唐勝利，孫利海，楊 亮，張 偉，吳金生，張曉宏，任福建

(1. 西安科技大學(xué)，陜西西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734；4. 陜西煤田地質(zhì)局，陜西西安 710054；5.陜西煤田地質(zhì)局185隊(duì)，陜西榆林 719000)

汶川科學(xué)鉆探PDC取心鉆頭有限元分析

唐勝利1，孫利海1，楊 亮1，張 偉2，吳金生3，張曉宏4，任福建5

(1. 西安科技大學(xué)，陜西西安 710054；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，北京 100037；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川成都 611734；4. 陜西煤田地質(zhì)局，陜西西安 710054；5.陜西煤田地質(zhì)局185隊(duì)，陜西榆林 719000)

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目是在龍門(mén)山“北川-映秀”斷裂及龍門(mén)山前緣安縣-灌縣斷裂附近實(shí)施5口科學(xué)群鉆，由于所實(shí)施的5個(gè)鉆孔都位于地震斷裂帶上，地層十分松軟破碎，普通取心鉆進(jìn)的取心率低、巖心擾動(dòng)大。為解決該問(wèn)題，設(shè)計(jì)并采用了一種超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭，取得了良好的效果，提高了巖心采取率，并保證了巖心的原狀性。論文通過(guò)UG建立的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench下的CFX流場(chǎng)分析和Steady-Thermal穩(wěn)定熱分析模塊，分析了該鉆頭的井底流場(chǎng)分布、大小以及鉆頭的冷卻效果，并計(jì)算孔底有效排粉的最低泵量，以確定超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭取心鉆進(jìn)時(shí)保證取心率和巖心原狀性要求的最優(yōu)泵量。

WFSD 地層 PDC取心鉆頭 半合管 取心率

Tang Sheng-li, Sun Li-hai, Yang Liang, Zhang Wei, Wu Jin-sheng, Zhang Xiao-hong, Ren Fu-jian. A finite element analysis on PDC coring bits used in Wenchuan scientific drilling[J].Geology and Exploration,2014,50(3)：0577-0582.

2008年5月12日14時(shí)28分,我國(guó)四川省發(fā)生了震撼世界的汶川特大地震。盡管地震預(yù)報(bào)的難度很大,但是目前世界上一些國(guó)家和地區(qū)的科學(xué)家,正在千方百計(jì)利用新的科學(xué)技術(shù),不斷探索新的途徑來(lái)提高對(duì)地震災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警能力,提升對(duì)地球內(nèi)部巖石變形機(jī)理的認(rèn)知程度,其中一個(gè)重要的途徑就是實(shí)施活動(dòng)(地震)斷裂帶的科學(xué)鉆探(許志琴等，2008)。

1 WFSD項(xiàng)目概況

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)項(xiàng)目屬科技部“十一五”國(guó)家科技專(zhuān)項(xiàng)。該項(xiàng)目的主要任務(wù)是在龍門(mén)山“北川-映秀”斷裂及龍門(mén)山前緣安縣-灌縣斷裂附近實(shí)施5口科學(xué)群鉆的基礎(chǔ)上，開(kāi)展地質(zhì)構(gòu)造、地震地質(zhì)、巖石力學(xué)、化學(xué)物理、地震物理、流體作用和流變學(xué)等多學(xué)科的研究、觀測(cè)和測(cè)試,研究地震活動(dòng)的規(guī)律和發(fā)震機(jī)理。完鉆后,將在鉆孔內(nèi)安放地震探測(cè)儀器,建立長(zhǎng)期地震觀測(cè)站,為未來(lái)地震的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)或預(yù)警提供基本數(shù)據(jù)(樊臘生等，2009；李海兵等，2013；張偉等，2009)。

WFSD實(shí)施的5個(gè)鉆孔現(xiàn)已完鉆了4個(gè)孔，WFSD-4孔正在實(shí)施中。其主要實(shí)施目的之一是獲取巖心，從而研究地震斷裂發(fā)震機(jī)理。所實(shí)施的5個(gè)鉆孔都位于龍門(mén)山地震山斷裂帶上，該斷裂帶在歷史上都經(jīng)歷了多次地震，地層極其破碎，并含有部分極松散無(wú)膠結(jié)地層和強(qiáng)水敏性斷層、泥巖地層，在某些孔段，因地層不詳，巖性變化大，取心鉆頭難以選擇，取心率低，回次進(jìn)尺短，堵心嚴(yán)重，孔壁垮塌，效率低下。因此，如何在極破碎、松散地層中高效、優(yōu)質(zhì)地取心鉆進(jìn)是WFSD鉆探施工的關(guān)鍵技術(shù)(王穩(wěn)石等，2012)。

圖1 超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭Fig.1 Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits

針對(duì)汶川斷裂帶科學(xué)鉆探項(xiàng)目復(fù)雜的地層條件，采用了隔液、半隔液取心鉆具結(jié)構(gòu)，半合管無(wú)損出心，轉(zhuǎn)盤(pán)+螺桿鉆復(fù)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，轉(zhuǎn)盤(pán)+螺桿鉆+液動(dòng)錘復(fù)合回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)等有效的技術(shù)手段。為了提高破碎松軟地層取心率和保證巖心的原狀性，設(shè)計(jì)并使用了一種超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭(見(jiàn)圖1)和長(zhǎng)半合管取心鉆具(見(jiàn)圖2)，有效解決了常規(guī)不隔水鉆具組合取心率低和巖心擾動(dòng)大的問(wèn)題。

圖2 長(zhǎng)半合管取心鉆具Fig.2 Long half-formed core tube

2 鉆頭參數(shù)和使用情況

2.1 鉆頭參數(shù)

鉆頭直徑150mm，鉆頭內(nèi)徑94mm，鉆頭的階梯高度12mm，排水槽面積約2160mm2，超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭為鋼體式PDC鉆頭，單排齒6個(gè)刀翼呈階梯分布，每一階梯分布3個(gè)刀翼，6個(gè)刀翼在鉆頭上下階梯上交錯(cuò)分布，鉆頭上分布有6個(gè)噴嘴和保徑面(見(jiàn)圖1)。

2.2 鉆頭使用情況

汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探WFSD-2孔，采用超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭，泵量360～480L/min，在孔段1453.84～1469.11m取心效果明顯，該地層為松軟破碎的閃長(zhǎng)巖、花崗巖、斷層角礫巖，夾有斷層泥等，軟硬不均,巖心采取率達(dá)95.1%；在WFSD-4孔三開(kāi)一次側(cè)鉆孔深 2290～2319m 處，地層為碳質(zhì)板巖、斷層角礫巖等，節(jié)理發(fā)育，破碎松軟，稍有擾動(dòng)，無(wú)法形成柱狀巖心,采用超前式隔水防沖蝕PDC鉆頭，取心內(nèi)管為半合管，巖心采取率達(dá)92.4%，且節(jié)理裂隙保持原狀，巖心未被泥漿沖刷破壞(吳金生等，2013)。

然而，超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭在使用過(guò)程也出現(xiàn)了取心率低和巖心擾動(dòng)大的問(wèn)題，如WFSD-4孔在三開(kāi)鉆進(jìn)3K-QX100回次處采用螺桿+頂驅(qū)復(fù)合取心鉆進(jìn)，鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓15～25kN，轉(zhuǎn)速160+15r/min，泵量580L/min，泵壓11.8～12.3MPa。孔深2308.20～2311.15m進(jìn)尺2.95m，巖心0.3m,巖心采取率只有10.17%，巖心沖刷嚴(yán)重(圖3)。

圖3 WFSD-4孔3K-QX100回次巖心Fig.3 The 3K-QX100 times core form WFSD-4 hole

所以，運(yùn)用有限元分析超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭井底流場(chǎng)以及水力參數(shù)，研究其防沖蝕機(jī)理，以及取心率低和擾動(dòng)大的原因，對(duì)于在汶科鉆破碎松軟地層取心鉆進(jìn)過(guò)程合理使用該鉆頭，提高巖心采取率、降低巖心擾動(dòng)作用、預(yù)防堵心和提高井壁穩(wěn)定性尤為重要。

3 參數(shù)設(shè)置和控制方程

通過(guò)UG 三維軟件設(shè)計(jì)了超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭結(jié)構(gòu)和幾何模型(圖1)，為了進(jìn)行有限元分析，并應(yīng)用ANSYS Workbench建模和分析軟件在鉆頭內(nèi)側(cè)建立了半合管、卡簧座和卡簧的簡(jiǎn)化模型。

3.1 鉆頭模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和邊界條件

鉆頭直徑150mm，半合管直徑139.7mm；鉆頭內(nèi)徑94mm，內(nèi)管與外管間環(huán)狀間隙7.7mm；卡簧座與鉆頭臺(tái)階間隙5mm。

3.2 鉆頭材質(zhì)和鉆進(jìn)參數(shù)

鋼體采用35CrMo，鉆頭采用金剛石復(fù)合片(PDC)鉆頭。鉆進(jìn)參數(shù): 鉆壓20～35kN，轉(zhuǎn)速160～200r/min，泵量 540L/min和580L/min，泵壓3～8MPa，扭矩 3～7 kN·m，鉆進(jìn)方法采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。

3.3 泥漿性能

密度1.1～1.5 g/cm3，漏斗粘度30～35s ，靜切力5～10Pa，動(dòng)切力8～13Pa，塑性粘度 17～29 MPa·s，動(dòng)塑比0.35～0.60，pH值9～11，泥餅0.4mm。

3.4 控制方程與湍流k-ε兩方程模型

根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建立取心鉆頭孔底流場(chǎng)的N-S控制方程，對(duì)控制方程求解時(shí)，考慮湍流效應(yīng)，鉆頭孔底流場(chǎng)和能量交換由以下方程控制(白玉湖等，2003；趙艷玲，2003)。

連續(xù)性方程:

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：ueff-考慮了湍流效應(yīng)得到的有效粘度；P′-考慮渦流影響后的修正壓力；ut-湍流粘度，其表達(dá)式如下：

ueff=u+ut

(3)

P′=P+(2/3)ueff(?Uk/?xk)

(4)

uc=Cuρk2/ε

(5)

能量方程：

(6)

湍流RNGk-ε模型方程：

k-ε湍流模型為基于渦粘性假設(shè)的雙方程湍流模型，k是湍流動(dòng)能，ε為湍流耗散率，湍流考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流效應(yīng)。RNGk-ε模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)，因此本次采用改進(jìn)的動(dòng)能k方程、湍流耗散率ε的方程。

(7)

-Cz2ρε+Cz1pkb

(8)

式中：Cz1、Cz2、?k、?ε-湍流模型常數(shù)。

4 最優(yōu)泵量分析

4.1 排除巖粉最小泵量的確定

泥漿流速與泵量正比，泵量越大，泥漿攜帶巖粉的能力越強(qiáng)，孔底清渣效果越好。泥漿攜帶巖屑的條件是泥漿上返速度要大于巖屑的沉降速度，下面是巖屑顆粒沉降速度V確定公式(王三牛等，2012)：

(9)

式中:K-顆粒形狀系數(shù)，2.5～4；dk-巖屑粒徑，dk=0.004 m；ρk-巖屑密度，ρk=2700kg/m3；ρ-泥漿密度，ρ=1100 kg/m3。

將以上數(shù)值帶入后求出巖屑在泥漿中的沉降速度為0.2～0.35m/s。

所需的泵量由下面公式確定:

Q=Vπ(D2-d2)/4

(10)

式中:V-泥漿上返流速,0.4m/s；D-鉆孔直徑，0.1536m；d-鉆桿直徑，0.089m。

計(jì)算得出鉆進(jìn)最小泵量為296.4L/min, 即當(dāng)泵量大于300 L/min時(shí)能有效排除鉆渣，防止巖粉沉淀。

4.2 井底流場(chǎng)分析

利用UG建立的實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench下標(biāo)準(zhǔn)的CFX流場(chǎng)分析模塊，分析了超前式隔水防沖蝕PDC鉆頭取心鉆進(jìn)過(guò)程中泥漿在孔底鉆頭處的流場(chǎng)分布，本次分析采用取心率高、巖心擾動(dòng)小和取心率低、巖心擾動(dòng)大的540L/min和580L/min泵量計(jì)算。

根據(jù)ANSYS Workbench下標(biāo)準(zhǔn)的CFX流場(chǎng)分析模塊分析得出鉆頭孔底的壓力云圖(圖4)，速度流線圖(圖5和圖7)，以及速度矢量圖(圖6和圖8)。從圖4可以看出，階梯式隔水底噴鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面壓力高，最大為 2.6MPa，減少泥漿對(duì)巖心的沖刷，且在較小的壓差下促使液流在孔底流動(dòng)，潤(rùn)滑鉆頭，攜帶巖粉，不影響鉆進(jìn)速度。圖5和圖6可以看出，當(dāng)采用540L/min泵量時(shí)鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面泥漿流速低，低于2.5m/s，沖刷面積小，渦流小，有利于提高巖心采取率，同時(shí)鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心交界面有一定的液流，起到冷卻鉆頭和攜帶巖粉，減少堵心和磨心的作用；圖7和圖8可以看出，當(dāng)采用580L/min泵量時(shí)鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面泥漿流速達(dá)到3m/s，局部達(dá)3.5m/s，對(duì)巖心沖刷作用大，是導(dǎo)致取心鉆進(jìn)時(shí)取心率低和巖心擾動(dòng)大的主要原因之一。

圖4 PDC鉆頭壓力云圖Fig.4 Pressure cloud of PDC coring bits

圖5 540L/min泵量時(shí)PDC鉆頭速度流場(chǎng)流線圖Fig.5 Streamline distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 540L/min

圖6 540L/min泵量時(shí)PDC鉆頭速度流場(chǎng)矢量圖Fig.6 Vector distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 540L/min

圖7 580L/min泵量時(shí)PDC鉆頭速度流場(chǎng)流線圖Fig.7 Streamline distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 580L/min

圖8 580L/min泵量時(shí)PDC鉆頭速度流場(chǎng)矢量圖Fig.8 Vector distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 580L/min

4.3 流體傳熱耦合分析

通過(guò)井底流場(chǎng)分析，當(dāng)鉆井液排量較大時(shí)，鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面泥漿流速較高，對(duì)巖心沖刷較嚴(yán)重，影響取心率，并且對(duì)巖心的擾動(dòng)大，無(wú)法保證巖心的采取率和原狀性要求；當(dāng)排量較小，不能及時(shí)冷卻鉆頭，導(dǎo)致鉆頭的非正常失效，降低鉆頭的使用壽命，增加鉆井成本，并可能導(dǎo)致井內(nèi)復(fù)雜情況。

流體傳熱耦合分析，根據(jù)鉆頭鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，對(duì)鉆頭施加500℃的溫度(楊曉峰等，2011)，井底的溫度場(chǎng)取40℃計(jì)算，鉆頭未冷卻時(shí)的溫度場(chǎng)分布如圖9所示，并直接導(dǎo)入CFX流體載荷至ANSYS Workbench下Steady-Thermal穩(wěn)定熱分析模塊，分析了鉆頭的冷卻情況。鉆井液的排量越大，鉆頭的冷卻效果越好，在滿足上返流速攜帶巖粉的基礎(chǔ)上，盡量減少泵量，減小對(duì)巖心的沖刷。所以本次模擬采用排除巖粉的最低排量300L/min，分析顯示采用排量300L/min時(shí)鉆頭的冷卻效果較好(圖10)。所以，取心鉆進(jìn)時(shí)，采用此排量能保證巖心的采取率和原狀性要求，并且有很好的冷卻效果。

圖9 鉆頭鉆進(jìn)時(shí)摩擦生熱溫度場(chǎng)分布Fig.9 Frictional and heating temperature distribution while PDC coring bit drilling

圖10 鉆頭冷卻效果Fig.10 Cooling effect of PDC coring bits

5 結(jié)論與建議

WFSD實(shí)施的5個(gè)鉆孔都位于地震斷裂帶上，采用的超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭，取得了良好的效果，但也出現(xiàn)了取心率低和巖心擾動(dòng)大的問(wèn)題。本文通過(guò)公式計(jì)算以及有限元井底流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析，得出超前式隔水防沖蝕PDC取心鉆頭取心鉆進(jìn)時(shí)，保證取心率、巖心原狀性、排粉和鉆頭冷卻的泵量為300L/min～540L/min。采用此泵量取心鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面泥漿流速低，沖刷面積小，渦流小，有利于提高巖心采取率，同時(shí)鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心交界面有一定的液流，起到冷卻鉆頭和攜帶巖粉、減少堵心和磨心的作用；根據(jù)流場(chǎng)分析，當(dāng)泵量過(guò)大，達(dá)580L/min，鉆頭內(nèi)側(cè)與巖心接觸面泥漿流速高，沖刷巖心，導(dǎo)致取心率低和巖心擾動(dòng)大。

建議對(duì)該型PDC取心鉆頭進(jìn)行進(jìn)一步的個(gè)性化設(shè)計(jì)和分析，針對(duì)破碎松軟地層特性，優(yōu)化噴嘴和水槽結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)不同鉆進(jìn)參數(shù)條件下的個(gè)性化鉆頭，以保證汶川科學(xué)鉆探的實(shí)施，并為破碎松軟地層取心鉆頭的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供借鑒。

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A Finite Element Analysis on PDC Coring Bits Used in Wenchuan Scientific Drilling

TANG Sheng-li1,SUN Li-hai1,YANG Liang1,ZHANG Wei2,WU Jin-sheng3,ZHANG Xiao-hong4,REN Fu-jian5

(1. Xi’an University of Science and Technology,Xian,Shanxi 710054;2. China Geological Survey Bureau,Beijing 100037;3. Chinese Academy of Geological Prospecting Institute of Technology,Chengdu,Sichuan 611734;4. Coalfield Geology Bureau in Shanxi Province,,Xi’an,Shaanxi 710054;5. Coalfield Geology Bureau 185 Teams in Shanxi Province,Yulin,Shaanxi 719000)

The Wenchuan earthquake faults in the Longmen Shan Scientific Drilling Project is “Yingxiu-Beichuan” of the leading edge of the fracture and the Longmen County-near Guanxian fracture to implement five scientific drilling group,due to five drilling holes are located on earthquake fault ,formation is very soft and broken,ordinary drill have low core recovery and large core disturbance. To address the low core recovery and large core disturbance,the design and the use of a Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits,and achieved good results,to improve the core recovery and ensure that the core of undisturbed nature. This article through import UG solid models to “CFX” flow analysis and “Steady-Thermal” stability thermal analysis module under ANSYS Workbench,to analyze the flow field of the distribution of the drilling,size,the cooling effect and calculate the minimum amount of effectively pump discharge powder in the bottom. Ensure the optimal amount of pump to improve the core recovery and ensure that the core of undisturbed nature in the drilling time of Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits.

WFSD,formation,PDC coring bits,half-formed core tube,core recover

2013-11-27；

2014-01-16；[責(zé)任編輯]郝情情。

科技部科技支撐計(jì)劃專(zhuān)項(xiàng)“汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(WFSD)”資助。

唐勝利(1963年- ),男,1991年畢業(yè)于煤炭科學(xué)研究總院西安分院，獲碩士學(xué)位，教授,長(zhǎng)期從事鉆探工藝研究。E-mail:drilling@163.com。

P634.4

A

0495-5331(2014)03-0577-6