石油钻井中旋冲钻井技术的应用探讨

林琦

四川盐业地质钻井大队 四川自贡 643000

旋转冲击钻进是在常规钻具基础上增设冲击装置，将旋转和冲击功能有效结合的一种钻井技术。在钻进过程中，冲击器在钻井液的驱动下不断产生高频冲击力，并施加在钻头上，使钻头在冲击时旋转。冲击器作为一种井底动力机械，通常与钻头顶部或芯管相连。在钻井液或高压气体的作用下，冲击器推动活塞，使液压锤上下运动。钻头在锤击和静压旋转的联合作用下，达到了破岩的目的。

1 旋冲钻孔过程仿真建模

该模型的研究重点在于钻头的冲击频率和旋转速度对破岩效率的影响，所以为了提高计算效率，忽略其他影响较小因素，对仿真模型作以下假设：①不考虑岩石的初始裂纹和孔隙压力的影响，将其视作一种连续的各向同性介质。②球形钻齿比岩石的硬度高得多，将球形钻齿假设为刚体。③岩石单元失效后立即被移除，忽略岩屑的二次破碎对连续钻进的影响。

1.1 有限元模型的建立

本研究运用三维软件SolidWorks分别建立钻头、钻齿、岩石的三维模型，钻头直径420mm，球形钻齿直径16mm，岩石采用600mm×600mm×100mm的长方体。再将其导入LS-DYNA中，然后定义单元类型及材料属性，所有的单元类型都选用8节点3DSOLID单元，采用缺省的常应力单元公式。钻头与钻齿相对于岩石来说较硬，为了便于计算求解可视为刚体[1]。

1.2 接触、加载、约束及求解时间的定义

钻齿与岩石之间采用面对面的侵蚀接触，以关键字*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURF-ACE来定义，用来模拟旋冲钻孔岩石破碎过程；旋冲钻孔过程钻头具有旋转与冲击两种运动，以关键字*CURVE来定义，并且限制钻头其他4个自由度；将岩石的底面全约束，限制岩石的移动和转动；为了避免岩石模型边界处产生的人工应力波再次进入模型，影响仿真结果，笔者设定岩石模型除与球形钻齿相接触的面以外的5个面为非反射边界条件，来模拟无限域；设定求解时间为50ms，仅输出用于LSDYNA求解的关键字K文件。

2 旋冲钻孔过程仿真分析

旋冲钻孔过程中，钻齿的吃入深度、岩石破碎体积以及破碎比功是岩石破碎效率的主要评判依据。破碎比功越小，所需的能量越小，钻机的性能越好。这里经过LS-DYNA求解计算后，将各组数据导出进行处理分析，以下对旋冲钻孔过程岩石破碎效率的主要影响因素进行详细分析[2]。

2.1 钻头旋转速度对破碎比功的影响

笔者依据岩石钻机的实际使用经验，将钻头的冲击频率设置为f=20Hz，其他参数保持不变，旋转速度分别取20r/min、25r/min、30r/min、35r/min、40r/min时，钻齿吃入深度与转速的变化，在冲击力载荷加载之前，钻齿在静轴压力作用下，吃入深度呈现微小的上下波动，在25ms冲击力卸载后，作用在岩石表面的压应力减小，岩石内部存储波的能量产生拉伸应力，岩石的拉伸强度远小于抗压强度，故岩石更容易产生拉应力破碎，所以此时钻齿的吃入深度迅速增大，结果表明，旋转速度对钻齿的吃入深度影响不明显，岩石破碎主要发生在冲击力卸载后。随着钻头转速的提高，钻齿破碎体积呈逐渐增大趋势，且变化趋势越来越缓慢，这里主要是因为在固定频率的冲击下，球形钻齿产生的破碎坑之间的脊部宽度是固定不变的，转动产生的旋转力矩使脊部被刮削掉，当旋转速度上升到某一值时，相邻破碎坑之间的脊部已经被刮削完成，若再继续增加转速，破碎体积的变化不是很明显；在一定范围内，破碎比功随着转速的不断上升逐渐减小，钻机的破岩效率随转速的提高而提高，当转速大于某一数值时，破碎比功趋于稳定，所以在频率f＝20Hz的情况下，转速在n=30r/min-35r/min范围内破碎比功较小，破岩效率相对较高。

2.2 钻头冲击频率对破碎比功的影响

依据岩石钻机的实际使用经验，笔者将钻头的旋转速度设置为n=20r/min，其他参数保持不变，冲击频率分别取10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz时，钻齿吃入深度与频率的变化曲线可以看出:随着冲击频率的增大，钻齿的吃入深度不断增加，且频率越高，吃入深度急剧上升的时刻点出现的越早。钻齿的破碎体积、破碎比功与频率的变化曲线可以看出:随着冲击频率的增大，钻齿的破碎体积不断增加，当频率增加到一定数值后，破碎体积的变化越来越缓慢，这主要由于在冲击频率较高时，疲劳损伤区在快速变化的冲击力的作用下被重复二次破碎，相当于破碎后的岩石未被及时刮削，没有充分体现出旋转剪切破岩的作用，实际破岩效果不明显；同时随着冲击频率的增加，破碎比功逐渐减小，且破碎比功的变化趋势越来越缓慢，最后趋于稳定，故存在一个最小破碎比功的最佳合适频率范围[3]。

因此，在转速n=20r/min的情况下，频率在f=20Hz-30Hz范围内破碎比功较小，破岩效率相对较高。

2.3 破岩效率与旋转速度、冲击频率之间的关系

由上述分析可知，旋转速度和冲击频率均对破岩效率产生影响，实际钻孔过程中，旋转速度和冲击频率对破岩效果的影响是相互的。所以有必要综合分析旋转速度和冲击频率两者对破岩效果的影响。此处笔者使用MATLAB软件处理在不同旋转速度和冲击频率下的破碎比功相关数据，得到旋转速度、冲击频率与破碎比功相互关系。破碎比功与旋转速度、冲击频率的变化曲面图可以看出:旋转速度和冲击频率二者对破碎比功的影响是相互制约的，当旋转速度在30r/min-35r/min范围，冲击频率在20Hz-30Hz范围时，破碎比功较小，破岩效率相对较高。

3 结语

本研究对钻机旋冲钻孔过程进行了数值模拟仿真，分析了旋转速度和冲击频率对破岩效率的影响。结论如下：①通过建立旋冲钻头破岩的破碎比功模型，得出钻头的旋转速度、冲击频率二者对破岩效率具有很大影响，且二者存在相互制约关系；②岩石破碎过程主要发生在冲击力卸载后；钻头的旋转速度对钻齿的吃入深度影响不明显，但随着转速的增加，破碎体积逐渐增加，最后趋于稳定；钻头的冲击频率对钻齿的吃入深度和破碎体积均有很大影响，冲击频率越大，吃入深度越深，破碎体积越大，岩石出现破碎的时刻点越早；③在旋转速度和冲击频率的共同作用下，存在一个最佳的匹配范围，即当旋转速度在30r/min-35r/min范围内，冲击频率在20Hz-30Hz范围内时，破碎比功较小，破岩效率相对较高。