姜美旭，颜廷俊，张 扬，聂炳林

（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.中国石化海上石油工程技术检测中心，山东东营257001） ①

基于LS－DYNA的粒子冲击破岩机理及参数优化

姜美旭1，颜廷俊1，张 扬1，聂炳林2

（1.北京化工大学机电工程学院，北京100029；2.中国石化海上石油工程技术检测中心，山东东营257001）①

粒子冲击钻井是一种以粒子冲击破岩为主的新型钻井技术，能有效解决目前坚硬地层钻井中常出现的钻进速度慢、钻头寿命短等问题。为分析影响粒子冲击钻井中粒子破岩效果的因素，应用非线性有限元软件LS－DYNA建立球形钢粒子冲击岩石的三维实体模型，模拟了粒子冲击岩石的全过程。通过分析粒子入射参数随岩石的能量吸收率和侵彻体积的变化规律，得出粒子入射速度为120～150m／s、粒子直径为2.5～4.5mm和入射角度为0～10°时为宜。

粒子钻井；参数优化；LS－DYNA

深井及坚硬地层的快速钻进问题一直是钻井工程中的技术难题。据资料显示，石油资源占全国1／3以上的西部地区有73%的石油资源埋藏在深部地层。随着钻井深度的增加，岩石的可钻性显著降低，钻井难度呈指数形式增加。硬地层钻井不仅存在于深井中，我国某些地区在浅井段也存在坚硬的岩层，以高陡构造和坚硬老地层的钻探最为突出［1］。深井、硬地层的勘探开发已成为目前油气田作业的首要问题。目前国内虽采用了多种新型钻井方法［2－3］，却还不能有效解决坚硬地层的钻进问题。

粒子钻井技术利用泥浆中携带的金属粒子通过钻杆、水眼高速冲击岩石达到破碎岩石的效果，是以粒子破岩为主，机械破岩和水力破岩为辅的一种新型钻井技术。根据美国粒子钻井公司（Particle Drilling Technology Inc.）于2006—2008年的实验表明，粒子钻井技术相对于传统钻井技术有钻速快、井斜小、钻具寿命长等优点［4－8］。由于粒子钻井是一种新兴的钻井技术，目前对其理论研究的文献较少。本文利用非线性有限元数值计算软件LS－DYNA，通过数值模拟的方法以岩石的侵彻体积和能量吸收率为判据，研究粒子破岩参数入射速度、粒子直径和入射角度对破岩效果的影响，以指导粒子钻井现场作业。

1 建立有限元模型

利用ANSYS的前处理功能建立粒子侵彻的三维实体模型，粒子和岩石均采用8节点六面体单元进行划分。随后将模型导入LS－DYNA设置材料模型参数，最后利用LS－DYNA Solver和LS－PrePost进行求解和后处理。

材料模型参数是粒子破岩分析的关键之一。将粒子视为圆形钢粒子，岩石则选用Holmquist－Johnson－Cook模型（HJC）。HJC模型考虑了材料损伤、应变率效应以及静水压力对于屈服应力的影响，其本构关系采用多孔材料的三段式状态方程描述，而等效强度的应变率效应和损伤累计破坏准则类似于Johnson－Cook模型，特点就是能够反映混凝土、岩石等脆性材料在大应变、高应变速率和高围压下及材料损伤失效的动态响应［9］。岩石的材料模型参数如表1所示。

表1 岩石HJC模型参数

在粒子冲击钻井中，粒子的尺寸相对于岩石来说非常小，因此在数值求解中将岩石的边界设为非反射边界，以模拟无限大的岩石的受力情况，同时粒子与岩石的接触选择面面侵彻接触。

2 粒子冲击参数分析与优化

将岩石和粒子作为一个系统，粒子与岩石未接触时，系统的总能等于粒子的动能。碰撞后能量由裂纹扩展的内能、破碎后碎块的动能、粒子回弹的动能等组成［9］。考虑到岩石类材料是典型的脆性材料，而破碎的岩屑相对于无限大的岩石来说其动能可以忽略，因此可以近似认为碰撞后系统的全部能量都转化为岩石的内能和粒子回弹的动能。

2.1 不同入射速度下粒子破岩分析

以粒子直径为2.5mm，入射角度0°（垂直入射）为基本参数。为便于观察和分析，在图1中展示了入射速度150m／s、粒子直径2.5mm、入射角度0°时的粒子撞击岩石形成侵彻和空穴的全过程。图1b为粒子与岩石刚发生侵彻接触，在非常小的接触面上产生了很大的瞬时应力，超过了岩石的抗压强度；图1c为随着粒子继续侵彻，在岩石表面开始产生明显凹坑；图1d岩石表面的凹坑不断扩大，逐渐形成了漏斗形的凹坑，同时粒子自身应力逐渐减弱，并开始反弹；图1e粒子开始反弹，应力波仍不断从接触点向岩石内部扩散，并导致岩石内部出现空穴；图1f粒子反弹并完全离开岩石表面，岩石内部形成了倒漏斗形的空穴，此时岩石破坏最为严重。

影响粒子冲击岩石破碎效果的因素有很多，例如钻井液的水楔作用、粒子入射参数、粒子尺寸、岩层温度等。本文主要研究粒子入射速度、粒子直径和入射角度3个核心参数对岩石侵彻效果的影响规律，并从岩石的侵彻体积和能量吸收率两方面评价粒子的侵彻效果和破岩效率。

粒子撞击岩石后撞击转化的能量将导致岩石内部裂纹的汇聚和扩展，降低岩石的力学性能。因此能量吸收率可以反映粒子侵彻效率的高低，能量吸收率的计算方法［8］为

图1 入射速度150m／s、粒子直径2.5mm、入射角度0°时的粒子破岩过程

图2反映了粒子不同入射速度对破岩效果的影响。从图2中可看出，粒子入射速度从100m／s增大到200m／s后，岩石的侵彻体积有较大增加，岩石表面漏斗状的凹坑和内部倒漏斗状的空穴均有明显扩大。

图2 入射角度100m／s与200m／s时的粒子破岩效果对比

图3反映了粒子入射速度同岩石侵彻体积的关系。随着入射速度的增大，岩石的侵彻体积逐渐增大。这是因为当粒子入射速度增大时，其与岩石的接触应力和能量均增大，岩石的破碎体积随之增大，所以破岩效果愈来愈好。值得注意，粒子速度的增大受到钻井泥浆泵排量的限制，不可能无限制地增加。

图3 入射速度与侵彻体积的关系曲线

图4反映了粒子入射速度同岩石能量吸收率的关系。从图中可以看出，随着粒子入射速度的增大，岩石的能量吸收率先上升后下降，即并不是速度愈大能量吸收率愈好，而是存在一个能量吸收率较高的速度区间。这是因为当入射速度很高时，粒子的反弹速度亦很大，粒子具有的动能并未有效地传递给岩石，反而导致能量吸收率下降。当入射速度在120～150m／s时，能量吸收率均超过了70%，粒子的破岩效率较高。从工程实际看，排量为40～50 L／s的钻井泥浆泵就可提供上述区间的粒子入射速度。

图4 入射速度与能量吸收率的关系曲线

2.2 不同粒子直径下粒子破岩分析

假设粒子入射速度100m／s，入射角度0°，研究岩石的侵彻体积和能量吸收率随粒子直径的变化规律。

图5为粒子直径同岩石侵彻体积之间的关系。从图中可知，随着粒子直径的增大，粒子的动能会随之增大，从而岩石的侵彻体积不断增加。特别值得关注的是粒子直径从2.0mm增大到2.5mm时，侵彻体积从0.39×10－9m3大幅增大到1.38×10－9m3，增大较多。这是因为直径2.0mm时粒子冲击能量不足，破岩过程中岩石内部没有产生倒漏斗形的空穴，如图6所示。当粒子直径＞2.5mm时，岩石内部均出现倒漏斗形的空穴，这就使得侵彻体积大幅度增加。

图5 粒子直径与侵彻体积关系曲线

图6 入射速度100m／s、粒子直径2.0mm、入射角度0°时的破岩效果

图7反映了粒子直径同能量吸收率的关系。从图中可知，当粒子直径在1.0～2.0mm和2.5～4.5 mm 2个区间内，随着粒子直径的增大，能量吸收率不断增加。当粒子直径在2.5mm时，能量吸收率存在一个突变，这是岩石内部形成倒漏斗形空穴的过程中能量损失增加，致使能量吸收率下降所致。

图7 粒子直径与能量吸收率的关系曲线

综合考虑侵彻体积和能量吸收率2方面的影响，加之工程中钻头水眼直径通常在10mm左右，为防止过大的粒子直径堵塞钻头水眼，粒子直径应控制在2.5～4.5mm为宜。

2.3 不同入射角度下粒子破岩分析

假设粒子直径2.5mm，入射速度100m／s，研究岩石的侵彻体积和能量吸收率随入射角度的变化规律。

如图8所示为粒子入射角度同侵彻体积的关系。从图中可知，随着粒子入射角度的增加，侵彻体积先快速下降后又缓慢提高，并在入射角度为10°时出现拐点。这是因为粒子入射角度在0°和5°时，破岩过程中岩石内部有倒漏斗形的空穴，而入射角度在10°时，破岩过程中岩石内部没有产生倒漏斗形的空穴，使得10°时岩石体积相对0°和5°有较大幅度的减小所致，如图9所示。

图8 入射角度与侵彻体积的关系曲线

图9 不同入射角度的粒子破岩效果对比

图10反映了粒子入射角度同能量吸收率的关系。从图中可以看出，随着粒子入射角度的增加，岩石能量吸收率不断下降。当入射角度＞20°时，能量吸收率已低于60%，即较大的入射角度不利于粒子破岩，粒子破岩效率较低。综合考虑侵彻体积和能量吸收率两方面的影响，工程中粒子入射角度应控制10°以内。

图10 粒子入射角度与能量吸收率的关系曲线

2.4 粒子冲击参数优化

综合考虑工程实际中泥浆泵排量和钻头水眼直径等的限制以及入射速度、粒子直径和入射角度3个参数对岩石侵彻体积和能量吸收率的影响，粒子入射速度控制在120～150m／s，粒子直径在2.5～4.5mm，入射角度＜10°时粒子的破岩效果和破岩效率较佳。

3 结论

1） 随着粒子入射速度的增大，岩石的破岩效果愈好，而岩石的能量吸收率先上升后下降。当入射速度为120～150m／s时，岩石的能量吸收率高于70%，破岩效率较高。

2） 随着粒子直径的增大，岩石侵彻体积不断增加，破岩效果愈好。当粒子直径在1.0～2.0mm和2.5～4.5mm区间内，随着粒子直径的增大，能量吸收率亦不断提高。综合考虑钻头水眼直径的限制，粒子直径应控制在2.5～4.5mm为宜。

3） 随着粒子入射角度的增大，岩石侵彻体积先快速下降后又缓慢提高，而岩石能量吸收率不断下降。较大的入射角度不利于粒子破岩。为了提高粒子破岩效率，粒子入射角度应＜10°。

［1］ 王大勋，刘 洪，韩 松，等.深部岩石力学与深井钻井技术研究［J］.钻采工艺，2006，29（3）：6－10.

［2］ 杨 谋，孟英峰，李 皋，等.提高深井机械钻速的有效方法［J］.石油矿场机械，2009，38（8）：6－8.

［3］ 伍开松，古剑飞，况雨春，等.粒子冲击钻井技术评述［J］.西南石油大学学报：自然科学版，2008，30（2）：142－146.

［4］ Terry J.Increase ROP with PID［J］.Global Exploration and Production News，2006（11）：95－96.

［5］ Rach N M.Particle－impact drilling blasts away hard rock［J］.Oil ＆Gas Journal，2007（2）：43－45.

［6］ Lord R.Bit technology keep space with operator activity［J］.World Oil，2006（11）：80.

［7］ Tibbitts G A，Galloway G G.Particle drilling alters standard rock－cutting approach［J］.World Oil，2008（7）：37－44.

［8］ Hardisty T.Big oil is tuning into hard rock to get to petroleum resources［J］.Houston Bussiness Journal，2007，37（44）：16－22.

［9］ 李 耀.混凝土HJC动态本构模型的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2009.

Study on Rock Breaking Mechanism for Particle Impacting and Parameter Optimization Based on LS－DYNA

JIANG Mei－xu1，YAN Ting－jun1，ZHANG Yang1，NIE Bing－lin2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing100029，China；2.Technological Inspection Station of Offshore Petroleum Engineering，SINOPEC，Dongying257001，China）

Particle impact drilling is a new drilling technology which is dominated by particle impacting.The problems of drilling hard formation such as low drilling speed and short service life of bit can be effectively solved.To analyze the factors of rock breaking effect in particle impact drilling，the process of rock breaking of particle impacting was simulated by establishing three dimensional finite element models with nonlinear finite element software LS－DYNA.By analyzing change laws of incident parameters with volume of rock breaking and rate of energy absorption，the incident velocity of 120～150m／s，particle diameter of 2.5～4.5mm and incident angle of 0～10°are advisable.

particle impact；drilling；LS－DYNA

1001－3482（2011）08－0014－05

TE92.01

A

2011－01－27

中石化先导项目“粒子冲击钻井技术前瞻性研究”（P10037）

姜美旭（1986－），女，新疆克拉玛依人，硕士研究生，主要从事石油钻采装备的科研工作，E－mail：jiangmeixv＠163.com。