楊先倫，宋建偉，何世明，于小龍，王 濤，張 磊

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710075；

2.深圳市百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000；3.西南石油大學(xué)，成都 610500）①

扭轉(zhuǎn)沖擊破巖效果影響因素評價

楊先倫1，宋建偉2，何世明3，于小龍1，王 濤1，張 磊1

（1.陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安 710075；

2.深圳市百勤石油技術(shù)有限公司，廣東深圳 518000；3.西南石油大學(xué)，成都 610500）①

通過理論分析并根據(jù)現(xiàn)場資料計算，對影響高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖效果的4個參數(shù)進(jìn)行了分析評價。結(jié)果表明：扭轉(zhuǎn)沖擊破巖沖擊能量應(yīng)該保持在巖石臨界沖擊能量附近，可獲得理想的破巖效果；扭轉(zhuǎn)沖擊破巖效率比旋轉(zhuǎn)剪切破巖效率更高，能大幅提高機(jī)械鉆速?？蔀榕まD(zhuǎn)沖力鉆井工具及與之匹配的PDC鉆頭設(shè)計提供參考。

扭轉(zhuǎn)沖擊；切削齒；沖擊頻率；沖擊能量；破巖效率；深井硬地層

中西部地區(qū)是我國未來的能源接替區(qū)，勘探目標(biāo)逐漸轉(zhuǎn)向深部地層。實踐證明，深部地層機(jī)械鉆速只有中上部地層機(jī)械鉆速的1／4～1／10。因此，提高深部地層鉆井速度對加快我國油氣開發(fā)速度有著重要意義。PDC鉆頭高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)是基于扭力沖擊鉆井工具在硬地層中的應(yīng)用。該工具主要用于克服PDC鉆頭在深部井段堅硬地層中的粘滑振動現(xiàn)象，提高破巖效率，現(xiàn)場應(yīng)用效果好。為了實現(xiàn)工具的國產(chǎn)化，對影響破巖效果的因素進(jìn)行分析很有必要。

1 高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2000年，加拿大阿特拉公司使用扭力沖擊發(fā)生器配合高抗沖擊性的PDC鉆頭，發(fā)生器以1 000～2 400 min-1的頻率向鉆頭施加扭向脈沖轉(zhuǎn)矩破巖，消除了鉆頭“粘滑振動”，延長了鉆頭使用壽命，擴(kuò)展了PDC鉆頭適用范圍，同時大幅提高了機(jī)械鉆速。

以Ulterra公司的扭力沖擊工具Torkbuster為例，其在北美、亞太、中東、非洲均有廣泛的應(yīng)用，可提高機(jī)械鉆速50%～300%，中等深度井段單趟進(jìn)尺可達(dá)3 000 m，深井超深井段單趟進(jìn)尺可達(dá)1 500 m。國內(nèi)已在陸地和海上多個區(qū)塊試驗和推廣了Ulterra扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術(shù)，在鉆深井硬地層中取得了很好的提速效果，機(jī)械鉆速提高幅度達(dá)90%～300%。

2 高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖影響因素分析

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖改變了PDC鉆頭的破巖方式［1-4］：從持續(xù)的轉(zhuǎn)矩輸入轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)轉(zhuǎn)矩與周期性的高能沖擊相互疊加，PDC鉆頭受力與巖石受力及破碎均不同于常規(guī)鉆井。影響破巖效果的主要有切削齒安裝角度、鉆壓、沖擊頻率和沖擊能量4個因素。

2.1 切削齒安裝角度

扭轉(zhuǎn)沖擊破巖PDC鉆頭產(chǎn)生切向沖擊。陳敏，張菁等人［5-6］對PDC鉆頭單齒工作角度進(jìn)行了有限元仿真，得到的結(jié)論為：較大的側(cè)轉(zhuǎn)角有利于提高破巖效率。如圖1所示，切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角為13°時，PDC切削齒受到的最大第一主應(yīng)力最小。

圖1 切削齒側(cè)轉(zhuǎn)角與最大第一主應(yīng)力關(guān)系

鉆頭切削齒的安裝角度對PDC鉆頭攻擊性有較大影響［6-10］。陳敏等通過有限元模擬，分析了不同安裝角度對PDC的沖擊過程的影響。在側(cè)偏角設(shè)置為12°時，建立了切削齒傾角與最大第一主應(yīng)力之間關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可知：PDC切削齒后傾角在4°～20°范圍內(nèi)變化時，隨著后傾角的增大，最大第一主應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢；后傾角為16°或19°時，既能保證有效沖擊力，也能保證切削齒具有一定攻擊性。

圖2 切削齒最大第一主應(yīng)力與后傾角關(guān)系

2.2 鉆壓

當(dāng)鉆壓增大時，PDC鉆頭切削齒的壓入深度增加，會導(dǎo)致破碎的巖屑尺寸更大，但此時切削齒也承受著更大的破碎抗力，鉆頭需要的轉(zhuǎn)矩也就更大。當(dāng)鉆頭具有的轉(zhuǎn)矩能量小于巖石破碎需要的能量（臨界能量）時，巖石得不到破碎；另一方面，當(dāng)切削齒受到的破碎抗力超過切削齒強(qiáng)度極限時，切削齒聚晶金剛石復(fù)合片將產(chǎn)生疲勞或者被破壞。因此，對于PDC扭轉(zhuǎn)沖擊破巖而言，鉆壓并非越大越好，應(yīng)該保持一個合適的值，保證壓入深度與沖擊轉(zhuǎn)矩相匹配，達(dá)到最佳的破巖效果。

烏斯賓斯基［11］的力學(xué)模型認(rèn)為，切削齒壓入巖石必須克服巖石抗破碎強(qiáng)度R和摩擦力F，即

巖石抗壓強(qiáng)度為（假設(shè)接觸面為矩形）

摩擦力為

切削齒面正壓力為

式中：p為單齒鉆壓，MPa；R為巖石破碎抗力合力，MPa；F′為摩擦力合力，MPa；犺為壓入深度，mm；α為切削齒后傾角，（°）；L為接觸面長度，mm；σ犮為巖石的抗壓強(qiáng)度，MPa；μ為接觸面摩擦因數(shù)；N為切削齒面正壓力，MPa。

例如：取某井5 877 m砂巖，抗壓強(qiáng)度221 MPa，壓入深度取2 mm，切削齒傾角15°，摩擦因數(shù)0.3，計算得單齒鉆壓為4.041 k N。

2.3 沖擊頻率

在其他參數(shù)相同、沖擊能量足夠的條件下，隨著沖擊頻率增大，巖石破碎速度成正比例增大；但當(dāng)沖擊頻率增大到一定值后，頻率過高，載荷作用時間太短，破碎過程得不到充分發(fā)展，沖擊力即消失，影響破巖效果［9］。所以，存在一個最佳沖擊頻率。

模擬單齒沖擊切削巖石得到關(guān)于切削齒受力波動曲線，如圖3。由圖3可以看出：最佳沖擊頻率確實存在，模擬的3個不同頻率f1、f2、f3分別為1 700、2 000、2 300 min-1。當(dāng)f2＝2 000 min-1時，切削齒受力波動比其他2個頻率下的受力波動都小。

圖3 切削齒在不同沖擊頻率下的應(yīng)力波動

分析其原因為：當(dāng)沖擊頻率太小時，沖擊作用不能有效破碎前方巖石，粘滑振動不可避免地發(fā)生；當(dāng)沖擊頻率太大時，沒有足夠的時間用于裂紋的擴(kuò)展，沖擊力即消失，沒有破碎的前方巖石同樣使粘滑振動發(fā)生，在切削齒受力上則體現(xiàn)為巨大的波動現(xiàn)象。

2.4 破巖效率

巖石破碎過程是一個能量耗散過程［12-14］，能量的耗散主要用于克服巖屑剪切滑移面巖石的內(nèi)聚力與摩擦力，形成巖屑的表面積越大，則消耗的能量越多。當(dāng)巖石受到切削齒壓應(yīng)力越大時，一方面正應(yīng)力增大導(dǎo)致摩擦力更大；另一方面會形成更小巖屑，進(jìn)一步增加比耗。因此，要減小巖石破碎比能，則盡量降低切削齒的壓實效應(yīng)和增大巖屑尺寸。巖石沖擊破碎時的能量耗散模型如圖4所示。

巖石吸收的能量主要由3部分組成：巖石破碎損傷能量犠FD；巖石動能犠K；其他耗散能犠O。

式中：犠l為入射能量；犠R為反射能量；犠T為透射能量；犠A為吸收能量；σl為入射波應(yīng)力；σR為反射波應(yīng)力；σT為透射波應(yīng)力；A0為沖擊接觸面積；犆0為彈性波在桿件中的傳播速度；E為彈性模量。

巖石吸收能量的能力，用能量吸收率表示為

PDC切削齒高速沖擊巖石對巖石造成破裂，形成巖屑。為方便研究，假設(shè)犠A≈犠FD，因此可以用巖石破碎能與切削齒輸入能量的比值來比較切削齒破巖效率的高低，即

式中：輸入轉(zhuǎn)矩能量為f·E；f為頻率；E為單次沖擊能量。

圖4 巖石能量耗散模型

2.5 沖擊能量

沖擊能量的大小直接決定破碎效果。沖擊力太小，起不到?jīng)_擊破巖的作用；沖擊力過大，易造成切削齒損壞。本文就破巖比功法進(jìn)行闡述。沖擊能量和巖石破碎比功α的關(guān)系如圖5所示。傷痕區(qū)內(nèi)沖擊能量不足以使巖石產(chǎn)生裂紋，破碎比功大；只有當(dāng)沖擊能量接近臨界沖擊功犠c時，破碎比功才趨于穩(wěn)定。當(dāng)沖擊能量繼續(xù)增加，切削齒面的壓實效應(yīng)增強(qiáng)，摩擦力增大，導(dǎo)致破碎比功出現(xiàn)上升趨勢。

同時，趙伏軍［15］等人在實驗室進(jìn)行的花崗巖靜載、沖擊-靜載下的巖石裂紋擴(kuò)展與破碎比能研究得出：當(dāng)沖擊能上升時，巖石破碎體積增大，破巖比能下降，能量利用率高；當(dāng)沖擊能增加到某一值時，其破巖比能停止下降；靜壓與沖擊共同作用明顯地可以提高破巖效率，降低能耗。

圖5 破巖比功隨沖擊能量變化關(guān)系

2.6 2種工況能量計算

2.6.1 輸出能量比較

式中：B0為普通鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)矩，N·m；ω0為普通鉆進(jìn)時角速度，（π·s-1）；B1為扭沖鉆進(jìn)時轉(zhuǎn)矩，N·m；ω1為扭沖鉆進(jìn)時角速度，rad／s；t為振動周期，s；Δp為沖擊器壓耗，MPa；犙為鉆井液流量，（L·h-1）；f為沖擊器振動頻率，Hz；δ為鉆井液能量轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩能量的效率（≤1）。

以阿特拉?165 mm扭力沖擊器在某油田某井的應(yīng)用為例，其工具參數(shù)如表1，施工參數(shù)如表2。

高頻扭轉(zhuǎn)沖擊鉆井條件下，忽略各種振動，鉆頭的運(yùn)動是轉(zhuǎn)盤的勻速旋轉(zhuǎn)疊加周期性周向高頻振動的復(fù)合運(yùn)動。扭轉(zhuǎn)沖擊破巖之所以具有高效率，原因之一是單位時間內(nèi)鉆頭的輸出能量比單獨(dú)的旋轉(zhuǎn)破巖輸出能量大。本文著重探討1個振動周期內(nèi)能量大小。

普通鉆進(jìn)做功為

扭沖鉆進(jìn)做功為

表1 阿特拉?165 mm沖擊器參數(shù)

表2 2種工況下的施工參數(shù)

將以上參數(shù)代入式（12）～（13）得，1個振動周期時間內(nèi)普通旋轉(zhuǎn)鉆井鉆頭輸出能量為

扭沖鉆進(jìn)時，1個振動周期內(nèi)鉆頭輸入能量（設(shè)δ＝1）為

由此可見，扭沖鉆進(jìn)時PDC鉆頭輸出能量比普通鉆進(jìn)提高了42.1%。

2.6.2 破巖效率比較

假設(shè)鉆頭轉(zhuǎn)矩能量全部用于破巖，則旋轉(zhuǎn)破巖每小時鉆頭輸入能量為

犠0＝B0ω0t＝15 000×140π×60＝39 564×104J／h

其對應(yīng)1.6 m的進(jìn)尺量，則扭沖破巖每小時鉆頭輸入能量為

其對應(yīng)4.2 m的進(jìn)尺量，綜合計算得每鉆進(jìn)1 m，扭沖鉆進(jìn)與旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)耗能比為1∶1.73。所以，扭沖鉆進(jìn)對能量的利用率比旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)高42.2%。

于是可比較兩者破巖效率（破碎相同體積巖石耗能之比）為

扭沖鉆進(jìn)破巖效率比普通鉆進(jìn)破巖效率提高42%，巖石破碎比功在扭沖鉆進(jìn)條件下比普通鉆進(jìn)下小42%。

3 結(jié)論

1） 對影響高頻扭轉(zhuǎn)沖擊破巖效果的4個主要參數(shù)進(jìn)行了分析評價，可供扭轉(zhuǎn)沖力鉆井工具及與之匹配的PDC鉆頭設(shè)計參考。

2） 扭轉(zhuǎn)沖擊破巖單次沖擊能量應(yīng)該保持在巖石臨界沖擊能量附近，可獲得理想的破巖效果。扭轉(zhuǎn)沖擊破巖效率比旋轉(zhuǎn)剪切破巖效率更高，能大幅提高機(jī)械鉆速。

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Evaluation of Parameters for Torsional Impact to Break Rock

In this paper，combined with theoretical analysis and the previous experiment，field data were calculated，and the analysis and evaluation on the four parameters that affect the high-frequency torsional impact to rock breaking effect were made.The results show that，impact energy of torsion impact to break rock should be maintained in the vicinity of the critical impact energy in the rock，by which the ideal effect of rock can be obtained.Efficiency in torsional impact to break rock is higher than rotary drilling and can greatly improve the drilling speed，can be used for PDC bit design.

torsional impact；cutting teeth；impact frequency；impact energy；efficiency of rock breaking；hard formation in deep well

TE921.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.002

1001-3482（2014）09-0004-04

2014-03-06

楊先倫（1981-），男，四川中江人，工程師，主要從事油氣井工程研究，E-mail：108461284＠qq.com。