氣動潛孔錘釬頭破巖分析及工藝參數(shù)優(yōu)選*

王圣林 魏秦文 劉成俊 鄧銀江 張士明 肖鑫源

(1.重慶科技學院機械與動力工程學院 2.奧瑞拓能源科技股份有限公司 3.北華航天工業(yè)學院機電工程學院)

0 引 言

氣動潛孔錘鉆進作為一種沖擊回轉(zhuǎn)鉆井技術(shù)，具有鉆進效率高、成孔質(zhì)量好及巖層適應性強等特點，在煤礦勘探、特殊巖層掘進、定向鉆鑿施工以及非開挖技術(shù)中應用廣泛[1]。隨著硬質(zhì)地層鉆井需求不斷增加，勘探難度不斷加大，鉆進參數(shù)設定不合理會導致氣動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進振動大、鉆具壽命短、進尺困難及鉆進效率低等問題，難以保持最佳力學性能鉆進。

為提升潛孔錘進尺能力和破巖效率，BU C.G.等[2]考慮了潛孔錘破巖鉆進的三維效應和脆性材料對鉆頭-巖石邊界的耦合作用，分析了不同巖石和不同沖擊速度下鉆頭-活塞和鉆頭-巖石相互作用力的動態(tài)響應規(guī)律。趙伏軍等[3]利用不同加載方式對花崗巖的破壞過程進行模擬，提出的動-靜耦合加載方法能有效提升破巖效果。祝效華等[4]考慮沖擊載荷下巖石的累積損傷，采用H-J-C動態(tài)本構(gòu)仿真模型，分析了鉆壓、沖擊功、沖頻率和井深等工藝參數(shù)對潛孔錘破巖能效的影響。何霞等[5]利用LS-DYNA軟件建立空氣錘與巖石的仿真模型，分析了不同巖石對鉆頭侵入深度的影響。S.B.KIVADE等[6]通過鉆井試驗分析了鉆壓、氣壓和巖性對沖擊鉆進效率的影響。張強等[7]基于巖石Drucker-Prager本構(gòu)模型，建立了鉆頭回轉(zhuǎn)沖擊連續(xù)破巖的動力學模型，分析了不同沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度和初始地應力對鉆頭破巖效果的影響。蔡芝源等[8]建立了鉆頭-巖石局部接觸的非線性動力學模型，分析了不同推進力和激振頻率對潛孔錘破巖效率的影響。

目前，針對潛孔錘釬頭破巖方面的研究還存在需完善之處：首先，釬頭沖擊回轉(zhuǎn)破巖特性還需進一步研究，以建立釬頭破巖效率與工藝參數(shù)的匹配關(guān)系；其次，需考慮無反射邊界對釬頭破巖效率的影響。本文通過建立潛孔錘釬頭破巖(花崗巖)仿真模型，采用無反射邊界條件，分析了不同工藝參數(shù)下組合潛孔錘的鉆進能力，優(yōu)選出最佳沖擊回轉(zhuǎn)數(shù)值。研究結(jié)果可為現(xiàn)場工程施工提供參考。

1 非線性接觸動力學模型

氣動潛孔錘釬頭破巖屬于高度非線性問題，包括較短時間內(nèi)發(fā)生大位移而引起的幾何非線性問題，巖石超過塑性極限發(fā)生破壞的材料非線性問題，以及在釬頭破巖過程中接觸面不斷變化的接觸非線性問題。根據(jù)有限單元法，設t時刻接觸系統(tǒng)占據(jù)的空間域為Ω，作用在接觸系統(tǒng)內(nèi)的體積力、邊界力、接觸力和柯西內(nèi)應力分別為b、q、qc、σ，那么釬頭破巖的接觸問題可表示為[9]：

(1)

式中：Γf為邊界力，Γe為接觸邊界，δe為虛應變，ρ為密度，a為速度，δu為虛位移，S為邊界域。

利用有限單元法將空間域Ω離散化，并引入虛功位移后得到：

Mü=p(t)+c(u,α)-f(u,β)

(2)

式中：M為質(zhì)量矩陣，u、ü分別為位移矢量和加速度矢量，p(t)為外力矢量，c(u,α)為接觸力或摩擦力矢量，f(u,β)為內(nèi)應力矢量，α、β分別表示與接觸表面特性和材料本構(gòu)有關(guān)的變量。

采用有限單元法和達朗貝爾原理建立釬頭和巖石相互接觸動力學模型[10]：

(3)

2 模型建立

2.1 氣動潛孔錘鉆鑿系統(tǒng)

氣動潛孔錘鉆鑿系統(tǒng)簡圖如圖1所示。空壓機將高壓氣體經(jīng)氣盒子注入鉆柱中，高壓氣體進入無閥式氣動潛孔錘(見圖2)后，對活塞產(chǎn)生很大的壓力，在氣缸和活塞位移的配合下，該壓力可以在活塞上端面和下端面之間快速變化，使活塞產(chǎn)生高頻，沖擊釬頭，從而破碎巖石。同時鉆機動力頭給潛孔錘釬頭提供一個角速度，實現(xiàn)間歇沖擊破巖。通常在空壓機出口處會接一個泡沫泵，通過向高壓氣體中注入泡沫，攜帶泡沫的高壓氣體能有效清理鉆進過程中產(chǎn)生的巖屑，保持孔底干凈，維持孔壁穩(wěn)定，防止孔內(nèi)出現(xiàn)涌水。

圖1 氣動潛孔錘鉆鑿系統(tǒng)簡圖

1—上接頭；2—逆止閥；3—逆止彈簧；4—中心管；5—氣室分隔器；6—殼體；7—氣缸；8—活塞；9—釬頭；10—花鍵導向套；11—半圓卡環(huán)。

空氣壓力、沖擊功、沖擊頻率和回轉(zhuǎn)速度是氣動潛孔錘鉆鑿施工中重要的工藝參數(shù)，沖擊功和沖擊頻率與空氣壓力成正比，但是由于氣動潛孔錘的結(jié)構(gòu)限制，沖擊功與沖擊頻率成反比。沖擊功越大、沖擊頻率越高，氣動潛孔錘破巖效果就越好[10]，所以沖擊功與沖擊頻率的優(yōu)選顯得十分重要。在空氣壓力一定的情況下，受活塞行程的影響，沖擊功與沖擊速度成正比[11]，而沖擊頻率與沖擊速度成反比。因此，為優(yōu)選氣動潛孔錘鉆進工藝參數(shù)，只考慮沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度對氣動潛孔錘破巖效率的影響。

2.2 模型假設

為準確模擬氣動潛孔錘釬頭破巖過程，對模型做如下假設：

(1)釬頭、土體為空間軸對稱體，不考慮釬頭變形和磨損；

(2)巖石為均勻、連續(xù)且各向同性的彈塑性材料[12]；

(3)破碎后的巖屑迅速離開孔底，對破碎失效單元進行單元刪除。

2.3 有限元模型

活塞-釬頭-巖石的有限元模型如圖3所示，各部件網(wǎng)格屬性如表1所示。

圖3 潛孔錘破巖有限元模型

表1 各部件網(wǎng)格屬性

2.4 材料參數(shù)

因Drucker-Prager模型參數(shù)需求較少，在巖土力學數(shù)值模擬計算中應用廣泛[13]。花崗巖本構(gòu)采用Drucker-Prager模型[14]，密度為2 650 kg/m3，彈性模量為28.7 GPa，泊松比為0.3，內(nèi)摩擦角為53°，膨脹角為10°。氣動潛孔錘活塞、釬頭和硬質(zhì)合金齒均采用線彈性模型，活塞材料為42CrMo，釬頭材料為Q235，硬質(zhì)合金齒材料為YG8，具體的材料參數(shù)如表2所示。

表2 活塞、釬頭和硬質(zhì)合金齒材料參數(shù)

2.5 分析步、接觸、邊界及載荷設置

分析步采用Dynamic、Explicit分析步，分析所用氣動潛孔錘結(jié)構(gòu)如圖2所示，沖擊器外徑為203.2 mm，釬頭為TSK8H-216。該沖擊器最高沖擊頻率為27 Hz，因此分析步時間為0.037 s。潛孔錘釬頭與花崗巖表面采用Surface-to-sufrace接觸，摩擦因數(shù)設為0.4，法向接觸類型為硬接觸，允許接觸后分離。釬頭下表面為主面，花崗巖節(jié)點集為從面。在潛孔錘釬頭上端中心處設定一個參考點，將釬頭約束為剛體。潛孔錘釬頭上表面與活塞下表面采用surface-to-surface接觸，摩擦因數(shù)設為0.15，釬頭上表面為主面，活塞下表面為從面。

花崗巖四周和下底面定義為無反射邊界條件，以模擬無限區(qū)域，上表面為自由面。為防止釬頭回彈，釬頭通常會施加20～25 kN的鉆壓[15-16]，硬巖層所需鉆壓較大，分析中設置鉆壓為25 kN；考慮活塞和釬頭材料強度，潛孔錘在硬巖層鉆井施工中，活塞沖擊速度不應高于10 m/s[17]，一般為6.0～8.5 m/s，潛孔錘回轉(zhuǎn)速度n為10～30 r/min[18]。取活塞的沖擊速度v分別為6.0、7.0、8.0及8.5 m/s，釬頭的回轉(zhuǎn)速度分別為10、20和30 r/min。為得到潛孔錘釬頭在花崗巖地層沖擊回轉(zhuǎn)鉆進最優(yōu)工藝參數(shù)，現(xiàn)將沖擊速度與回轉(zhuǎn)速度進行兩兩組合，可形成12種工藝參數(shù)組合方案。

3 數(shù)值仿真結(jié)果及工藝參數(shù)優(yōu)選

3.1 沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度對沖擊反力的影響

不同工藝參數(shù)組合下，沖擊反力的變化規(guī)律可為活塞、釬頭及螺紋連接的優(yōu)化設計提供依據(jù)。不同回轉(zhuǎn)速度下沖擊反力的變化曲線如圖4～圖6所示。沖擊反力隨著沖擊速度的升高而增大，且沖擊反力變化曲線相似。釬頭每一次沖擊花崗巖后，沖擊反力減小為0又迅速增加，沖擊反力存在多個極值，釬頭出現(xiàn)多次反彈。這是由于氣動潛孔錘活塞第一次撞擊釬頭后的速度小于釬頭第一次與巖石沖擊后的速度，活塞與釬頭繼續(xù)第二次撞擊，同理存在第三次撞擊，由于第三次撞擊對沖擊反力影響較小，分析中將不予考慮。圖7為不同工藝參數(shù)組合下沖擊反力的峰值曲線。由圖7可知，回轉(zhuǎn)速度對釬頭沖擊反力影響較小，而隨著沖擊速度的增加，釬頭沖擊反力峰值近似呈線性增加。

圖4 回轉(zhuǎn)速度為10 r/min時沖擊反力的變化曲線

圖5 回轉(zhuǎn)速度為20 r/min時沖擊反力的變化曲線

圖6 回轉(zhuǎn)速度為30 r/min時沖擊反力的變化曲線

圖7 不同工藝參數(shù)組合下沖擊反力的峰值曲線

3.2 沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度對釬頭侵入位移的影響

釬頭侵入巖石深度是評判釬頭鉆進能力的重要指標。不同沖擊速度下釬頭侵入位移的變化曲線如圖8～圖11所示。由圖8～圖11可知：隨著沖擊速度的增加，釬頭第一次和第二次沖擊巖石侵入深度均增加，沖擊速度越大，兩次沖擊侵入深度差值也越大；釬頭在第二次沖擊巖石后侵入深度達到最大值，沖擊速度分別為6.0、7.0、8.0及8.5 m/s時，在不同回轉(zhuǎn)速度下，最大侵入深度分別為2.399、2.735、3.110和3.267 mm；回轉(zhuǎn)速度對釬頭侵入深度影響較小，在低沖擊速度下，隨著回轉(zhuǎn)速度的升高，釬頭第一次和第二次沖擊巖石侵入深度反而越淺；在高沖擊速度時，隨著回轉(zhuǎn)速度的升高，釬頭第一次沖擊巖石侵入深度也愈淺，但是由于沖擊速度較大，第二次沖擊與第一次沖擊時間間隔較短，加上轉(zhuǎn)速較低，巖石局部會出現(xiàn)重復破碎，所以在沖擊速度為8.0和8.5 m/s時，隨著回轉(zhuǎn)速度的增加，釬頭第二次侵入深度會出現(xiàn)有增有減的情況。

圖8 沖擊速度為6.0 m/s時釬頭侵入位移的變化曲線

圖9 沖擊速度為7.0 m/s時釬頭侵入位移的變化曲線

圖10 沖擊速度為8.0 m/s時釬頭侵入位移的變化曲線

圖11 沖擊速度為8.5 m/s時釬頭侵入位移的變化曲線

3.3 沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度對破巖比功的影響

不同工藝組合下釬頭破巖量的變化曲線如圖12所示。由圖12可知：在一個周期時間內(nèi)，巖石破碎量與沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度均成正比，因為沖擊速度越大，釬頭獲得的沖擊功越大，巖石受到?jīng)_擊能量也越多；回轉(zhuǎn)速度越大，單位時間釬頭轉(zhuǎn)動角度越大，剪切巖石量也越大。釬頭破巖鉆進可分為3個階段：A→B、E→F為鉆壓作用下回轉(zhuǎn)剪切破巖；B→C、C→D分別為釬頭第一次和第二次沖擊破巖，巖石呈體積破壞；D→E為巖石彈性恢復區(qū)，活塞第二次撞擊釬頭沖擊破巖時，進尺量達到最大，巖石未全部破壞，存在部分彈性變形，因此D→E段破巖量減少。圖13為不同工藝參數(shù)組合下沖擊回轉(zhuǎn)鉆進提速倍數(shù)。

圖12 不同工藝組合下釬頭破巖量的變化曲線

圖13 不同工藝參數(shù)組合下沖擊回轉(zhuǎn)鉆進提速倍數(shù)

破巖速度v1可用單位時間巖石破碎量表示：

(4)

式中：ΔV為巖石破碎變化量，mm3；Δt為持續(xù)時間，s。

不同方式破巖提速倍數(shù)k可表示為：

k=v2/v3

(5)

式中：v2為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進破巖速度，mm3/s；v3為回轉(zhuǎn)鉆進破巖速度，mm3/s。

由式(4)和式(5)可得不同工藝參數(shù)組合下沖擊回轉(zhuǎn)鉆進提速效果。沖擊回轉(zhuǎn)鉆進段(B→E)破巖速度比僅在鉆壓下釬頭回轉(zhuǎn)剪切破巖鉆進段(E→F)破巖速度提高3～5倍，如圖13所示。

破巖比功是衡量釬頭破巖效率的一個重要指標，破巖比功越小，破碎單位體積巖石所需的能量就越小，那么破巖效率就越高。破巖比功可由以下公式計算[19]：

(6)

式中：P為破巖比功，mJ/mm3；Fi為外力，N；Δl為作用距離，m；W為外力做功，mJ；V為巖石破碎體積，mm3。

不同工藝參數(shù)組合下破巖比功如圖14所示。回轉(zhuǎn)速度分別為10、20和30 r/min時，隨著沖擊速度的升高，破巖比功先減小后增大。這是因為沖擊速度過大，釬頭與巖石有效作用時間縮短，使得釬頭有效破巖量減小，沖擊速度為8 m/s時，破巖效率最高，此時破巖比功最小，分別為2.91、2.98和3.06 mJ/mm3。

圖14 不同工藝組合下破巖比功

由圖14可知，沖擊速度一定時，破巖比功與回轉(zhuǎn)速度成正比，說明回轉(zhuǎn)速度越大，破巖效率越低，回轉(zhuǎn)速度從10 r/min增加到20和30 r/min時，釬頭破巖效率分別降低2.2%和5.0%。結(jié)合圖7和圖10可知，在高沖擊速度下，轉(zhuǎn)速過低會出現(xiàn)巖石被重復破碎的情況；沖擊速度為8 m/s時，3種回轉(zhuǎn)速度下沖擊反力峰值差別不大，而釬頭侵入深度隨著回轉(zhuǎn)速度的降低而減小，綜合考慮單個周期釬頭的進尺量和破巖效率，可優(yōu)選回轉(zhuǎn)速度20 r/min。

4 結(jié) 論

(1)活塞撞擊釬頭沖擊破巖過程中，活塞與釬頭出現(xiàn)多次碰撞，沖擊反力存在多個極值，隨著沖擊速度的升高，釬頭沖擊反力峰值近似呈線性增大，活塞與釬頭第二次撞擊后，釬頭侵入巖石深度達到最大。

(2)巖石破碎量與沖擊速度、回轉(zhuǎn)速度成正比，當釬頭進尺量達到最大時，巖石未完全破壞，存在部分彈性變形，破巖量會減少。

(3)相同條件下，氣動潛孔錘沖擊回轉(zhuǎn)鉆進比僅在鉆壓作用下回轉(zhuǎn)鉆進提速3～5倍。

(4)TSK8H-216釬頭在花崗巖地層沖擊鉆進時，沖擊速度和回轉(zhuǎn)速度對破巖比功影響較大，破巖比功與回轉(zhuǎn)速度成反比，隨沖擊速度的升高，破巖比功存在一個最優(yōu)值，當鉆壓為25 kN時，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為沖擊速度8 m/s，回轉(zhuǎn)速度20 r/min。