扭轉沖擊破巖效果影響因素評價

楊先倫，宋建偉，何世明，于小龍，王 濤，張 磊

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安 710075；

2.深圳市百勤石油技術有限公司，廣東深圳 518000；3.西南石油大學，成都 610500）①

扭轉沖擊破巖效果影響因素評價

楊先倫1，宋建偉2，何世明3，于小龍1，王 濤1，張 磊1

（1.陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安 710075；

2.深圳市百勤石油技術有限公司，廣東深圳 518000；3.西南石油大學，成都 610500）①

通過理論分析并根據現場資料計算，對影響高頻扭轉沖擊破巖效果的4個參數進行了分析評價。結果表明：扭轉沖擊破巖沖擊能量應該保持在巖石臨界沖擊能量附近，可獲得理想的破巖效果；扭轉沖擊破巖效率比旋轉剪切破巖效率更高，能大幅提高機械鉆速。可為扭轉沖力鉆井工具及與之匹配的PDC鉆頭設計提供參考。

扭轉沖擊；切削齒；沖擊頻率；沖擊能量；破巖效率；深井硬地層

中西部地區是我國未來的能源接替區，勘探目標逐漸轉向深部地層。實踐證明，深部地層機械鉆速只有中上部地層機械鉆速的1／4～1／10。因此，提高深部地層鉆井速度對加快我國油氣開發速度有著重要意義。PDC鉆頭高頻扭轉沖擊破巖技術是基于扭力沖擊鉆井工具在硬地層中的應用。該工具主要用于克服PDC鉆頭在深部井段堅硬地層中的粘滑振動現象，提高破巖效率，現場應用效果好。為了實現工具的國產化，對影響破巖效果的因素進行分析很有必要。

1 高頻扭轉沖擊破巖技術應用現狀

2000年，加拿大阿特拉公司使用扭力沖擊發生器配合高抗沖擊性的PDC鉆頭，發生器以1 000～2 400 min-1的頻率向鉆頭施加扭向脈沖轉矩破巖，消除了鉆頭“粘滑振動”，延長了鉆頭使用壽命，擴展了PDC鉆頭適用范圍，同時大幅提高了機械鉆速。

以Ulterra公司的扭力沖擊工具Torkbuster為例，其在北美、亞太、中東、非洲均有廣泛的應用，可提高機械鉆速50%～300%，中等深度井段單趟進尺可達3 000 m，深井超深井段單趟進尺可達1 500 m。國內已在陸地和海上多個區塊試驗和推廣了Ulterra扭轉沖擊鉆井技術，在鉆深井硬地層中取得了很好的提速效果，機械鉆速提高幅度達90%～300%。

2 高頻扭轉沖擊破巖影響因素分析

高頻扭轉沖擊破巖改變了PDC鉆頭的破巖方式［1-4］：從持續的轉矩輸入轉變為持續轉矩與周期性的高能沖擊相互疊加，PDC鉆頭受力與巖石受力及破碎均不同于常規鉆井。影響破巖效果的主要有切削齒安裝角度、鉆壓、沖擊頻率和沖擊能量4個因素。

2.1 切削齒安裝角度

扭轉沖擊破巖PDC鉆頭產生切向沖擊。陳敏，張菁等人［5-6］對PDC鉆頭單齒工作角度進行了有限元仿真，得到的結論為：較大的側轉角有利于提高破巖效率。如圖1所示，切削齒側轉角為13°時，PDC切削齒受到的最大第一主應力最小。

圖1 切削齒側轉角與最大第一主應力關系

鉆頭切削齒的安裝角度對PDC鉆頭攻擊性有較大影響［6-10］。陳敏等通過有限元模擬，分析了不同安裝角度對PDC的沖擊過程的影響。在側偏角設置為12°時，建立了切削齒傾角與最大第一主應力之間關系曲線，如圖2所示。由圖2可知：PDC切削齒后傾角在4°～20°范圍內變化時，隨著后傾角的增大，最大第一主應力呈現減小趨勢；后傾角為16°或19°時，既能保證有效沖擊力，也能保證切削齒具有一定攻擊性。

圖2 切削齒最大第一主應力與后傾角關系

2.2 鉆壓

當鉆壓增大時，PDC鉆頭切削齒的壓入深度增加，會導致破碎的巖屑尺寸更大，但此時切削齒也承受著更大的破碎抗力，鉆頭需要的轉矩也就更大。當鉆頭具有的轉矩能量小于巖石破碎需要的能量（臨界能量）時，巖石得不到破碎；另一方面，當切削齒受到的破碎抗力超過切削齒強度極限時，切削齒聚晶金剛石復合片將產生疲勞或者被破壞。因此，對于PDC扭轉沖擊破巖而言，鉆壓并非越大越好，應該保持一個合適的值，保證壓入深度與沖擊轉矩相匹配，達到最佳的破巖效果。

烏斯賓斯基［11］的力學模型認為，切削齒壓入巖石必須克服巖石抗破碎強度R和摩擦力F，即

巖石抗壓強度為（假設接觸面為矩形）

摩擦力為

切削齒面正壓力為

式中：p為單齒鉆壓，MPa；R為巖石破碎抗力合力，MPa；F′為摩擦力合力，MPa；犺為壓入深度，mm；α為切削齒后傾角，（°）；L為接觸面長度，mm；σ犮為巖石的抗壓強度，MPa；μ為接觸面摩擦因數；N為切削齒面正壓力，MPa。

例如：取某井5 877 m砂巖，抗壓強度221 MPa，壓入深度取2 mm，切削齒傾角15°，摩擦因數0.3，計算得單齒鉆壓為4.041 k N。

2.3 沖擊頻率

在其他參數相同、沖擊能量足夠的條件下，隨著沖擊頻率增大，巖石破碎速度成正比例增大；但當沖擊頻率增大到一定值后，頻率過高，載荷作用時間太短，破碎過程得不到充分發展，沖擊力即消失，影響破巖效果［9］。所以，存在一個最佳沖擊頻率。

模擬單齒沖擊切削巖石得到關于切削齒受力波動曲線，如圖3。由圖3可以看出：最佳沖擊頻率確實存在，模擬的3個不同頻率f1、f2、f3分別為1 700、2 000、2 300 min-1。當f2＝2 000 min-1時，切削齒受力波動比其他2個頻率下的受力波動都小。

圖3 切削齒在不同沖擊頻率下的應力波動

分析其原因為：當沖擊頻率太小時，沖擊作用不能有效破碎前方巖石，粘滑振動不可避免地發生；當沖擊頻率太大時，沒有足夠的時間用于裂紋的擴展，沖擊力即消失，沒有破碎的前方巖石同樣使粘滑振動發生，在切削齒受力上則體現為巨大的波動現象。

2.4 破巖效率

巖石破碎過程是一個能量耗散過程［12-14］，能量的耗散主要用于克服巖屑剪切滑移面巖石的內聚力與摩擦力，形成巖屑的表面積越大，則消耗的能量越多。當巖石受到切削齒壓應力越大時，一方面正應力增大導致摩擦力更大；另一方面會形成更小巖屑，進一步增加比耗。因此，要減小巖石破碎比能，則盡量降低切削齒的壓實效應和增大巖屑尺寸。巖石沖擊破碎時的能量耗散模型如圖4所示。

巖石吸收的能量主要由3部分組成：巖石破碎損傷能量犠FD；巖石動能犠K；其他耗散能犠O。

式中：犠l為入射能量；犠R為反射能量；犠T為透射能量；犠A為吸收能量；σl為入射波應力；σR為反射波應力；σT為透射波應力；A0為沖擊接觸面積；犆0為彈性波在桿件中的傳播速度；E為彈性模量。

巖石吸收能量的能力，用能量吸收率表示為

PDC切削齒高速沖擊巖石對巖石造成破裂，形成巖屑。為方便研究，假設犠A≈犠FD，因此可以用巖石破碎能與切削齒輸入能量的比值來比較切削齒破巖效率的高低，即

式中：輸入轉矩能量為f·E；f為頻率；E為單次沖擊能量。

圖4 巖石能量耗散模型

2.5 沖擊能量

沖擊能量的大小直接決定破碎效果。沖擊力太小，起不到沖擊破巖的作用；沖擊力過大，易造成切削齒損壞。本文就破巖比功法進行闡述。沖擊能量和巖石破碎比功α的關系如圖5所示。傷痕區內沖擊能量不足以使巖石產生裂紋，破碎比功大；只有當沖擊能量接近臨界沖擊功犠c時，破碎比功才趨于穩定。當沖擊能量繼續增加，切削齒面的壓實效應增強，摩擦力增大，導致破碎比功出現上升趨勢。

同時，趙伏軍［15］等人在實驗室進行的花崗巖靜載、沖擊-靜載下的巖石裂紋擴展與破碎比能研究得出：當沖擊能上升時，巖石破碎體積增大，破巖比能下降，能量利用率高；當沖擊能增加到某一值時，其破巖比能停止下降；靜壓與沖擊共同作用明顯地可以提高破巖效率，降低能耗。

圖5 破巖比功隨沖擊能量變化關系

2.6 2種工況能量計算

2.6.1 輸出能量比較

式中：B0為普通鉆進時轉矩，N·m；ω0為普通鉆進時角速度，（π·s-1）；B1為扭沖鉆進時轉矩，N·m；ω1為扭沖鉆進時角速度，rad／s；t為振動周期，s；Δp為沖擊器壓耗，MPa；犙為鉆井液流量，（L·h-1）；f為沖擊器振動頻率，Hz；δ為鉆井液能量轉變為轉矩能量的效率（≤1）。

以阿特拉?165 mm扭力沖擊器在某油田某井的應用為例，其工具參數如表1，施工參數如表2。

高頻扭轉沖擊鉆井條件下，忽略各種振動，鉆頭的運動是轉盤的勻速旋轉疊加周期性周向高頻振動的復合運動。扭轉沖擊破巖之所以具有高效率，原因之一是單位時間內鉆頭的輸出能量比單獨的旋轉破巖輸出能量大。本文著重探討1個振動周期內能量大小。

普通鉆進做功為

扭沖鉆進做功為

表1 阿特拉?165 mm沖擊器參數

表2 2種工況下的施工參數

將以上參數代入式（12）～（13）得，1個振動周期時間內普通旋轉鉆井鉆頭輸出能量為

扭沖鉆進時，1個振動周期內鉆頭輸入能量（設δ＝1）為

由此可見，扭沖鉆進時PDC鉆頭輸出能量比普通鉆進提高了42.1%。

2.6.2 破巖效率比較

假設鉆頭轉矩能量全部用于破巖，則旋轉破巖每小時鉆頭輸入能量為

犠0＝B0ω0t＝15 000×140π×60＝39 564×104J／h

其對應1.6 m的進尺量，則扭沖破巖每小時鉆頭輸入能量為

其對應4.2 m的進尺量，綜合計算得每鉆進1 m，扭沖鉆進與旋轉鉆進耗能比為1∶1.73。所以，扭沖鉆進對能量的利用率比旋轉鉆進高42.2%。

于是可比較兩者破巖效率（破碎相同體積巖石耗能之比）為

扭沖鉆進破巖效率比普通鉆進破巖效率提高42%，巖石破碎比功在扭沖鉆進條件下比普通鉆進下小42%。

3 結論

1） 對影響高頻扭轉沖擊破巖效果的4個主要參數進行了分析評價，可供扭轉沖力鉆井工具及與之匹配的PDC鉆頭設計參考。

2） 扭轉沖擊破巖單次沖擊能量應該保持在巖石臨界沖擊能量附近，可獲得理想的破巖效果。扭轉沖擊破巖效率比旋轉剪切破巖效率更高，能大幅提高機械鉆速。

［1］ 祝效華，湯歷平.高頻扭轉沖擊作用下硬地層破巖機理研究［C］／／南京：中國振動工程學會第七次全國會員代表大會暨第十屆全國振動理論及應用學術會議，2011-10-27.

［2］ 祝效華，湯歷平.扭轉沖擊鉆具設計與室內試驗［J］.石油機械，2011，39（5）：27-29.

［3］ 周燕，安慶寶.SLTIT型扭轉沖擊鉆井提速工具［J］.石油機械，2012，40（2）：15-17.

［4］ 閆鐵，杜婕妤，李瑋，等.高效破巖前沿鉆井技術綜述［J］.石油礦場機械，2012，41（1）：50-55.

［5］ 張菁.PDC抗沖擊性能及結構參數優化研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.

［6］ 陳敏，徐延金.PDC鉆頭單齒工作角度有限元仿真研究［J］.宜春學院學報，2009，31（6）：1-3.

［7］ 羅德.聚晶金剛石復合片及其鉆頭的應用研究［D］.武漢：武漢理工大學，2010.

［8］ 湯歷平.深部硬地層鉆頭粘滑振動特性及減振方法研究［D］.成都：西南石油大學，2012：64.

［9］ 孫明光.新型PDC鉆頭設計與現場試驗［J］.石油鉆采工藝，2006，28（2）：21-25.

［10］ 祝效華，湯歷平，孟蘋蘋，等.PDC鉆頭粘滑振動機理分析［J］.石油礦場機械，2012，41（4）：13-16.

［11］ 王人杰，蔣榮慶，韓軍智，等.液動沖擊回轉鉆探［M］.北京：地質出版社，1988.

［12］ 辛喜勝.潛孔垂鉆進的巖石破碎機理研究［J］.價值工程，2011，30（1）：30.

［13］ 閆鐵，李瑋.旋轉鉆進中巖石破碎能耗的分形分析［J］.巖石力學與工程學報，2008，27（增2）：3650-3654.

［14］ 謝和平，鞠楊，黎立云.基于能量耗散與釋放原理的巖石強度與整體破壞準則［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（17）：3003-3010.

［15］ 趙伏軍，謝世勇.動靜組合載荷作用下巖石破碎數值模擬及實驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2011，33（8）：1291-1295.

Evaluation of Parameters for Torsional Impact to Break Rock

In this paper，combined with theoretical analysis and the previous experiment，field data were calculated，and the analysis and evaluation on the four parameters that affect the high-frequency torsional impact to rock breaking effect were made.The results show that，impact energy of torsion impact to break rock should be maintained in the vicinity of the critical impact energy in the rock，by which the ideal effect of rock can be obtained.Efficiency in torsional impact to break rock is higher than rotary drilling and can greatly improve the drilling speed，can be used for PDC bit design.

torsional impact；cutting teeth；impact frequency；impact energy；efficiency of rock breaking；hard formation in deep well

TE921.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.002

1001-3482（2014）09-0004-04

2014-03-06

楊先倫（1981-），男，四川中江人，工程師，主要從事油氣井工程研究，E-mail：108461284＠qq.com。