祝效華， 劉云海,2， 劉 婷，2

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都,610500) (2.寶雞石油機(jī)械成都裝備制造分公司 成都,610051)

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定向穿越擴(kuò)孔鉆進(jìn)軟硬夾層鉆頭振動特性研究

祝效華1， 劉云海1,2， 劉 婷1，2

(1.西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 成都,610500) (2.寶雞石油機(jī)械成都裝備制造分公司 成都,610051)

針對管道鋪設(shè)定向穿越擴(kuò)孔施工鉆遇軟硬夾層時擴(kuò)孔鉆頭過量磨損、掉齒和掉牙輪乃至發(fā)生災(zāi)難性埋井事故等工程問題，通過有限元方法建立全尺寸擴(kuò)孔器動態(tài)破巖的非線性動力學(xué)三維仿真模型，研究了擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時的振動特性，給出了扶正器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、回拖力和轉(zhuǎn)速組合的臨界參數(shù)。結(jié)果表明，擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時其橫向振動加速度峰值、加速度有效值分別為縱向振動的5.3倍、5.2倍，說明擴(kuò)孔器橫向振動過于劇烈是導(dǎo)致其過早失效的根本原因；安裝扶正器對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時有非常明顯的減振效果，其橫向振動強(qiáng)度比無扶正器時減小了77.6%，鉆速提高了57.5%。

定向穿越； 軟硬夾層； 擴(kuò)孔器； 扶正器； 劇烈振動； 失效

引 言

能源是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源之一，保證能源安全至關(guān)重要。中國油氣資源分布不均，2013年對外石油依存度已經(jīng)達(dá)到了58.1%，而且進(jìn)口石油90%都依賴于海上運輸，面對日益復(fù)雜的南海、東海問題，鋪設(shè)管道進(jìn)行西氣東輸，從國外往國內(nèi)運輸能源(比如中緬管道)來分擔(dān)風(fēng)險非常有必要。目前,中國的主干管道里程約為8～10萬km，預(yù)計在“十二五”末要建成15萬km，2020年達(dá)到20萬km，而美國已經(jīng)建成30萬km，未來一段時間國內(nèi)油氣管道鋪設(shè)工程量巨大。鉆遇江河時常采用水平定向穿越鋪設(shè)管道。定向穿越施工過程中經(jīng)常遇到大范圍的軟硬夾層地帶，在軟硬夾層中，擴(kuò)孔鉆頭失效嚴(yán)重，例如在儀征-長嶺原油管道洪湖長江定向鉆穿越工程中，穿越段軟硬夾層大范圍存在，擴(kuò)孔器在擴(kuò)孔過程中磨損嚴(yán)重并發(fā)生斷裂現(xiàn)象[1]。水平定向鉆穿越尼羅河工程中，在穿越軟硬夾層地段時，容易發(fā)生卡鉆、鉆頭失效等嚴(yán)重問題[2]。水平定向鉆穿越王寶河工程中，由于地質(zhì)為破碎性中砂巖含有石英砂和長石，軟硬變化大，當(dāng)進(jìn)行直徑400 mm擴(kuò)孔時，擴(kuò)進(jìn)非常困難，主要表現(xiàn)為扭矩大，鉆具磨損嚴(yán)重，擴(kuò)進(jìn)速度非常慢，擴(kuò)孔器外圍，包括牙輪的側(cè)壁、后背磨損嚴(yán)重，磨掉6個牙輪[3]。失效不僅造成鉆頭用量增加，而且延誤工期，嚴(yán)重時會因為工期延遲而導(dǎo)致井壁失穩(wěn)，從而造成災(zāi)難性埋井事故。軟硬夾層鉆頭失效問題已經(jīng)成為制約定向穿越施工質(zhì)量和效益的難題之一，而目前對軟硬夾層中鉆頭失效的機(jī)理認(rèn)識尚不清晰，相關(guān)研究文獻(xiàn)也很少，因此研究軟硬夾層鉆進(jìn)時鉆頭的振動特性,并找到合理的應(yīng)對方法對減緩定向穿越施工鉆遇軟硬夾層時擴(kuò)孔器的快速失效和提高作業(yè)安全性是非常必要的。

下部鉆具在復(fù)雜地層的劇烈振動對鉆具的工作安全具有較大影響。國內(nèi)外學(xué)者對如何在復(fù)雜地層減小下部鉆具振動開展了大量研究， Wassell等[4]研究發(fā)現(xiàn),不同地層下減振器的減振效果可能存在差異，阻尼適當(dāng)?shù)臏p振器能提高鉆井效率；Jafari等[5]發(fā)現(xiàn),橫振、縱振是造成下部鉆具失效的主要原因，合理的控制鉆壓與轉(zhuǎn)速可以有效的減小下部鉆具的振動。Christoforou等[6]發(fā)現(xiàn),縱振、橫振、扭振相互影響導(dǎo)致下部鉆具失效，通過調(diào)整施工參數(shù)可以減緩振動對下部鉆具的不利影響。Dykstra等[7]對鉆頭和鉆柱的動力學(xué)特性進(jìn)行實驗研究，指出鉆頭橫向振動產(chǎn)生的不利影響遠(yuǎn)大于軸向振動，由于鉆壓，轉(zhuǎn)速，巖石性質(zhì)不同，下部鉆具的橫向加速度一般會在20g以上，最高可以達(dá)到200g。Baryshnikov等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)，造成下部鉆具失效的原因跟鉆具的制造因素與鉆井工藝有很大關(guān)系，并嘗試了鉆桿與接頭疲勞壽命的計算。周祖輝[9]根據(jù)軟硬地層的可鉆性不同，鉆速及相應(yīng)的地層對鉆頭的反作用力也不同的原理，分析了從軟地層鉆入硬地層前后，鉆頭上產(chǎn)生彎矩的原因及計算方法。陳勇[10]針對水平定向鉆穿越東江工程鉆遇軟硬夾層地帶時，指出通過不斷調(diào)整方位角，以防止在軟硬界面處造成導(dǎo)向走偏，導(dǎo)致擴(kuò)孔失敗。馬馳云[11]針對水平定向鉆穿越滬昆鐵路工程鉆遇軟-硬-軟地層時，導(dǎo)致軟土層塌方、抱鉆、卡鉆等事故的情況，重新設(shè)計施工方案，改善泥漿性能等措施，最終完成了施工任務(wù)。楊全亮等[12]指出在盾構(gòu)施工鉆遇軟硬不均勻地層時，必須對各項掘進(jìn)參數(shù)和施工措施進(jìn)行及時有效地調(diào)整，防止盾構(gòu)機(jī)偏移嚴(yán)重造成刀口折斷。冒乃兵等[13]指出在軟硬互層的地層中進(jìn)行水平定向鉆施工，擴(kuò)孔過程中易出現(xiàn)擴(kuò)孔臺階，導(dǎo)致擴(kuò)孔施工中卡鉆、回拖過程中拖力增大、鉆桿疲勞等現(xiàn)象，必須制定相應(yīng)的施工預(yù)案應(yīng)對軟硬交錯地層處可能出現(xiàn)的擴(kuò)孔臺階。

針對定向穿越施工鉆遇軟硬夾層時鉆具失效嚴(yán)重，擴(kuò)進(jìn)速度非常慢等問題，基于彈塑性力學(xué)和巖石力學(xué)，采用Drucker-Prager準(zhǔn)則作為巖石的本構(gòu)關(guān)系，研究了扶正器對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時振動特性的影響，給出了扶正器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)國際跨國公司貝克休斯對井下鉆具振動的分級標(biāo)準(zhǔn)推薦了夾層中最適宜的施工參數(shù)。

1 系統(tǒng)的非線性動力學(xué)模型

1.1 擴(kuò)孔器-巖石接觸數(shù)學(xué)模型

擴(kuò)孔器破碎巖石過程的非線性主要表現(xiàn)為：a.短時間內(nèi)因下部鉆具的大位移與大轉(zhuǎn)動所引起的幾何非線性；b.巖石單元因發(fā)生大應(yīng)變直至破壞失效所表現(xiàn)的材料非線性；c.由擴(kuò)孔器轉(zhuǎn)動與巖石單元變形、失效和移除產(chǎn)生的接觸動態(tài)變化所引起的接觸非線性。采用有限單元法設(shè)接觸系統(tǒng)在時刻t占據(jù)空間域為Ω，作用在接觸系統(tǒng)內(nèi)的體積力、邊界力及柯西內(nèi)應(yīng)力分別為b，q,qc,σ，則接觸問題[14]可歸結(jié)為

(1)

其中:Γf為給定邊界力的邊界;Γc為接觸邊界;δu為虛位移;δe為虛應(yīng)變;ρ為密度;a為加速度。

將域Ω用有限單元離散化并引入虛位移場，可得到

(2)

其中：M為質(zhì)量矩陣;ü為加速度矢量;t為時間變量;p為外力矢量;c為接觸力與摩擦力矢量;f為內(nèi)應(yīng)力矢量;u為物體位移;a為與接觸表面特性相關(guān)的變量;β為與材料本構(gòu)關(guān)系相關(guān)的變量。

1.2 Drucker-Prager巖土強(qiáng)度準(zhǔn)則

Drucker-Prager巖土強(qiáng)度準(zhǔn)則將偏應(yīng)力視為材料破壞原因，同時反映了體積應(yīng)力對材料強(qiáng)度的影響，因此在巖土切削過程的研究中應(yīng)用較多。根據(jù)Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則，認(rèn)為中間主應(yīng)力對巖土的破壞有影響，用正八面體面上的正應(yīng)力σoct和剪應(yīng)力τoct表示[15]為

(3)

其中

其中:θσ為應(yīng)力洛德角(stress Lode angle)。

2 巖石物理參數(shù)與數(shù)值仿真模型

2.1 擴(kuò)孔器的工作原理

擴(kuò)孔器破巖鉆進(jìn)模型，基孔直徑為216 mm，以其為基礎(chǔ)，回擴(kuò)至601 mm孔眼，導(dǎo)向桿直徑為127 mm。擴(kuò)孔器的工作原理如圖1所示：擴(kuò)孔器回拖擴(kuò)孔時,由回拖機(jī)構(gòu)將回拖力和旋轉(zhuǎn)扭矩作用于擴(kuò)孔器, 使其產(chǎn)生前進(jìn)運動和回轉(zhuǎn)運動。擴(kuò)孔器的前進(jìn)運動需要克服土體對它的正壓阻力和摩擦阻力, 而擴(kuò)孔器的回轉(zhuǎn)運則需要克服土體對刀具的抗力扭矩和土體對擴(kuò)孔器表面的摩阻力扭矩。

圖1 擴(kuò)孔器的工作原理Fig.1 The working principle of reamer

2.2 基本假設(shè)

由于研究重點和難點是擴(kuò)孔器在軟硬夾層中鉆進(jìn)時的振動特性，為提高計算效率，略去次要因素，采用的基本假設(shè)有：初始條件下擴(kuò)孔器軸線與井眼軸線重合；單元失效后即從巖石中刪除，忽略其失效后對后續(xù)鉆進(jìn)的影響；由于擴(kuò)孔器的硬度比巖石的硬度高得多，因此在建模時，將擴(kuò)孔器看作剛體，巖石體看成是彈塑性體且符合Drucker-Prager強(qiáng)度準(zhǔn)則，這與實際的巖石切削破碎過程是較為符合的;考慮到擴(kuò)孔器切削齒與巖石之間存在的摩擦，設(shè)定各個接觸面的摩擦因數(shù)[16]為0.455;合理的材料參數(shù)是模擬擴(kuò)孔破巖過程的首要條件，巖石主要物性參數(shù)如表1。

表1 巖石物理參數(shù)

2.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

通過ABAQUS有限元軟件建立直徑601 mm的擴(kuò)孔器實體和三維巖石實體的動態(tài)破巖非線性動力學(xué)有限元模型，采用六面體8節(jié)點減縮積分單元(C3D8R)對巖石材料進(jìn)行離散，劃分網(wǎng)格為193 658個單元。擴(kuò)孔器與巖石之間采用面面接觸，擴(kuò)孔器的主體與牙輪之間采用Hinge屬性連接，擴(kuò)孔器的回拖力為30 t，轉(zhuǎn)速為30 r/min。并且約束巖石模型與井壁的所有自由度，不約束擴(kuò)孔器的自由度，有限元模型如圖2所示。

圖2 擴(kuò)孔器與巖石的有限元模型Fig.2 Reamer finite element model with rocks

3 結(jié)果與討論

對擴(kuò)孔器在軟硬夾層破巖過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析。根據(jù)模擬結(jié)果，提取了軟硬夾層巖石失效時的井底應(yīng)力云圖，如圖3所示。從圖中可以看出，擴(kuò)孔器的正下方的巖石單元在擴(kuò)孔器作用下完全失效，形成井眼。由于目前尚沒有定向穿越施工中鉆具測量數(shù)據(jù)來源，所以沒法實驗驗證。但是,本模型仿真方法通過氣體鉆井動力學(xué)模型得到了美國的ESSO公司的現(xiàn)場所測數(shù)據(jù)驗證，說明本模型仿真方法的可靠性[17]。

圖3 軟硬夾層巖石失效應(yīng)力圖Fig.3 Failure diagram of the soft and hard sandwiching

3.1 擴(kuò)孔器振動特性

圖4,5分別為擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時擴(kuò)孔器的橫向運動軌跡曲線和擴(kuò)孔器進(jìn)尺曲線。從圖4中看出，無扶正器的擴(kuò)孔器在軟硬夾層中鉆進(jìn)時的橫向偏移程度相當(dāng)嚴(yán)重，分析其原因是，當(dāng)擴(kuò)孔器外圍切削齒切削硬地層并進(jìn)入到軟地層中時，其靠近心部的切削齒還在硬地層中，而軟地層中切削速度快，這就導(dǎo)致只有靠近心部的很少一部分鉆齒在承受全部的回拖載荷。此時從靜力學(xué)角度看鉆齒處于嚴(yán)重過載狀態(tài)，從動力學(xué)角度看這部分鉆齒承受著巨大的動載荷，這不僅使擴(kuò)孔器牙輪鉆頭上的受力不均勻同時造成了轉(zhuǎn)動也不均勻，最終導(dǎo)致擴(kuò)孔器橫向擺動非常劇烈。擴(kuò)孔器無扶正器時，其橫向擺動非常劇烈，導(dǎo)致其在鉆進(jìn)方向進(jìn)尺緩慢，但當(dāng)安裝上扶正器后其橫向偏移程度不僅大大減小，而且其在軟硬夾層中的鉆速比無扶正器時快(圖5)。

圖4 擴(kuò)孔器質(zhì)心的橫向運動軌跡曲線Fig.4 Reamer lateral movement trajectory curve

圖5 擴(kuò)孔器進(jìn)尺曲線Fig.5 The reamer penetration curve

圖6,7分別為擴(kuò)孔器振動強(qiáng)度的響應(yīng)曲線。結(jié)合表2的分析結(jié)果可知，無扶正器時，擴(kuò)孔器的橫向振動加速度峰值、加速度有效值(root mean square，簡稱RMS)分別為縱向振動的5.3倍、5.2倍，說明擴(kuò)孔器橫向振動過于劇烈是導(dǎo)致其過早失效的根本原因。分析其原因是：主動施工載荷即回拖力主要施加在軸向及鉆進(jìn)方向，回拖載荷高達(dá)幾十t，扭轉(zhuǎn)阻力與回拖力成正比，而橫向載荷相比而言則小的多(鉆頭自重約為1～2 t，是鉆頭處橫向靜載荷的主要構(gòu)成部分)。鉆進(jìn)時鉆頭破碎軟硬夾層激起縱、橫、扭三向振動，較大幅值的回拖載荷對軸向的抑制作用及對扭轉(zhuǎn)的連帶抑制作用，使鉆進(jìn)耦合振動中橫向振動表現(xiàn)的更為突出。

圖6 擴(kuò)孔器的振動加速度曲線Fig.6 Reamer acceleration response curve

圖7 擴(kuò)孔器的扭矩響應(yīng)曲線Fig.7 Reamer torque response curve

振動類型峰值有效值無扶正器有扶正器無扶正器有扶正器縱振力/g32298.67.3橫振力/g170464518扭振力/(kN·m)27.117.83.93.2

同時，扶正器對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時有非常明顯的減振效果，特別是在橫向振動方面。在軟硬夾層中，有扶正器的擴(kuò)孔器其縱向振動加速度峰值和加速度有效值分別是無扶正器擴(kuò)孔鉆進(jìn)時的90.7%，85%；其橫向振動加速度峰值和加速度有效值分別縮小為無扶正器擴(kuò)孔鉆進(jìn)時的27%，40%；其扭矩峰值和扭矩有效值分別是無扶正器擴(kuò)孔鉆進(jìn)時的65%，82%。因此后文將著重研究扶正器對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時橫振特性的影響。受采樣頻率的影響，加速度的最大值不可避免的會存在一定的偶然性，在下文的研究中以其有效值(RMS)作為對比依據(jù)。

3.2 扶正器參數(shù)對擴(kuò)孔器橫向振動的影響

從以上研究可知，扶正器對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時有非常明顯的減振效果，但是不同參數(shù)的扶正器其減振效果完全不同，本節(jié)研究扶正器參數(shù)對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時橫振特性的影響。

3.2.1 扶正器直徑

首先研究扶正器不同直徑對擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時橫振特性的影響，表3為不同直徑的扶正器。

表3 不同直徑的扶正器

圖8 不同直徑扶正器的擴(kuò)孔器的破巖速度曲線Fig.8 Different diameters centralizer of the reamer penetration response curve

圖9 不同直徑扶正器的擴(kuò)孔器的橫向振動 強(qiáng)度與提速效果圖Fig.9 Different diameters centralizer of the reamer lateral vibration intensity and acceleration response curve

結(jié)合圖8和圖9的分析結(jié)果可知， A,B,C,D,E五類情況下擴(kuò)孔器的橫向加速度有效值比無扶正器時分別減小了55.5%,59.3%,72.2%,66.2%,60.8%，顯然C扶正器最優(yōu)。此外，擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)時間越短其損壞或其他事故的幾率越低，C扶正器時擴(kuò)孔鉆速最快，提高了45%，故選擇C扶正器更有利于提高擴(kuò)孔器在軟硬夾層鉆進(jìn)的安全性。分析其原因，擴(kuò)孔器在軟硬夾層的橫向振動很劇烈，過小直徑的扶正器無法起到扶正的作用，過大直徑的扶正器會使扶正器與井壁頻繁碰撞，從而會加劇整個下部鉆具的振動，振動的加劇又會降低鉆速，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致擴(kuò)孔器快速失效。

3.2.2 扶正器長度

確定選C類扶正器，改變其長度研究長度參數(shù)對擴(kuò)孔器軟硬夾層鉆進(jìn)時橫振特性的影響，不同長度扶正器的參數(shù)如表4所示。

表4 不同長度的扶正器

結(jié)合圖10和圖11的分析結(jié)果可知,C1,C2,C3,C4,C5五類情況下擴(kuò)孔器的橫向加速度有效值比無扶正器時分別減小了52%,72.2%,77.6%,75.1%,68.8%。C3扶正器減振效果最好最高，且使用 C3類扶正器時擴(kuò)孔器的鉆速最高，提高了57.5%。分析其原因，扶正器過短無法起到扶正作用，過長則會增大與井壁的碰撞幾率，從而加劇下部鉆具的振動，降低能量利用率，降低擴(kuò)孔鉆速。

圖10 不同長度扶正器的擴(kuò)孔器的破巖速度曲線Fig.10 Different length centralizer of the reamer penetration response curve

圖11 不同長度扶正器的擴(kuò)孔器的橫向振動 強(qiáng)度與提速效果圖Fig.11 Different length centralizer of the reamer lateral vibration intensity and acceleration response curve

4 工程施工參數(shù)的優(yōu)選

以C3扶正器為基礎(chǔ)，以振動控制為評價指標(biāo)，計算并優(yōu)選最佳施工參數(shù)(回拖力、轉(zhuǎn)速)。

貝克休斯經(jīng)過多年現(xiàn)場探索形成了被行業(yè)廣泛認(rèn)可的施工指南，并建立了下部鉆具橫向振動的分級標(biāo)準(zhǔn)[18]：當(dāng)其橫向加速度有效值在8g以內(nèi)時，表示其橫向振動水平在安全區(qū)，處于良好的運行環(huán)境；當(dāng)其橫向加速度有效值超過8g時，表示其橫向振動水平在危險區(qū)，下部鉆具必須立即采取措施消除振動后方能繼續(xù)鉆進(jìn)。

圖12 不同施工參數(shù)擴(kuò)孔器橫向加速度有效值Fig.12 Reamer lateral acceleration RMS with the different construction parameters

從圖12可以看出，在軟硬夾層中，擴(kuò)孔器的橫向加速度有效值會隨著轉(zhuǎn)速和回拖力的增大而增大，穿越工程中常用的回拖力和轉(zhuǎn)速參數(shù)都可能進(jìn)入“橫振危險區(qū)”，這說明對擴(kuò)孔器鉆進(jìn)軟硬夾層時振動特性評估是非常有必要的。根據(jù)分級標(biāo)準(zhǔn)，圖10給出了最優(yōu)參數(shù)組合：如采用30 t回拖力時，轉(zhuǎn)速不能超過25 r/min；回拖力采用15 t時，轉(zhuǎn)速可放寬至35 r/min，按照圖12可使擴(kuò)孔器振動水平控制在安全范圍內(nèi)。

5 結(jié) 論

1) 軟硬夾層中，擴(kuò)孔器橫向振動加速度最高達(dá)到170g，橫振非常劇烈，其橫振加速度峰值、加速度有效值分別為縱振的5.3倍和5.2倍，橫振過于劇烈是導(dǎo)致其過早失效的根本原因。

2) 軟硬夾層中，安裝扶正器可大幅降低擴(kuò)孔器橫振，通過數(shù)值計算給出了最佳扶正器結(jié)構(gòu)參數(shù)，安裝合適的扶正器，擴(kuò)孔器橫振強(qiáng)度可下降到原來的1/4，且擴(kuò)孔鉆速可提高50%以上。

3) 給出了回拖力和轉(zhuǎn)速參數(shù)組合的臨界參數(shù)，根據(jù)該計算結(jié)果可避進(jìn)入“橫振危險區(qū)”，從而大幅減低安全事故發(fā)生幾率。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.05.015

國家自然科學(xué)基金資助項目(51674214)；四川省科技計劃國際合作計劃資助項目(2016HH0008)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51222406)；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-12-1061)；四川省高等學(xué)?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊“油氣井管柱力學(xué)與井下工具”資助項目(12TD007)

2014-11-18；

2015-01-16

TH113.1； TE973

祝效華，男，1978年7月生，博士、教授。主要研究方向為管柱力學(xué)與井下工具。曾發(fā)表《3D mechanical modeling of soil orthogonal cutting under a single reamer cutter based on Drucker-Prager criterion》(《Tunnelling and Underground Space Technology》2014,Vol.41)等論文。

E-mail:zxhth113@163.com