复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用

李思琪， 李 玮 ， 闫 铁， 高 晗， 毕福庆， 马红滨

(1. 东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318；2. 中国石油大庆化工研究中心，黑龙江 大庆 163714；3. 中国石油大庆油田第五采油厂， 黑龙江 大庆 163513；4. 中国石油集团西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院， 新疆 克拉玛依 834000)

复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用

李思琪1， 李 玮1， 闫 铁1， 高 晗2， 毕福庆3， 马红滨4

(1. 东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318；2. 中国石油大庆化工研究中心，黑龙江 大庆 163714；3. 中国石油大庆油田第五采油厂， 黑龙江 大庆 163513；4. 中国石油集团西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院， 新疆 克拉玛依 834000)

复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问题。基于弹性力学和冲击力学理论，建立了复合载荷作用下压头的破岩模型，分析了模型因素对压头侵深的影响。同时，应用有限元软件分析了复合载荷作用下岩石位移和应力的响应。通过现场应用进一步证明复合载荷冲击破岩的提速效果。理论研究结果表明：该破岩方法可以在保证钻深基础上，减少钻具失效；还扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域，加剧了岩石振动的剧烈程度；当激励频率与岩石固有频率相同或接近时，岩石产生共振，整体振动位移达到峰值。现场应用效果表明，高频低幅轴向冲击工具应用井段平均机械钻速可达3 m/h，与常规钻具相比，平均提速可达67.65%。

复合载荷；冲击作用；侵深；破岩效率；现场应用

随着钻井深度的不断增加，复杂地层、难钻地层所占比例也随之增大，如高研磨性地层、碳酸盐岩地层以及火山岩地层等[1]。当钻遇这些地层时，钻进速度缓慢，钻具失效严重[2]，现有常规钻井方法已不能实现高效破岩的目的[3]。因此，专家学者开始探索一些新的高效破岩方法，如粒子冲击射流破岩[4-5]、超临界二氧化碳射流破岩[6-7]、高频谐振冲击破岩(共振钻井)以及激光破岩等方法，来解决当前钻井的难题[8]。本文研究的复合载荷冲击破岩即为高频谐振冲击破岩的一种形式。

高频谐振冲击破岩技术作为一种新兴的钻井方法，国内外相关的研究较少，主要的研究成果如下：Li等[9]研究了谐波振动激励下钻具的破岩机理并进行了相应的实验分析；李思琪等[10-11]通过数值模拟和室内实验途径研究了简谐振动激励下岩石的振动响应问题；杨威等[12]展开了共振碎岩机理、孔隙介质对共振破岩过程的影响等方面的探索；阿伯丁大学在室内成功开展了共振破岩实验，其切屑速度是常规钻井方式的10倍。Wiercigroch[13]申请了共振增强钻井的发明专利，发明了一种可以实现共振钻井的装置与方法；Pavlovskaia等[14]建立了高频振动冲击钻井模型，研究了静态力，振幅和激励频率等因素对钻进效果的影响。

本文从复合载荷共同作用的角度研究了钻头的破岩提速机理。在已有的研究成果中，有关复合载荷作用的研究主要指岩石受钻头的静压切削和钻头的振动冲击共同作用[15-16]，这里的振动冲击主要指钻头与岩石无规律的振动碰撞。而本文提出的复合载荷冲击作用是一种新的破岩方式，这里的静载指钻压，动载指钻头施加于岩石上的高频简谐振动冲击，研究的是在钻压和简谐振动冲击共同作用下钻头的破岩机理。通过本文的研究，可为高频谐振冲击破岩技术的实现提供理论基础。

1 压头的破岩模型

假设钻头与地层岩石的作用为刚性的锥形压头与一个弹塑性半空间体的作用，如图1所示。由已有研究成果可知，如果冲击速度远低于材料的弹性波速度，或者冲击的接触面积和变形区域相比于碰撞体非常小，材料响应是准静态地，准静态理论仍然适用[17-18]。因此，这里认为弹塑性半空间体在静载和简谐振动冲击载荷作用下的响应与准静态加载下的响应相似。同时假设压头和半空间面之间的接触作用是无摩擦的，卸载阶段材料是弹性卸载。

图1 锥形压头与弹塑性半空间体作用模型Fig.1 Model of conical head and elastoplastic half-space body

1.1 加载阶段

刚性锥形压头对弹塑性半空间体冲击过程中，由于高压力，表面下方形成塑性核，并被剩余的弹性材料封闭。由空腔膨胀模型可得塑性核中的应力pm为[19]

(1)

式中：ES为介质的弹性模量；Y为介质的屈服强度；vS为介质的泊松比；β为锥形面与弹塑性半空间体之间的夹角。

为保证弹塑性半空间体发生破碎，作用于冲击表面的冲击力大小至少要克服塑性核中的应力，即有

(2)

式中：a为接触面的半径；D为侵深。

由式(1)、式(2)可得

(3)

式(3)即为锥形压头下加载阶段载荷和侵深的二次关系式，可表示为

Fl(δ)=Kldnl, nl=2

(4)

式中，Kl为压头加载中的接触刚度，可表示为

式中，作用于冲击表面的冲击力可表示为

(5)

1.2 卸载阶段

在卸载阶段，锥形压头的载荷和侵深关系式可表示为

Ful=Kul(D-Df)2

(6)

式中，Kul为压头卸载中的接触刚度，可表示为

由于在弹塑性半空间体恢复阶段，有效的锥角β是改变的，载荷和侵深规律可更精确地近似为

Ful(D)=Kul(D-Df)nul

(7)

式中，nul<2; Df为卸载阶段弹塑性半空间体达到的最终变形。

3 模型因素分析

基于压头的破岩模型，对复合载荷作用下影响压头侵深的因素进行分析。

图2分别为1 000N静载、振幅为1 000N的简谐振动冲击以及静载和简谐振动冲击共同作用下锥形压头侵入砂岩的侵深-时间曲线。由图可知，理论上在相同静载作用下压头的侵深是相同的。因此，在静载作用下压头的侵深曲线是一条直线。但是在实际钻井作业中，由于PDC钻头黏滑现象的存在，会存在憋钻问题，每次钻压的作用并不能都起到岩石破碎的效果，钻头的侵深并不能保持一个恒定的值。

图2 不同载荷作用下压头侵入砂岩的侵深曲线Fig.2 Relations between invasion depth and time in different loads

在简谐振动冲击下，压头的侵入曲线也呈简谐振动趋势，最大侵深也可达到单独静载作用下的侵深。但在简谐振动冲击下，岩石的破碎主要是由于岩石自身响应发生显著变化而造成的，钻头起到的作用主要是传递简谐振动冲击载荷和辅助破岩的作用。相比于常规钻井，PDC钻头憋钻问题大大减轻，黏滑现象大大减少，钻头断齿、崩齿等现象减少。因此，简谐振动冲击钻井可在保证侵深的前提条件下减少钻具失效。

由复合载荷共同作用下压头的侵入曲线可知，压头的侵深大大增加，这是由于在这种情况下，既可以保持静载作用下的恒定侵深，简谐振动冲击作用又可以减少钻压的负面效应，从而大大提高了钻头的破岩效率。

由图3可知，复合载荷作用下压头侵入不同岩石产生的最大侵深不同，这是由弹性模量、泊松比以及屈服强度等岩石特性共同决定的，这些因素属于岩石的固有性质。这些固有性质的不同，决定了岩石固有频率的不同，在不同激励频率的谐振冲击作用下，压头可产生的最大侵深也截然不同。由图4可知，在复合载荷作用下，锥形压头随着β角的增加，产生的最大侵深增加。这是由于β角越大，锥形压头垂直作用于岩石表面的作用力越大，因此岩石越易破碎。

图3 复合载荷作用下压头侵入不同岩石的侵深曲线Fig.3 Relations between invasion depth and time of different rocks under combined load

图4 复合载荷作用下不同β角压头侵入砂岩的侵深曲线Fig.4 Relations between invasion depth and time of sandstone in different β under combined load

3 数值模拟

分别应用ANSYS有限元软件中静力学分析模块和谐响应分析模块分析岩石在静载、复合载荷作用下锥形压头与岩石的作用。压头先对岩石施加1 000N的静载，进行静力学分析。在求解的基础上再次施加冲击振幅为1 000N，冲击频率为1～1 000Hz的谐振力进行谐响应分析。岩石与压头的基本特性参数如表1所示。岩石与锥形压头以2∶1的比例建模，进行网格化分，如图5所示。

图5 模型的网格划分效果图Fig.5 The mesh sample of model

名称弹性模量E/Pa泊松比μ密度ρ/(kg·m-3)砂岩1．6×10100．2092557压头2．06×10110．37850

静载、复合载荷共同作用下求解的岩石位移云图如6～图9所示。

如图6所示，静载作用下压头侵入岩石的位移响应主要集中于压头与岩石的接触区域，此区域岩石振动剧烈，而接触以外的区域岩石只会产生微振动，岩石的破碎区域主要集中于静载重复作用下压头与岩石的接触区域。

图6 静载作用下压头侵入岩石的位移云图Fig.6 Displacement contours of rock under static load

图7 激励频率为200 Hz时压头侵入岩石的位移云图Fig.7 Displacement contours of rock under 200 Hz excitation frequency

图8 激励频率为400 Hz时压头侵入岩石的位移云图Fig.8 Displacement contours of rock under 400 Hz excitation frequency

图9 激励频率为600 Hz时压头侵入岩石的位移云图Fig.9 Displacement contours of rock under 600 Hz excitation frequency

图7～图9为复合载荷冲击作用下压头侵入岩石的位移响应过程代表图。如图所示，激励初期岩石的位移响应与静载作用下类似，随着激励频率的增加，岩石的振动响应呈现先剧烈，后平稳的趋势。当激励频率为400 Hz时，压头接触区域的岩石振动位移显著，接触区域以外的岩石也呈现剧烈振动。之后随着激励频率的增加，岩石又恢复微振动状态。由此可以看出，复合载荷作用下，岩石可以达到静载侵入效果的基础上，还可以进一步加大岩石的响应程度，扩大岩石的响应范围，大大提高岩石的破碎效果。

图10为砂岩的位移响应随激励频率变化的曲线图。由图可知，当激励频率达到330 Hz左右时，岩石的位移响应曲线出现峰值，且明显高于其它激励频率下岩石的振动响应。这是由于此时砂岩达到了共振状态，由共振性质可知当激励频率与岩石固有频率相同时，砂岩产生共振，振动剧烈，容易破碎。这也进一步说明了图8中当激励频率在400 Hz左右时，岩石整体振动剧烈的原因。由此可知，在复合载荷作用下，如果动载的激励频率与岩石的固有频率相同，激励岩石产生共振，岩石将会产生明显高于静载作用下的强烈的振动响应，岩石达到易破碎状态。

图10 砂岩的谐响应位移频率曲线Fig.10 The harmonic response curve of sandstone

图11、图12分别为静载、复合载荷共同作用下求解的岩石应力云图。

图11 静载作用下压头侵入岩石的应力云图Fig.11 Stress contours of rock under static load

图12 激励频率为600 Hz时压头侵入岩石的应力云图Fig.12 Stress contours of rock under600 Hz excitation frequency

由静载、复合载荷作用下压头侵入岩石的应力云图对比可知，静载作用下压头冲击力作用区域主要集中于压头与岩石的接触区域以及小部分的周边区域，静载作用范围有限，岩石破碎程度有限。而在复合载荷冲击作用下的岩石，载荷作用区域由最初压头周边扩展到整个岩石，动载作用范围明显大于静载，岩石受到的最大应力也明显高于静载，显著提高了岩石的破碎程度。

4 现场应用

为了实现复合载荷冲击作用在现场钻井作业中的应用，东北石油大学“高效钻井破岩技术研究室”自主研发了“高频低幅轴向冲击工具”。它是通过工具内部独特的流道结构，将钻井液的流体能量转换成高频的简谐振动冲击力传递给钻头，再配合以钻压和转速，实现钻头对岩石的复合载荷冲击作用。工具的冲击频率为15 Hz，工作钻压为6～14 t，转速为50～60 r/min，排量为28～32 L/min。图13为“高频低幅轴向冲击工具”的实物图。将冲击工具应用于M井6 500～6 700 m井段，该井段的岩性包括灰色细砂岩、褐色泥岩、灰褐色粉砂质泥岩等，其固有频率大约在1 000 Hz左右。由于工具的冲击频率相比所钻地层岩石的固有频率非常小，很难使其共振，因此此次作业中，工具主要起到的是简谐冲击破岩的作用。

图13 高频低幅轴向冲击工具实物图Fig.13 The high-frequency low-amplitude axial impact tool

由图14可知，“高频低幅轴向冲击工具”平均机械钻速可达3 m/h。在6 574～6 668 m井段，常规钻具纯钻进时间为50 h，平均机械钻速为1.88 m/h，工具平均机械钻速为3.33 m/h，为常规钻具机械钻速的177.1%，提高77.1%。在6 500～6 596 m井段，常规钻具纯钻时间为52.05 h，平均机械钻速为1.84 m/h，工具机械钻速为2.91 m/h，提高机械钻速58.2%。综上所述，工具应用井段平均提速67.65%，这是基于复合载荷作用减少了钻头憋钻、崩齿等失效问题的同时，还扩大了岩石的受力范围和响应程度，在保证钻具寿命的同时，提高了复杂难钻地层岩石的破岩效率，从而实现提高机械钻速的目的。

图14 工具机械钻速随井深变化曲线Fig.14 Changes of drilling rate with well depth of tool

5 结 论

(1)分别建立了压头与岩石在复合载荷冲击作用下加载阶段和卸载阶段的作用模型。通过模型的因素分析可知，复合载荷作用可以在保证钻深基础上，减少钻具失效；压头侵入的深度取决于弹性模型、泊松比等岩石的固有性质；β角越大，岩石越易破碎。

(2)通过有限元数值模拟分析可得，复合载荷冲击作用扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域，加剧了岩石振动的剧烈程度。特别是当激励频率与岩石固有频率相同或接近时，岩石产生共振，整体振动位移达到峰值，最易破碎。

(3)“高频低幅轴向冲击工具”的现场应用进一步证明了复合载荷冲击作用的破岩效果：工具应用井段平均机械钻速可达 3 m/h，与常规钻具相比，平均提速可达67.65%。

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A study on the rock breaking mechanism of drill bits under combined loads and field applications

LI Siqi1，LI Wei1，YAN Tie1，GAO Han2，BI Fuqing3，MA Hongbin4

(1. Institute of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China;2. Daqing Petrochemical Research Center, Petro China, Daqing 163714, China; 3. The Fifth Oil Production Plant of Daqing Oilfield, Petro China, Daqing 163513, China; 4. Drilling Engineering Technology Research Institute of XDEC, Petro China, Karamay 834000, China)

Impacting rock under combined loads, as one of efficient rock breaking technology, can solve the drilling problem of complex hard formation, such as slow drilling rate, serious drilling tool failure. Based on the theories of elastic mechanics and impact mechanics, a rock breaking model of indenters was proposed and the effects of factors on the invasion depth were studied. Also, finite element software was used to analyze the response of displacement and the stress of the rock. At last, the effect of increasing speed under the impacting of combined loads was proved further through field applications. Results of theoretical research show that: the technology not only can guarantee the invasion depth, but also can reduce the drilling tool failure. It also can expand the response range of rock and the working area of loads and increase the intensity of rock vibration. When the excitation frequency is the same as or is close to the natural frequency of rock, the rock will be resonant and the vibration displacement is the largest. Effects of field applications show that: the average of drilling rate of high-frequency low-amplitude axial impact tool is 3 m/h. It is increased of 67.65% compared with conventional drilling tools.

combined load; impacting; invasion depth; rock breaking efficiency; field application

“十三五”国家科技重大专项项目20(2016ZX05020-002)；国家自然科学基金重大项目(51490650)

2016-04-21 修改稿收到日期： 2016-06-28

李思琪 女，博士，讲师，1989年生

李玮 男，博士，教授，博士生导师，1978年生

TE21

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.008