基于LS－DYNA的粒子沖擊破巖機理及參數優化

姜美旭，顏廷俊，張 揚，聶炳林

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.中國石化海上石油工程技術檢測中心，山東東營257001） ①

基于LS－DYNA的粒子沖擊破巖機理及參數優化

姜美旭1，顏廷俊1，張 揚1，聶炳林2

（1.北京化工大學機電工程學院，北京100029；2.中國石化海上石油工程技術檢測中心，山東東營257001）①

粒子沖擊鉆井是一種以粒子沖擊破巖為主的新型鉆井技術，能有效解決目前堅硬地層鉆井中常出現的鉆進速度慢、鉆頭壽命短等問題。為分析影響粒子沖擊鉆井中粒子破巖效果的因素，應用非線性有限元軟件LS－DYNA建立球形鋼粒子沖擊巖石的三維實體模型，模擬了粒子沖擊巖石的全過程。通過分析粒子入射參數隨巖石的能量吸收率和侵徹體積的變化規律，得出粒子入射速度為120～150m／s、粒子直徑為2.5～4.5mm和入射角度為0～10°時為宜。

粒子鉆井；參數優化；LS－DYNA

深井及堅硬地層的快速鉆進問題一直是鉆井工程中的技術難題。據資料顯示，石油資源占全國1／3以上的西部地區有73%的石油資源埋藏在深部地層。隨著鉆井深度的增加，巖石的可鉆性顯著降低，鉆井難度呈指數形式增加。硬地層鉆井不僅存在于深井中，我國某些地區在淺井段也存在堅硬的巖層，以高陡構造和堅硬老地層的鉆探最為突出［1］。深井、硬地層的勘探開發已成為目前油氣田作業的首要問題。目前國內雖采用了多種新型鉆井方法［2－3］，卻還不能有效解決堅硬地層的鉆進問題。

粒子鉆井技術利用泥漿中攜帶的金屬粒子通過鉆桿、水眼高速沖擊巖石達到破碎巖石的效果，是以粒子破巖為主，機械破巖和水力破巖為輔的一種新型鉆井技術。根據美國粒子鉆井公司（Particle Drilling Technology Inc.）于2006—2008年的實驗表明，粒子鉆井技術相對于傳統鉆井技術有鉆速快、井斜小、鉆具壽命長等優點［4－8］。由于粒子鉆井是一種新興的鉆井技術，目前對其理論研究的文獻較少。本文利用非線性有限元數值計算軟件LS－DYNA，通過數值模擬的方法以巖石的侵徹體積和能量吸收率為判據，研究粒子破巖參數入射速度、粒子直徑和入射角度對破巖效果的影響，以指導粒子鉆井現場作業。

1 建立有限元模型

利用ANSYS的前處理功能建立粒子侵徹的三維實體模型，粒子和巖石均采用8節點六面體單元進行劃分。隨后將模型導入LS－DYNA設置材料模型參數，最后利用LS－DYNA Solver和LS－PrePost進行求解和后處理。

材料模型參數是粒子破巖分析的關鍵之一。將粒子視為圓形鋼粒子，巖石則選用Holmquist－Johnson－Cook模型（HJC）。HJC模型考慮了材料損傷、應變率效應以及靜水壓力對于屈服應力的影響，其本構關系采用多孔材料的三段式狀態方程描述，而等效強度的應變率效應和損傷累計破壞準則類似于Johnson－Cook模型，特點就是能夠反映混凝土、巖石等脆性材料在大應變、高應變速率和高圍壓下及材料損傷失效的動態響應［9］。巖石的材料模型參數如表1所示。

表1 巖石HJC模型參數

在粒子沖擊鉆井中，粒子的尺寸相對于巖石來說非常小，因此在數值求解中將巖石的邊界設為非反射邊界，以模擬無限大的巖石的受力情況，同時粒子與巖石的接觸選擇面面侵徹接觸。

2 粒子沖擊參數分析與優化

將巖石和粒子作為一個系統，粒子與巖石未接觸時，系統的總能等于粒子的動能。碰撞后能量由裂紋擴展的內能、破碎后碎塊的動能、粒子回彈的動能等組成［9］。考慮到巖石類材料是典型的脆性材料，而破碎的巖屑相對于無限大的巖石來說其動能可以忽略，因此可以近似認為碰撞后系統的全部能量都轉化為巖石的內能和粒子回彈的動能。

2.1 不同入射速度下粒子破巖分析

以粒子直徑為2.5mm，入射角度0°（垂直入射）為基本參數。為便于觀察和分析，在圖1中展示了入射速度150m／s、粒子直徑2.5mm、入射角度0°時的粒子撞擊巖石形成侵徹和空穴的全過程。圖1b為粒子與巖石剛發生侵徹接觸，在非常小的接觸面上產生了很大的瞬時應力，超過了巖石的抗壓強度；圖1c為隨著粒子繼續侵徹，在巖石表面開始產生明顯凹坑；圖1d巖石表面的凹坑不斷擴大，逐漸形成了漏斗形的凹坑，同時粒子自身應力逐漸減弱，并開始反彈；圖1e粒子開始反彈，應力波仍不斷從接觸點向巖石內部擴散，并導致巖石內部出現空穴；圖1f粒子反彈并完全離開巖石表面，巖石內部形成了倒漏斗形的空穴，此時巖石破壞最為嚴重。

影響粒子沖擊巖石破碎效果的因素有很多，例如鉆井液的水楔作用、粒子入射參數、粒子尺寸、巖層溫度等。本文主要研究粒子入射速度、粒子直徑和入射角度3個核心參數對巖石侵徹效果的影響規律，并從巖石的侵徹體積和能量吸收率兩方面評價粒子的侵徹效果和破巖效率。

粒子撞擊巖石后撞擊轉化的能量將導致巖石內部裂紋的匯聚和擴展，降低巖石的力學性能。因此能量吸收率可以反映粒子侵徹效率的高低，能量吸收率的計算方法［8］為

圖1 入射速度150m／s、粒子直徑2.5mm、入射角度0°時的粒子破巖過程

圖2反映了粒子不同入射速度對破巖效果的影響。從圖2中可看出，粒子入射速度從100m／s增大到200m／s后，巖石的侵徹體積有較大增加，巖石表面漏斗狀的凹坑和內部倒漏斗狀的空穴均有明顯擴大。

圖2 入射角度100m／s與200m／s時的粒子破巖效果對比

圖3反映了粒子入射速度同巖石侵徹體積的關系。隨著入射速度的增大，巖石的侵徹體積逐漸增大。這是因為當粒子入射速度增大時，其與巖石的接觸應力和能量均增大，巖石的破碎體積隨之增大，所以破巖效果愈來愈好。值得注意，粒子速度的增大受到鉆井泥漿泵排量的限制，不可能無限制地增加。

圖3 入射速度與侵徹體積的關系曲線

圖4反映了粒子入射速度同巖石能量吸收率的關系。從圖中可以看出，隨著粒子入射速度的增大，巖石的能量吸收率先上升后下降，即并不是速度愈大能量吸收率愈好，而是存在一個能量吸收率較高的速度區間。這是因為當入射速度很高時，粒子的反彈速度亦很大，粒子具有的動能并未有效地傳遞給巖石，反而導致能量吸收率下降。當入射速度在120～150m／s時，能量吸收率均超過了70%，粒子的破巖效率較高。從工程實際看，排量為40～50 L／s的鉆井泥漿泵就可提供上述區間的粒子入射速度。

圖4 入射速度與能量吸收率的關系曲線

2.2 不同粒子直徑下粒子破巖分析

假設粒子入射速度100m／s，入射角度0°，研究巖石的侵徹體積和能量吸收率隨粒子直徑的變化規律。

圖5為粒子直徑同巖石侵徹體積之間的關系。從圖中可知，隨著粒子直徑的增大，粒子的動能會隨之增大，從而巖石的侵徹體積不斷增加。特別值得關注的是粒子直徑從2.0mm增大到2.5mm時，侵徹體積從0.39×10－9m3大幅增大到1.38×10－9m3，增大較多。這是因為直徑2.0mm時粒子沖擊能量不足，破巖過程中巖石內部沒有產生倒漏斗形的空穴，如圖6所示。當粒子直徑＞2.5mm時，巖石內部均出現倒漏斗形的空穴，這就使得侵徹體積大幅度增加。

圖5 粒子直徑與侵徹體積關系曲線

圖6 入射速度100m／s、粒子直徑2.0mm、入射角度0°時的破巖效果

圖7反映了粒子直徑同能量吸收率的關系。從圖中可知，當粒子直徑在1.0～2.0mm和2.5～4.5 mm 2個區間內，隨著粒子直徑的增大，能量吸收率不斷增加。當粒子直徑在2.5mm時，能量吸收率存在一個突變，這是巖石內部形成倒漏斗形空穴的過程中能量損失增加，致使能量吸收率下降所致。

圖7 粒子直徑與能量吸收率的關系曲線

綜合考慮侵徹體積和能量吸收率2方面的影響，加之工程中鉆頭水眼直徑通常在10mm左右，為防止過大的粒子直徑堵塞鉆頭水眼，粒子直徑應控制在2.5～4.5mm為宜。

2.3 不同入射角度下粒子破巖分析

假設粒子直徑2.5mm，入射速度100m／s，研究巖石的侵徹體積和能量吸收率隨入射角度的變化規律。

如圖8所示為粒子入射角度同侵徹體積的關系。從圖中可知，隨著粒子入射角度的增加，侵徹體積先快速下降后又緩慢提高，并在入射角度為10°時出現拐點。這是因為粒子入射角度在0°和5°時，破巖過程中巖石內部有倒漏斗形的空穴，而入射角度在10°時，破巖過程中巖石內部沒有產生倒漏斗形的空穴，使得10°時巖石體積相對0°和5°有較大幅度的減小所致，如圖9所示。

圖8 入射角度與侵徹體積的關系曲線

圖9 不同入射角度的粒子破巖效果對比

圖10反映了粒子入射角度同能量吸收率的關系。從圖中可以看出，隨著粒子入射角度的增加，巖石能量吸收率不斷下降。當入射角度＞20°時，能量吸收率已低于60%，即較大的入射角度不利于粒子破巖，粒子破巖效率較低。綜合考慮侵徹體積和能量吸收率兩方面的影響，工程中粒子入射角度應控制10°以內。

圖10 粒子入射角度與能量吸收率的關系曲線

2.4 粒子沖擊參數優化

綜合考慮工程實際中泥漿泵排量和鉆頭水眼直徑等的限制以及入射速度、粒子直徑和入射角度3個參數對巖石侵徹體積和能量吸收率的影響，粒子入射速度控制在120～150m／s，粒子直徑在2.5～4.5mm，入射角度＜10°時粒子的破巖效果和破巖效率較佳。

3 結論

1） 隨著粒子入射速度的增大，巖石的破巖效果愈好，而巖石的能量吸收率先上升后下降。當入射速度為120～150m／s時，巖石的能量吸收率高于70%，破巖效率較高。

2） 隨著粒子直徑的增大，巖石侵徹體積不斷增加，破巖效果愈好。當粒子直徑在1.0～2.0mm和2.5～4.5mm區間內，隨著粒子直徑的增大，能量吸收率亦不斷提高。綜合考慮鉆頭水眼直徑的限制，粒子直徑應控制在2.5～4.5mm為宜。

3） 隨著粒子入射角度的增大，巖石侵徹體積先快速下降后又緩慢提高，而巖石能量吸收率不斷下降。較大的入射角度不利于粒子破巖。為了提高粒子破巖效率，粒子入射角度應＜10°。

［1］ 王大勛，劉 洪，韓 松，等.深部巖石力學與深井鉆井技術研究［J］.鉆采工藝，2006，29（3）：6－10.

［2］ 楊 謀，孟英峰，李 皋，等.提高深井機械鉆速的有效方法［J］.石油礦場機械，2009，38（8）：6－8.

［3］ 伍開松，古劍飛，況雨春，等.粒子沖擊鉆井技術評述［J］.西南石油大學學報：自然科學版，2008，30（2）：142－146.

［4］ Terry J.Increase ROP with PID［J］.Global Exploration and Production News，2006（11）：95－96.

［5］ Rach N M.Particle－impact drilling blasts away hard rock［J］.Oil ＆Gas Journal，2007（2）：43－45.

［6］ Lord R.Bit technology keep space with operator activity［J］.World Oil，2006（11）：80.

［7］ Tibbitts G A，Galloway G G.Particle drilling alters standard rock－cutting approach［J］.World Oil，2008（7）：37－44.

［8］ Hardisty T.Big oil is tuning into hard rock to get to petroleum resources［J］.Houston Bussiness Journal，2007，37（44）：16－22.

［9］ 李 耀.混凝土HJC動態本構模型的研究［D］.合肥：合肥工業大學，2009.

Study on Rock Breaking Mechanism for Particle Impacting and Parameter Optimization Based on LS－DYNA

JIANG Mei－xu1，YAN Ting－jun1，ZHANG Yang1，NIE Bing－lin2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing100029，China；2.Technological Inspection Station of Offshore Petroleum Engineering，SINOPEC，Dongying257001，China）

Particle impact drilling is a new drilling technology which is dominated by particle impacting.The problems of drilling hard formation such as low drilling speed and short service life of bit can be effectively solved.To analyze the factors of rock breaking effect in particle impact drilling，the process of rock breaking of particle impacting was simulated by establishing three dimensional finite element models with nonlinear finite element software LS－DYNA.By analyzing change laws of incident parameters with volume of rock breaking and rate of energy absorption，the incident velocity of 120～150m／s，particle diameter of 2.5～4.5mm and incident angle of 0～10°are advisable.

particle impact；drilling；LS－DYNA

1001－3482（2011）08－0014－05

TE92.01

A

2011－01－27

中石化先導項目“粒子沖擊鉆井技術前瞻性研究”（P10037）

姜美旭（1986－），女，新疆克拉瑪依人，碩士研究生，主要從事石油鉆采裝備的科研工作，E－mail：jiangmeixv＠163.com。