共振破巖技術(shù)原理與發(fā)展分析

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(中國石油集團鉆井工程技術(shù)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(lǐng)域迫切需要解決的重大技術(shù)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(guī)旋轉(zhuǎn)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(yōu)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(wěn)定性，降低井眼質(zhì)量。還會加速工具損傷，甚至是災(zāi)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(chǎn)生共振，因此破巖時能量利用率較低。

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

1 共振破巖原理與特點

針對傳統(tǒng)沖擊器在實際應(yīng)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(yīng)能力弱等缺點，國外研究人員在超聲加工技術(shù)基礎(chǔ)上開展了共振破巖(Resonance Enhanced Drilling-RED)技術(shù)研究，其主要目標(biāo)是開發(fā)具有自主適應(yīng)能力的振動破巖系統(tǒng)，使鉆頭能夠?qū)崟r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(tǒng)破巖效率和對不同地層的自適應(yīng)性。

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

圖1 共振破巖試驗系統(tǒng)物理模型

模型中m1表示鉆頭質(zhì)量，m2表示激振器質(zhì)量，m3表示框架的等效振動質(zhì)量。鉆頭與激振器之間通過剛度為k2的彈簧和阻尼系數(shù)為c2的阻尼器相連，激振器與等效振動質(zhì)量之間通過剛度為k3的彈簧和阻尼系數(shù)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(yīng)通過粘彈性滑塊和干摩擦副組成的模型來模擬，當(dāng)鉆頭作用于巖石表面上時，滑塊開始向下滑動，即巖石發(fā)生粘彈性變形，當(dāng)作用力超過摩擦副臨界摩擦力時，摩擦副發(fā)生移動，即巖石發(fā)生破碎。

圖2顯示了系統(tǒng)在不同的參數(shù)條件下產(chǎn)生的不同響應(yīng)[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(shù)據(jù))。圖2a表示系統(tǒng)的單周期響應(yīng)，即外部激勵每一個周期對應(yīng)一次沖擊，系統(tǒng)向前移動并取得良好的鉆速。此時，系統(tǒng)能量集中在鉆頭上，產(chǎn)生高的沖擊力以破碎巖石。圖2b表示雙周期響應(yīng)，即外部激勵每兩個周期對應(yīng)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(yīng)，此時鉆頭運行軌跡不穩(wěn)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(shù)的核心就是使鉆頭與巖石組成的振動系統(tǒng)處于或接近單周期響應(yīng)狀態(tài)，以此來提高沖擊能量傳遞效率，達到高效破巖的目標(biāo)。

圖2 不同響應(yīng)時的鉆頭運動軌跡(歸一化處理后的無量綱量數(shù)據(jù))

研究人員發(fā)現(xiàn)，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(shù)據(jù))。

圖3 破巖效率與靜載、動載幅值和頻率關(guān)系(歸一化處理后的無量綱量數(shù)據(jù))

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(xù)增大，系統(tǒng)響應(yīng)將進入混沌狀態(tài)，每周期平均鉆進量降低。圖3b顯示，在0.3

共振破巖能夠?qū)_擊能量集中在鉆頭上，通過較低鉆壓和沖擊能實現(xiàn)高效破巖，因此具有以下潛在優(yōu)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(wěn)定的井壁，提高井眼質(zhì)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(chǎn)時間，顯著縮短鉆井周期，節(jié)約大量成本。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展

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

2008年，研究團隊與ITI能源公司簽署了開發(fā)共振破巖技術(shù)的協(xié)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?guī)r和玄武巖等不同巖石進行了大量鉆進試驗。試驗結(jié)果表明，共振破巖技術(shù)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(guī)旋轉(zhuǎn)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(yè)應(yīng)用為目標(biāo)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(wěn)定、轉(zhuǎn)速范圍寬和循環(huán)液流量大等特點，能夠?qū)Χ喾N鉆頭和巖石進行測試。臥式試驗裝置使用一種全新設(shè)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(chǎn)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(fā)了一種機械式高頻激振器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、無需電力供應(yīng)、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(nèi)發(fā)展

近年來，國內(nèi)一些科研機構(gòu)和研究人員也相繼開始跟蹤并開展相關(guān)技術(shù)的研究。例如，中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)的楊威等通過對巖石裂隙的探究，結(jié)合振動系統(tǒng)發(fā)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(xué)的閆鐵、李瑋等從理論研究、數(shù)值模擬以及室內(nèi)實驗的角度出發(fā)，對諧振激勵下的巖石響應(yīng)機制、破巖機理、沖擊系統(tǒng)動力學(xué)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(chǎn)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(zhuǎn)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(guān)系曲線中可以看出，當(dāng)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(dāng)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(zhuǎn)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(shù)難點與發(fā)展趨勢

理論分析和室內(nèi)試驗結(jié)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(chǎn)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(diào)整。

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

3.1 可調(diào)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(chǎn)生的頻率一般不超過40 Hz，而且很難實時調(diào)激頻率和幅值，因此無法有效實現(xiàn)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(zhuǎn)化效率，且能在寬頻帶上工作。在大功率超聲和水聲領(lǐng)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(shè)計、裝配和工作不當(dāng)時易發(fā)生損壞，頻率范圍窄，對整個振動系統(tǒng)的設(shè)計、制造和調(diào)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(yīng)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(yīng)變、強力和高功率密度及高精度、快速響應(yīng)和高可靠性等優(yōu)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(zhuǎn)換能力優(yōu)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(jié)構(gòu)如圖8所示，雖然其性能比壓電換能器更優(yōu)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(zhuǎn)換成機械能，并將其傳遞給試驗結(jié)構(gòu)的一種設(shè)備。電磁式激振器由磁路系統(tǒng)與動圈、彈簧、頂桿、外殼等組成，當(dāng)輸入動圈內(nèi)的電流Ie以簡諧規(guī)律變化時，則通過頂桿作用在物體上的激振力也以筒諧規(guī)律變化。電磁式激振器的優(yōu)點是產(chǎn)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(fā)熱量較高，需要配備風(fēng)機進行強制冷卻。

偏心塊振動器是利用偏心塊(軸)在旋轉(zhuǎn)時形成的離心力來產(chǎn)生振動作用的一種裝置。偏心塊振動器已廣泛應(yīng)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(nèi)，必須對結(jié)構(gòu)進行改進，使其外形適應(yīng)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(yīng)用潛力。綜上所述，現(xiàn)有的激振器均不能完全滿足井下使用的要求，需要在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，或根據(jù)新原理研究開發(fā)適合共振破巖需求的新型激振器。

3.2 狀態(tài)檢測識別與控制

國外研究表明，要實現(xiàn)共振破巖，必須實時了解鉆頭與被鉆巖石之間的振動狀態(tài)，以及被鉆巖石的有效剛度等關(guān)鍵信息。但是，共振破巖是一種復(fù)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(shù)據(jù)，難以用簡單的方法做出準(zhǔn)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(shù)據(jù)，并且運動方程未知的系統(tǒng)行為，此方法通常從應(yīng)用相空間技術(shù)計算吸引子開始，利用吸引子使系統(tǒng)動力特性可視化，并且計算其非線性表征值以研究系統(tǒng)行為，例如李亞普諾夫指數(shù)和相關(guān)維數(shù)。使用重構(gòu)吸引子比使用原始變量構(gòu)成的原始吸引子具有的優(yōu)勢在于，對于重構(gòu)吸引子，可使用一個測量(例如加速度)執(zhí)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(tài)下鉆頭加速度參數(shù)的重構(gòu)相空間圖。研究發(fā)現(xiàn)，對于非沖擊過程，重構(gòu)相空間顯示吸引子停留在一個平面內(nèi)，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(xù)時間會減小，即沖擊持續(xù)時間變短[8]。

圖9 3種振動狀態(tài)下鉆頭加速度的重構(gòu)相空間軌跡

圖10表示重構(gòu)相空間內(nèi)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(guān)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(qū)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(zhì)量體的低加速度使數(shù)據(jù)點間距很小，因此導(dǎo)致噪音對非接觸時的數(shù)據(jù)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(guān)系

通過鉆頭的運動來確定被鉆介質(zhì)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?yán)脹_擊持續(xù)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(shù)分岔圖來確定激振參數(shù)，在室內(nèi)試驗條件下取得了較好效果。為了獲得更為穩(wěn)定可靠的探測數(shù)據(jù)，研究人員正考慮將更多信號納入探測范圍內(nèi)(如沖擊力)，運用信號綜合分析，進一步提高沖擊持續(xù)時間等重要信息的探測精確度[9-10]。

4 結(jié)論

1) 共振破巖技術(shù)的核心就是使鉆頭與被鉆巖石之間形成共振。與常規(guī)旋沖鉆井相比，共振破巖具有巖層變化適應(yīng)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(xiàn)鉆頭與被鉆巖石之間的共振，首先需要開發(fā)可調(diào)式高頻激振器，此新型激振器不僅能夠驅(qū)動鉆頭產(chǎn)生上百甚至上千赫茲振動，而且可以根據(jù)需要實時調(diào)整激振參數(shù)，以適應(yīng)地層巖性變化。現(xiàn)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(jié)構(gòu)等原因，均不能完全滿足井下使用的要求，需要在已有技術(shù)基礎(chǔ)上或根據(jù)新原理開發(fā)新一代產(chǎn)品。

3) 實現(xiàn)共振破巖的另一個關(guān)鍵要素就是狀態(tài)檢測識別與控制，即必須能夠根據(jù)檢測參數(shù)實時判斷巖性和振動狀態(tài)變化，并依據(jù)激振作用關(guān)系進行參數(shù)控制。非線性時間序列分析對于復(fù)雜振動而言是一種較為可靠的狀態(tài)識別方法，可以通過重構(gòu)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(xù)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(shù)。

4) 從國外發(fā)展現(xiàn)狀來看，共振破巖技術(shù)仍然處于理論和實驗室研究階段，要投入實際應(yīng)用還有很長距離。國內(nèi)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(chǔ)，應(yīng)在緊密跟蹤國外技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，著重針對關(guān)鍵技術(shù)難點開展相關(guān)研究，例如開發(fā)適用于井下高溫高壓環(huán)境的百赫茲可調(diào)頻激振器。通過建立專業(yè)試驗平臺，研究激振頻率和幅值、鉆頭結(jié)構(gòu)、切削轉(zhuǎn)速以及鉆柱振動等因素對破巖效率的影響，為后續(xù)樣機的開發(fā)提供有力技術(shù)支撐。

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