高速旋沖鉆磨水泥塞提速機理及效率研究

高速旋沖鉆磨水泥塞時，高速的旋轉切削與高頻的軸向沖擊相結合，能夠顯著提高鉆磨水泥塞效率，但對其提速機理尚不夠明晰。建立了PDC齒高速旋沖切削水泥塞模型，揭示了其提速機理，研究了鉆頭轉速、沖擊幅值及沖擊頻率對切削水泥塞效率的影響規律。結果表明：高速旋沖切削作用下水泥塞內部應力沿著切削方向和其斜下方延伸更遠，水泥塞更易萌生和發展裂紋，產生塊狀巖屑，形成破碎坑，有效增加PDC齒吃入深度，從而提高PDC齒切削水泥塞效率；隨著轉速的增加，水泥塞破碎體積呈線性增長趨勢，PDC齒對應的水平切削力增大，且波動更為劇烈，但破碎深度呈現出先增后減的趨勢，當轉速為150 r/min時破碎深度最大；沖擊幅值的增大能夠有效提高切削水泥塞效率，減小PDC齒的水平切削力；水泥塞破碎效率隨著沖擊頻率的增加呈現出先增后減的趨勢，最佳頻率為400 Hz。所得結果可為現場鉆磨水泥塞作業提供理論參考。

鉆磨；水泥塞；高速旋沖；切削效率；提速機理

Acceleration Mechanism and Efficiency of High-Speed Rotary Percussion Drilling and Grinding of Cement Plug

Liu Wang¹ Guo Zhaohui^1，2 Jiang Zixuan³ Guan Feng¹ Tian Haifeng¹ Li Zirui¹ Xia Yusheng¹

（1.School of Mechanical Engineering，Yangtze University；2.Shelfoil Petroleum Equipment amp; Services Co.，Ltd.；3.China Petroleum amp; Petrochemical Equipment Industry Association）

At the time of rotary percussion drilling and grinding of cement plug at high speed，the combination of high-speed rotary cutting and high-frequency axial percussion can significantly improve the efficiency of drilling and grinding cement plug，but the acceleration mechanism is not yet clear.In this paper，a model for high-speed rotary percussion cutting of cement plug by PDC cutter was built，the acceleration mechanism was revealed，and the influence of bit rotation speed，percussion amplitude and percussion frequency on the efficiency of cutting cement plug was studied.The results show that under the action of high-speed rotary percussion cutting，the stress in the cement plug extends further along the cutting direction and the direction diagonally below it，making the cement plug more prone to crack initiation and development，producing block shaped rock debris，forming crushing pits，effectively increasing the penetration depth of PDC cutter，and thus improving the efficiency of cutting cement plug by PDC cutter.As the rotation speed increases，the crushed volume of cement plug shows a linear increase trend，the horizontal cutting force corresponded by PDC cutter increases，fluctuation is more severe，but the crushing depth shows a trend of first increasing and then decreasing，with the maximum crushing depth occurring at a rotation speed of 150 r/min.An increase in percussion amplitude can effectively improve the efficiency of cutting cement plug and reduce the horizontal cutting force of PDC cutter.As the percussion frequency increases，the crushing efficiency of cement plug shows a trend of first increasing and then decreasing，and the optimum percussion frequency is 400 Hz.

drilling and grinding；cement plug；high-speed rotary percussion；cutting efficiency；acceleration mechanism

0 引 言

水泥塞具有良好的防竄及防漏特點，多用于井下封堵作業^［1-2］。隨著廢棄井的重新解封投產，需要逐層鉆開水泥塞以恢復井筒通道^［3-4］。目前采用連續管搭配螺桿馬達和鉆磨工具進行水泥塞鉆磨作業越來越多，但隨著鉆磨井段的不斷加深，連續管容易發生螺旋屈曲形成自鎖現象，導致懸重不能從地面注入頭順利傳遞到磨鞋或鉆頭上，再累加螺桿馬達工作效率的降低，進一步降低了水泥塞的鉆磨效率^［5-7］。

為了提高鉆進效率，現場作業常常采用流體錘、空氣錘和旋沖工具等振動工具產生軸向沖擊力，配合螺桿鉆具實現高速旋轉沖擊鉆進。諸多專家學者針對這一問題也開展了大量研究，C.SCHNEIDER等^［8］分析了3種流體錘工具在鉆塞作業中產生的有益效果，結果表明，流體錘的軸向振動大大提高了鉆塞效率。J.C.E.CASTANEDA等^［9］研發了一種可變頻率水錘工具，搭配螺桿馬達用于現場鉆塞工作，結果表明，使用水錘工具可以有效加快鉆塞速度，縮短鉆塞時間。馬廣軍等^［10］提出了一種利用螺桿鉆具旋轉運動激發鉆柱往復沖擊振動的新理念，研發了一種井下旋轉沖擊鉆井裝置，能夠同時實現高速切削和高頻沖擊。張恒^［11］采用“PDC鉆頭+ZJXC工具+螺桿鉆具+鉆挺+鉆桿”高速旋沖組合鉆具鉆進上部軟巖井段，相比于自激旋沖鉆進提速72.54%。景英華等^［12］采用螺桿馬達搭配沖擊工具進行高速旋沖鉆井現場試驗，相比于常規螺桿鉆進提速60.9%。張昕等^［13］提出機械式旋轉沖擊鉆井提速工具可大幅提高機械鉆速，提高鉆井效率。于洋等^［14］采用高速旋沖鉆具進行現場試驗，與螺桿鉆具相比機械鉆速提高35.2%。張海平^［15］研發了一種螺桿驅動的旋轉沖擊鉆井工具，使得高速的旋轉切削與高頻的軸向沖擊相結合，大大加快了巖石的體積破碎。

劉望，等：高速旋沖鉆磨水泥塞提速機理及效率研究

綜上所述，高速旋沖技術能夠顯著提升鉆進速度，但高速旋沖技術對鉆磨水泥塞的提速機理尚不夠明晰，而且對鉆磨水泥塞效率的影響規律尚不夠清楚。基于此，建立了PDC齒高速旋沖切削水泥塞數值模型，揭示了PDC齒高速旋沖切削水泥塞的提速機理，并對比常規旋轉、普通旋沖及高速旋沖切削3種方式下，鉆頭轉速、沖擊幅值和沖擊頻率等工作參數對PDC齒切削水泥塞效率的影響規律，以期為現場鉆磨水泥塞作業提供一定參考。

1 高速旋沖切削水泥塞模型建立與驗證

1.1 模型建立

高速旋沖鉆磨技術是在高速旋轉鉆磨的基礎上，在鉆頭的軸向施加一個周期性的高頻沖擊力，使鉆頭高速旋轉切削水泥塞的同時，軸向沖擊破碎水泥塞。PDC齒高速旋沖切削水泥塞物理模型及其網格劃分如圖1所示。其中，W為作用在PDC齒上的鉆壓，N；F為周期性高頻沖擊力，N；v為前進速度，mm/s。復合片尺寸為?17 mm×3 mm，巖石尺寸為80 mm×40 mm×30 mm，PDC齒后傾角為15°，PDC齒初始吃入深度設計為2 mm，采用C3D8R網格劃分模型，水泥塞網格加密單元長度為0.4 mm。

PDC齒材料為硬質合金，其硬度遠大于水泥塞，故設置為剛體。鉆磨對象為水泥塞，采用線性Drucker-Prager作為屈服準則，水泥塞的損傷程度根據損傷值判定，損傷值達到1時表示水泥塞單元完全喪失強度，從而形成碎屑并脫落^［16］。PDC齒及水泥塞材料參數如表1所示。

固定水泥塞底面，左右兩面在y方向進行約束，前后兩面在x方向進行約束。給定PDC齒沿x方向的切削速度，并限定其y方向的平動自由度及所有旋轉自由度。鉆磨水泥塞時鉆壓為5～10 kN，任意時刻有12個齒與地層接觸，則高速旋沖鉆進過程中，單齒所受鉆壓為400～800 N。沖擊幅值約為鉆壓的30%，沖擊力的波形為三角形，旋轉沖擊工具的振蕩頻率為500 Hz^［11-12］。

1.2 網格無關性驗證

網格數量對PDC齒高速旋沖切削水泥塞過程中水平切削力的影響如圖2所示。由圖2可知，當網格數量增加至30萬時，水平切削力大小變化趨于平穩，因此水泥塞網格劃分數量為30萬。

1.3 PDC齒高速旋沖切削水泥塞過程

PDC齒高速旋沖切削水泥塞過程中不同時刻（0.3～2.3 ms）的等效應力和損傷云圖如圖3所示。由圖3可以看出，在PDC齒切削破碎水泥塞過程中，與PDC齒接觸部分水泥塞應力逐漸增加，在齒尖處形成高應力區并產生裂紋，隨后裂紋朝著切削方向和自由面擴展，失效單元最終形成大塊碎屑而脫離水泥塞本體，實現對高速旋沖切削水泥塞過程的模擬。

高速旋沖切削過程中PDC齒對應的水平切削力變化如圖4所示。從圖4可知，在PDC齒高速旋沖切削水泥塞的過程中，其受到的水平切削力隨時間而波動。水泥塞單元失效后破碎并被移除，因此交替出現切削力驟降的現象，這種變化規律反映了PDC齒高速旋沖切削水泥塞過程中“躍進式”的破碎特性。

2 高速旋沖切削水泥塞提速機理

在PDC齒高速旋沖切削水泥塞過程中，轉速和沖擊力同時影響著切削效率，但其提速機理尚不夠明晰。因此，基于所建立的高速旋沖切削水泥塞模型，分別分析了PDC齒軸向沖擊和高速作用下水泥塞的破碎情況、應力分布和損傷演化等問題，揭示高速旋沖切削水泥塞的提速機理。

2.1 沖擊作用對切削提速的影響

當轉速均為200 r/min時，探究沖擊作用對切削提速的影響。旋沖切削和旋轉切削作用下水泥塞破碎情況如圖5所示。水泥塞在PDC齒軸向沖擊作用下會形成破碎坑，如圖5a中紅色圓圈所示；在旋轉切削作用下水泥塞被切削的輪廓線比較平整（見圖5b）。2種切削作用下PDC齒吃入水泥塞深度變化情況如圖6所示。由圖6可知，在有軸向沖擊作用下PDC齒吃入水泥塞深度較深。PDC齒水平切削速度相同，可用PDC齒的吃入深度來表征鉆進過程的機械鉆速^［11］。結合圖5和圖6可知，旋沖切削作用下的周期性沖擊力使得水泥塞更易形成破碎坑，增加PDC齒的吃入深度，從而加快切削水泥塞。

旋轉切削和旋沖切削作用下水泥塞內部的等效應力云圖如圖7所示。由圖7a可知，PDC齒旋轉切削水泥塞時，由于在豎直方向上受到鉆壓的作用，在PDC齒與水泥塞接觸區域下方會形成一個密實核，水泥塞內部產生的應力以密實核為中心向外呈環狀擴散，往外逐步減小。圖7b展示了旋沖切削下水泥塞內部的應力分布情況。水泥塞在豎直方向受到鉆壓和沖擊力的共同作用，應力在縱向分布更深，因此沖擊作用使得水泥塞內部更容易發生裂紋的萌生和擴展，從而使水泥塞更易產生塊狀巖屑后脫離本體，驗證了圖5中旋沖切削下產生的破碎坑現象，從而提高PDC齒切削水泥塞的效率。

2.2 高速對切削提速的影響

普通旋沖鉆進時鉆頭轉速設置為60 r/min，高速旋沖鉆進時轉速為100 r/min。同一時刻普通旋沖和高速旋沖切削作用下水泥塞內部的等效應力云圖如圖8所示，從圖8a可以看出，PDC齒在低速和軸向沖擊作用下吃入水泥塞后，在PDC齒齒尖與水泥塞接觸區域會形成一個密實核，水泥塞內部產生的應力以密實核為中心沿著PDC齒切削方向和其斜下方呈環狀擴散，往外逐步減小。圖8b展示了高速旋沖切削作用下水泥塞內部的應力分布情況，水泥塞在受到PDC齒高速和軸向沖擊作用下，應力波沿著切削方向和其斜下方延伸更遠，水泥塞更易萌生和發展裂紋。

普通旋沖和高速旋沖切削作用下不同時刻（0.30～0.60 ms）水泥塞破碎情況分別如圖9、圖10所示，相比于普通旋沖切削水泥塞，高速旋沖切削水泥塞時更易萌生裂紋，同時裂紋發展速度更快，裂紋更深，導致更容易產生塊狀碎屑，從而提高了PDC齒切削水泥塞效率。

3 高速旋沖切削水泥塞效率分析

為了分析不同鉆磨方式和工作參數對鉆磨水泥塞效率的影響，基于建立的高速旋沖切削水泥塞模型，以相同時間內水泥塞破碎體積和破碎深度為評價指標^［17］，開展了鉆頭轉速、沖擊幅值和沖擊頻率對切削水泥塞效率的影響規律研究。其中水泥塞破碎體積指水泥塞失效單元個數與失效單元體積的乘積，水泥塞破碎深度為PDC齒在豎直方向（z方向）吃入水泥塞的深度。

3.1 轉速的影響

當單齒鉆壓為600 N，沖擊幅值為30%，沖擊頻率為500 Hz時，探究不同轉速對PDC齒高速旋沖切削水泥塞效率的影響，結果如圖11所示。其中普通旋沖鉆進時轉速為n=60 r/min，高速旋沖鉆進時轉速取100、150、200、250 r/min。由圖11可知，隨著轉速的增加，PDC齒切削速度明顯上升，水泥塞破碎體積呈現線性增長趨勢，相較普通旋沖作用下水泥塞破碎體積提高了2～5倍。而與破碎體積不同，水泥塞破碎深度隨著轉速增大呈現出先增大后減小的趨勢，且在轉速為150 r/min時水泥塞破碎深度達到最大值，提高了78.1%。但隨著轉速進一步增加，水泥塞受到PDC齒施加的鉆壓及沖擊力作用在單位切削距離內的時間變得更短，導致破碎深度降低了13.5%。

普通旋沖和高速旋沖切削工況下PDC齒水平切削力隨時間的變化如圖12所示。由圖12可知，普通旋沖和高速旋沖切削作用下水平切削力分別為1 219和1 566 N。由于轉速的提高使得PDC齒對應的水平切削力增加，水平切削力峰值更大，且變化更為劇烈。產生此種現象的原因是切削速度的增加會導致PDC齒與水泥塞之間的摩擦力增加，使PDC齒受到的摩擦力矩增加，從而使得水平切削力增加。

3.2 沖擊幅值的影響

分析不同沖擊幅值（沖擊力與鉆壓的比值）對PDC齒高速旋沖切削水泥塞效率的影響。設置單齒鉆壓為600 N，轉速為200 r/min，沖擊頻率為500 Hz，沖擊幅值分別為0、30%、40%、50%和60%。不同沖擊幅值下水泥塞破碎情況如圖13所示。由圖13可知，水泥塞破碎體積和破碎深度都隨著沖擊幅值的增大而增大，沖擊作用使得PDC齒豎直方向破碎水泥塞的能力增強，導致水泥塞破碎深度增加，進而提高水泥塞的破碎體積，其中水泥塞破碎體積提高了10.2%～27.1%，破碎深度提高了14.2%～34.4%。

2種切削作用下水平切削力大小如圖14所示。從圖14可知，旋沖切削作用下PDC齒對應的切削力為1 505 N，常規旋轉切削下PDC齒對應的切削力為1 456 N，可見兩者對應的水平切削力相差不大，這與文獻［12］中有無沖擊力作用下切削力隨時間變化規律相同。但結合圖13和圖14可知，在旋沖切削作用下水泥塞破碎體積和破碎深度均增加。由此可見，沖擊作用能夠減小PDC齒的水平切削力，從而降低PDC齒的磨損失效，達到提高鉆磨水泥塞效率、降低鉆塞成本的目的。

3.3 沖擊頻率的影響

分析不同頻率對PDC齒高速旋沖切削水泥塞效率的影響，設置單齒鉆壓為600 N，轉速為200 r/min，沖擊力幅值為30%，分別模擬沖擊頻率為0、100、200、400和500 Hz時水泥塞破碎情況，結果如圖15所示。從圖15可知：水泥塞的破碎體積和破碎深度隨著頻率的增加均呈現出先增大后減小的趨勢，且沖擊頻率為400 Hz時對應的破碎體積和破碎深度最大，分別提高了22.0%和17.6%；隨著沖擊頻率進一步增大，PDC齒沖擊時間過短，不足以產生足夠深、足夠寬的破碎坑，導致水泥塞破碎體積和破碎深度分別降低了6.3%和6.4%。

4 結 論

（1）高速旋沖切削作用下水泥塞內部應力以應力波的形式沿著切削方向和其斜下方延伸更遠，水泥塞更易萌生和發展裂紋，更容易產生塊狀碎屑，形成破碎坑，從而提高了PDC齒切削水泥塞效率。

（2）高速旋沖切削水泥塞時，高速旋轉切削與高頻軸向沖擊相結合，可有效增加水泥塞破碎深度和破碎體積，從而大大加快了水泥塞的破碎效率。

（3）增大鉆頭轉速使水泥塞破碎體積呈線性增長趨勢，PDC齒對應的水平切削力增大，且波動更為劇烈，但破碎深度呈現出先增后減的趨勢，當轉速為150 r/min時破碎深度最大；水泥塞破碎體積和破碎深度均隨著沖擊幅值的增大而增大；水泥塞破碎效率隨著沖擊頻率的增加呈現出先增后減的趨勢，最佳頻率為400 Hz。

［1］ 馬西旗，王超，徐鴻飛，等．機械振動對棄置井水泥塞性能影響的試驗研究［J］．石油機械，2022，50（9）：28-35．

MA X Q，WANG C，XU H F，et al.Experimental study on influence of mechanical vibration on performance of cement plug in abandoned wells［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（9）：28-35.

［2］ 王方祥，張曙光，李龍，等．射流抽吸式水泥漿調配裝置的研究與應用［J］．石油機械，2019，47（11）：19-25．

WANG F X，ZHANG S G，LI L，et al.Research of jet suction type cement slurry mixing device［J］.China Petroleum Machinery，2019，47（11）：19-25.

［3］ 陳偉，田維．廢棄井井口水泥塞鉆掃方法的應用［J］．江漢石油職工大學學報，2023，36（6）：42-44．

CHEN W，TIAN W.Application of wellhead plug drill-out and sweeping method in abandoned well［J］.Journal of Jianghan Petroleum University of Staff and Workers，2023，36（6）：42-44.

［4］ 郭彪，李雪飛，唐譽文．連續油管鉆磨帶圈閉壓力的水泥塞技術［J］．石油工業技術監督，2023，39（1）：56-59．

GUO B，LI X F，TANG Y W.The cement plug technology of circulating pressure on the drill grinding belt of coiled tubing［J］.Technology Supervision in Petroleum Industry，2023，39（1）：56-59.

［5］ 胡強法，付悅，蓋志亮，等．連續管作業技術與 裝備研發及應用推廣［J］．石油科技論壇，2017，36（5）：7-11．

HU Q F，FU Y，GAI Z L，et al.Research and application of coiled tubing service technology and equipment［J］.Oil Forum，2017，36（5）：7-11.

［6］ 尚瓊，王偉佳，王湯，等．連續油管鉆復合橋塞工藝研究［J］．鉆采工藝，2016，39（1）：68-71．

SHANG Q，WANG W J，WANG T，et al.Research on milling technology of one CP through CT［J］.Drilling amp; Production Technology，2016，39（1）：68-71.

［7］ 辛永安，蓋志亮，呂維平，等．長水平段連續管鉆塞過程的軟件模擬應用［J］．石油機械，2016，44（9）：109-112．

XIN Y A，GAI Z L，LYU W P，et al.Software simulation of plug drilling by coiled tubing in long horizontal section［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（9）：109-112.

［8］ SCHNEIDER C，CASTRO L，CRAIG S，et al.The effects of fluid hammer tools and lubricants on plug milling efficiencies-a comparative study［C］∥Paper presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubingamp;Well Intervention Conference and Exhibition.The Woodlands，Texas，USA：SPE，2012：SPE 154061-MS.

［9］ CASTANEDA J C E，BRUNSKILL D.Coiled tubing milling operations：successful application of an innovative Variable-Water hammer Extended-Reach BHA to improve end load efficiencies of a PDM in horizontal wells［C］∥Paper presented at the SPE/ICoTA Coiled Tubingamp;Well Intervention Conference and Exhibition.The Woodlands，Texas，USA：SPE，2011：SPE 143346-MS.

［10］ 馬廣軍，張海平，王甲昌．基于螺桿鉆具的旋沖鉆井裝置設計及試驗研究［J］．石油機械，2016，44（6）：24-27．

MA G J，ZHANG H P，WANG J C.Designed and testing of the positive displacement motor driven rotary percussion drilling device［J］.China Petroleum Machinery，2016，44（6）：24-27.

［11］ 張恒．自激振蕩式旋轉沖擊鉆井提速技術適應性研究［D］．青島：中國石油大學（華東），2018．

ZHANG H.Research on the adaptability of rop improvement technique by self-oscillating rotary impact drilling［D］.Qingdao：China University of Petroleum （East China），2018.

［12］ 景英華，袁鑫偉，姜磊，等．高速旋轉沖擊鉆井破巖數值模擬及現場實驗［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2019，43（1）：75-80．

JING Y H，YUAN X W，JIANG L，et al.Numerical simulation and field experimental study on rock breaking in high speed rotating percussion drilling［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2019，43（1）：75-80.

［13］ 張昕，伊明，喬東宇，等．機械式旋轉沖擊鉆井提速工具應用研究［J］．新疆石油天然氣，2019，15（4）：79-82．

ZHANG X，YI M，QIAO D Y，et al.Application research of mechanical rotary percussion drilling tool［J］.Xinjiang Oil amp; Gas，2019，15（4）：79-82.

［14］ 于洋，劉士銀．高速旋沖鉆井技術優化及在順北區塊的試驗［J］．石油機械，2020，48（10）：24-29．

YU Y，LIU S Y.High-speed rotary percussion drilling technology optimization and its field test in the shunbei block［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（10）：24-29，38.

［15］ 張海平．機械式旋轉沖擊鉆井工具結構設計與試驗［J］．石油機械，2020，48（12）：9-14．

ZHANG H P.Structural design and test of mechanical rotary percussion drilling tool［J］.China Petroleum Machinery，2020，48（12）：9-14.

［16］ 劉偉吉，曾義金，祝效華，等．單齒復合沖擊切削破巖機制及其與扭轉沖擊的對比［J］．中國石油大學學報（自然科學版），2020，44（3）：74-80．

LIU W J，ZENG Y J，ZHU X H，et al.Mechanism of rock breaking under composite and torsional impact cutting［J］.Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2020，44（3）：74-80.

［17］ 胡思成，管志川，路保平，等．錐形齒旋沖及扭沖的破巖過程與破巖效率分析［J］．石油鉆探技術，2021，49（3）：87-93．

HU S C，GUAN Z C，LU B P，et al.Rock breaking process and efficiency analysis of conical cutting teeth under rotary and torsional impact［J］.Petroleum Drilling Techniques，2021，49（3）：87-93.

第一作者簡介：劉望，生于2001年，現為在讀碩士研究生，研究方向為現代鉆采機械設計。地址：（434023）湖北省荊州市。email：17386629795@163.com。

通信作者：管鋒，教授。email：gf2123@163.com。