复合载荷作用下钻头冲击破岩机理研究及现场应用

第36卷第16期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.36 No.16 2017复合载荷作用下钴头冲击破岩机理研究及现场应用李思琪\李玮\闫铁\高晗2，毕福庆3，马红滨4(1.东北石油大学石油工程学院，黑龙江大庆163318;2.中国石油大庆化工研究中心，黑龙江大庆163714;3.中国石油大庆油田第五采油厂，黑龙江大庆163513;4.中国石油集团西部钻探工程有限公司钻井工程技术研究院，新疆克拉玛依834000)主商要：复合载荷冲击破岩作为新的高效破岩技术之一可以解决复杂难钻地层机械钻速缓慢、钻具失效严重等问 题。

基于弹性力学和冲击力学理论，建立了复合载荷作用下压头的破岩模型，分析了模型因素对压头侵深的影响。

同时，应用有限元软件分析了复合载荷作用下岩石位移和应力的响应。

通过现场应用进一步证明复合载荷冲击破岩的提速效 果。

理论研究结果表明:该破岩方法可以在保证钻深基础上，减少钻具失效;还扩大了岩石的响应范围和载荷的作用区 域，加剧了岩石振动的剧烈程度;当激励频率与岩石固有频率相同或接近时，岩石产生共振，整体振动位移达到峰值。

现 场应用效果表明，高频低幅轴向冲击工具应用井段平均机械钻速可达3 m/h，与常规钻具相比，平均提速可达67. 65%。

关键词：复合载荷;冲击作用;侵深;破岩效率;现场应用中图分类号：TE21 文献标志码：A D01：10.13465/j.c n k i. jv s.2017. 16.008A study on the rock breaking mechanism of drill bits under combined loads and field applicationsLI Siqi ,LI Wei , YAN Tie , GAO Han ,BI Fuqing3 ,MA Hongbin(1.Institute o f Petroleum E n gin eerin g, Northeast Petroleum U n ive rs ity, D aqing 163318, C h in a；2. D aqing Petroch em ical Research C en ter, Petro C hina, D aqing 163714, C h in a；3. T h e Fifth O il Production Plant o f D aqing O ilfie ld, Petro C h in a, D aqing 163513, C h in a；4. D rillin g E n gin eerin g T ech n ology R esearch Institute o f X D E C, Petro C hina, K aram ay 834000, C h in a)Abstract：Impacting rock under combined loads, as one of efficient rock breaking technology, can solve the drilling problem of complex hard formation, such as slow drilling rate, serious drilling tool failure. Based on the theories of elastic mechanics and impact mechanics, a rock breaking model of indenters was proposed and the effects of factors on the invasion depth were studied. Also, finite element software was used to analyze the response of displacement and the stress of the rock. At last, the effect of increasing speed under the impacting of combined loads was proved further through field applications. Results of theoretical research show that ：the technology not only can guarantee the invasion depth, but also can reduce the drilling tool failure. It also can expand the response range of rock and the working area of loads and increase the intensity of rock vibration. When the excitation frequency is the same as or is close to the natural frequency of rock, the rock will be resonant and the vibration displacement is the largest. Effects of field applications show that：the average of drilling rate of high-frequency low-amplitude axial impact tool is 3 m/h. It is increased of 67. 65% compared with conventional drilling tools.Key words ：combined load; impacting ；invasion depth ；rock breaking efficiency; field application随着钻井深度的不断增加，复杂地层、难钻地层所 占比例也随之增大，如高研磨性地层、碳酸盐岩地层以及 火山岩地层等[1]。

当钻遇这些地层时，钻进速度缓慢，基金项目：“十三五”国家科技重大专项项目20(2016ZX05020 -002);国家自然科学基金重大项目（51490650)收稿日期：2016 - 04 - 21修改稿收到日期：2016 -06 -28第一作者李思琪女，博士，讲师,1989年生通信作者李玮男，博士，教授，博士生导师,1978年生钻具失效严重[2]，现有常规钻井方法已不能实现高效破 岩的目的[3]。

因此，专家学者开始探索一些新的高效破 岩方法，如粒子冲击射流破岩[4_5]、超临界二氧化碳射流 破岩[6_7]、高频谐振冲击破岩(共振钻井）以及激光破岩 等方法，来解决当前钻井的难题[8]。

本文研究的复合载 荷冲击破岩即为高频谐振冲击破岩的一种形式。

高频谐振冲击破岩技术作为一种新兴的钻井方 法，国内外相关的研究较少，主要的研究成果如下：Li52振动与冲击2017年第36卷等[9]研究了谐波振动激励下钻具的破岩机理并进行了 相应的实验分析;李思琪等[1^11]通过数值模拟和室内 实验途径研究了简谐振动激励下岩石的振动响应问 题;杨威等[12]展开了共振碎岩机理、孔隙介质对共振破 岩过程的影响等方面的探索；阿伯丁大学在室内成功 开展了共振破岩实验，其切屑速度是常规钻井方式的 10倍。

W iercigroch[13]申请了共振增强钻井的发明专 利，发明了一种可以实现共振钻井的装置与方法;Pav-—^等[14]建立了高频振动冲击钻井模型，研究了静 态力，振幅和激励频率等因素对钻进效果的影响。

本文从复合载荷共同作用的角度研究了钻头的破 岩提速机理。

在已有的研究成果中，有关复合载荷作 用的研究主要指岩石受钻头的静压切削和钻头的振动 冲击共同作用[15_16]，这里的振动冲击主要指钻头与岩 石无规律的振动碰撞。

而本文提出的复合载荷冲击作 用是一种新的破岩方式，这里的静载指钻压，动载指钻 头施加于岩石上的筒频简谐振动冲击，研究的是在钻 压和简谐振动冲击共同作用下钻头的破岩机理。

通过 本文的研究，可为高频谐振冲击破岩技术的实现提供 理论基础。

1压头的破岩模型假设钻头与地层岩石的作用为刚性的锥形压头与 一个弹塑性半空间体的作用，如图1所示。

由已有研 究成果可知，如果冲击速度远低于材料的弹性波速度，或者冲击的接触面积和变形区域相比于碰撞体非常 小，材料响应是准静态地，准静态理论仍然适用[17_18]。

因此，这里认为弹塑性半空间体在静载和简谐振动冲 击载荷作用下的响应与准静态加载下的响应相似。

同时假设压头和半空间面之间的接触作用是无摩擦的，卸载阶段材料是弹性卸载。

图1锥形压头与弹塑性半空间体作用模型F ig. 1M o d el o f con ical head and elastoplastic half-space body1.1加载阶段刚性锥形压头对弹塑性半空间体冲击过程中，由于高压力，表面下方形成塑性核，并被剩余的弹性材料 封闭。

由空腔膨胀模型可得塑性核中的应力心为[19](1)式中:&为介质的弹性模量；F为介质的屈服强度;& 为介质的泊松比;为锥形面与弹塑性半空间体之间的 夹角。

为保证弹塑性半空间体发生破碎，作用于冲击表 面的冲击力大小至少要克服塑性核中的应力，即有式中:a为接触面的半径;i)为侵深。

由式（1)、式(2)可得FjiD)=23 3tan2/3'1+lnE stan p2(1-2%)、6Y(l-vs) +3(l-v s) \/(3)式(3)即为锥形压头下加载阶段载荷和侵深的二 次关系式，可表示为W)=2 (4)式中，&为压头加载中的接触刚度，可表示为v 2 F t t/.}^ta n/32(1 -2i;5) 1\3 3tan2/3\[6Y(l-v s) + 3(1 -i;s)J)式中，作用于冲击表面的冲击力可表示为F静载F}= <acos(cot+ cp)简谐动载 （5).F+ acos(cot+ c p)复合载荷1.2卸载阶段在卸载阶段，锥形压头的载荷和侵深关系式可表示为F u l=K ul(D-D{)2(6)式中，I,为压头卸载中的接触刚度，可表示为Ku l=j_ tt E*22co t(/3)式中为两个接触体的有效弹性模量=7^7。

1由于在弹塑性半空间体恢复阶段，有效的锥角 是改变的，载荷和侵深规律可更精确地近似为Ful(D) =Kul(D-D{y-(7)式中，& <2;仏为卸载阶段弹塑性半空间体达到的最 终变形。