刘楚阳
中石化江钻石油机械有限公司技术中心 湖北省武汉市 430074
摘要：随着油气勘探的不断深入，井深从中浅层向深层、超深层延伸，钻井难度逐渐增加，因此钻井提速是相关研究的重点，钻井速度的快慢与钻头破岩效率关系很大。钻头谐振破岩技术是未来钻井提速的一个重要分支。井底工作面的岩石在钻头的谐振作用下能够加速破碎，而当前简谐振动冲击下岩石的破碎机理研究正处于起步阶段，钻头简谐振动对岩石的破碎效果及其破岩机理还不明确。通过在PDC钻头上安装振动发生器，可以使钻头在钻进过程中发生谐振频率，从而带动岩石发生共振，达到提高岩石破碎效率的目的。
关键词：PDC钻头；谐振冲击作用力；岩石破碎；分析研究
1研究目的及意义
随着油气勘探的不断深入，井深从中浅层向深层、超深层延伸，破岩难度逐渐增加。深井超深井地层岩石硬度大、可钻性极值高、研磨性强，破岩工具失效快，机械钻速较慢。在深井超深井钻进中，会遇到各种各样的深部难钻地层，这给现有高效破岩技术提出了极大考验。现代钻井的破岩技术是在旋转钻头加高压水射流的基础上发展起来的，喷射钻井技术在浅到中深部地层具有十分优异的钻井效果，机械钻速高，钻井事故少，成本低等。在深部地层，喷射钻井的钻井提速效果并不十分理想，机械钻速较低，成本较高。针对我国当前深部地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况，亟需发展新的具有自主知识产权的高效破岩技术。
谐振破岩钻井技术具有提高机械钻速，减少钻井成本等优点是解决上述问题的关键技术之一，同时谐振破岩也是未来钻井技术发展的一个重要方向，钻头谐振破岩技术就是在钻头上方接一个可以调节频率的振动发生器，振动发生器在工作时产生与岩石固有频率相似的高频振动，振动通过钻头作用于岩石并产生共振，岩石在谐振钻头的作用下加速破碎，从而达到提速的目的。谐振破岩钻井技术为钻井工程的提速降本提供技术支撑，对现场应用有重要的指导意义。
2离散元法数值模拟的优势
2.1离散元法应用概要
针对PDC钻头的破碎岩石过程，采用离散元法进行仿真模拟，区别于常规的岩石仿真材料模型的分析，离散元法对PDC钻头的谐振破岩过程的仿真更具有优越性。将岩石的模型进行离散化处理，使得岩石的内部构造形成离散的独立颗粒，并且可针对每个颗粒的剪切模量、泊松比、摩擦系数、半径、密度、刚度强度等关键数据进行单独的设定。在仿真过程中可以对每个颗粒介质变化进行可视化观察，通过对粒子设置、粒子间连接链的参数设置，实现对岩石离散元模型的建立。
2.2岩石仿真模型的参数设置
建立起岩石离散元模型后，对模型的参数进行设置，按照实际地质条件，以常见的岩石结构为研究对象，将实际大自然岩石力学参数设置到岩石离散元模型中。岩石体选用为砂岩，其密度为2.67g/cm3、弹性模量为18.099GPa、泊松比为0.42、剪切模量为10.18GPa、抗压强度为132.6GPa，岩石的内聚力为21.503MPa、内摩擦角设置为36.03°，岩石模型离散颗粒的分布具有随机性和均匀性，根据岩石具有塑性的特征，注重对离散颗粒之间内聚力的设置并同时考虑离散模型的内摩擦力。各颗粒之间的链接键具有极限应力，但是数值不得大于岩石的最大抗压强度，否则链接键将发生断裂。此外，单位面积内的强度、刚度以及切向的极限应力都会对离散模型的试验结果产生影响。
3PDC钻头单齿切削仿真模型的建立
3.1仿真模型基本假设
为提高PDC钻头与岩石相互作用的仿真计算效率，采取模拟PDC单齿与岩石离散元模型之间的相互作用机理，在不影响计算结果的条件下，提出以下模型假设：(1)因PDC钻头的硬度要大于岩石的硬度，假设PDC钻头的单齿为刚体，在钻井过程中不会发生磨损；(2)假设岩石为各向同性材料，岩石材料内部无裂纹，假定周围环境未对岩石内部造成破坏；(3)假设岩石离散元模型的颗粒均为刚性，颗粒之间的接触也是刚性接触，颗粒之间存在重叠现象；(4)岩石离散元模型受到PDC钻头单齿切削后，不会对其他的颗粒产生影响。
3.2单齿切削模型的建立
由于地层可视为无限远的地质模型，在有限元仿真中，建立起无限远的大地模型将对计算效率产生不利影响。在设置岩石体大小时应充分结合实际情况和考虑计算时间的因素，将岩石离散元模型的大小设置为100×100×100mm，每个颗粒之间的接触形式为粒子间接触，单位面积内的高度为1.3e+9N/m3，极限应力为2.3e+09Pa，每个颗粒的圆球半径为0.01mm，岩石体模型的四周边界位置处设置为无反射边界条件，模拟大地无限远的实际环境。每个颗粒采用随机填充的形式，并且施加重力场。此外，对PDC钻头切削齿的模型进行建立，按照实际模型大小，切削齿的直径为12mm，厚度为2.5mm，将切削齿模型与岩石离散元模型进行组合装配，设置切削齿的速度为2m/s，切削齿将按照20°角度侵入岩石离散元模型。
PDC钻头的切削齿在载荷力作用下侵入岩石体内，通过扭矩作用对岩石进行剪切。由于岩石具有抗拉强度较低的特点，在切削齿与岩石接触时，开始产生微裂纹，逐渐演变成为岩石体的破碎状态。同时PDC钻头在井下高速旋转切削岩石时，接触的过程中会产生高温，使得岩石更具有弹性和塑性。
4PDC钻头谐振作用破岩仿真结果分析
4.1岩石破碎机理
通过仿真软件对PDC钻头切削齿侵入岩石进行分析，可以看出整个过程是对岩石进行挤压，使岩石产生了滑移变形。当受到的剪切应力大于材料的屈服强度时，岩石受到切削的底部位置就会在强大的挤压力作用下发生碎裂，从而离开岩石体形成切屑。
4.2谐振切削与常规切削对比分析
PDC钻头切削齿在谐振作用下与常规切削过程对岩石的破碎效果，从切向力角度分析，谐振作用力切削岩石时，切向力的曲线波动较小，波峰与波谷之间的偏差相比于常规切削产生的切向力更小，因此岩石更容易受到切削齿的破碎作用，切削齿的受力更加均匀，PDC钻头在提高了切削速度的同时，也起到了延长钻头使用寿命的作用，提高了切削岩石的工程效率。
4.3不同振动频率切削效果对比分析
通过仿真分析得出谐振切削比常规切削对岩石时的切削破碎效率更高，说明谐振切削更适合PDC钻头对岩石的破碎作用。在此结论基础上，对谐振切削在不同频率下的切削效果进行对比，分析得出最佳的谐振频率，加载频率分别为45Hz、50Hz、55Hz、60Hz，分析各个频率作用下的切向力曲线。PDC切削齿产生的切向力随着简谐振动频率的增加而不断增加，且整体切向力的振幅情况相对于未添加简谐振动的振幅明显减小，而且当此时PDC钻头的简谐振动频率设置为60Hz时，所产生的切向力最大。试验结果分析可知，PDC钻头的谐振频率应设置在60Hz，可达到对岩石最佳的切削效果。
5结语
针对目前PDC钻头在油气钻探过程中对岩石破碎效率有待提升的现状，提出了采用谐振作用力对岩石进行切削的方式。先对谐振切削与常规切削在切向力数据方面进行了对比，结果显示谐振切削在对岩石的切削效果方面更具优势。同时对比分析了谐振切削在不同频率下的切削效果，得出频率为60Hz时的切向力最大，对岩石的切削效率最高。此研究成果可为提升PDC钻头切削工程效率提供依据。
参考文献
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