羅宏保,李俊萍,吳金生
(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川成都611734)
目前我國干熱巖開發(fā)仍處于試驗性階段,干熱巖的開發(fā)應(yīng)用是一項涉及多個方面的工程,其中干熱巖鉆井施工效率是評價干熱巖開發(fā)經(jīng)濟(jì)性的一個非常重要的因素[1-2]。干熱巖地層溫度高、巖石致密堅硬,在這樣的地層條件下如何實(shí)現(xiàn)高效鉆井仍存在很多技術(shù)難點(diǎn)[3-4],比如全井采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝,鉆進(jìn)進(jìn)尺較慢,不能滿足勘探開發(fā)要求[5]。根據(jù)不同井深地層環(huán)境,現(xiàn)在一般采用多工藝鉆進(jìn)施工,而在干熱巖鉆井部分鉆井段根據(jù)干熱巖地層特性,發(fā)揮空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢,是解決硬巖地層鉆進(jìn)進(jìn)尺速度慢的有效方法之一[6-8]。
青海共和干熱巖GH-01 井在二開階段井深1508~2256 m 段采用空氣潛孔錘鉆進(jìn),純鉆時間內(nèi)平均機(jī)械鉆速達(dá)4.49 m/h,較回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆速提高2~3 倍。實(shí)踐證明,空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)在硬巖地層可大幅度提高鉆井效率,但是由于空氣潛孔錘鉆頭在高溫硬巖條件下短時間內(nèi)磨損嚴(yán)重,易出現(xiàn)鉆頭掉齒、斷齒情況(如圖1 所示),無法保證井眼尺寸,而且小井眼還會導(dǎo)致其它鉆進(jìn)問題的出現(xiàn)致使無法正常鉆進(jìn)[9]。實(shí)際施工中就需要重新更換鉆頭,花費(fèi)大量時間進(jìn)行修孔,消耗的油料、時間成本較高,綜合鉆進(jìn)效率較低[10-11]。
圖1 GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況Fig.1 Wear situation of the air DTH hammer bit used in GH-01
空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了幾十年[12],潛孔錘鉆頭無論是規(guī)格型號還是結(jié)構(gòu)設(shè)計上都是相對比較成熟的產(chǎn)品,但是鑒于在青海共和干熱巖GH-01 井應(yīng)用情況,需要進(jìn)行空氣潛孔錘鉆頭優(yōu)化,對其優(yōu)化主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆頭材料選型、固齒工藝等幾個方面來進(jìn)行,研制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭,提高空氣潛孔錘鉆進(jìn)綜合效率,為干熱巖鉆探開發(fā)提供技術(shù)支持和技術(shù)儲備[13-14]。
針對青海共和干熱巖GH-01 井使用空氣潛孔錘鉆進(jìn)出現(xiàn)的問題對鉆頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對性優(yōu)化。從青海共和干熱巖GH-01 井潛孔錘鉆頭磨損情況可以看出,邊齒基本全部脫落或斷裂,但中齒磨損較少。經(jīng)過分析認(rèn)為:鉆頭體磨損較快,導(dǎo)致邊齒外露是邊齒脫落的重要原因之一,而邊齒脫落又會使得鉆頭上單個硬質(zhì)合金齒承受的沖擊功增大,造成鉆頭中間斷齒。因此首先在鉆頭體保徑方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,增強(qiáng)鉆頭體的保徑能力。保徑設(shè)計是采取在邊齒附近鑲嵌硬質(zhì)合金的方式,并且增加保徑硬質(zhì)合金齒顆粒數(shù)。通過保徑硬質(zhì)合金齒延緩鉆頭體在高溫硬巖中的磨損,從而延緩邊齒的脫落,保證鉆孔孔徑滿足要求。
鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化的另一個方面是風(fēng)路設(shè)計,風(fēng)路設(shè)計關(guān)系到鉆頭鉆進(jìn)排渣的效果,排渣不暢會導(dǎo)致巖屑在鉆頭周圍不斷地磨損鉆頭。根據(jù)選用的新型沖擊器的密閉氣流系統(tǒng),在風(fēng)路優(yōu)化上創(chuàng)新了外部吹渣排風(fēng)孔設(shè)計。高速氣流不再是從錘柄的中心孔進(jìn)入孔底排渣,而是從錘柄側(cè)面的氣孔進(jìn)入,這樣的設(shè)計氣流更加直接地進(jìn)入孔底,排渣效果更好,并且原先的空心錘柄設(shè)計變?yōu)閷?shí)心錘柄,提高了鉆頭錘柄的強(qiáng)度,而潛孔錘鉆頭鉆進(jìn)過程中常見的事故就是錘柄斷裂[15]。
通過對空氣潛孔錘鉆頭保徑和風(fēng)路2 個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(參見圖2),可延長鉆頭的使用壽命。
圖2 鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計Fig.2 Optimized design of the bit structure
空氣潛孔錘鉆頭加工材料是鉆頭使用壽命保證的最基本要素,主要包括鉆頭體加工合金鋼和硬質(zhì)合金。
潛孔錘鉆頭剛體材料選擇的原則[16]:
(1)堅韌耐磨,具有良好的剛性和韌性配合;
(2)加工工藝性能良好。易切削,退火后硬度不大于HB260,但也不宜過軟,以免粘刀影響粗糙度,同時可淬性和淬透性要好。
目前常用的鉆頭體合金鋼是35CrMo 材料,該材料能夠滿足鉆頭在硬度較低的基巖中的鉆進(jìn)需求且成本相對較低,但是無法滿足在高溫高硬的花崗巖中鉆進(jìn)的需求,因此我們選用了機(jī)械屬性更好的30NiCrMo16-6 材料,2 種材料的屬性對比如表1所示。
表1 2 種鉆頭體材料屬性對比Table 1 Comparison of two material properties of bit body
硬質(zhì)合金質(zhì)量是鉆頭質(zhì)量最重要的保證條件之一。對硬質(zhì)合金的基本要求是:抗沖擊,耐磨損。其選用原則為:硬質(zhì)合金的性能必須與巖石和沖擊器、鉆機(jī)類型相適應(yīng)[16]。對于硬質(zhì)合金的選擇,根據(jù)青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆頭磨損情況,針對高溫硬巖地層特點(diǎn),我們對硬質(zhì)合金進(jìn)行了優(yōu)化選型,選擇硬度、抗彎強(qiáng)度和沖擊韌性更好的硬質(zhì)合金,所選擇的硬質(zhì)合金硬度達(dá)到HRA89.5~90.5、抗 彎 強(qiáng) 度 ≥2800 MPa、耐 溫 ≥800 ℃。
鉆頭失效形式最主要的是硬質(zhì)合金齒磨損、破碎、脫落,這除了與鉆頭鉆進(jìn)過程中服役條件惡劣有關(guān)外,還與鉆頭固齒工藝有很大的關(guān)系。目前我國球齒鉆頭的固齒工藝主要有冷壓、釬焊、熱嵌3 種方法。不論采用何種固齒工藝,都必須保證鉆頭在使用過程中不掉齒,這是球齒鉆頭的關(guān)鍵問題,因此對鉆頭的固齒工藝進(jìn)行研究非常重要[17]。
目前潛孔錘鉆頭的固齒工藝采用較多的是冷壓固齒,冷壓固齒屬于壓配合固齒,其固齒力是由硬質(zhì)合金齒、固齒孔之間的過盈量引起齒孔壁鋼體產(chǎn)生的彈塑性變形提供的。冷壓固齒的工藝流程:固齒孔鉆孔機(jī)加工?鉆頭體熱處理?固齒孔鉸孔?測孔徑?硬質(zhì)合金磨齒?壓齒。整個冷壓固齒流程中要注意以下幾點(diǎn):
(1)固齒孔的鉆、鉸中應(yīng)盡量提高加工精度和孔壁表面光潔度,以提高對合金齒的固緊力。根據(jù)硬度不同的材料,分為先鉆孔后熱處理再鉸孔和先熱處理后再鉆孔、鉸孔2 種加工方式。
(2)測孔徑使用浮標(biāo)式氣動量儀測孔,精度達(dá)到0.001 mm(微米)級別,并做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計和每個孔的標(biāo)注工作。數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計是為后續(xù)硬質(zhì)合金磨齒做準(zhǔn)備,標(biāo)注每個孔是為壓齒做準(zhǔn)備。
(3)磨齒根據(jù)測孔統(tǒng)計的數(shù)據(jù)加上確定的過盈量后在液壓磨床上從大到小逐級磨齒,精度達(dá)到0.001 mm(微米)級別。硬質(zhì)合金齒磨完后需用柴油對合金齒進(jìn)行清洗。
(4)壓齒時一定要盡量保證壓頭、硬質(zhì)合金齒、齒孔三者的中心線重合。
在注意以上幾點(diǎn)的基礎(chǔ)上,固齒過盈量大小的選擇則是冷壓固齒的關(guān)鍵[18-19],過盈量過小,提供的固緊力小,鉆頭工作過程中容易引起硬質(zhì)合金齒的脫落;過盈量過大,固齒困難且易引起硬質(zhì)合金齒破碎或者鉆頭體孔壁開裂。為了確定硬質(zhì)合金齒和齒孔間的最佳過盈量,我們采用有限元仿真分析的方法對冷壓固齒過程進(jìn)行模擬。通過建立有限元模型,仿真計算得到不同過盈量在壓齒過程中的關(guān)鍵參數(shù),為冷壓固齒提供指導(dǎo)[20]。
如圖3 所示的潛孔錘鉆頭三維模型,在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上為了減少計算量,通過對三維模型簡化得到單個硬質(zhì)合金齒壓齒過程的二維模型,模型采用二維軸對稱模擬[21-22]。有限元網(wǎng)格劃分在ANSYS Workbench 平臺實(shí)現(xiàn),網(wǎng)格劃分工具為ANSYS Meshing 2019R3。圖4 為二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分。
鉆頭體模型采用雙線性各向同性硬化彈塑性本構(gòu),根據(jù)鉆頭體30NiCrMo16-6 材料屬性,設(shè)置參數(shù)為:密度7800 kg/m3、彈性模量210 GPa、泊松比0.3。根據(jù)硬質(zhì)合金材料屬性,設(shè)置參數(shù)為:密度15000 kg/m3、彈性模量 600 GPa、泊松比 0.22。
圖3 潛孔錘鉆頭三維模型Fig.3 3D model of the DTH hammer bit
圖4 二維有限元模型網(wǎng)格圖劃分Fig.4 2D FEM model of the drill teeth and hole
仿真模擬分析硬質(zhì)合金齒過盈壓入和拔出過程,具體邊界條件(參見圖5)如下:
(1)鉆頭體左側(cè)采用Fixed 固定約束。
(2)硬質(zhì)合金齒右端夾持段采用位移邊界條件,整個過程分2 步,第一步沿水平方向向左壓入鉆頭體齒孔,第二步沿水平方向向右拔出硬質(zhì)合金齒。加載的位移值如表2 所示。
圖5 邊界條件Fig.5 Boundary condition
表2 各工況邊界條件加載Table 2 Boundary condition loading under various working conditions
為了模擬不同過盈量的影響,選取0.04、0.05、0.06、0.07、0.08 mm 5 種不同過盈量進(jìn)行分析。利用ANSYS 接觸設(shè)置中的過盈量設(shè)置功能,實(shí)現(xiàn)不同過盈量的添加。具體接觸和過盈量設(shè)置見圖6,圖中紅色線代表的是接觸面,藍(lán)色線代表的是目標(biāo)面,接觸摩擦系數(shù)設(shè)置為0.1。
圖6 接觸示意圖及接觸設(shè)置Fig.6 Contact diagram and contact setting
計算得到硬質(zhì)合金齒不同過盈量壓入和拔出過程中鉆頭體和合金齒的等效應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。
圖7 壓入過程等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress cloud map of the pressing process
圖8 拔出過程等效應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress cloud map of the pullout process
將硬質(zhì)合金不同過盈量壓入和拔出過程中所需外力變化曲線圖,通過擬合形成外力對比圖,如圖9、圖10 所示。
根據(jù)仿真模擬分析計算結(jié)果,我們得出以下結(jié)論:壓齒過程中最大壓入力隨著過盈量的增大而增大,過盈量達(dá)到0.07 mm 時,壓入力增大放緩,0.08 mm 過盈量壓入力與0.07 mm 過盈量壓入力接近;拔出過程中最大拔出力隨著過盈量的增大而呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,在過盈量為0.06 mm 時,初始拔出力最大,達(dá)到了27187 N。
圖9 不同過盈量壓入力對比Fig.9 Comparison of press forces at different interferences
圖10 不同過盈量最大拔出力變化Fig.10 Comparison of pullout forces at different interference
因此,通過鉆頭固齒有限元仿真分析計算,我們得到了理論計算上冷壓固齒的最佳過盈量,為后續(xù)鉆頭試制的固齒工藝提供了技術(shù)指導(dǎo)和支持。
針對青海共和干熱巖GH-01 井空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用中鉆頭磨損較快、掉齒、斷齒的問題,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選型、固齒工藝等幾個方面對空氣潛孔錘鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化。結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)保徑設(shè)計,延緩了鉆頭體磨損速度;創(chuàng)新排渣風(fēng)路的設(shè)計,增強(qiáng)了排渣效果,減少了巖屑對鉆頭的重復(fù)磨損;鉆頭材料選擇了更適用于高溫硬巖的合金鋼和硬質(zhì)合金,提高了鉆頭壽命;優(yōu)化了固齒工藝,運(yùn)用有限元仿真分析計算最優(yōu)冷壓固齒參數(shù),為鉆頭冷壓固齒提供了技術(shù)支持。
通過以上研究的開展,為試制適用于高溫硬巖的空氣潛孔錘鉆頭奠定了基礎(chǔ),后續(xù)將在室內(nèi)模擬花崗巖地層開展鉆頭鉆進(jìn)試驗,在條件合適的情況下開展野外生產(chǎn)試驗,根據(jù)鉆頭鉆進(jìn)試驗效果對高溫硬巖空氣潛孔錘鉆頭進(jìn)行完善、改進(jìn),并對干熱巖鉆井空氣潛孔錘鉆進(jìn)技術(shù)工藝進(jìn)行研究,為干熱巖鉆井多工藝高效鉆進(jìn)提供技術(shù)支持和技術(shù)儲備。