林琦

四川鹽業(yè)地質(zhì)鉆井大隊(duì) 四川自貢 643000

旋轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)是在常規(guī)鉆具基礎(chǔ)上增設(shè)沖擊裝置，將旋轉(zhuǎn)和沖擊功能有效結(jié)合的一種鉆井技術(shù)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，沖擊器在鉆井液的驅(qū)動(dòng)下不斷產(chǎn)生高頻沖擊力，并施加在鉆頭上，使鉆頭在沖擊時(shí)旋轉(zhuǎn)。沖擊器作為一種井底動(dòng)力機(jī)械，通常與鉆頭頂部或芯管相連。在鉆井液或高壓氣體的作用下，沖擊器推動(dòng)活塞，使液壓錘上下運(yùn)動(dòng)。鉆頭在錘擊和靜壓旋轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用下，達(dá)到了破巖的目的。

1 旋沖鉆孔過(guò)程仿真建模

該模型的研究重點(diǎn)在于鉆頭的沖擊頻率和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)破巖效率的影響，所以為了提高計(jì)算效率，忽略其他影響較小因素，對(duì)仿真模型作以下假設(shè)：①不考慮巖石的初始裂紋和孔隙壓力的影響，將其視作一種連續(xù)的各向同性介質(zhì)。②球形鉆齒比巖石的硬度高得多，將球形鉆齒假設(shè)為剛體。③巖石單元失效后立即被移除，忽略巖屑的二次破碎對(duì)連續(xù)鉆進(jìn)的影響。

1.1 有限元模型的建立

本研究運(yùn)用三維軟件SolidWorks分別建立鉆頭、鉆齒、巖石的三維模型，鉆頭直徑420mm，球形鉆齒直徑16mm，巖石采用600mm×600mm×100mm的長(zhǎng)方體。再將其導(dǎo)入LS-DYNA中，然后定義單元類(lèi)型及材料屬性，所有的單元類(lèi)型都選用8節(jié)點(diǎn)3DSOLID單元，采用缺省的常應(yīng)力單元公式。鉆頭與鉆齒相對(duì)于巖石來(lái)說(shuō)較硬，為了便于計(jì)算求解可視為剛體[1]。

1.2 接觸、加載、約束及求解時(shí)間的定義

鉆齒與巖石之間采用面對(duì)面的侵蝕接觸，以關(guān)鍵字*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURF-ACE來(lái)定義，用來(lái)模擬旋沖鉆孔巖石破碎過(guò)程；旋沖鉆孔過(guò)程鉆頭具有旋轉(zhuǎn)與沖擊兩種運(yùn)動(dòng)，以關(guān)鍵字*CURVE來(lái)定義，并且限制鉆頭其他4個(gè)自由度；將巖石的底面全約束，限制巖石的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)；為了避免巖石模型邊界處產(chǎn)生的人工應(yīng)力波再次進(jìn)入模型，影響仿真結(jié)果，筆者設(shè)定巖石模型除與球形鉆齒相接觸的面以外的5個(gè)面為非反射邊界條件，來(lái)模擬無(wú)限域；設(shè)定求解時(shí)間為50ms，僅輸出用于LSDYNA求解的關(guān)鍵字K文件。

2 旋沖鉆孔過(guò)程仿真分析

旋沖鉆孔過(guò)程中，鉆齒的吃入深度、巖石破碎體積以及破碎比功是巖石破碎效率的主要評(píng)判依據(jù)。破碎比功越小，所需的能量越小，鉆機(jī)的性能越好。這里經(jīng)過(guò)LS-DYNA求解計(jì)算后，將各組數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行處理分析，以下對(duì)旋沖鉆孔過(guò)程巖石破碎效率的主要影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析[2]。

2.1 鉆頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)破碎比功的影響

筆者依據(jù)巖石鉆機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，將鉆頭的沖擊頻率設(shè)置為f=20Hz，其他參數(shù)保持不變，旋轉(zhuǎn)速度分別取20r/min、25r/min、30r/min、35r/min、40r/min時(shí)，鉆齒吃入深度與轉(zhuǎn)速的變化，在沖擊力載荷加載之前，鉆齒在靜軸壓力作用下，吃入深度呈現(xiàn)微小的上下波動(dòng)，在25ms沖擊力卸載后，作用在巖石表面的壓應(yīng)力減小，巖石內(nèi)部存儲(chǔ)波的能量產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，巖石的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故巖石更容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破碎，所以此時(shí)鉆齒的吃入深度迅速增大，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆齒的吃入深度影響不明顯，巖石破碎主要發(fā)生在沖擊力卸載后。隨著鉆頭轉(zhuǎn)速的提高，鉆齒破碎體積呈逐漸增大趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，這里主要是因?yàn)樵诠潭l率的沖擊下，球形鉆齒產(chǎn)生的破碎坑之間的脊部寬度是固定不變的，轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩使脊部被刮削掉，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度上升到某一值時(shí)，相鄰破碎坑之間的脊部已經(jīng)被刮削完成，若再繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，破碎體積的變化不是很明顯；在一定范圍內(nèi)，破碎比功隨著轉(zhuǎn)速的不斷上升逐漸減小，鉆機(jī)的破巖效率隨轉(zhuǎn)速的提高而提高，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于某一數(shù)值時(shí)，破碎比功趨于穩(wěn)定，所以在頻率f＝20Hz的情況下，轉(zhuǎn)速在n=30r/min-35r/min范圍內(nèi)破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

2.2 鉆頭沖擊頻率對(duì)破碎比功的影響

依據(jù)巖石鉆機(jī)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，筆者將鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為n=20r/min，其他參數(shù)保持不變，沖擊頻率分別取10Hz、15Hz、20Hz、25Hz、30Hz、35Hz、40Hz時(shí)，鉆齒吃入深度與頻率的變化曲線可以看出:隨著沖擊頻率的增大，鉆齒的吃入深度不斷增加，且頻率越高，吃入深度急劇上升的時(shí)刻點(diǎn)出現(xiàn)的越早。鉆齒的破碎體積、破碎比功與頻率的變化曲線可以看出:隨著沖擊頻率的增大，鉆齒的破碎體積不斷增加，當(dāng)頻率增加到一定數(shù)值后，破碎體積的變化越來(lái)越緩慢，這主要由于在沖擊頻率較高時(shí)，疲勞損傷區(qū)在快速變化的沖擊力的作用下被重復(fù)二次破碎，相當(dāng)于破碎后的巖石未被及時(shí)刮削，沒(méi)有充分體現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)剪切破巖的作用，實(shí)際破巖效果不明顯；同時(shí)隨著沖擊頻率的增加，破碎比功逐漸減小，且破碎比功的變化趨勢(shì)越來(lái)越緩慢，最后趨于穩(wěn)定，故存在一個(gè)最小破碎比功的最佳合適頻率范圍[3]。

因此，在轉(zhuǎn)速n=20r/min的情況下，頻率在f=20Hz-30Hz范圍內(nèi)破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

2.3 破巖效率與旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率之間的關(guān)系

由上述分析可知，旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率均對(duì)破巖效率產(chǎn)生影響，實(shí)際鉆孔過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率對(duì)破巖效果的影響是相互的。所以有必要綜合分析旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率兩者對(duì)破巖效果的影響。此處筆者使用MATLAB軟件處理在不同旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率下的破碎比功相關(guān)數(shù)據(jù)，得到旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率與破碎比功相互關(guān)系。破碎比功與旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率的變化曲面圖可以看出:旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率二者對(duì)破碎比功的影響是相互制約的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度在30r/min-35r/min范圍，沖擊頻率在20Hz-30Hz范圍時(shí)，破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)鉆機(jī)旋沖鉆孔過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，分析了旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率對(duì)破巖效率的影響。結(jié)論如下：①通過(guò)建立旋沖鉆頭破巖的破碎比功模型，得出鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度、沖擊頻率二者對(duì)破巖效率具有很大影響，且二者存在相互制約關(guān)系；②巖石破碎過(guò)程主要發(fā)生在沖擊力卸載后；鉆頭的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鉆齒的吃入深度影響不明顯，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，破碎體積逐漸增加，最后趨于穩(wěn)定；鉆頭的沖擊頻率對(duì)鉆齒的吃入深度和破碎體積均有很大影響，沖擊頻率越大，吃入深度越深，破碎體積越大，巖石出現(xiàn)破碎的時(shí)刻點(diǎn)越早；③在旋轉(zhuǎn)速度和沖擊頻率的共同作用下，存在一個(gè)最佳的匹配范圍，即當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度在30r/min-35r/min范圍內(nèi)，沖擊頻率在20Hz-30Hz范圍內(nèi)時(shí)，破碎比功較小，破巖效率相對(duì)較高。