张宏涛

(陕西省煤层气开发利用有限公司澄合分公司，陕西 渭南 715200)

0 引言

在地热井资源的勘探开发过程中，深井和超深井的数量不断增加，并保持快速增长的趋势。当聚晶金刚石钻头遇到深层地层中的硬土层时，钻进速度明显下降，延长了钻井时间，降低了钻头寿命，增加了钻井成本。针对这一问题，冲击式钻井技术被应用到地热井钻井工程中，以提高穿透率(ROP)[1]。根据以往的研究，冲击式钻具可分为旋转式、扭转式和复合式冲击式钻具。在所有类型中，旋转冲击式钻具已被证明有利于提高穿透率，主要原因是其冲击锤主要在轴向往复运动，产生的轴向应力波可用来协助破岩[2-3]。鉴于此，开展旋转冲击钻具的研究，通过改善冲击参数来提高破岩效率具有重要意义。

本文在实验室测试的基础上，测量了旋转冲击钻具的实际往复频率和应力波频率。然后，根据岩石动力学材料模型建立了聚晶金刚石钻头刀具的破岩模型，并对模型中的刀具施加了静态和动态载荷，分析了不同循环频率和波频参数下的钻齿穿透深度的变化规律，最后对比分析了两类频率对穿透率的耦合效应。其研究结果可以为冲击钻具工程参数的优化和工具结构的优化提供充分的依据。

1 基于实验的关键参数测量

1.1 工程模型

为进一步分析旋转冲击钻具的冲击锤的往复运动，将冲击锤在一个周期(T1)的运动过程分为三个阶段。第一阶段是从时间t0到时间t1。在时间t0处，冲击锤处于初始位置，速度为零。之后在一定压力和流量的钻井液的驱动下，冲击锤开始加速，直到时间t1，冲击锤即将撞击到钻具的底部，这时冲击锤达到了碰撞前的最大值[4]。第二阶段是从时间t1到时间t2。在此期间，冲击锤与钻具底部发生碰撞，产生应力波，该碰撞将会持续一定时间。并在时间t2处，冲击锤离开底座，开始向相反方向移动。第三阶段是从时间t2到时间t3。在这个阶段中，冲击锤向相反的方向移动，直到回到初始位置[5]。

1.2 循环频率的测量

在旋转冲击钻具的应用过程中，一定速度和压力的钻井液会从上接头流入工具，并驱动工具使锤子来回移动。在这一过程中，轴向冲击锤将接触底座产生应力波。为了测量冲击频率，本文进行了实验室测试。利用离心泵将水从水箱中抽出并输送到旋转冲击钻具中，以产生足够的能量来驱动锤子来回移动[6]。在这个过程中，钻具腔内的压力会随着锤子的往复运动而增加或减少，这可以作为评估锤子循环频率的指标，此外安装在工具上的压力表将测量工具腔内的压裂变化[7]。其中，流体的压力和流量为0.6 MPa和14.3 L/s。

2 数值模拟

2.1 数值模型

聚晶金刚石钻头通常用于旋转冲击钻孔。为了简化模型，选择聚晶金刚石钻头中的单个刀具作为研究对象，刀具位于钻头的外边缘。为了减少模型计算，选取钻齿中间纵向截面作为研究对象，分析钻齿在侵入岩石过程中最大穿透深度的变化。

在建立数值模型的过程中，选择了商业软件Ls-Prepost进行网格划分，并选择软件Ls-Dyna进行计算。考虑到PDC钻头的实际尺寸，直径设置为16 mm，高度为4 mm，倾角为20°，啮合均匀，地层厚16 mm，长300 mm。地层模型的划分采用变密度格网法，计算过程中采用约化整体单元，钻齿和地层的厚度均设置为0.1 mm。钻齿沿地层方向匀速移动，切割岩体，运动时间为0.4 s，时间步长设置为0.0002 s。

2.2 材料规格

如上所述，在旋转冲击钻具的运动过程中，冲击锤的速度经常达到甚至超过6 m/s。在这种速度下，应考虑地热井岩石的应变速率效应。由于传统的岩石静力学参数不能满足这一要求，因此选择岩石动力学参数作为岩石的材料参数。另外，对于冲击载荷下岩石的力学性能，当岩石受到冲击载荷损伤时，RHT材料模型可以综合反映材料的拉伸和压缩损伤情况。

2.3 边界条件、荷载和位移

在旋转冲击钻孔过程中，聚晶金刚石钻头上的钻齿主要承受位移和应力载荷。其中设置钻杆转速为60 r/min，钻头直径为215.9 mm，并选取钻头外缘的钻齿作为研究对象。根据计算，钻齿的转速为0.68 m/s。此外在设定静载荷和动载荷时，从钻柱沿轴向传递到钻齿的静压载荷设定为0.6 MPa。由于冲击能量在应力波中传递，因此应力波被设置为矩形波[8]，并设定冲击锤的循环频率为20 Hz，冲击持续时间为0.05 s，波频率为500 Hz，峰值为0.4 MPa。在边界条件上，模型两侧和底部的边界限制为零位移，将其设置为非反射边界以模拟无边界地层，从而确保产生的应力波不会因反射而影响破岩效应。

3 结果与讨论

3.1 不同钻孔方法的比较

图1为常规钻和旋转冲击钻在钻孔过程中聚晶金刚石钻头的穿透深度的动态变化曲线。根据该曲线变化研究可得，即使在常规钻进过程中，聚晶金刚石钻头的位置也始终处于持续波动的状态，这主要是因为即使静载荷保持不变，聚晶金刚石钻头与硬岩的接触面也会随着聚晶金刚石钻头的不断前移而不断变化，从而导致聚晶金刚石钻头的穿透深度出现波动[9-10]。与传统钻相比，使用旋转冲击钻具时，钻头将承受轴向动载荷，使得切削齿的波动也更加剧烈。在这两种情况下，聚晶金刚石钻头的平均穿透深度分别为2.26 mm和2.79 mm，这意味着与常规钻相比，旋转冲击钻的穿透率可以提高23.5%。

图1 不同钻孔方法的穿透深度

为了进一步分析波动区域内破岩效率的差异，在图2中标注了聚晶金刚石钻头切割地热井岩石后的损坏区域。其中损伤因子代表对岩石的破坏程度，当系数表征为0时，表示岩石没有受到破坏；当系数表征为1时，表示已经完全被破坏。

图2 波动区域内的损坏区域

从两个时间段(0.14～0.20 s，0.30～0.34 s)的对比图来看，在破岩钻进过程中，切削面以下的岩石也受到了破坏，主要是由于附加动载荷对岩石的冲击而造成的。考虑到钻头通过旋转来切割岩石，当钻齿旋转360°时，它将继续在同一位置进行切割。在这种情况下，受损岩石上的反作用力会更小，因此旋转冲击钻的破岩方式更有利于延长钻头的使用寿命。另外，在使用旋转冲击钻具时，轴向动载荷的施加也会导致岩屑的产生。岩屑的大小会影响地热井井筒清洁的效果，这可以作为调整钻井液流体动力学参数的基础。岩屑可分为破损岩屑和未破损岩屑，损坏的岩屑在运动过程中会被破碎，对井筒清洁影响不大，而未损坏的岩屑对井筒清洁的影响较大。

3.2 不同应力波频率下的穿透深度

图3为聚晶金刚石钻头在不同应力波频率下穿透深度的动态变化。由图3可知，当应力波频率为67.5 Hz和125 Hz时，聚晶金刚石钻头齿在地层穿透过程中产生了明显的波动。在这两个频率下，应力波的波长都相对较长，因此产生的能量可以帮助钻头齿在短时间内实现显著的破岩效果，从而在岩石上产生明显的“坑状”凹陷。尽管岩石破碎效果明显，但很容易导致钻头跳动，从而进一步影响钻头和钻具的寿命。随着应力波频率的增加(250 Hz和500 Hz)时，钻齿在岩石穿透过程中产生的波得到改善。由于高频应力波的波长较短，其辅助破岩能量非常小，在地热井破岩过程中无法产生显著的冲击坑。

图3 不同应力波频率下的穿透深度

当应力波频率为67.5 Hz、125 Hz、250 Hz和500 Hz时，聚晶金刚石钻头在前3.59 s的平均穿透深度分别为3.15 mm、3.07 mm、2.79 mm和0.4 mm。因此应力波的频率对穿透深度有显著影响，平均穿透深度随应力波频率的增加而减小。当冲击速度不变时，增加聚晶金刚石钻头的长度有利于降低应力波的频率，可以提高穿透率，增加破岩效果。

3.3 耦合效应的影响

为进一步分析循环频率和应力波频率的耦合效应，比较了聚晶金刚石钻头在不同循环频率和波频率下的穿透深度，如图4所示。可以看出，这两种频率对聚晶金刚石钻头刀具的穿透深度都有显著影响，平均穿透深度随循环频率的不断增大而增大，随应力波频率的升高而减小。当循环频率高、应力波频率低时，钻齿穿透效果最好。如前所述，增加钻井液会增加循环频率，而增加冲击锤的长度有助于降低应力波频率。但是一旦确定流体压力，增加冲击锤的长度也会降低循环频率。

图4 耦合作用下钻头穿透深度变化

在旋转冲击钻的实际工程应用中，也要考虑井筒轨迹、井筒稳定性等工程参数的影响，可以从以下两个方面对参数进行优化。第一，在垂直截面上，可以通过适当提高循环频率和显著降低应力波频率来提高钻速。在这种情况下产生的岩屑很大，但可以通过改善水动力参数来保持井筒清洁。第二，在偏转或水平段中，可以通过适当降低应力波频率并显著增加循环频率来提高机械限速。在这种情况下，产生的岩石碎屑颗粒较小，不会使岩石碎屑出现在水平截面的岩石碎屑床中，有利于井筒的清洁。

4 结语

(1)增加流体压力可以增加冲击锤的冲击速度以增加循环频率。然而，冲击锤的冲击速度并不影响应力波的频率。而增加冲击锤的长度有利于降低应力波的频率。

(2)建立了单个聚晶金刚石钻头的常规钻进和旋转冲击钻进的数值模拟，并考虑了岩石动力学参数。研究结果表明，旋转冲击钻进(2.79 mm)的穿透率比常规钻进(2.26 mm)高23.5%。

(3)平均穿透深度随循环频率的持续增加而增加，随应力波频率的升高而降低。当采用较高的应力波频率和循环频率时，聚晶金刚石钻头在破岩过程中产生的岩屑尺寸较小，有利于地热井钻井过程中的井筒清洗。