复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用

JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK

振动与冲击

Vol.36 No. 16 2017

复合载荷作用下钴头冲击破岩机理研究及现场应用

李思琪\\李玮\\闫铁\\高晗2，毕福庆3，马红滨4

(1.

东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆

3.

4.

163318;2.中国石油大庆化工研究中心，黑

163513;

龙江大庆

163714;

中国石油大庆油田第五采油厂，黑龙江大庆

中国石油集团西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000)

主商要：复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问 题。基于弹性力学和冲击力学理论，建立了复合载荷作用下压头的破岩模型，分析了模型因素对压头侵深的影响。同时， 应用有限元软件分析了复合载荷作用下岩石位移和应力的响应。通过现场应用进一步证明复合载荷冲击破岩的提速效 果。理论研究结果表明:该破岩方法可以在保证钻深基础上，减少钻具失效;还扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区 域，加剧了岩石振动的剧烈程度;当激励频率与岩石固有频率相同或接近时，岩石产生共振，整体振动位移达到峰值。现 场应用效果表明，高频低幅轴向冲击工具应用井段平均机械钻速可达3 m/h，与常规钻具相比，平均提速可达67. 65%。

关键词：复合载荷;冲击作用;侵深;破岩效率;现场应用中图分类号：TE21

文献标志码：

A

D01：10.13465/j.cnki. jvs.2017. 16.008

A study on the rock breaking mechanism of drill bits under combined loads and field applications

LI Siqi ,LI Wei , YAN Tie , GAO Han ,BI Fuqing3 ,MA Hongbin

(1. Institute of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China；

2. Daqing Petrochemical Research Center, Petro China, Daqing 163714, China；3. The Fifth Oil Production Plant of Daqing Oilfield, Petro China, Daqing 163513, China；4. Drilling Engineering Technology Research Institute of XDEC, Petro China, Karamay 834000, China)

drilling problem of complex hard formation, such as slow drilling rate, serious drilling tool failure. Based on the theories

of elastic mechanics and impact mechanics, a rock breaking model of indenters was proposed and the effects of factors on the invasion depth were studied. Also, finite element software was used to analyze the response of displacement and the stress of the rock. At last, the effect of increasing speed under the impacting of combined loads was proved further through field applications. Results of theoretical research show that ： the technology not only can guarantee the invasion depth, but also can reduce the drilling tool failure. It also can expand the response range of rock and the working area of loads and increase the intensity of rock vibration. When the excitation frequency is the same as or is close to the natural frequency of rock, the rock will be resonant and the vibration displacement is the largest. Effects of field applications show that： the average of drilling rate of high-frequency low-amplitude axial impact tool is 3 m/h. It is increased of 67. 65% compared with conventional drilling tools.

Key words ： combined load; impacting ； invasion depth ； rock breaking efficiency; field application

随着钻井深度的不断增加，复杂地层、难钻地层所 占比例也随之增大，如高研磨性地层、碳酸盐岩地层以及 火山岩地层等[1]。当钻遇这些地层时，钻进速度缓慢，

基金项目：“十三五”国家科技重大专项项目20(2016

国家自然科学基金重大项目（51490650)

收稿日期：2016 - 04 - 21修改稿收到日期：2016 -06 -28 第一作者李思琪女，博士，讲师,1989年生

通信作者李玮男，博士，教授，博士生导师,1978年生

Abstract： Impacting rock under combined loads, as one of efficient rock breaking technology, can solve the

钻具失效严重[2]，现有常规钻井方法已不能实现高效破 岩的目的[3]。因此，专家学者开始探索一些新的高效破 岩方法，如粒子冲击射流破岩[4_5]、超临界二氧化碳射流 破岩[6_7]、高频谐振冲击破岩(共振钻井）以及激光破岩 等方法，来解决当前钻井的难题[8]。本文研究的复合载 荷冲击破岩即为高频谐振冲击破岩的一种形式。高频谐振冲击破岩技术作为一种新兴的钻井方

法，国内外相关的研究较少，主要的研究成果如下：Li

ZX05020 -002);

52

振动与冲击

2017年第36卷

等[9]研究了谐波振动激励下钻具的破岩机理并进行了 相应的实验分析;李思琪等[1^11]通过数值模拟和室内 实验途径研究了简谐振动激励下岩石的振动响应问 题;杨威等[12]展开了共振碎岩机理、孔隙介质对共振破 岩过程的影响等方面的探索；阿伯丁大学在室内成功 开展了共振破岩实验，其切屑速度是常规钻井方式的 10倍。Wiercigroch[13]申请了共振增强钻井的发明专 利，发明了一种可以实现共振钻井的装置与方法;Pav- —

^等[14]建立了高频振动冲击钻井模型，研究了静 态力，振幅和激励频率等因素对钻进效果的影响。

式中:&为介质的弹性模量；F为介质的屈服强度;& 为介质的泊松比;为锥形面与弹塑性半空间体之间的 夹角。

为保证弹塑性半空间体发生破碎，作用于冲击表 面的冲击力大小至少要克服塑性核中的应力，即有

式中:a为接触面的半径;i)为侵深。

由式（1)、式(2)可得

FjiD)=2

1 +ln

Estan p

2(1-2%)、

(3)

本文从复合载荷共同作用的角度研究了钻头的破 岩提速机理。在已有的研究成果中，有关复合载荷作 用的研究主要指岩石受钻头的静压切削和钻头的振动 冲击共同作用[15_16]，这里的振动冲击主要指钻头与岩 石无规律的振动碰撞。而本文提出的复合载荷冲击作 用是一种新的破岩方式，这里的静载指钻压，动载指钻 头施加于岩石上的筒频简谐振动冲击，研究的是在钻 压和简谐振动冲击共同作用下钻头的破岩机理。通过 本文的研究，可为高频谐振冲击破岩技术的实现提供 理论基础。

1压头的破岩模型

假设钻头与地层岩石的作用为刚性的锥形压头与

一个弹塑性半空间体的作用，如图1所示。由已有研 究成果可知，如果冲击速度远低于材料的弹性波速度， 或者冲击的接触面积和变形区域相比于碰撞体非常 小，材料响应是准静态地，准静态理论仍然适用[17_18]。 因此，这里认为弹塑性半空间体在静载和简谐振动冲 击载荷作用下的响应与准静态加载下的响应相似。同 时假设压头和半空间面之间的接触作用是无摩擦的， 卸载阶段材料是弹性卸载。

图1锥形压头与弹塑性半空间体作用模型

Fig. 1 Model of conical head and elastoplastic half-space body

1.1

加载阶段

刚性锥形压头对弹塑性半空间体冲击过程中，由

于高压力，表面下方形成塑性核，并被剩余的弹性材料 封闭。由空腔膨胀模型可得塑性核中的应力心为[19]

(1)

3 3tan2/3'

6Y(l-vs) +3(l-vs) \\/

式(3)即为锥形压头下加载阶段载荷和侵深的二 次关系式，可表示为

W

)=2 (4)

式中，&为压头加载中的接触刚度，可表示为

v

2 tanFtt /. } ^tan/3 2(1 -2i;5) 1\\

3 32/3\\ [6Y(l-vs) + 3(1 -i;s) J)

式中，作用于冲击表面的冲击力可表示为

F 静载

F} = < acos(cot + cp) 简谐动载

（5)

1.2

.F + acos(cot + cp)复合载荷

卸载阶段

在卸载阶段，锥形压头的载荷和侵深关系式可表

示为

Ful=Kul(D-D{)2 (6)

式中，I,为压头卸载中的接触刚度，可表示为

Kul =j_ ttE *2 2cot(/3)

式中为两个接触体的有效弹性模量=71

^7。

由于在弹塑性半空间体恢复阶段，有效的锥角 是改变的，载荷和侵深规律可更精确地近似为

Ful(D) =Kul(D-D{y- (7)

式中，& <2;仏为卸载阶段弹塑性半空间体达到的最

终变形。

3模型因素分析

基于压头的破岩模型，对复合载荷作用下影响压

头侵深的因素进行分析。

图2分别为1 000 N静载、振幅为1 000 N的简谐 振动冲击以及静载和简谐振动冲击共同作用下锥形压 头侵入砂岩的侵深-时间曲线。由图可知，理论上在 相同静载作用下压头的侵深是相同的。因此，在静载 作用下压头的侵深曲线是一条直线。但是在实际钻井 作业中，由于PDC钻头黏滑现象的存在，会存在憋钻问 题，每次钻压的作用并不能都起到岩石破碎的效果，钻 头的侵深并不能保持一个恒定的值。

第16期李思琪等：复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用53

Fig. 2 Relations between invasion depth

and time in different loads

在简谐振动冲击下，压头的侵入曲线也呈简谐振 动趋势，最大侵深也可达到单独静载作用下的侵深。 但在简谐振动冲击下，岩石的破碎主要是由于岩石自 身响应发生显著变化而造成的，钻头起到的作用主要 是传递简谐振动冲击载荷和辅助破岩的作用。相比于

常规钻井，PDC钻头憋钻问题大大减轻，黏滑现象大大 减少，钻头断齿、崩齿等现象减少，因此，简谐振动冲 击钻井可在保证侵深的前提条件下减少钻具失效

由复合载荷共同作用下压头的侵人曲线可知，压头 的侵深大大增加，这是由于在这种情况下，既可以保持静 载作用下的恒定侵深，简谐振动冲击作用又可以减少钻 压的负面效应，从而大大提高了钻头的破岩效率。

由图3可知，复合载荷作用下压头侵入不同岩石 产生的最大侵深不同，这是由弹性模量、泊松比以及屈 服强度等岩石特性共同决定的，这些因素属于岩石的 固有性质。这些固有性质的不同，决定了岩石固有频 率的不同，在不同激励频率的谐振冲击作用下，压头可 产生的最大侵深也截然不同。由图4可知，在复合载 荷作用下，锥形压头随着角的增加，产生的最大侵深 增加。这是由于角越大，锥形压头垂直作用于岩石 表面的作用力越大，因此岩石越易破碎。

Fig. 3 Relations between invasion depth and time of different rocks under combined load

日

eo/Q

XIT/s

图4

复合载荷作用下不同^角压头侵人砂岩的侵深曲线

Fig. 4 Relations between invasion depth and time of sandstone in different ^

under combined load

3数值模拟

分别应用ansys有限元软件中静力学分析模块

和谐响应分析模块分析岩石在静载、复合载荷作用下 锥形压头与岩石的作用。压头先对岩石施加1 〇〇〇 N 的静载，进行静力学分析。在求解的基础上再次施加

冲击振幅为1 000 N，冲击频率为1〜1 000 Hz的谐振 力进行谐响应分析e岩石与压头的基本特性参数如表 1所示。岩石与锥形压头以2: 1的比例建模，进行网格 化分，如图5所示。

图5

模型的网格划分效果图

Fig. 5 The mesh sample of model

表

1基本特性参数表

Tab. 1 Basic parameters table

名称弹性模量E/Pa

泊松比A

密度p/(kg • m_3)

砂岩1.6 xlO100.2092 557压头

2.06 xlO11

0.3

7 850

静载、复合载荷共同作用下求解的岩石位移云图

如6〜图9所示。

如图6所示s静载作用下压头侵入岩石的位移响 应主要集中于压头与岩石的接触区域，此区域岩石振 动剧烈，而接触以外的区域岩石只会产生微振动，岩石

的破碎区域主要集中于静载重复作用下压头与岩石的 接触区域。

54振动与冲费

2017年第36卷

图6静载作用下压头 图7激励频率为2〇0出时 侵人岩石的位移云图

压头侵入岩石的位移云图

Fig. 6 DisplacementFig. 7 Displacement contours

contours of rockof rock under 200 Hzunder static load

excitation frequency

图7 ~图9为复合载荷冲击作用下压头侵人岩石 的位移响应过程代表图。如图所示，激励初期岩石的 位移响应与静载作用下类似，随着激励频率的增加，岩 石的振动响应呈现先剧烈，后平稳的趋势。当激励频

率为400 Hz时，压头接触区域的岩石振动位移显著，接 触区域以外的岩石也呈现剧烈振动。之后随着激励频 率的增加，岩石又恢复微振动状态。由此可以看出，复 合载荷作用下，岩石可以达到静载侵人效果的基础上， 还可以进一步加大岩石的响应程度，扩大岩石的响应 范围，大大提髙岩石的破碎效果。

图10为砂岩的位移响应随激励频率变化的曲线 图。由图可知，当激励频率达到330 Hz左右时，岩石的 位移响应曲线出现峰值，且明显高于其它激励频率下 岩石的振动响应。这是由于此时砂岩达到了共振状 态，由共振性质可知当激励频率与岩石固有频率相同 时,砂岩产生共振，振动剧烈，.容易破碎。这也进一步 说明了图8中当激励频率在400 Hz左右时，岩石整体 振动剧烈的原因。由此可知，在复合载荷作用下，如果 动载的激励频率与岩石的固有频率相同，激励岩石产 生共振，岩石将会产生明敁R

T

静载作用下的强烈的

振动响应，岩石达到易破碎状态。

图1

0

砂岩的谐响应位移频率曲线

Fig. 10 The harmonic response curve of sandstone

图11、图12分别为静载、复合载荷共同作用下求 解的岩石应力云图。

图8激励频率为400 Hz时 图9激励频率为600拖时

压头侵入岩石的位移云图

压头侵人岩石的位移云图

Fig. 8 Displacement contours

Fig. 9 Displacement contours

of rock under 400 Hzof rock under 600 Hzexcitation frequency

excitation frequency

图1

2

激励频率为600 Hz时压头侵人岩<石的应力云图

Fig. 12 Stress contours of rock under

600 Hz excitation frequency

由静载、复合载荷作用下压头侵人岩石的应力云 图对比可知，静载作用下压头冲击力作用区域主要集 中于压头与岩石的接触区域以及小部分的周边区域， 静载作用范围有限，岩石破碎程度有限。而在复合载 荷冲击作用下的岩石，载荷作用区域由最初压头周边 扩展到整个岩石，动载作用范围明显大于静载，岩石受 到的最大应力也明显高于静载，显著提高了岩石的破 碎程度。

4

现场应用

为了实现复合载荷冲击作用在现场钻井作业中的

应用，东北石油大学“高效钻井破岩技术研究室”自主 研发了“髙频低幅轴向冲击工具”。它是通过工具内部 独特的流道结构，将钻井液的流体能量转换成高频的

第16期李思琪等：复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用55

简谐振动冲击力传递给钴头，再配合以钴压和转速，实 现钴头对岩石的复合载荷冲击作用。工具的冲击频率 为15 Hz，工作钴压为6 ~ 14 t，转速为50 ~ 60 r/min，排 量为28 ~ 32 L/min。图13为“高频低幅轴向冲击工 具”的实物图。将冲击工具应用于M井6 500 ~ 6 700 m 井段，该井段的岩性包括灰色细砂岩、褐色泥岩、灰褐 色粉砂质泥岩等，其固有频率大约在1 〇〇〇 Hz左右。 由于工具的冲击频率相比所钴地层岩石的固有频率非 常小，很难使其共振，因此此次作业中，工具主要起到 有频率相同或接近时，岩石产生共振，整体振动位移达 到峰值，最易破碎。

(3) “高频低幅轴向冲击工具”的现场应用进一步 证明了复合载荷冲击作用的破岩效果:工具应用井段

平均机械钴速可达3 m/h，与常规钴具相比，平均提速 可达 67. 65%。

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图1

3

高频低幅轴向冲击工具实物图

Fig. 13 The high-frequency low-amplitude axial impact tool

由图14可知，“高频低幅轴向冲击工具”平均机械 钴速可达3 m/h。在6 574 ~ 6 668 m井段，常规钴具纯 钴进时间为50 h，平均机械钴速为1.88 m/h，工具平均 机械钴速为3. 33 m/h，为常规钴具机械钴速的177. 1%，提高77.1%。在6 500 ~6 596 m井段，常规钴具 纯钴时间为52.05 h，平均机械钴速为1.84 m/h，工具 机械钴速为2.91 m/h，提高机械钴速58. 2%。综上所 述，工具应用井段平均提速67. 65%，这是基于复合载 荷作用减少了钴头憋钴、崩齿等失效问题的同时，还扩 大了岩石的受力范围和响应程度，在保证钴具寿命的 同时，提高了复杂难钴地层岩石的破岩效率，从而实现 提高机械钴速的目的。

试验工具瞬态钻速

204井测试工具分层平均钻速204井常规工具分层平均钻速

6450 6475 6500 6525 6550 /m

6575 6600 6625 6650 6675

井深图1

4

工具机械钻速随井深变化曲线

Fig. 14 Changes of drilling rate with well depth of tool

5结论

(1)

分别建立了压头与岩石在复合载荷冲击作用

下加载阶段和卸载阶段的作用模型。通过模型的因素 分析可知，复合载荷作用可以在保证钴深基础上，减少 钴具失效;压头侵人的深度取决于弹性模型、泊松比等 岩石的固有性质;角越大，岩石越易破碎。

(2)

通过有限元数值模拟分析可得，复合载荷冲击

作用扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区域，加剧 了岩石振动的剧烈程度。特别是当激励频率与岩石固

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(上接第55页）

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