東海西湖區塊深部地層復合沖擊破巖機制研究

Li Jiwei.Composite percusive rock breaking mechanism in deep strata of Xihu block，East China Sea basin[J].China Petroleum Machinery，2025，53（5）：63-69.

關鍵詞：沖擊破巖；機械鉆速；PDC鉆頭；巖石動力學；應力應變中圖分類號：TE242 文獻標識碼：A DOI：10.12473/CPM.202404058

Composite Percussive Rock Breaking Mechanism in Deep Strata of Xihu Block，East China Sea Basin

Li Jiwei（Sinopec Offshore Oil Engineering Co.， Ltd. ； Sinopec Shanghai Offshore Oil amp; Gas Company）

Abstract：The improvement of rate of penetration（ROP）in deep，high confining pressure formations is closely related to therock breaking method.In the Xihu block of the East China Sea Basin，thepercussive rock breaking method is mainly used to improve ROP.In this paper，a numerical model of dynamic damage in composite percussive rock breaking was built using ANSYS-LS-Dyna.During the simulation，by considering the axial and circumferential impact loads on the bit，the percusson frequency，and the static-dynamic load action time ratio， the influences of percussion frequency and static/dynamic load action time on the penetration depth of the cutter， the rock damage after drilling，and the cuttings morphology were analyzed.The results show that the stress waves of different frequencies have varying degrees of atenuation in the medium，and higher-frequency stress waves attenuate faster，leading toa decrease in rock breaking efect.As the static-dynamic load action time ratio increases，thevibration amplitude at the penetration depth weakens，the cuting surface becomes smooth，and the volume of cuttings formed by rock breaking tend to decrease.The study results have been applied in deep wels in the Xihu block，and provide atheoreticalbasis for further understanding the composite percussive rock breaking mechanism in deep strata and optimizing the engineering parameters of percussion tools.

Keywords： percussive rock breaking； ROP； PDC bit; rock dynamics; stress-strain

0引言

東海盆地西湖凹陷中央背斜帶埋層深、圍壓高，其巖石壓實程度高、研磨性強，導致地層可鉆性差，機械鉆速（ROP）較慢[1-3]。針對當前東海盆地西湖區塊主要采用沖擊破巖提速的工程實際，開展深部地層沖擊載荷作用下的鉆頭破巖機制研究，優選一套針對深部地層的提速提效方案，對于提升東海深部地層ROP極為迫切。

區別于常規鉆井方式，沖擊鉆井的破巖機制主要是通過高壓流體驅動沖錘，并以一定速度撞擊底座產生應力波，而應力波傳遞的方向取決于沖擊方式[4]。依據不同的沖擊方式，井下沖擊破巖工具主要有旋轉沖擊鉆具、扭轉沖擊鉆具、復合沖擊鉆具、超聲波振動沖擊器、液壓振蕩沖擊器以及脈沖振動沖擊器等[5-6]。現場應用發現，旋轉沖擊鉆具和扭轉沖擊鉆具在軟硬相間地層鉆進中存在一定的局限性。為此，針對地層適應性應用方面柳貢慧等[7]提出了一種針對軟硬交錯非均質地層的復合沖擊破巖新技術。由于巖石在動力沖擊載荷作用下表現出復雜的動力學特性，那么對于復合沖擊模式下動態加載力學行為的仿真計算，動力作用下材料本構模型的選擇尤為重要。針對混凝土結構在沖擊載荷下復雜的物理特性，較常用的本構模型有RHT（ Riedel-Hiermaier-Thoma）模型、 HJC（Holmquist-Johnson-Cook）模型、Kamp;C（Karagozianamp; Case）模型[8-11]。RHT 模型是在 HJC 模型的基礎上引入偏應力張量第三不變量，可表征材料的拉伸和壓縮損傷、應變率效應、應變硬化、軟化與失效等現象[12]，更適用于巖石在復合沖擊過程中的損傷破壞模擬。

為此，筆者結合試驗測定的巖石動力學特性，利用ANSYS-Ls-Dyna建立復合沖擊破巖數值模型;考慮復合沖擊鉆井過程中周向動載與軸向動載之間的相位差，鉆頭受軸向以及周向的應力載荷、動載峰值、動載頻率、靜動載作用時間比，開展了復合沖擊破巖機制和敏感性分析以及理論結果與現場試驗應用效果評估。研究成果可為深入探究深部地層復合沖擊破巖機制、調整沖擊鉆具工程參數及優化沖擊鉆具結構等提供理論依據。

RHT本構方程

為了彌補傳統HJC本構模型在偏應力張量第三不變量上的缺失，W.RIEDEL等[13]提出了一種拉壓損傷RHT本構模型。考慮到在高速沖擊和爆炸等問題中，材料多處于流動狀態。

為方便研究和問題描述，這里將RHT本構與 狀態方程一起使用。RHT本構模型主要方程如下[14]

失效面方程：

彈性極限面方程：

式中：σf a i l（p "，θ"，ε）"為失效應力， GPa ; 為巖石材料所受的壓力， GPa ： θ 為羅德角， Ξ（Λ^°）：ε 為應變率， s^-1 ； f_c 為單軸抗壓強度， GPa ； （204號 ）為準靜態失效面壓縮子午線歸一化等效應力強度，無量綱; R₃（θ） 為羅德角因子，無量綱； F_rate 為應變率動態增強因子，無量綱； （p ， 為彈性極限應力， GPa ; 為準靜態彈性極限面壓縮子午線歸一化等效應力強度，無量綱； F_elastic 為彈性縮放函數； F_cap 為“帽蓋”函數； 為準靜態失效壓力， GPa ; 為準靜態彈性極限壓力， GPa 。

線性強化階段方程：

式中： 為線性強化彈性極限應力， GPa ; G 為剪切模量， GPa 為彈性極性應力， GPa ; ε_p 為線性強化段累積等效塑性應變，無量綱； ξ 為剪切模量縮減系數，無量綱。

損傷軟化階段方程：

式中： D 為損傷變量，無量綱； Δε_p 為等效塑性應變增量，無量綱； D₁ ！ D₂ 為材料參數，無量綱;ε_p^m 為材料破壞時的最小等效塑性應變，無量綱;ε_p^failure 為失效等效塑性應變，無量綱； A_f 為殘余應力強度參數， GPa ; n_f 為殘余應力強度指數，無量綱； p^* 為歸一化壓力，無量綱； 為靜態失效面拉壓子午線在橫軸的截距，無量綱； 為損傷應力， GPa ; 為殘余應力， GPa ； 為失效應力， GPa 。

2 沖擊破巖數值模型建立

2.1 幾何模型與邊界載荷

區別于常規鉆井，復合沖擊鉆井過程中，沖擊鉆具會同時產生軸向和切向沖擊波[15]。以實際鉆井工程條件為基礎，做如下假設： ① PDC鉆齒與地層之間的傾角在鉆齒運動期間保持恒定； ② 地層視為無限邊界，巖石可設置為無反射邊界； ③ 原始狀態下地層巖石為均質且完好無損； ④ PDC鉆齒鉆進前與地層接觸，但沒有侵入。

模型中PDC鉆頭直徑為 215.9mm ，單齒直徑為 16mm ，寬度為 13mm ；地層尺寸為 250mm× 250mm×125mm ，鉆齒與地層之間的傾角設定為20^° ；PDC鉆齒網格數量為 1000 ，地層模型采用自下而上加密劃分網格，網格數量為15000。圖1為簡化的數值模型。應力載荷分別為軸向靜壓載荷、軸向動載荷、周向上的扭轉沖擊動載荷、軸向沖擊速度，其中靜壓載荷沿軸向且始終保持恒定不變

2.2 材料模型設置

為模擬巖石在復合沖擊過程中的損傷破壞，需要確定RHT巖石損傷本構模型中的34個參數[16]通過理論計算可以確定21個參數，如表1所示。在本研究中，其他參數可以通過沖擊試驗等方法得到[17]，具體得到的參數如表2所示。

3 復合沖擊破巖機制及敏感性分析

3.1 復合沖擊載荷設置

應力波振幅、波形相同，周向動載與軸向動載之間的相位差為0；軸向與周向的動載峰值為0.1、0.3、 0.5、 0.7MPa ，軸向與周向動載頻率為25、40、55、 70Hz ；軸向與周向靜動載作用時間比為1：1 、 4：1 、 7：1 、 10：1 、 13：1 。不同參數條件下的載荷曲線如圖2所示。

3.2 沖擊頻率對破巖的影響

對不同軸向沖擊頻率和周向沖擊頻率組合條件下的鉆齒侵徹深度進行了分析。圖3為不同沖擊頻率組合下巖石切削面損傷情況，

圖4為不同沖擊頻率組合下巖屑顆粒的大小及其形態。

圖5為沖擊頻率對鉆齒侵徹深度的影響。由圖3～ 圖5可知： ① 當軸向頻率不變，周向頻率改變時，隨著周向沖擊頻率的增大，振動振幅減小，鉆齒侵徹深度減小，穿透深度波動區間減小，整體穿透波動減輕；同時，巖石破碎形成的巖屑體積呈減小趨勢，切削表面變得越來越光滑，形成巖屑尺寸較小。 ② 當周向頻率不變，軸向頻率改變時，隨著軸向沖擊頻率的增大，破碎形成巖屑的體積呈增大趨勢，鉆齒易產生劇烈波動，形成大塊巖屑；同時，受切削速度的影響，鉆齒平均侵徹深度減小，且巖石中應力波的衰減隨著沖擊頻率的增大而加速，導致巖石穿透深度的減小。

綜上，不同頻率的應力波在介質中的衰減系數也會不同，高頻率的應力波衰減更快，會導致破巖效果降低。實際工程中，可通過增大頻率提升破巖效果，實際上是通過提升沖擊速度，進而提高應力波振幅達到最佳效果。

3.3 靜動載作用時間比對破巖的影響

分析不同靜動載作用時間比對鉆齒侵徹深度的影響，其中軸向和周向靜動載作用時間比同時改變。

圖6為靜動載作用時間比對巖石切削面損傷影響云圖。

圖8為靜動載作用時間比對鉆齒侵徹深度的影響。由圖6＼～圖8可知：當靜動載作用時間比值為1：1 ） 4：1 ） 7：1 ） 10：1 、 13：1 時，平均穿透深度分別為3.89、3.41、3.28、3.15和 3.05mm 。隨著軸向和周向靜動載作用時間比值的增大，振動振幅減弱，穿透深度波動區間減小，整體穿透波動降低，侵徹深度不斷加深。同時，切削表面變得越來越光滑，巖石破碎形成的巖屑體積呈減小趨勢。因此，應考慮在垂直井段使用具有較長沖錘的沖擊鉆具，以增加破巖效果

4現場應用

在東海盆地西湖區塊花港組和平湖組層位的NB27-5-X井和NB17-1-Y井進行了沖擊鉆井的現場應用。現場使用XXX公司金剛啄木鳥II-Pro系列沖擊鉆具，井眼尺寸為 215.9mm （ 8.5in? 在實際鉆井工程中，當沖程不發生變化，鉆井液排量發生改變時，沖錘往復的沖擊頻率和沖擊末速度都會發生改變，進而影響其破巖效率。參考文獻［17］獲取沖擊載荷的方法，采用實際沖擊破巖仿真模型參數及現場工程參數進行建模，可以得到不同排量下的沖擊頻率和沖擊速度，結果如圖9和圖10所示。

計算過程中切削速度選擇 0.6m/s ，通過數值仿真得到鉆齒侵徹波動規律，如圖11所示。結合現場測量及理論計算結果可知，隨著排量的增大，鉆齒侵徹深度隨之增加，巖屑的尺寸也有增大的趨勢，試驗結果與數值仿真結果符合較好。另外，鉆柱的轉速與排量（沖擊頻率和速度）之間存在配伍性，不同的轉速下，最優的排量值不同。通常情況，低轉速條件下配合較高沖擊頻率，高轉速條件下配合較低沖擊瀕率，可最大限度地發揮沖擊鉆具的作用。

5結論及建議

（1）不同頻率的應力波在介質中的衰減系數不同，高頻率的應力波衰減更快，會導致破巖效果降低。實際工程中，可通過增加頻率來提升破巖效果，實際上是通過提升沖擊速度進而提高應力波振幅達到最佳效果。

（2）隨著靜動載作用時間比的增大，其穿透深度的振動振幅減弱，同時切削表面變得越來越光滑，并且巖石破碎形成的巖屑體積呈減小趨勢。工程上建議應考慮在垂直井段使用具有較長沖錘的沖擊鉆具，以增強破巖效果。

（3）沖擊頻率和沖擊速度之間存在配伍性，會影響破巖效率。沖擊鉆具在東海盆地西湖區塊的排量-頻率與排量-速度的關系理論結果與現場試驗應用結果符合較好。建議低轉速條件下配合較高沖擊頻率，高轉速條件下配合較低沖擊頻率，這有利于最大限度地發揮沖擊鉆具的作用

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作者簡介：李基偉，高級工程師，生于1983年，2016年畢業于中國石油大學（北京）油氣井工程專業，獲博士學位，現從事鉆完井技術相關領域研究工作。地址：（200120）上海市浦東新區。email：lijiwei．shhy @ sinopec.com。

收稿日期：2024-04-26 修改稿收到日期：2024-09-25（本文編輯任武）