節(jié)未接觸，不產(chǎn)生沖擊作用。當(dāng)鉆具發(fā)生振動，中心軸帶動沖錘向下運動，沖錘撞擊傳動短節(jié)時，產(chǎn)生沖擊作用；同時，阻流動塊向下移動，與阻流靜塊間隙減小，流體流動的壓耗發(fā)生變化，作用井底的壓力發(fā)生波動，形成脈沖射流。當(dāng)阻流動塊與阻流靜塊位于同一平面時(圖1(b))，瞬時關(guān)閉鉆井液流通通道，脈沖射流壓差達到最大，同時獲得較大的沖擊力，破巖效果更明顯。

多功能提速工具，通過鉆柱振動改變阻流動塊與阻流靜塊的相對位置，從而改變鉆井液過流通道的面積實現(xiàn)脈沖射流，無需脈沖發(fā)生裝置，也不存在高壓條件下的密封問題，阻流動塊與阻流靜塊的耐沖蝕性高，對尺寸精度要求較低。沖擊作用是通過鉆柱振動帶動沖錘往復(fù)運動，實現(xiàn)對傳動短節(jié)的沖擊，并將周期性的作用力傳遞到鉆頭上，從而提高破巖效率。與其他沖擊器相比，無需運動轉(zhuǎn)換機構(gòu)及流體換向元件等易失效部件，無需部件具有極高的耐磨性和耐沖蝕性，基本沒有易損部件，對工具的加工精度要求不高，受井下溫度、壓力和鉆井液性能的影響較小，具有長壽命、高可靠性的特點。適用范圍較廣，與牙輪鉆頭和PDC鉆頭都可以配合使用，可根據(jù)地層情況對工具進行參數(shù)調(diào)整，在礫石層、中硬地層等鉆柱軸向振動較劇烈的地層中使用，提速效果會更明顯。

2 鉆柱軸向振動研究

多功能提速工具以鉆柱軸向振動為動力來源，鉆柱軸向振動的頻率決定多功能提速工具的工作頻率，振動幅度決定脈沖射流壓差及沖擊力的大小。當(dāng)振幅足夠大且推動中心桿壓縮碟簧，在一個振動周期內(nèi)將沖錘推至與傳動短節(jié)碰撞時才能實現(xiàn)沖擊鉆進，因此，研究鉆柱軸向振動規(guī)律是多功能提速工具研發(fā)的基礎(chǔ)。

國內(nèi)外研究人員對井下鉆柱振動提出多種理論研究方法和大量實驗研究，形成了微分方程法、能量法、加權(quán)殘值法、有限差分法、縱橫彎曲連續(xù)梁法、有限元法等研究方法[5]。鉆柱軸向振動主要由井底不平、鉆頭牙齒間歇壓入巖石和巖石間歇破碎，造成井底鉆壓波動，減少鉆頭壽命、降低機械鉆速、劇烈頻繁振動也是引起連接螺紋發(fā)生疲勞斷裂的主要因素[6]。

鉆柱振動具有非平穩(wěn)隨機振動的特征，其規(guī)律仍無法完全掌握，但通過對鉆柱振動的模擬計算及實驗研究得出了一些振動規(guī)律。一般情況下，鉆頭振動的振幅與鉆壓和轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，鉆壓減小，振動幅度減小；轉(zhuǎn)速提高，振動幅度增大。鉆柱振動的基頻一般與鉆頭或井下動力工具的轉(zhuǎn)速一致，但鉆柱振動的頻率中通常包含比鉆頭轉(zhuǎn)速高幾倍的頻率。如果鉆頭出現(xiàn)了磨損、斷齒等失效形式，鉆柱振動可能會出現(xiàn)某些周期信號,振動的不對稱性和振幅波動也將更加明顯。多年來，根據(jù)理論分析、室內(nèi)實驗和現(xiàn)場經(jīng)驗，總結(jié)歸納了多種振動和沖擊在井下發(fā)生的頻率和振幅的數(shù)值區(qū)間[7]，見表1。

表1中的經(jīng)驗值對鉆井工藝優(yōu)化有一定的指導(dǎo)作用，但數(shù)值范圍區(qū)間較大，因此，國內(nèi)外研發(fā)了井下振動測量技術(shù)，彌補了數(shù)值方法在研究鉆柱振動機理中的不足，國內(nèi)對井下振動測量的研究始于20世紀80年代，但目前還僅僅以理論研究和室內(nèi)實驗為主，國外形成了以Halliburton公司DDS、ESM系統(tǒng)和Schlumberger公司MVC測量系統(tǒng)為代表的振動測量工具，在世界各大油田中已得到應(yīng)用[8]。ESM系統(tǒng)是基于偏軸安裝的三軸加速度傳感器形成的測量系統(tǒng)，可定性地反映井下振動情況。在實鉆過程中，鉆具組合上安裝了兩個ESM 測量短節(jié)，短節(jié)1安裝于第一個穩(wěn)定器與鉆頭之間，測得的結(jié)果比較接近鉆頭處的實際振動狀態(tài)。短節(jié)2安裝于中和點位置附近。通過對軸向振動實測數(shù)據(jù)的分析，得到鉆柱軸向振動規(guī)律：當(dāng)?shù)貙硬町愋暂^小或地層可鉆性較高時，鉆具軸向振動較弱(圖2)，近、遠鉆頭兩個位置軸向加速度最大值分別為2.1g、1.5g，且具有明顯的周期性；當(dāng)?shù)貙涌摄@性較差或地層差異性較大時，鉆具軸向振動強度較高(圖3)，近、遠鉆頭兩個位置軸向加速度最大值分別為8.5g、4.5g，突發(fā)性較強，周期性較弱。

表1 振動和沖擊具體表形式與基本形式分類對比Tab.1 Classification of specific manifestations and basic forms of vibration and impact

圖2 軸向振動較弱時近、遠鉆頭位置處 軸向加速度時程曲線Fig.2 Variation of axial acceleration at the near and far bit positions with time when axial vibration is weak

圖3 軸向振動較強時近、遠鉆頭位置處 軸向加速度時程曲線Fig.3 Variation of axial acceleration at the near and far bit positions with time when axial vibration is strong

根據(jù)不同地層條件下的軸向振動規(guī)律，調(diào)整工具結(jié)構(gòu)，特別是阻流動塊與阻流靜塊的間距，匹配鉆柱軸向振動幅度和頻率，從而提高輔助破巖效果。當(dāng)鉆遇泥巖地層時，軸向振動幅度較小，頻率較高，設(shè)計工具時縮小阻流動塊與阻流靜塊的間距，實現(xiàn)高頻脈沖射流和沖擊鉆進；當(dāng)鉆遇砂巖、礫巖等地層時，軸向振動幅度較大，設(shè)計工具時增大阻流動塊與阻流靜塊的間距，提高沖擊力和脈沖射流壓差。

3 脈沖射流輔助破巖研究

水力脈沖提高破巖效率的機理為：將管柱內(nèi)的連續(xù)流轉(zhuǎn)化為水力脈沖射流，脈沖射流的間斷性沖擊能夠不斷改變巖石破碎表面所受應(yīng)力場，降低壓持效應(yīng)，以不連續(xù)能量的方式作用于巖石,不易產(chǎn)生水墊效應(yīng)[9]。同時,脈沖射流能夠在能級相同的情況下增大射流的瞬時沖擊力,可以提高射流的破巖和清巖效果[10]。

鉆具發(fā)生軸向振動時，阻流動塊與阻流靜塊的相對位移發(fā)生改變，流體的速度場和壓力場也發(fā)生改變，形成動態(tài)壓差，根據(jù)連續(xù)性方程及伯努利方程[11]對于給定的排量Q，壓差

(1)

式中：b為流道高度，m；Bi為流道寬度，m，i=1，2；Q為流量，m2/s，Q=viAi，i=1，2；Ai為流道面積，m2，i=1，2。

根據(jù)式(1)，壓差的大小與阻流動塊和阻流靜塊的距離及兩者的間隙大小成反比。由于阻流動塊與阻流靜塊固定在工具內(nèi)部，在井下無法改變間隙大小，為了提高壓差大小，采用同心圓設(shè)計，兩者端面可以重合，減少流道的寬度，提高壓差?，F(xiàn)場應(yīng)用時，主要是根據(jù)鉆柱軸向振動的幅度調(diào)整阻流動塊與阻流靜塊的間距，控制壓差大小，實現(xiàn)脈沖射流。

為了進一步明確脈沖射流效果，采用hypermesh軟件建立三維模型，選用四面體非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，對阻流動塊與阻流靜塊的接觸面的局部網(wǎng)格進行加密處理，模擬阻流動塊與阻流靜塊距離不同時，流體壓力變化情況。以228.6 mm的工具為例，設(shè)定排量30 L/s，流體密度1.2 g/cm3，塑性黏度15 mPa·s，動切力8 Pa。采用Fluent軟件對其進行數(shù)值分析，模擬結(jié)果如圖4所示。可以看出，阻流動塊上部流體壓力大，阻流動塊下部流體壓力小，局部出現(xiàn)負壓；流體流經(jīng)擋塊時，流速增大。

模擬分析阻流動塊與阻流靜塊不同間距時，最大壓力和最小壓力的變化規(guī)律，如圖5所示?？梢钥闯觯畲髩毫﹄S著間距的增大而減??；最小壓力為負值，隨著間距的增大而增大，其絕對值與最大壓力相比可以忽略。由此可得，阻流動塊軸向移動時會造成流體壓力的變化，形成脈沖射流，壓差的大小與間距成反比。

圖4 工具在井下流體流動模擬分析Fig.4 Fluid flow simulation analysis when the tool is in downhole

圖5 阻流塊間距與形成壓差的關(guān)系Fig.5 Relationship between choke block spacing and differential pressure

4 沖擊作用輔助破巖研究

沖擊鉆進提高破巖效率的機理為：鉆頭在常規(guī)鉆壓和扭矩作用的同時，通過沖錘施加一定頻率的沖擊載荷[12]，沖擊能量以應(yīng)力波形式向著鉆頭方向傳播，傳到鉆頭齒表面，給巖石造成強應(yīng)力集中，迅速產(chǎn)生脆性破壞，同時給旋轉(zhuǎn)剪切創(chuàng)造了有利條件，提高了破巖效率[13]。為了研究井下鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖時，沖擊作用對破巖效率的影響，優(yōu)化沖擊系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計，進行了五刀翼PDC鉆頭沖擊破巖仿真分析。

建模及模擬分析過程中，為了提高運行效率和準確性，采用固體材料分析常用的 Lagrange算法提高網(wǎng)格單元變形與物體模型變形的一致性；采用德魯克-普拉格強度準則擴展和修正中間應(yīng)力對巖石屈服特性的影響；采用塑性應(yīng)變作為判斷巖石單元失效的依據(jù)；利用Eroding_Contact接觸模型自動探尋新的接觸表面及接觸對；將巖石和 PDC 齒設(shè)為不同 PART 并進行網(wǎng)格劃分，對巖石預(yù)切削部分進行局部加密；依據(jù)現(xiàn)場實際情況，給巖石施加徑向水平應(yīng)力20 MPa，軸向垂直應(yīng)力45 MPa，鉆頭轉(zhuǎn)速為100 r/min，鉆壓為30～60 kN。

該模型的幾何建模及網(wǎng)格劃分和沖擊破巖造成的巖石塑性損傷如圖6所示。進行常規(guī)切削破巖和旋轉(zhuǎn)沖擊破巖模擬，仿真過程中模擬鉆頭旋轉(zhuǎn)，在鉆壓、扭矩和沖擊載荷作用下，鉆頭受沖擊作用使得軸向力和切削力發(fā)生躍遷，沖擊作用結(jié)束之后，后續(xù)切削破巖的鉆壓、扭矩存在一個波谷，這是由于大體積巖石破碎后，后續(xù)PDC齒切削不到巖石或者只能切削破壞小體積巖屑。通過模擬不同地層條件下，沖擊力對破巖效率的影響規(guī)律，綜合鉆柱振動情況優(yōu)化參數(shù)提高沖擊破巖效果。沖擊力的大小與沖錘的質(zhì)量、運動距離等多種因素相關(guān)，鑒于工具內(nèi)部的空間大小，模擬分析沖擊力在60 kN以內(nèi)，沖擊載荷與破巖效率的關(guān)系。

圖6 五刀翼鉆頭沖擊破巖仿真分析Fig.6 Impact rock breaking simulation of five-wing PDC bit

五刀翼鉆頭沖擊破碎坑的深度及體積如圖7所示。針對砂巖等中等硬度地層(圖7(a))，仿真結(jié)果表明：沖擊力小于16 kN時，PDC齒底巖石內(nèi)部應(yīng)力未達到強度失效條件，只形成了疲勞破碎和小剪切，巖石破碎坑的深度和體積都較小，破巖效率提高有限；沖擊力在16～43 kN時，齒底巖石內(nèi)部應(yīng)力超過巖石強度，巖石破碎的深度和體積迅速增加，破巖效率顯著提升；當(dāng)沖擊力大于43 kN，巖石破碎的深度和體積受沖擊載荷的影響較小， 增大沖擊力破巖效率提升幅度較小。

圖7 五刀翼鉆頭沖擊破碎坑的深度及體積Fig.7 Impact rock breaking depth and volume of five-wing PDC bit

針對花崗巖等硬地層(圖7(b))，仿真結(jié)果表明：沖擊力小于30 kN時，巖石破碎坑的深度和體積都較小，破巖效率提高有限；沖擊力在30～60 kN時，巖石破碎的深度和體積受沖擊載荷的影響較大，增大沖擊力可以有效提高破巖效率。

5 總 結(jié)

一種集減振、沖擊和脈沖于一體的鉆井提速工具以鉆具的軸向振動作為動力來源，實現(xiàn)中心軸的軸向往復(fù)運動，從而帶動沖錘對鉆頭形成沖擊作用，改變了鉆井液的過流面積，從而實現(xiàn)了脈沖射流，清理井底巖屑的效率提高。該提速工具可以針對不同的情況進行沖擊功、脈沖頻率等參數(shù)的調(diào)整，滿足不同條件的應(yīng)用要求，同時，易損件極少、安全系數(shù)高，將會是現(xiàn)場應(yīng)用中有效的提速工具。