共振破巖技術原理與發展分析

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(中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京102206)①

如何提高深井、超深井鉆井速度，是目前鉆井工程領域迫切需要解決的重大技術難題之一。旋沖鉆井是一種解決硬巖層和軟硬交錯地層鉆速低、井眼易斜等難題的有效方法。與常規旋轉鉆井相比，旋沖鉆井在提高深層硬巖破碎效率方面具有明顯的優越性。但是，目前所用的各類沖擊器也存在以下不足：

1) 由于沖擊功很大，容易危害井眼的穩定性，降低井眼質量。還會加速工具損傷，甚至是災難性的后果。

2) 沖擊器的沖擊頻率普遍只有十幾或幾十赫茲，一般不足以使鉆頭與被鉆巖石產生共振，因此破巖時能量利用率較低。

3) 在地層條件發生較大變化時，無法進行判別，并及時調整沖擊器的工作參數，導致破巖效率下降。

1 共振破巖原理與特點

針對傳統沖擊器在實際應用過程中存在振動大、能耗高、易損傷鉆具，且對地層變化適應能力弱等缺點，國外研究人員在超聲加工技術基礎上開展了共振破巖(Resonance Enhanced Drilling-RED)技術研究，其主要目標是開發具有自主適應能力的振動破巖系統，使鉆頭能夠實時與被鉆地層之間形成共振，以此來增強沖擊能量的傳遞效率，加速地層裂紋擴展，提高沖擊系統破巖效率和對不同地層的自適應性。

Ekaterina Pavlovskaia等人依據共振破巖試驗系統建立了如圖1所示物理模型[1]。

圖1 共振破巖試驗系統物理模型

模型中m1表示鉆頭質量，m2表示激振器質量，m3表示框架的等效振動質量。鉆頭與激振器之間通過剛度為k2的彈簧和阻尼系數為c2的阻尼器相連，激振器與等效振動質量之間通過剛度為k3的彈簧和阻尼系數為c3的阻尼器相連。靜載Fs作用在激振器上，動載F0sin(Ωt+φ)作用于鉆頭上。h表示鉆頭與巖石表面的初始距離。巖石在鉆頭沖擊下的響應通過粘彈性滑塊和干摩擦副組成的模型來模擬，當鉆頭作用于巖石表面上時，滑塊開始向下滑動，即巖石發生粘彈性變形，當作用力超過摩擦副臨界摩擦力時，摩擦副發生移動，即巖石發生破碎。

圖2顯示了系統在不同的參數條件下產生的不同響應[1](圖中鉆頭速度和相對位移均為歸一化處理后的無量綱量數據)。圖2a表示系統的單周期響應，即外部激勵每一個周期對應一次沖擊，系統向前移動并取得良好的鉆速。此時，系統能量集中在鉆頭上，產生高的沖擊力以破碎巖石。圖2b表示雙周期響應，即外部激勵每兩個周期對應一次沖擊，此時所獲得的鉆速將明顯降低。圖2c表示非周期響應，此時鉆頭運行軌跡不穩定，雖然振動幅度很大，但所獲得的鉆速很低。由此可知，共振破巖技術的核心就是使鉆頭與巖石組成的振動系統處于或接近單周期響應狀態，以此來提高沖擊能量傳遞效率，達到高效破巖的目標。

圖2 不同響應時的鉆頭運動軌跡(歸一化處理后的無量綱量數據)

研究人員發現，靜載、動載幅值和頻率對破巖效率有重要影響，如圖3所示[1](圖中鉆進量、靜載、動載幅值和頻率均為歸一化處理后的無量綱量數據)。

圖3 破巖效率與靜載、動載幅值和頻率關系(歸一化處理后的無量綱量數據)

從圖3a可以看出，除了動載幅值a等于0.8的情況，隨著靜載增大，每周期平均鉆進量逐漸上升至一個最大值，但靜載若繼續增大，系統響應將進入混沌狀態，每周期平均鉆進量降低。圖3b顯示，在0.3

共振破巖能夠將沖擊能量集中在鉆頭上，通過較低鉆壓和沖擊能實現高效破巖，因此具有以下潛在優勢[2]：

1) 顯著提高硬地層鉆速，增強難以鉆達的潛在資源的開采能力。

2) 有利于形成平滑穩定的井壁，提高井眼質量。

3) 降低鉆具磨損和失效幾率，具備一趟鉆鉆達目的層的潛力。

4) 減少起下鉆等非生產時間，顯著縮短鉆井周期，節約大量成本。

2 國內外發展現狀

2.1 國外發展

自1998年起，阿伯丁大學Marian Wiercigroch教授帶領的研究團隊開始對共振破巖技術進行研究。研究的主要目標是通過微鉆試驗了解共振破巖的作用機理、技術特性和影響因素，并建立相應的物理和數學模型。

2008年，研究團隊與ITI能源公司簽署了開發共振破巖技術的協議，項目總投資高到460萬歐元(約合人民幣3 800萬元)。圖4a是研究團隊建造的一臺立式試驗裝置[2]，研究人員使用PDC和牙輪鉆頭對砂巖、石灰巖和玄武巖等不同巖石進行了大量鉆進試驗。試驗結果表明，共振破巖技術能夠適用于砂巖、玄武巖等硬巖層，在實驗室條件下，對硬巖樣品的鉆進速度可以比常規旋轉鉆井提高近5倍，如圖4b所示[2]，并且所需鉆壓低，能夠明顯延長工具壽命。

2013年，研究團隊以工業應用為目標建造了一臺臥式試驗裝置[2]，如圖5所示。臥式試驗裝置具有動載大、鉆壓穩定、轉速范圍寬和循環液流量大等特點，能夠對多種鉆頭和巖石進行測試。臥式試驗裝置使用一種全新設計的共振破巖模塊，此模塊仍然采用磁致伸縮換能器作為激振器，模塊最大外徑152.4 mm(6 英寸)，能產生最大15 kN動載，激振頻率達到100～350 Hz。另外，研究團隊還開發了一種機械式高頻激振器，其優點是結構緊湊、無需電力供應、可靠性高且成本低。但是，振幅和頻率可控性不如磁致伸縮換能器。

a 試驗裝置

b 實測曲線

圖5 臥式共振破巖試驗裝置與激振器

2.2 國內發展

近年來，國內一些科研機構和研究人員也相繼開始跟蹤并開展相關技術的研究。例如，中國礦業大學(徐州)的楊威等通過對巖石裂隙的探究，結合振動系統發生共振時的破壞作用，分析了共振碎巖的機理、巖塊裂隙擴張過程和裂隙的分布情況等，得出了巖石在共振作用下的破碎過程[3]。東北石油大學的閆鐵、李瑋等從理論研究、數值模擬以及室內實驗的角度出發，對諧振激勵下的巖石響應機制、破巖機理、沖擊系統動力學特性以及鉆頭鉆進效率評價展開研究，并研制了一臺高頻諧振鉆進試驗裝置，如圖6a所示。該裝置能產生不同的振動激勵方式，例如低頻高幅振動或高頻低幅振動，可提供的振動頻率為0～2 000 Hz，沖擊力為0～3 kN，切削轉速0～1 000 r/min，試驗鉆頭直徑10～100 mm[4]。圖6b為使用該裝置獲得的測試曲線，從鉆速和振動頻率關系曲線中可以看出，當沒有諧波振動作用于巖樣時，不同巖樣的鉆速幾乎相等(2.11～2.16 cm/min)。當引入諧波振動時，鉆速隨激勵頻率的升高而增大，在振動頻率達到1 400 Hz時，鉆速提高了93%～106%，并達到最大值。另外，在相同轉速下，振動頻率為1 400 Hz的鉆頭鉆速比其他頻率和非振動條件下的鉆速更高[5]。

a 高頻諧振鉆進試驗裝置

b 實測曲線Ⅰ

c 實測曲線Ⅱ

3 技術難點與發展趨勢

理論分析和室內試驗結果表明，要使鉆頭與被鉆巖石之間形成共振，必須滿足2個條件：

1) 鉆頭能夠產生上百甚至上千赫茲的振動，并能對振動頻率和幅值進行調整。

2) 能夠根據檢測參數判斷巖性和振動狀態變化，并通過控制頻率、振動力和鉆壓等參數，使鉆頭與被鉆巖石恢復至共振狀態。

3.1 可調式高頻激振器

目前，井下常用的激振器有液動沖擊器、氣動沖擊器和水力振蕩器等，這些激振器能產生的頻率一般不超過40 Hz，而且很難實時調激頻率和幅值，因此無法有效實現共振破巖。

常用的壓電換能器由壓電陶瓷材料制作，例如PZT4、PZT8等。壓電陶瓷具有高的電聲轉化效率，且能在寬頻帶上工作。在大功率超聲和水聲領域，常采用一種在壓電陶瓷圓片的兩端面夾以金屬塊而組成的夾心式壓電換能器，如圖7所示。壓電換能器的缺點是機械強度低，設計、裝配和工作不當時易發生損壞，頻率范圍窄，對整個振動系統的設計、制造和調整精度要求較高，易老化。另外，壓電換能器多用于中小功率換能器，最大功率約為2 kW[6]。

圖7 壓電換能器

超磁致伸縮材料是一種具有極大磁致伸縮應變的一類金屬化合物，其典型代表是Terfenol-D。相比壓電材料，超磁致伸縮材料具有大應變、強力和高功率密度及高精度、快速響應和高可靠性等優點。超磁致伸縮材料的承載能力大于20 MPa，而壓電陶瓷的上限僅為4 MPa，超磁致伸縮材料能量密度是壓電陶瓷的10～25倍。此外，超磁致伸縮材料的能量轉換能力優于壓電材料，國外已用超磁致伸縮材料制造出6～25 kW的超大功率換能器[7]。超磁致伸縮換能器典型結構如圖8所示，雖然其性能比壓電換能器更優異，但其工作溫度和機械強度仍有待進一步提高。

圖8 磁致伸縮換能器

電磁式激振器是將電能轉換成機械能，并將其傳遞給試驗結構的一種設備。電磁式激振器由磁路系統與動圈、彈簧、頂桿、外殼等組成，當輸入動圈內的電流Ie以簡諧規律變化時，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以筒諧規律變化。電磁式激振器的優點是產生激振力的頻率范圍較寬，但其缺點是功重比小，徑向尺寸大，發熱量較高，需要配備風機進行強制冷卻。

偏心塊振動器是利用偏心塊(軸)在旋轉時形成的離心力來產生振動作用的一種裝置。偏心塊振動器已廣泛應用于聲波鉆進(Sonic Drilling)，其振動頻率通常為50～150 Hz，激振力最高可達200 kN。但是，目前的偏心塊振動器體積較大，要隨鉆頭一起下入井內，必須對結構進行改進，使其外形適應井眼尺寸要求。

除上述4種激振器外，直線電機、液壓沖擊器等也具有較好應用潛力。綜上所述，現有的激振器均不能完全滿足井下使用的要求，需要在現有技術基礎上，或根據新原理研究開發適合共振破巖需求的新型激振器。

3.2 狀態檢測識別與控制

國外研究表明，要實現共振破巖，必須實時了解鉆頭與被鉆巖石之間的振動狀態，以及被鉆巖石的有效剛度等關鍵信息。但是，共振破巖是一種復雜的非線性振動過程，無法獲取其精確的運動方程，且通過測量只能得到一些少量數據，難以用簡單的方法做出準確判斷。

非線性時間序列分析常被用于研究只有有限一組數據，并且運動方程未知的系統行為，此方法通常從應用相空間技術計算吸引子開始，利用吸引子使系統動力特性可視化，并且計算其非線性表征值以研究系統行為，例如李亞普諾夫指數和相關維數。使用重構吸引子比使用原始變量構成的原始吸引子具有的優勢在于，對于重構吸引子，可使用一個測量(例如加速度)執行分析，而沒有必要依靠其他測量的精度和同步性。另外，原始吸引子的一些特性會被噪聲影響所隱藏。

圖9表示3種不同振動狀態下鉆頭加速度參數的重構相空間圖。研究發現，對于非沖擊過程，重構相空間顯示吸引子停留在一個平面內，而對于沖擊過程，吸引子在沖擊后逃離至另一平面，然后返回原平面，而且隨著剛度比增大，吸引子逃逸至另一平面上的軌跡偏差也增大，但其持續時間會減小，即沖擊持續時間變短[8]。

圖9 3種振動狀態下鉆頭加速度的重構相空間軌跡

圖10表示重構相空間內吸引子在沖擊前的軌跡平面和沖擊后軌跡平面的傾角差異間隔與剛度變化的關系[8]。從圖10a可以看出，隨著剛度增大，沖擊前后的平面傾角亦增大。但是，傾角之間的差異將減小直至變得難以區分。圖10b顯示，加入低噪聲干擾時，平面傾角仍然聚合成一組，剛度-傾角趨勢仍很顯著，不同剛度之間具有明顯差異間隔。圖10c則顯示加入高噪聲干擾時，沖擊前的平面傾角變得特別分散，這是由于質量體的低加速度使數據點間距很小，因此導致噪音對非接觸時的數據有較大影響，此時較難有效判斷被鉆巖石的剛度。

圖10 沖擊前后的平面傾角差異與剛度變化關系

通過鉆頭的運動來確定被鉆介質的特性是目前國外研究的重點方向。除了上述方法，研究人員還嘗試利用沖擊持續時間和振動分岔等特性來判斷有效剛度，并通過實測獲取的頻率-剛度和幅值-剛度兩參數分岔圖來確定激振參數，在室內試驗條件下取得了較好效果。為了獲得更為穩定可靠的探測數據，研究人員正考慮將更多信號納入探測范圍內(如沖擊力)，運用信號綜合分析，進一步提高沖擊持續時間等重要信息的探測精確度[9-10]。

4 結論

1) 共振破巖技術的核心就是使鉆頭與被鉆巖石之間形成共振。與常規旋沖鉆井相比，共振破巖具有巖層變化適應能力強、沖擊能量傳遞效率高、對井壁和鉆具破壞影響小等特點。

2) 要實現鉆頭與被鉆巖石之間的共振，首先需要開發可調式高頻激振器，此新型激振器不僅能夠驅動鉆頭產生上百甚至上千赫茲振動，而且可以根據需要實時調整激振參數，以適應地層巖性變化。現有的壓電、磁致伸縮、電磁和偏心輪等各式激振器由于耐壓、耐溫和結構等原因，均不能完全滿足井下使用的要求，需要在已有技術基礎上或根據新原理開發新一代產品。

3) 實現共振破巖的另一個關鍵要素就是狀態檢測識別與控制，即必須能夠根據檢測參數實時判斷巖性和振動狀態變化，并依據激振作用關系進行參數控制。非線性時間序列分析對于復雜振動而言是一種較為可靠的狀態識別方法，可以通過重構加速度吸引子來判斷巖石剛度變化，并具有一定的抗噪聲干擾能力。另外，利用沖擊持續時間和振動分岔等特性也可判斷巖石剛度，并運用頻率-剛度和幅值-剛度分岔圖來確定激振參數。

4) 從國外發展現狀來看，共振破巖技術仍然處于理論和實驗室研究階段，要投入實際應用還有很長距離。國內在共振破巖理論、試驗和配套機具研究方面具有一定的基礎，應在緊密跟蹤國外技術發展的基礎上，著重針對關鍵技術難點開展相關研究，例如開發適用于井下高溫高壓環境的百赫茲可調頻激振器。通過建立專業試驗平臺，研究激振頻率和幅值、鉆頭結構、切削轉速以及鉆柱振動等因素對破巖效率的影響，為后續樣機的開發提供有力技術支撐。

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[1] Ekaterina Pavlovskaia，David C.Hendry，Marian Wiercigroch. Modelling of high frequency vibro-impact drilling[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2015(90): 110-119.

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[3] 楊威，李磊，趙延旭，等. 共振碎巖理論的初步探究[J]. 能源技術與管理, 2007(4): 7-9.

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[10] Maolin Liao, James Ing，MuktharSayah，et al. Dynamic method of stiffness identification in impacting systems for percussive drilling applications[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2016(80)：224-244.