高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)的減振與提速機(jī)理研究

祝效華，湯歷平，童 華

(西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500)

在石油天然氣勘探開發(fā)中，鉆井費(fèi)用占生產(chǎn)綜合成本的50%以上，鉆井技術(shù)水平直接影響油氣勘探開發(fā)效益[1]。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，深井超深井勘探開發(fā)的比例正逐步增加。深部硬地層的快速鉆進(jìn)是鉆井中的一大技術(shù)難題，是制約深井超深井鉆井發(fā)展的技術(shù)關(guān)鍵[2]。隨著井深的增加，巖石的硬度和塑性增大，可鉆性變差[3]。巖性的變化加大了硬地層的鉆井難度，常規(guī)鉆井工藝在鉆硬地層時(shí)鉆頭處容易產(chǎn)生粘滑振動。粘滑振動的特征是粘滯階段和滑脫階段交替出現(xiàn)，在粘滯階段鉆頭因切入過深破巖扭矩不足而暫時(shí)停止轉(zhuǎn)動，鉆頭憋鉆，扭矩升高，當(dāng)升高到一定程度時(shí)鉆齒前的巖石被切削掉，鉆頭和鉆柱積蓄的能量快速釋放，鉆頭瞬時(shí)加速至正常轉(zhuǎn)速的數(shù)倍(圖1)。粘滑振動不僅降低鉆進(jìn)速度，還導(dǎo)致鉆頭和鉆柱壽命大幅降低[4－6]。

圖1 粘滑振動示意圖Fig.1 Schematic diagram of stick － slip vibration

針對深部硬地層難鉆進(jìn)的問題，目前國內(nèi)外常考慮采用旋沖鉆井和高壓水射流等鉆井技術(shù)[7－9]。現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，旋沖鉆井較常規(guī)鉆井對部分地層機(jī)械鉆速有所提高，但其對地層適用性要求嚴(yán)格且所用液動沖擊器的使用壽命很短，這導(dǎo)致旋沖鉆井技術(shù)未能得到推廣應(yīng)用。高壓水射流技術(shù)通過高壓水對巖層進(jìn)行沖擊破碎，提速效果較為明顯，然而由于其射流破巖比能以及井隊(duì)設(shè)備的耐壓能力等因素的制約，其應(yīng)用規(guī)模尚待進(jìn)一步拓展[10]。

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井是指在常規(guī)鉆井的基礎(chǔ)上于PDC鉆頭的上方增設(shè)一個(gè)扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具用于給鉆頭提供周期性高頻扭向沖擊的鉆井技術(shù)。國外現(xiàn)場應(yīng)用表明，采用高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)能夠大幅度提高破巖效率，增大鉆具壽命，降低鉆井成本，有效解決深部硬地層的難鉆進(jìn)問題。在普光氣田進(jìn)行的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井試驗(yàn)[11－12]，提速效果非常明顯。但目前扭轉(zhuǎn)沖擊鉆具的推廣應(yīng)用進(jìn)展緩慢，主要原因是高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井作為一種新興的鉆井技術(shù)，相關(guān)的研究資料匱乏，對其破巖機(jī)理認(rèn)識不深，不能科學(xué)地選擇與扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具相匹配的鉆頭及鉆井參數(shù)，使得高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具未能達(dá)到最佳的效果。為提高硬地層的鉆探效率，開展高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)相關(guān)方面的研究就極為迫切。采用有限元方法研究高頻扭轉(zhuǎn)沖擊作用下鉆頭的動態(tài)破巖過程，根據(jù)巖石破碎過程的應(yīng)力狀態(tài)及鉆頭的運(yùn)動狀態(tài)揭示高頻扭轉(zhuǎn)沖擊的提速機(jī)理，研究成果將對高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井研究及應(yīng)用提供理論依據(jù)。

圖2 PDC鉆頭與巖石有限元模型Fig.2 Finite element model of PDC bit and rock

1 建立數(shù)值模型

通過有限元軟件建立由三維巖石實(shí)體和直徑為216 mm的六刀翼PDC鉆頭實(shí)體構(gòu)成的動態(tài)破巖非線性動力學(xué)有限元模型。采用帶沙漏控制的8節(jié)點(diǎn)一階減縮積分單元(C3D8R)對巖石材料進(jìn)行離散，進(jìn)行仿真時(shí)長為20 s的顯式動態(tài)分析，有限元模型如圖2所示。

1.1 鉆頭－巖石接觸數(shù)學(xué)模型

鉆頭破碎巖石過程的非線性主要表現(xiàn)為:① 短時(shí)間內(nèi)因結(jié)構(gòu)的大位移與大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性;② 巖石單元因發(fā)生大應(yīng)變直至破壞失效所表現(xiàn)的材料非線性;③ 由鉆頭轉(zhuǎn)動與巖石單元變形、失效和移除產(chǎn)生的接觸動態(tài)變化所引起的接觸非線性。采用有限單元法設(shè)接觸系統(tǒng)在時(shí)刻t占據(jù)空間域?yàn)棣福饔迷诮佑|系統(tǒng)內(nèi)的體積力、邊界力及柯西內(nèi)應(yīng)力分別為b，q，qc，σ，則接觸問題可歸結(jié)為[13]:

式中，Γf為給定邊界力的邊界，Γc為接觸邊界，δu為虛位移，δe為虛應(yīng)變，ρ為密度，a為加速度。

將域Ω用有限單元離散化并引入虛位移場，得到:

1.2 基本假設(shè)

研究重點(diǎn)是扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)和常規(guī)鉆進(jìn)過程中巖石的破碎過程與破碎機(jī)理，為提高計(jì)算效率，略去次要因素，采用的基本假設(shè)有:

(1)鉆頭主要通過聚晶金剛石復(fù)合片切削巖石，其強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)高于巖石，將鉆頭假設(shè)為剛體;

(2)單元失效后即從巖石中刪除，忽略其失效后對后續(xù)鉆進(jìn)的影響;

(3)考慮鉆井液壓力但不考慮鉆井液射流作用對破巖過程的影響;

(4)巖石模型周圍及底部屬于井眼遠(yuǎn)場部分。

1.3 巖石本構(gòu)關(guān)系及失效判據(jù)

有限元模型中巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則采用Drucker-Prager準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則是在Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Mises準(zhǔn)則基礎(chǔ)上擴(kuò)展和推廣而得[14]:

其中:I1為應(yīng)力第一不變量，J2為應(yīng)力偏量第二不變量，α和K為僅與巖石內(nèi)摩擦角φ和粘結(jié)力c有關(guān)的材料參數(shù)，σ1，σ2，σ3為主應(yīng)力。

在鉆頭鉆進(jìn)過程中，當(dāng)巖石塑性應(yīng)變達(dá)到某一值時(shí)，巖石開始被破壞，進(jìn)而從巖石主體中剝落，巖石破碎失效的塑性應(yīng)變判據(jù)為[15－16]:

式中:εp為巖石的等效塑性應(yīng)變?yōu)閹r石完全失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變。

1.4 巖石與鉆頭的控制方法

對模型設(shè)定通用接觸，即可以判別巖石不斷更新的接觸表面。對巖石設(shè)定固定邊界條件，模型中柱狀巖石施加圍壓，巖石上表面與鉆頭作用區(qū)域施加靜液柱壓力，其余區(qū)域及下表面施加上覆巖層壓力，模型中使用的材料參數(shù)見表1。

表1 硬地層巖石物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physico-mechanical parameters of rock in hard formation

限制鉆頭X和Y方向的平移和轉(zhuǎn)動，定義鉆頭在鉆進(jìn)方向的鉆壓與扭矩，對鉆頭施加高頻扭轉(zhuǎn)沖擊。根據(jù)沖擊對鉆頭的作用效果，將高頻扭轉(zhuǎn)沖擊以周期扭矩脈沖的形式施加于鉆頭，即沖擊扭矩為脈沖峰值、沖擊時(shí)間為脈沖寬度、沖擊頻率為脈沖頻率。高頻扭轉(zhuǎn)沖擊參數(shù)通過扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具的室內(nèi)試驗(yàn)測得[17]，鉆頭的控制參數(shù)見表 2。

表2 鉆頭的控制參數(shù)Tab.2 Control parameters of the bit

2 仿真結(jié)果與討論

對高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)及常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的破巖過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。根據(jù)模擬結(jié)果，提取巖石失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變及主應(yīng)力云圖如圖3和圖4所示。圖3為鉆頭鉆進(jìn)時(shí)井底巖石的等效塑性應(yīng)變切向圖，在鉆頭的作用下，當(dāng)巖石的等效塑性應(yīng)變大于完全失效時(shí)的等效塑性應(yīng)變時(shí)，巖石單元從巖體中剝落，此處臨界值ε－plf數(shù)值為0.95%。從圖中可以看出，鉆頭正下方的巖石單元在鉆頭作用下完全失效，形成井眼。井壁的巖石單元發(fā)生塑性變形，但其應(yīng)變值并未達(dá)到失效的應(yīng)變值，即井壁單元存在損傷但并未失效。遠(yuǎn)離井眼的單元在圍壓及上覆巖層壓力等力的作用下，尚處于彈性階段，并未出現(xiàn)塑性變形。

圖3 巖石的等效塑性應(yīng)變切向圖Fig.3 Tangential sketch of equivalent plastic strain of rock

圖4 所示為巖石單元最大主應(yīng)力云圖，從圖4(a)可以看出，在鉆頭鉆壓、扭矩、液柱靜壓力以及高頻扭轉(zhuǎn)沖擊作用下，鉆頭正下方及鉆頭周圍區(qū)域的巖石單元內(nèi)部拉應(yīng)力與壓應(yīng)力共存(圖中拉正壓負(fù))，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力破壞區(qū)域交叉出現(xiàn)，但以拉應(yīng)力破壞為主。在圍壓及上覆巖層壓力作用下，巖石中遠(yuǎn)離鉆頭的單元區(qū)域及柱狀巖石的周圍都受壓應(yīng)力。由圖4(b)可看出盡管常規(guī)鉆進(jìn)中也存在拉應(yīng)力破碎，但其所占比例很小。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，所以相比常規(guī)鉆進(jìn)，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)以拉應(yīng)力破碎為主的破巖方式能大幅提高機(jī)械鉆速。

圖4 不同鉆進(jìn)方式下巖石失效應(yīng)力圖Fig.4 Failure diagram of the rock with different drilling types

圖5 為硬地層中扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)鉆頭處扭矩波動的對比。隨鉆進(jìn)的進(jìn)行，當(dāng)鉆頭淹沒于巖石中后，鉆進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)破巖階段。當(dāng)采用常規(guī)鉆進(jìn)工藝時(shí)，鉆頭所受扭矩呈現(xiàn)周期性地增大與減小且波動幅度大。在每一個(gè)扭矩波動周期中，扭矩增加段表明鉆頭處于粘滯階段，扭矩減小表明鉆頭達(dá)到破巖扭矩而釋放即處于滑脫階段，由圖可知常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭表現(xiàn)為劇烈的粘滑振動。盡管扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)時(shí)也存在著扭矩的波動，但其波動幅度遠(yuǎn)小于常規(guī)鉆進(jìn)。由于巖石非均質(zhì)等因素的影響，鉆進(jìn)中扭矩的波動是不可避免的，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊大幅減弱了鉆頭的粘滑振動，這使得鉆頭破巖的連續(xù)性增強(qiáng)，對鉆進(jìn)有利。

圖6為扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)在鉆硬地層時(shí)鉆頭處角速度波動。角速度曲線再現(xiàn)了常規(guī)鉆進(jìn)工藝在鉆硬地層時(shí)的粘滑振動特性。從圖中可以看出，當(dāng)鉆進(jìn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段后，下部鉆具因破巖扭矩不足而減速直至停止轉(zhuǎn)動，當(dāng)積蓄的扭矩達(dá)到破巖所需的扭矩時(shí)，下部鉆具被突然釋放，鉆頭加速，最大轉(zhuǎn)速數(shù)倍于正常轉(zhuǎn)速。每發(fā)生一次鉆頭的粘滯與滑脫，下部鉆具都會在正反方向加速或減速轉(zhuǎn)動數(shù)次，直至下一次粘滑振動出現(xiàn)。粘滑振動不但會造成鉆桿傳遞能量的浪費(fèi)，還容易加劇鉆桿疲勞并引起其他下部鉆具的失效。當(dāng)采用扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井工具與PDC鉆頭相結(jié)合的扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭處的粘滑振動大幅降低，角速度波動不大且總體平穩(wěn)，能量被充分用于破巖，鉆進(jìn)效率提高。

圖5 鉆硬地層時(shí)鉆頭處扭矩Fig.5 Torque on bit drilling in hard formation

圖6 鉆硬地層時(shí)鉆頭處的角速度Fig.6 Angular velocity of bit drilling in hard formation

圖7 硬地層鉆頭沿z向的速度曲線Fig.7 Axial velocity of bit drilling in hard formation

圖7為硬地層中高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)與常規(guī)鉆進(jìn)時(shí)鉆頭沿z向的速度波動曲線圖。無論常規(guī)鉆進(jìn)還是高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)，鉆進(jìn)過程中鉆頭速度并不穩(wěn)定，其方向與數(shù)值大小處于頻繁的變化中。圖中速度小于零表示鉆頭沿鉆進(jìn)方向運(yùn)動，速度大于零表明鉆頭出現(xiàn)跳鉆等現(xiàn)象。對比兩種鉆進(jìn)方式可知，高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)時(shí)鉆進(jìn)方向的速度波動幅度更小，表明高頻扭轉(zhuǎn)沖擊在減緩鉆頭扭轉(zhuǎn)方向粘滑振動的同時(shí)，鉆頭軸向振動也得到一定程度的抑制，主要由于高頻扭轉(zhuǎn)沖擊增強(qiáng)了鉆進(jìn)的連續(xù)性。

3 結(jié)論

建立了由三維巖石實(shí)體和直徑為216mm的六刀翼PDC鉆頭實(shí)體構(gòu)成的動態(tài)破巖非線性動力學(xué)仿真模型，采用Drucker-Prager準(zhǔn)則作為巖石的本構(gòu)關(guān)系，將塑性應(yīng)變作為巖石破碎的失效判據(jù)，對高頻扭轉(zhuǎn)沖擊作用下鉆頭的破巖過程進(jìn)行了分析，通過分析結(jié)論如下:

(1)巖石在圍壓、上覆巖層壓力、液柱壓力、鉆壓、扭力和高頻扭轉(zhuǎn)沖擊作用下，巖石內(nèi)部壓應(yīng)力和拉應(yīng)力破壞區(qū)域交叉出現(xiàn)，且以拉應(yīng)力破壞為主。相比常規(guī)鉆進(jìn)工藝，以拉應(yīng)力破巖為主的高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)能大幅提高機(jī)械鉆速。

(2)常規(guī)鉆進(jìn)方式在鉆硬地層時(shí)，鉆頭處發(fā)生劇烈的粘滑振動。高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)有效地減弱甚至消除了鉆頭處的粘滑振動，鉆頭扭矩、角速度及軸向速度波動大幅降低，能量充分用于巖石破碎，大大地提高了鉆頭的破巖效率，并能減少鉆具失效。

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