姜美旭，顏廷俊，張 揚(yáng)，聶炳林

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)石化海上石油工程技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng)257001） ①

基于LS－DYNA的粒子沖擊破巖機(jī)理及參數(shù)優(yōu)化

姜美旭1，顏廷俊1，張 揚(yáng)1，聶炳林2

（1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京100029；2.中國(guó)石化海上石油工程技術(shù)檢測(cè)中心，山東東營(yíng)257001）①

粒子沖擊鉆井是一種以粒子沖擊破巖為主的新型鉆井技術(shù)，能有效解決目前堅(jiān)硬地層鉆井中常出現(xiàn)的鉆進(jìn)速度慢、鉆頭壽命短等問(wèn)題。為分析影響粒子沖擊鉆井中粒子破巖效果的因素，應(yīng)用非線性有限元軟件LS－DYNA建立球形鋼粒子沖擊巖石的三維實(shí)體模型，模擬了粒子沖擊巖石的全過(guò)程。通過(guò)分析粒子入射參數(shù)隨巖石的能量吸收率和侵徹體積的變化規(guī)律，得出粒子入射速度為120～150m／s、粒子直徑為2.5～4.5mm和入射角度為0～10°時(shí)為宜。

粒子鉆井；參數(shù)優(yōu)化；LS－DYNA

深井及堅(jiān)硬地層的快速鉆進(jìn)問(wèn)題一直是鉆井工程中的技術(shù)難題。據(jù)資料顯示，石油資源占全國(guó)1／3以上的西部地區(qū)有73%的石油資源埋藏在深部地層。隨著鉆井深度的增加，巖石的可鉆性顯著降低，鉆井難度呈指數(shù)形式增加。硬地層鉆井不僅存在于深井中，我國(guó)某些地區(qū)在淺井段也存在堅(jiān)硬的巖層，以高陡構(gòu)造和堅(jiān)硬老地層的鉆探最為突出［1］。深井、硬地層的勘探開(kāi)發(fā)已成為目前油氣田作業(yè)的首要問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)雖采用了多種新型鉆井方法［2－3］，卻還不能有效解決堅(jiān)硬地層的鉆進(jìn)問(wèn)題。

粒子鉆井技術(shù)利用泥漿中攜帶的金屬粒子通過(guò)鉆桿、水眼高速?zèng)_擊巖石達(dá)到破碎巖石的效果，是以粒子破巖為主，機(jī)械破巖和水力破巖為輔的一種新型鉆井技術(shù)。根據(jù)美國(guó)粒子鉆井公司（Particle Drilling Technology Inc.）于2006—2008年的實(shí)驗(yàn)表明，粒子鉆井技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)鉆井技術(shù)有鉆速快、井斜小、鉆具壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)［4－8］。由于粒子鉆井是一種新興的鉆井技術(shù)，目前對(duì)其理論研究的文獻(xiàn)較少。本文利用非線性有限元數(shù)值計(jì)算軟件LS－DYNA，通過(guò)數(shù)值模擬的方法以巖石的侵徹體積和能量吸收率為判據(jù)，研究粒子破巖參數(shù)入射速度、粒子直徑和入射角度對(duì)破巖效果的影響，以指導(dǎo)粒子鉆井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)。

1 建立有限元模型

利用ANSYS的前處理功能建立粒子侵徹的三維實(shí)體模型，粒子和巖石均采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行劃分。隨后將模型導(dǎo)入LS－DYNA設(shè)置材料模型參數(shù)，最后利用LS－DYNA Solver和LS－PrePost進(jìn)行求解和后處理。

材料模型參數(shù)是粒子破巖分析的關(guān)鍵之一。將粒子視為圓形鋼粒子，巖石則選用Holmquist－Johnson－Cook模型（HJC）。HJC模型考慮了材料損傷、應(yīng)變率效應(yīng)以及靜水壓力對(duì)于屈服應(yīng)力的影響，其本構(gòu)關(guān)系采用多孔材料的三段式狀態(tài)方程描述，而等效強(qiáng)度的應(yīng)變率效應(yīng)和損傷累計(jì)破壞準(zhǔn)則類似于Johnson－Cook模型，特點(diǎn)就是能夠反映混凝土、巖石等脆性材料在大應(yīng)變、高應(yīng)變速率和高圍壓下及材料損傷失效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［9］。巖石的材料模型參數(shù)如表1所示。

表1 巖石HJC模型參數(shù)

在粒子沖擊鉆井中，粒子的尺寸相對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)非常小，因此在數(shù)值求解中將巖石的邊界設(shè)為非反射邊界，以模擬無(wú)限大的巖石的受力情況，同時(shí)粒子與巖石的接觸選擇面面侵徹接觸。

2 粒子沖擊參數(shù)分析與優(yōu)化

將巖石和粒子作為一個(gè)系統(tǒng)，粒子與巖石未接觸時(shí)，系統(tǒng)的總能等于粒子的動(dòng)能。碰撞后能量由裂紋擴(kuò)展的內(nèi)能、破碎后碎塊的動(dòng)能、粒子回彈的動(dòng)能等組成［9］。考慮到巖石類材料是典型的脆性材料，而破碎的巖屑相對(duì)于無(wú)限大的巖石來(lái)說(shuō)其動(dòng)能可以忽略，因此可以近似認(rèn)為碰撞后系統(tǒng)的全部能量都轉(zhuǎn)化為巖石的內(nèi)能和粒子回彈的動(dòng)能。

2.1 不同入射速度下粒子破巖分析

以粒子直徑為2.5mm，入射角度0°（垂直入射）為基本參數(shù)。為便于觀察和分析，在圖1中展示了入射速度150m／s、粒子直徑2.5mm、入射角度0°時(shí)的粒子撞擊巖石形成侵徹和空穴的全過(guò)程。圖1b為粒子與巖石剛發(fā)生侵徹接觸，在非常小的接觸面上產(chǎn)生了很大的瞬時(shí)應(yīng)力，超過(guò)了巖石的抗壓強(qiáng)度；圖1c為隨著粒子繼續(xù)侵徹，在巖石表面開(kāi)始產(chǎn)生明顯凹坑；圖1d巖石表面的凹坑不斷擴(kuò)大，逐漸形成了漏斗形的凹坑，同時(shí)粒子自身應(yīng)力逐漸減弱，并開(kāi)始反彈；圖1e粒子開(kāi)始反彈，應(yīng)力波仍不斷從接觸點(diǎn)向巖石內(nèi)部擴(kuò)散，并導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)空穴；圖1f粒子反彈并完全離開(kāi)巖石表面，巖石內(nèi)部形成了倒漏斗形的空穴，此時(shí)巖石破壞最為嚴(yán)重。

影響粒子沖擊巖石破碎效果的因素有很多，例如鉆井液的水楔作用、粒子入射參數(shù)、粒子尺寸、巖層溫度等。本文主要研究粒子入射速度、粒子直徑和入射角度3個(gè)核心參數(shù)對(duì)巖石侵徹效果的影響規(guī)律，并從巖石的侵徹體積和能量吸收率兩方面評(píng)價(jià)粒子的侵徹效果和破巖效率。

粒子撞擊巖石后撞擊轉(zhuǎn)化的能量將導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂紋的匯聚和擴(kuò)展，降低巖石的力學(xué)性能。因此能量吸收率可以反映粒子侵徹效率的高低，能量吸收率的計(jì)算方法［8］為

圖1 入射速度150m／s、粒子直徑2.5mm、入射角度0°時(shí)的粒子破巖過(guò)程

圖2反映了粒子不同入射速度對(duì)破巖效果的影響。從圖2中可看出，粒子入射速度從100m／s增大到200m／s后，巖石的侵徹體積有較大增加，巖石表面漏斗狀的凹坑和內(nèi)部倒漏斗狀的空穴均有明顯擴(kuò)大。

圖2 入射角度100m／s與200m／s時(shí)的粒子破巖效果對(duì)比

圖3反映了粒子入射速度同巖石侵徹體積的關(guān)系。隨著入射速度的增大，巖石的侵徹體積逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)粒子入射速度增大時(shí)，其與巖石的接觸應(yīng)力和能量均增大，巖石的破碎體積隨之增大，所以破巖效果愈來(lái)愈好。值得注意，粒子速度的增大受到鉆井泥漿泵排量的限制，不可能無(wú)限制地增加。

圖3 入射速度與侵徹體積的關(guān)系曲線

圖4反映了粒子入射速度同巖石能量吸收率的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著粒子入射速度的增大，巖石的能量吸收率先上升后下降，即并不是速度愈大能量吸收率愈好，而是存在一個(gè)能量吸收率較高的速度區(qū)間。這是因?yàn)楫?dāng)入射速度很高時(shí)，粒子的反彈速度亦很大，粒子具有的動(dòng)能并未有效地傳遞給巖石，反而導(dǎo)致能量吸收率下降。當(dāng)入射速度在120～150m／s時(shí)，能量吸收率均超過(guò)了70%，粒子的破巖效率較高。從工程實(shí)際看，排量為40～50 L／s的鉆井泥漿泵就可提供上述區(qū)間的粒子入射速度。

圖4 入射速度與能量吸收率的關(guān)系曲線

2.2 不同粒子直徑下粒子破巖分析

假設(shè)粒子入射速度100m／s，入射角度0°，研究巖石的侵徹體積和能量吸收率隨粒子直徑的變化規(guī)律。

圖5為粒子直徑同巖石侵徹體積之間的關(guān)系。從圖中可知，隨著粒子直徑的增大，粒子的動(dòng)能會(huì)隨之增大，從而巖石的侵徹體積不斷增加。特別值得關(guān)注的是粒子直徑從2.0mm增大到2.5mm時(shí)，侵徹體積從0.39×10－9m3大幅增大到1.38×10－9m3，增大較多。這是因?yàn)橹睆?.0mm時(shí)粒子沖擊能量不足，破巖過(guò)程中巖石內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生倒漏斗形的空穴，如圖6所示。當(dāng)粒子直徑＞2.5mm時(shí)，巖石內(nèi)部均出現(xiàn)倒漏斗形的空穴，這就使得侵徹體積大幅度增加。

圖5 粒子直徑與侵徹體積關(guān)系曲線

圖6 入射速度100m／s、粒子直徑2.0mm、入射角度0°時(shí)的破巖效果

圖7反映了粒子直徑同能量吸收率的關(guān)系。從圖中可知，當(dāng)粒子直徑在1.0～2.0mm和2.5～4.5 mm 2個(gè)區(qū)間內(nèi)，隨著粒子直徑的增大，能量吸收率不斷增加。當(dāng)粒子直徑在2.5mm時(shí)，能量吸收率存在一個(gè)突變，這是巖石內(nèi)部形成倒漏斗形空穴的過(guò)程中能量損失增加，致使能量吸收率下降所致。

圖7 粒子直徑與能量吸收率的關(guān)系曲線

綜合考慮侵徹體積和能量吸收率2方面的影響，加之工程中鉆頭水眼直徑通常在10mm左右，為防止過(guò)大的粒子直徑堵塞鉆頭水眼，粒子直徑應(yīng)控制在2.5～4.5mm為宜。

2.3 不同入射角度下粒子破巖分析

假設(shè)粒子直徑2.5mm，入射速度100m／s，研究巖石的侵徹體積和能量吸收率隨入射角度的變化規(guī)律。

如圖8所示為粒子入射角度同侵徹體積的關(guān)系。從圖中可知，隨著粒子入射角度的增加，侵徹體積先快速下降后又緩慢提高，并在入射角度為10°時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。這是因?yàn)榱Ｗ尤肷浣嵌仍?°和5°時(shí)，破巖過(guò)程中巖石內(nèi)部有倒漏斗形的空穴，而入射角度在10°時(shí)，破巖過(guò)程中巖石內(nèi)部沒(méi)有產(chǎn)生倒漏斗形的空穴，使得10°時(shí)巖石體積相對(duì)0°和5°有較大幅度的減小所致，如圖9所示。

圖8 入射角度與侵徹體積的關(guān)系曲線

圖9 不同入射角度的粒子破巖效果對(duì)比

圖10反映了粒子入射角度同能量吸收率的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著粒子入射角度的增加，巖石能量吸收率不斷下降。當(dāng)入射角度＞20°時(shí)，能量吸收率已低于60%，即較大的入射角度不利于粒子破巖，粒子破巖效率較低。綜合考慮侵徹體積和能量吸收率兩方面的影響，工程中粒子入射角度應(yīng)控制10°以內(nèi)。

圖10 粒子入射角度與能量吸收率的關(guān)系曲線

2.4 粒子沖擊參數(shù)優(yōu)化

綜合考慮工程實(shí)際中泥漿泵排量和鉆頭水眼直徑等的限制以及入射速度、粒子直徑和入射角度3個(gè)參數(shù)對(duì)巖石侵徹體積和能量吸收率的影響，粒子入射速度控制在120～150m／s，粒子直徑在2.5～4.5mm，入射角度＜10°時(shí)粒子的破巖效果和破巖效率較佳。

3 結(jié)論

1） 隨著粒子入射速度的增大，巖石的破巖效果愈好，而巖石的能量吸收率先上升后下降。當(dāng)入射速度為120～150m／s時(shí)，巖石的能量吸收率高于70%，破巖效率較高。

2） 隨著粒子直徑的增大，巖石侵徹體積不斷增加，破巖效果愈好。當(dāng)粒子直徑在1.0～2.0mm和2.5～4.5mm區(qū)間內(nèi)，隨著粒子直徑的增大，能量吸收率亦不斷提高。綜合考慮鉆頭水眼直徑的限制，粒子直徑應(yīng)控制在2.5～4.5mm為宜。

3） 隨著粒子入射角度的增大，巖石侵徹體積先快速下降后又緩慢提高，而巖石能量吸收率不斷下降。較大的入射角度不利于粒子破巖。為了提高粒子破巖效率，粒子入射角度應(yīng)＜10°。

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Study on Rock Breaking Mechanism for Particle Impacting and Parameter Optimization Based on LS－DYNA

JIANG Mei－xu1，YAN Ting－jun1，ZHANG Yang1，NIE Bing－lin2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing100029，China；2.Technological Inspection Station of Offshore Petroleum Engineering，SINOPEC，Dongying257001，China）

Particle impact drilling is a new drilling technology which is dominated by particle impacting.The problems of drilling hard formation such as low drilling speed and short service life of bit can be effectively solved.To analyze the factors of rock breaking effect in particle impact drilling，the process of rock breaking of particle impacting was simulated by establishing three dimensional finite element models with nonlinear finite element software LS－DYNA.By analyzing change laws of incident parameters with volume of rock breaking and rate of energy absorption，the incident velocity of 120～150m／s，particle diameter of 2.5～4.5mm and incident angle of 0～10°are advisable.

particle impact；drilling；LS－DYNA

1001－3482（2011）08－0014－05

TE92.01

A

2011－01－27

中石化先導(dǎo)項(xiàng)目“粒子沖擊鉆井技術(shù)前瞻性研究”（P10037）

姜美旭（1986－），女，新疆克拉瑪依人，碩士研究生，主要從事石油鉆采裝備的科研工作，E－mail：jiangmeixv＠163.com。