水平井仿生磨鞋鉆磨復合橋塞的設計與仿真*

吳澤兵 席凱凱 王杰 郭禹倫 楊晨娟

(西安石油大學機械工程學院)

0 引 言

在采用橋塞和連續管實施分層射孔、壓裂和橋塞鉆磨一體化作業中，快速、高效、完整地鉆除井筒內分段壓裂用的多級復合橋塞不僅可以提高作業效率，還可以為后續采油作業提供可靠的作業通道，避免管柱卡阻和失效等事故的發生。隨著國內外非常規油氣藏的大規模開發，水平井可鉆式橋塞分段壓裂技術已成為非常規油氣藏開發的主體技術[1-3]。水平井鉆磨復合橋塞技術是可鉆式橋塞分段壓裂的關鍵配套技術之一，壓裂結束后在盡可能短的時間內鉆除所有橋塞，不僅可以大幅節省成本和時間，還可縮短外來液體在地層中的滯留時間，從而減輕儲層傷害[4-5]。至2016年6月，川渝地區已經完成對80多口井1 000多個復合橋塞的鉆磨工作。根據現場反饋，目前問題主要集中在鉆塞效率低、返屑成功率低及安全性低[6]等方面。另外，復合橋塞作為壓裂過程中臨時性封堵已壓層段和待壓層段的井筒封隔工具，其特定的材質和結構、通常多個布放的特點、鉆除時對鉆磨效率和成屑尺寸的要求都對磨鞋的選擇提出了更高的要求[7]。

目前國際上主要有可鉆式復合橋塞、大通徑橋塞、可溶性橋塞和壓裂球座4種橋塞工藝，國內主要以第一種可鉆式復合橋塞工藝為主，后3種橋塞工藝技術尚未成熟，且關于其應用也鮮有報道。

可鉆式復合橋塞工藝的核心是井下鉆磨工具，磨鞋是其關鍵組成部分之一。當前，國內外可鉆復合橋塞的磨鞋使用的都是5翼或6翼PDC鑲齒平底磨鞋[8]，這種磨鞋的工作方式是對整個復合橋塞進行鉆削，鉆塞效率和攜屑性能都比較低。仿生學是近年來一門比較熱門的研究學科，生物體表面獨特的結構和功能為解決人類生產生活中遇到的難題提供了一種新的解決思路。為此，本文設計出一種鉆塞效率和返屑成功率更高的仿生孕鑲金剛石取心磨鞋，該研究成果可為國內可鉆式復合橋塞工藝技術的進一步發展提供理論基礎。

1 鉆磨橋塞工藝技術

1.1 鉆磨橋塞工藝原理

地面壓裂泵車提供動力并通過管柱傳遞到井下工具，由螺桿馬達將泵車提供的水力液壓能轉換成動能，帶動磨鞋高速轉動，對井內復合橋塞進行鉆磨，直到所有橋塞全部被鉆磨掉，達到井內暢通的效果。鉆磨橋塞井下工藝管柱示意圖如圖1所示。

1—套管；2—油管；3—反循環閥；4—雙瓣單向閥；5—螺桿鉆；6—六刃高效磨鞋；7—復合橋塞。

1.2 常規磨鞋工作原理

常規磨鞋鉆磨復合橋塞是一個回轉切削過程，鉆頭在鉆壓作用下自銳地吃入橋塞，在切削轉矩作用下沿橋塞軸線以滑移變形方式進行切削，切屑以薄的螺旋層形式被連續破壞而產生進尺。該鉆削工藝技術的缺點主要體現在鉆塞效率低、鉆屑返排困難及卡鉆事故發生率高等方面。

2 仿生磨鞋三維模型的建立

針對常規磨鞋出現的問題，本文以土壤動物蜣螂的胸節背板為仿生原型，在常規孕鑲金剛石取心鉆頭的基礎上，設計一種仿生孕鑲金剛石取心磨鞋。

2.1 底唇面仿生單元體的設計

傳統孕鑲金剛石取心鉆頭主要依靠底唇面對巖石的刻劃磨蝕來進行鉆進，為了提高其鉆進效率，通常會把底唇面設計成不同的形狀，如尖齒形和凹槽形等，但這種設計有個缺點：當底唇面的這些形狀被巖石磨平后，鉆頭的鉆進速度會迅速下降。通過研究發現：耐磨生物體表的凹坑形非光滑表面，具有耐磨、減阻和減黏的功能[9]。本文以土壤動物蜣螂的胸節背板作為仿生原型來設計仿生磨鞋底唇面的非光滑形態，蜣螂胸節背板的凹坑形非光滑表面與其原有的凸包形非光滑表面構成凸凹復合非光滑表面形態，如圖2所示。

圖2 仿生試樣宏觀與微觀非光滑單元體

2.2 仿生單元體的排布

非光滑度(宏觀)是指仿生磨鞋底唇面上非光滑形態的面積占整個底唇面面積的百分比[10]。仿生磨鞋的鉆塞效率和耐磨性與其底唇面上的非光滑度有密切關系, 適當非光滑度的非光滑形態能提高仿生磨鞋的鉆塞效率和耐磨性[11-13]。

研究表明，仿生單元體直徑為2 mm[14]、鉆頭底唇面非光滑度為12.5%且仿生單元體采用均勻排布方式[10]時，鉆頭的鉆進效率最高。根據以上設計經驗，將仿生單元體排布在磨鞋的底唇面，如圖3所示。為了避免仿生磨鞋在鉆塞過程中掉塊[14]，仿生單元體在排布時不能太靠近底唇面棱邊，必須保證仿生單元體的中心距離底唇面各個棱邊的間距大于2.5 mm，否則仿生磨鞋的壽命將受影響。

圖3 仿生單元體排布圖

2.3 仿生單元體的自再生設計

為了解決由于孕鑲金剛石取心鉆頭底唇面的形狀被巖石磨平而導致鉆進效率下降的問題，王照智[9]在凹坑形仿生單元體內植入一種磨損率高于鉆頭胎體的材料，該材料在鉆進過程中先于鉆頭胎體被磨損，從而使這種凹坑形非光滑形態一直存在，其原理如圖4所示。將這種原理稱為自再生原理并應用于仿生磨鞋的結構設計，以維持磨鞋的高效鉆進時長。

1—仿生非光滑材料；2—金剛石顆粒；3—試樣胎體。

2.4 底唇面棱邊梯形結構設計

為了進一步提升仿生磨鞋的鉆塞效率，在沿著垂直于磨鞋切削方向的棱邊上布置了一種仿生梯形結構，起輔助刮切橋塞的作用，如圖5所示。仿生磨鞋底唇面非光滑耦元設計如圖6所示。

圖6 仿生磨鞋底唇面非光滑耦元設計

2.5 底唇面硬質點排布設計

為了更準確地研究仿生磨鞋的鉆塞過程，本文在軟件SolidWorks中建立了一種圓球形磨粒，半徑為0.1 mm，并隨機裝配在磨鞋的底唇面及胎體上。為了簡化模型，只保留仿生磨鞋的主切削結構，簡化模型底唇面非光滑耦元總體設計如圖7所示。

圖7 主切削結構底唇面非光滑耦元總體設計

3 仿生磨鞋主切削結構鉆塞機理

常規磨鞋的工作方式是對整個復合橋塞的端面進行全面鉆削，而仿生磨鞋則是以“套銑”的方式進行鉆磨，即只對與底唇面接觸的橋塞端面進行鉆磨，這不僅大大提高了鉆塞效率，而且減少了鉆具的磨損。另外，以這種刻劃磨蝕的工作方式鉆除下來的鉆屑相較于以鉆削的方式鉆除下來的鉆屑體積更小，更易返屑，卡鉆概率大大降低。仿生磨鞋主切削結構鉆塞機理如圖8所示。

圖8 鉆塞機理示意圖

4 鉆塞仿真試驗

為了簡化計算模型，提高運算速度，在軟件SolidWorks中只建立常規磨鞋(5翼PDC鑲齒平底磨鞋)與仿生磨鞋的主切削結構，然后將兩種磨鞋的主切削結構與復合橋塞組裝成鉆塞模型，最后導入ABAQUS軟件中進行顯式動力學仿真。

4.1 分析過程求解

4.1.1 材料參數

磨鞋材料采用金剛石，復合橋塞的材料采用碳纖維復合材料。假設復合橋塞的材料為各向同性材料，具體參數如表1所示。

表1 刀具和復合橋塞材料參數

4.1.2 定義單元及網格劃分

定義磨鞋主切削結構為四面體單元，復合橋塞為六面體單元，單元類型均為 C3D8R。將磨鞋主切削結構與復合橋塞上表面接觸區域進行網格細化，其他部位均采用默認網格大小，常規磨鞋鉆塞模型網格總數為20 699個，仿生磨鞋鉆塞模型網格總數為47 774個，具體網格劃分效果如圖9所示。

圖9 網格劃分效果圖

4.1.3 載荷約束和求解時間的設置

鉆塞過程中不考慮磨鞋的變形，故將其定義為剛體。將磨鞋主切削結構耦合到磨鞋軸線的某個參考點上[15]，在參考點上施加豎直向下的鉆壓7 kN，轉速6.28 rad/s；復合橋塞的上表面為自由面，其余的面均為固定約束；仿真時間為4 s。

4.2 結果分析

4.2.1 鉆塞速度分析

圖10為時間T=4 s時兩種磨鞋鉆塞的應力云圖。圖11和圖12為不同時刻復合橋塞的應力云圖。從圖11和圖12可以看到兩種磨鞋的鉆塞方式以及鉆塞速度的快慢。常規磨鞋是對整個復合橋塞的端面進行鉆削，而仿生磨鞋只是對與底唇面接觸的復合橋塞端面進行鉆磨，鉆塞方式上存在較大差異使它們在鉆塞速度及鉆屑尺寸上也出現較大差異。從圖11和圖12可以看到仿生磨鞋的鉆塞速度明顯快于常規磨鞋。另外，以鉆磨方式鉆除下來的鉆屑尺寸比以鉆削方式鉆除下來的鉆屑更小，返屑成功率更高，造成卡鉆的可能性更低。

圖10 T=4 s時兩種磨鞋鉆塞的應力云圖

圖12 T=4 s時復合橋塞的應力云圖

圖13為兩種磨鞋沿復合橋塞軸向移動的位移仿真曲線。從圖13可以看到仿生磨鞋仿真曲線的斜率明顯大于常規磨鞋，說明仿生磨鞋的鉆塞速度更快。經計算，仿生磨鞋的鉆塞速度大約是常規磨鞋的1.5倍。

圖13 兩種磨鞋沿橋塞軸向位移仿真曲線

4.2.2 鉆壓與轉速的增速對比分析

鉆壓與轉速對磨鞋的鉆塞速度都有重要的影響。圖14為兩種磨鞋在相同轉速(6.28 rad/s)和不同的鉆壓(5、6和7 kN)條件下沿復合橋塞軸向移動的位移仿真曲線。從圖14可以看到：隨著鉆壓的增加，兩種磨鞋沿橋塞軸向位移仿真曲線的斜率都在增加，即兩種磨鞋的鉆塞速度都在增加，經計算，常規磨鞋增速約為19%，仿生磨鞋增速約為13%。另外，在相同的鉆壓條件下，仿生磨鞋的鉆塞速度快于常規磨鞋。

圖14 兩種磨鞋在不同鉆壓條件下的軸向位移仿真曲線

圖15為兩種磨鞋在相同鉆壓(5 kN)和不同轉速(3.14、6.28和12.56 rad/s)條件下沿復合橋塞軸向移動的位移仿真曲線。從圖15可以看到：隨著轉速的增加，兩種磨鞋沿橋塞軸向位移仿真曲線的斜率都在增加，即兩種磨鞋的鉆塞速度都在增加，經計算，常規磨鞋增速約為10%，仿生磨鞋增速約為6.5%。另外，在相同轉速條件下，仿生磨鞋的鉆塞速度快于常規磨鞋。

圖15 兩種磨鞋在不同轉速條件下的軸向位移仿真曲線

由以上增速百分比的大小可知，鉆壓對兩種磨鞋鉆塞速度的影響程度大約是轉速的2倍，因此在保證磨鞋不發生損壞以及合理的轉速條件下，可以適當增加鉆壓來提高磨鞋的鉆塞速度。

4.2.3 磨鞋運動分析

研究表明[16]，磨鞋在實際鉆塞時有3種運動形式：繞軸線的旋轉運動、縱向的鉆進平動以及井筒軸線與磨鞋軸線不重合時的回旋運動。從現場磨鞋的磨損特征來判斷，磨鞋以旋轉運動為主要的運動形式。圖16為兩種磨鞋鉆塞時的空間位移云圖。從圖16可以看到，磨鞋底面最外圈邊緣的空間位移最大，因而其沿軸線的旋轉速度最大，導致其磨損量最大。由于磨鞋在鉆塞時存在一定的回旋運動，導致其周面(保徑面)與套管的內壁發生摩擦碰撞，這在一定程度上加劇了磨鞋底面外緣的磨損。

圖16 兩種磨鞋空間位移云圖

根據上述分析，應該對磨鞋易磨損部位進行優化來增加其耐磨損度。經過長期觀察和研究后發現，某些生物體表具有耐磨、減阻、防黏和再生功能，如果在這些易磨損部位的表面增加些類似生物體表面的非光滑形態，研制具有耐磨防損的仿生磨鞋，則既可解決磨鞋的磨損問題，還能延長磨鞋的使用壽命,這是一個新的發展趨勢。

5 結 論

(1)兩種磨鞋在鉆塞方式上存在較大差異，仿生磨鞋的鉆塞速度明顯快于常規磨鞋；仿生磨鞋鉆除下來的鉆屑尺寸更小，返屑成功率更高，卡鉆的可能性更低。

(2)增加鉆壓與轉速對提升磨鞋的鉆塞速度都具有促進作用，但增加鉆壓的增速效果更明顯。

(3)磨鞋底面最外圈邊緣的磨損量最大，在加工磨鞋時應該對其進行優化加強。