基于有限元法的旋沖破巖提速仿真分析

玄令超 王甲昌 張仁龍

摘 要：旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)是深井、超深井鉆井常用的提速措施之一，可以有效提高鉆頭破巖速率。相較于旋沖工具的迅速發(fā)展，沖擊參數(shù)對鉆頭破巖效率影響的量化研究還不多見。本文利用有限元法研究旋沖鉆井配合PDC鉆頭的破巖提速機(jī)理，研究沖擊參數(shù)對巖石破碎體積、機(jī)械鉆速的影響。仿真結(jié)果表明：隨著沖擊載荷增加，沖擊破碎坑深度和體積相應(yīng)增加，增加趨勢先快后慢;使用Φ215.9mmPDC鉆頭旋沖鉆井，中硬地層推薦沖擊力20～45kN。利用有限元法模擬鉆頭破巖過程，可針對不同巖性地層、鉆頭類型、鉆井參數(shù)進(jìn)行沖擊參數(shù)優(yōu)選，為旋沖工具的參數(shù)優(yōu)選和性能改進(jìn)提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：旋沖鉆井;破巖機(jī)理;沖擊載荷;有限元仿真;參數(shù)優(yōu)選

中圖分類號：TE242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0069-03

Simulation Analysis of Rotary Percussion Drilling Based

on Finite Element Method

XUAN Lingchao WANG Jiachang ZHANG Renlong

（SINOPEC Research Institute of Petroleum Engineering，Beijing 100101）

Abstract： Rotary percussion drilling technology is one of the commonly used measures for fast drilling， which can effectively improve the rock breaking rate. In this paper， the finite element method was used to study the rock breaking mechanism of rotary drilling with PDC bit. The simulation results show that as the impact load increases， the depth and volume of the impact crushing pit increase. The Φ215.9mm PDC bit with rotary percussion drilling for medium-hard formation is 20～45kN. By using the finite element method to simulate the rock breaking process of the bit， the impact parameters can be optimized for different lithological strata， bit types， and drilling parameters， which can provide theoretical support for the performance improvement of the rotary tool.

Keywords： well drilling;rock breaking mechanism;impact load;finite element simulation;parameter optimization

1 研究背景

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)是在穩(wěn)定鉆壓基礎(chǔ)上疊加沖擊載荷的鉆井提速方法，在鉆井現(xiàn)場得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的提速效果[1，2]。沖擊動載增加了PDC鉆頭的吃入深度，增大了巖石破碎體積，能大幅度提高破巖效率和鉆井速度[3]。目前，國內(nèi)較為成熟的旋沖鉆井工具包括閥式、射流式、射吸式、自激振蕩式等幾類[4，5]。相較于旋沖工具的迅速發(fā)展，旋沖破巖的理論研究卻沒得到足夠重視，沖擊參數(shù)對機(jī)械鉆速影響的量化研究仍不多見[6]。ANSYS/LS-DYNA程序是一種可以進(jìn)行顯式/隱式非線性計(jì)算的有限元仿真程序。利用有限元法研究旋轉(zhuǎn)沖擊工具配合PDC鉆頭的破巖機(jī)理，篩選不同地層、不同鉆頭條件下的旋沖鉆井最優(yōu)參數(shù)，有助于旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)的完善，為旋沖工具的參數(shù)優(yōu)選和性能改進(jìn)提供理論支撐。

2 PDC鉆頭破巖仿真模型的建立

2.1 模型假設(shè)

仿真計(jì)算的重點(diǎn)是研究PDC鉆頭在常規(guī)鉆進(jìn)和旋沖鉆井中的巖石破碎過程。為提高仿真計(jì)算效率，采用的基本假設(shè)和簡化處理主要包括將鉆頭及PDC齒假設(shè)為剛體;及時(shí)刪除巖石失效單元，忽略巖石失效單元及小體積巖屑對后續(xù)仿真的影響;考慮鉆井液的壓持效應(yīng)，忽略其射流速度及黏度的影響;巖石底部及四周施加無反射邊界條件。

2.2 模型的建立

以物質(zhì)坐標(biāo)為基礎(chǔ)，采用固體材料分析常用的Lagrange算法計(jì)算，確保網(wǎng)格單元變形與物體模型變形具有一致性，建立PDC齒破碎巖石的有限元仿真模型。

2.2.1 材料損傷模型。在井底高溫高壓條件下，巖石會表現(xiàn)出較強(qiáng)的塑性。德魯克-普拉格（Drucker-Prager）強(qiáng)度準(zhǔn)則來自于對莫爾-庫倫準(zhǔn)則和米塞斯準(zhǔn)則的聯(lián)合擴(kuò)展和修正，其能體現(xiàn)中間應(yīng)力對巖石屈服特性的影響，可以很好地模擬巖土材料的受力、變形及破壞。D-P準(zhǔn)則表達(dá)式為：

[f=αI1+J2-K=0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：[I1]為應(yīng)力第一不變量，計(jì)算公式如式（2）所示;[J2]為應(yīng)力偏量第二不變量，計(jì)算公式如式（3）所示。

[I1=α1+α2+α3]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

[J2=（α1-α2）2+（α2-α3）2+（α3-α1）26]? ? ? ? ? ? ? ? （3）

2.2.2 材料失效模型。在旋沖破巖過程中，存在切削作用造成的剪切破壞，也存在沖擊造成的剪切破壞、擠壓破壞，也有塑性應(yīng)變超過巖石失效應(yīng)變引起的單元失效。綜合考慮巖石切削實(shí)際工況和前人研究成果，本文采用塑性應(yīng)變作為判斷巖石單元失效的依據(jù)。

2.2.3 接觸模型。PDC齒破壞巖石過程呈現(xiàn)交替的壓入、切削和滑移運(yùn)動狀態(tài)，當(dāng)巖石達(dá)到破壞極限時(shí)發(fā)生失效并被剔除，Eroding_Contact接觸模型自動探尋新的接觸表面及接觸對。

2.2.4 模型網(wǎng)格劃分。建立PDC鉆頭破巖模型，將巖石和PDC齒設(shè)為不同PART并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對巖石預(yù)切削部分進(jìn)行局部加密。單齒破巖模型采用三角形網(wǎng)格劃分，全尺寸鉆頭破巖模型采用四面體網(wǎng)格/六面體網(wǎng)格劃分。

2.3 模型參數(shù)

參考現(xiàn)場鉆井資料，在巖石四周施加徑向水平應(yīng)力為20MPa，上覆巖層壓力為32MPa，鉆井液壓力為15MPa，巖石的底面和四周設(shè)置無反射邊界（Bounary_non_reflecting），以模擬無限大地層。設(shè)置單齒水平運(yùn)動速度為1m/s，全尺寸鉆頭轉(zhuǎn)速為120r/min，施加鉆壓為30～60kN，沖擊載荷為10～60kN。

3 單PDC齒破巖過程仿真分析

PDC齒切削地層的二維仿真有助于分析巖石破碎原理，但仿真數(shù)據(jù)與破巖實(shí)際工況存在一定差距，三維模型可以實(shí)際反映破碎坑的體積，更有利于研究旋沖破巖提速原理。三維破巖模型的巖石塑性損傷云圖表明：常規(guī)切削破巖深度較為穩(wěn)定，橫截面呈弧形;沖擊作用下巖石破碎深度和體積明顯大于切削破巖，沖擊破碎坑類似于圓球形[圖1（a）]。

分析不同破巖工況下的巖石塑性損傷橫截面，破巖過程將巖石的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)分為三部分：①破碎區(qū)，井底巖石內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)超過其強(qiáng)度極限，巖石強(qiáng)度失效形成體積破碎;②損傷區(qū)，該區(qū)域巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育并產(chǎn)生塑性損傷，后續(xù)破巖僅需要較小的切削力就可以將其鏟除;③無損區(qū)，遠(yuǎn)離切削齒的兩側(cè)巖石和深部巖石處于彈性變形區(qū)域，強(qiáng)度也未曾降低[圖1（b）]。對比兩工況的損傷云圖發(fā)現(xiàn)，沖擊作用增大了巖石破碎深度和體積，提高了鉆頭的破巖效率;沖擊作用同時(shí)增大了巖石損傷區(qū)域的體積，降低了后續(xù)鉆頭切削破巖的難度。

4 全尺寸鉆頭旋沖破巖仿真分析

單PDC齒破巖模型有助于分析巖石破碎原理，全尺寸鉆頭模型能模擬PDC鉆頭的實(shí)際破巖過程，所施加的鉆壓、扭矩與現(xiàn)場工況有較好的對應(yīng)性，更有利于研究旋沖參數(shù)對沖擊破巖效率的影響。

模擬Φ215.9mm六刀翼PDC鉆頭鉆進(jìn)致密砂巖過程，鉆頭旋轉(zhuǎn)切削地層10圈，保證PDC鉆頭路徑全覆蓋井底[圖2（a）]。在鉆壓、扭矩和沖擊載荷作用下，巖石單元失去強(qiáng)度并形成表面破碎，相鄰沖擊破碎坑之間存在巖脊，巖脊最終被后續(xù)PDC齒切削破壞，沖擊破巖與切削破巖相輔相成，PDC鉆頭吃入深度不斷加深，井壁的巖石單元發(fā)生塑性變形但并未失效[圖2（b）]。常規(guī)破巖過程，PDC鉆頭吃入巖石深度較為穩(wěn)定，平均切削深度為1.45mm。旋沖破巖的鉆頭吃入深度存在較大波動，沖擊破碎坑的深度及形態(tài)存在較大差異性，旋沖破巖鉆頭平均切削深度為2.14mm，機(jī)械鉆速相較于常規(guī)鉆進(jìn)提高了47.6%。

多次仿真模擬發(fā)現(xiàn)，沖擊破碎坑深度及體積明顯受沖擊載荷大小、地層巖性的影響。PDC鉆頭旋沖鉆進(jìn)中硬砂巖：當(dāng)沖擊力小于20kN時(shí)，沖擊作用只形成了疲勞破碎和小剪切，導(dǎo)致巖石破碎坑深度和體積都較小;沖擊力在20～45kN時(shí)，沖擊破碎坑的深度和體積都迅速增加;當(dāng)沖擊力大于45kN時(shí)，沖擊破碎坑的深度和體積增長趨勢逐漸趨于平緩，此時(shí)增大沖擊力來提高破巖效率顯然是不合算的（見圖3）。

5 結(jié)論

本文建立了基于有限元法的旋沖鉆井仿真計(jì)算模型，利用有限元法建立沖擊參數(shù)與破巖速率的定量關(guān)系，有助于旋沖工具參數(shù)優(yōu)選和性能改進(jìn)。研究表明：旋沖鉆井的沖擊作用造成巖石破碎坑，同時(shí)增加了巖石塑性損傷的波及范圍，沖擊載荷存在適用區(qū)間。使用Φ215.9mmPDC鉆頭旋沖鉆井，對中硬地層致密砂巖推薦沖擊載荷為20～45kN。

參考文獻(xiàn)：

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