地熱井鉆井施工技術研究

張宏濤

(陜西省煤層氣開發利用有限公司澄合分公司，陜西 渭南 715200)

0 引言

在地熱井資源的勘探開發過程中，深井和超深井的數量不斷增加，并保持快速增長的趨勢。當聚晶金剛石鉆頭遇到深層地層中的硬土層時，鉆進速度明顯下降，延長了鉆井時間，降低了鉆頭壽命，增加了鉆井成本。針對這一問題，沖擊式鉆井技術被應用到地熱井鉆井工程中，以提高穿透率(ROP)[1]。根據以往的研究，沖擊式鉆具可分為旋轉式、扭轉式和復合式沖擊式鉆具。在所有類型中，旋轉沖擊式鉆具已被證明有利于提高穿透率，主要原因是其沖擊錘主要在軸向往復運動，產生的軸向應力波可用來協助破巖[2-3]。鑒于此，開展旋轉沖擊鉆具的研究，通過改善沖擊參數來提高破巖效率具有重要意義。

本文在實驗室測試的基礎上，測量了旋轉沖擊鉆具的實際往復頻率和應力波頻率。然后，根據巖石動力學材料模型建立了聚晶金剛石鉆頭刀具的破巖模型，并對模型中的刀具施加了靜態和動態載荷，分析了不同循環頻率和波頻參數下的鉆齒穿透深度的變化規律，最后對比分析了兩類頻率對穿透率的耦合效應。其研究結果可以為沖擊鉆具工程參數的優化和工具結構的優化提供充分的依據。

1 基于實驗的關鍵參數測量

1.1 工程模型

為進一步分析旋轉沖擊鉆具的沖擊錘的往復運動，將沖擊錘在一個周期(T1)的運動過程分為三個階段。第一階段是從時間t0到時間t1。在時間t0處，沖擊錘處于初始位置，速度為零。之后在一定壓力和流量的鉆井液的驅動下，沖擊錘開始加速，直到時間t1，沖擊錘即將撞擊到鉆具的底部，這時沖擊錘達到了碰撞前的最大值[4]。第二階段是從時間t1到時間t2。在此期間，沖擊錘與鉆具底部發生碰撞，產生應力波，該碰撞將會持續一定時間。并在時間t2處，沖擊錘離開底座，開始向相反方向移動。第三階段是從時間t2到時間t3。在這個階段中，沖擊錘向相反的方向移動，直到回到初始位置[5]。

1.2 循環頻率的測量

在旋轉沖擊鉆具的應用過程中，一定速度和壓力的鉆井液會從上接頭流入工具，并驅動工具使錘子來回移動。在這一過程中，軸向沖擊錘將接觸底座產生應力波。為了測量沖擊頻率，本文進行了實驗室測試。利用離心泵將水從水箱中抽出并輸送到旋轉沖擊鉆具中，以產生足夠的能量來驅動錘子來回移動[6]。在這個過程中，鉆具腔內的壓力會隨著錘子的往復運動而增加或減少，這可以作為評估錘子循環頻率的指標，此外安裝在工具上的壓力表將測量工具腔內的壓裂變化[7]。其中，流體的壓力和流量為0.6 MPa和14.3 L/s。

2 數值模擬

2.1 數值模型

聚晶金剛石鉆頭通常用于旋轉沖擊鉆孔。為了簡化模型，選擇聚晶金剛石鉆頭中的單個刀具作為研究對象，刀具位于鉆頭的外邊緣。為了減少模型計算，選取鉆齒中間縱向截面作為研究對象，分析鉆齒在侵入巖石過程中最大穿透深度的變化。

在建立數值模型的過程中，選擇了商業軟件Ls-Prepost進行網格劃分，并選擇軟件Ls-Dyna進行計算?？紤]到PDC鉆頭的實際尺寸，直徑設置為16 mm，高度為4 mm，傾角為20°，嚙合均勻，地層厚16 mm，長300 mm。地層模型的劃分采用變密度格網法，計算過程中采用約化整體單元，鉆齒和地層的厚度均設置為0.1 mm。鉆齒沿地層方向勻速移動，切割巖體，運動時間為0.4 s，時間步長設置為0.0002 s。

2.2 材料規格

如上所述，在旋轉沖擊鉆具的運動過程中，沖擊錘的速度經常達到甚至超過6 m/s。在這種速度下，應考慮地熱井巖石的應變速率效應。由于傳統的巖石靜力學參數不能滿足這一要求，因此選擇巖石動力學參數作為巖石的材料參數。另外，對于沖擊載荷下巖石的力學性能，當巖石受到沖擊載荷損傷時，RHT材料模型可以綜合反映材料的拉伸和壓縮損傷情況。

2.3 邊界條件、荷載和位移

在旋轉沖擊鉆孔過程中，聚晶金剛石鉆頭上的鉆齒主要承受位移和應力載荷。其中設置鉆桿轉速為60 r/min，鉆頭直徑為215.9 mm，并選取鉆頭外緣的鉆齒作為研究對象。根據計算，鉆齒的轉速為0.68 m/s。此外在設定靜載荷和動載荷時，從鉆柱沿軸向傳遞到鉆齒的靜壓載荷設定為0.6 MPa。由于沖擊能量在應力波中傳遞，因此應力波被設置為矩形波[8]，并設定沖擊錘的循環頻率為20 Hz，沖擊持續時間為0.05 s，波頻率為500 Hz，峰值為0.4 MPa。在邊界條件上，模型兩側和底部的邊界限制為零位移，將其設置為非反射邊界以模擬無邊界地層，從而確保產生的應力波不會因反射而影響破巖效應。

3 結果與討論

3.1 不同鉆孔方法的比較

圖1為常規鉆和旋轉沖擊鉆在鉆孔過程中聚晶金剛石鉆頭的穿透深度的動態變化曲線。根據該曲線變化研究可得，即使在常規鉆進過程中，聚晶金剛石鉆頭的位置也始終處于持續波動的狀態，這主要是因為即使靜載荷保持不變，聚晶金剛石鉆頭與硬巖的接觸面也會隨著聚晶金剛石鉆頭的不斷前移而不斷變化，從而導致聚晶金剛石鉆頭的穿透深度出現波動[9-10]。與傳統鉆相比，使用旋轉沖擊鉆具時，鉆頭將承受軸向動載荷，使得切削齒的波動也更加劇烈。在這兩種情況下，聚晶金剛石鉆頭的平均穿透深度分別為2.26 mm和2.79 mm，這意味著與常規鉆相比，旋轉沖擊鉆的穿透率可以提高23.5%。

圖1 不同鉆孔方法的穿透深度

為了進一步分析波動區域內破巖效率的差異，在圖2中標注了聚晶金剛石鉆頭切割地熱井巖石后的損壞區域。其中損傷因子代表對巖石的破壞程度，當系數表征為0時，表示巖石沒有受到破壞；當系數表征為1時，表示已經完全被破壞。

圖2 波動區域內的損壞區域

從兩個時間段(0.14～0.20 s，0.30～0.34 s)的對比圖來看，在破巖鉆進過程中，切削面以下的巖石也受到了破壞，主要是由于附加動載荷對巖石的沖擊而造成的?？紤]到鉆頭通過旋轉來切割巖石，當鉆齒旋轉360°時，它將繼續在同一位置進行切割。在這種情況下，受損巖石上的反作用力會更小，因此旋轉沖擊鉆的破巖方式更有利于延長鉆頭的使用壽命。另外，在使用旋轉沖擊鉆具時，軸向動載荷的施加也會導致巖屑的產生。巖屑的大小會影響地熱井井筒清潔的效果，這可以作為調整鉆井液流體動力學參數的基礎。巖屑可分為破損巖屑和未破損巖屑，損壞的巖屑在運動過程中會被破碎，對井筒清潔影響不大，而未損壞的巖屑對井筒清潔的影響較大。

3.2 不同應力波頻率下的穿透深度

圖3為聚晶金剛石鉆頭在不同應力波頻率下穿透深度的動態變化。由圖3可知，當應力波頻率為67.5 Hz和125 Hz時，聚晶金剛石鉆頭齒在地層穿透過程中產生了明顯的波動。在這兩個頻率下，應力波的波長都相對較長，因此產生的能量可以幫助鉆頭齒在短時間內實現顯著的破巖效果，從而在巖石上產生明顯的“坑狀”凹陷。盡管巖石破碎效果明顯，但很容易導致鉆頭跳動，從而進一步影響鉆頭和鉆具的壽命。隨著應力波頻率的增加(250 Hz和500 Hz)時，鉆齒在巖石穿透過程中產生的波得到改善。由于高頻應力波的波長較短，其輔助破巖能量非常小，在地熱井破巖過程中無法產生顯著的沖擊坑。

圖3 不同應力波頻率下的穿透深度

當應力波頻率為67.5 Hz、125 Hz、250 Hz和500 Hz時，聚晶金剛石鉆頭在前3.59 s的平均穿透深度分別為3.15 mm、3.07 mm、2.79 mm和0.4 mm。因此應力波的頻率對穿透深度有顯著影響，平均穿透深度隨應力波頻率的增加而減小。當沖擊速度不變時，增加聚晶金剛石鉆頭的長度有利于降低應力波的頻率，可以提高穿透率，增加破巖效果。

3.3 耦合效應的影響

為進一步分析循環頻率和應力波頻率的耦合效應，比較了聚晶金剛石鉆頭在不同循環頻率和波頻率下的穿透深度，如圖4所示?？梢钥闯?，這兩種頻率對聚晶金剛石鉆頭刀具的穿透深度都有顯著影響，平均穿透深度隨循環頻率的不斷增大而增大，隨應力波頻率的升高而減小。當循環頻率高、應力波頻率低時，鉆齒穿透效果最好。如前所述，增加鉆井液會增加循環頻率，而增加沖擊錘的長度有助于降低應力波頻率。但是一旦確定流體壓力，增加沖擊錘的長度也會降低循環頻率。

圖4 耦合作用下鉆頭穿透深度變化

在旋轉沖擊鉆的實際工程應用中，也要考慮井筒軌跡、井筒穩定性等工程參數的影響，可以從以下兩個方面對參數進行優化。第一，在垂直截面上，可以通過適當提高循環頻率和顯著降低應力波頻率來提高鉆速。在這種情況下產生的巖屑很大，但可以通過改善水動力參數來保持井筒清潔。第二，在偏轉或水平段中，可以通過適當降低應力波頻率并顯著增加循環頻率來提高機械限速。在這種情況下，產生的巖石碎屑顆粒較小，不會使巖石碎屑出現在水平截面的巖石碎屑床中，有利于井筒的清潔。

4 結語

(1)增加流體壓力可以增加沖擊錘的沖擊速度以增加循環頻率。然而，沖擊錘的沖擊速度并不影響應力波的頻率。而增加沖擊錘的長度有利于降低應力波的頻率。

(2)建立了單個聚晶金剛石鉆頭的常規鉆進和旋轉沖擊鉆進的數值模擬，并考慮了巖石動力學參數。研究結果表明，旋轉沖擊鉆進(2.79 mm)的穿透率比常規鉆進(2.26 mm)高23.5%。

(3)平均穿透深度隨循環頻率的持續增加而增加，隨應力波頻率的升高而降低。當采用較高的應力波頻率和循環頻率時，聚晶金剛石鉆頭在破巖過程中產生的巖屑尺寸較小，有利于地熱井鉆井過程中的井筒清洗。