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潛孔鉆頭研究現(xiàn)狀及展望

2015-12-01 06:37馮一璟張來斌梁偉中國石油大學(xué)北京機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院北京102249
關(guān)鍵詞:潛孔破巖鉆頭

馮一璟,張來斌,梁偉(中國石油大學(xué)(北京)機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院,北京 102249)

楊帆(中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249)

鄧嶸(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,四川 成都 610500)

馮定(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,湖北 荊州 434023)

隨著空氣鉆井的規(guī)?;瘧?yīng)用,空氣錘因其機(jī)械鉆速快、具有防斜糾斜等優(yōu)點(diǎn)而在油氣田開發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。俗話說“鉆頭不到,油氣不冒”,潛孔鉆頭在空氣錘鉆井過程中起到非常重要的作用,而潛孔鉆頭的使用壽命直接關(guān)系到空氣錘乃至氣體鉆井的效率。潛孔鉆頭的使用數(shù)量與鉆井成本息息相關(guān),根據(jù)國外資料統(tǒng)計(jì),以單位進(jìn)尺來算,使用潛孔鉆頭引起的成本約為整個(gè)鉆井成本的20%。由此可以看出,潛孔鉆頭的使用數(shù)量直接關(guān)系到整個(gè)鉆井的經(jīng)濟(jì)效益[1,2]。國產(chǎn)潛孔鉆頭存在技術(shù)性能指標(biāo)偏低,可靠性不穩(wěn)定,使用壽命低等一系列不足之處,因此開展?jié)摽足@頭的相關(guān)研究,為探索改進(jìn)鉆頭性能及提高鉆頭壽命具有重要意義。

1 潛孔鉆頭工作原理

潛孔鉆頭是通過沖擊旋轉(zhuǎn)方式破巖的,作用在潛孔鉆頭上的載荷主要有3個(gè):沖擊力、鉆壓及扭矩。沖擊力是潛孔鉆頭破巖的主要作用力,沖擊波由鉆頭傳遞給井底巖石,對井底巖石進(jìn)行高頻往復(fù)式?jīng)_擊破碎;鉆壓的作用除了抑制沖程過后鉆頭的回彈,還可以直接壓碎表層巖石;而上部鉆機(jī)給鉆頭提供的扭矩,使鉆頭對井底巖石進(jìn)行回轉(zhuǎn)切削,在這3種力的共同作用下,潛孔鉆頭的破巖變成一個(gè)高效復(fù)雜的過程。潛孔鉆頭的尾部與潛孔沖擊器相連接,當(dāng)具有一定質(zhì)量和速度的活塞沖擊鉆頭尾部時(shí),在時(shí)間極短的沖擊載荷和極大的沖擊速度作用下,巖石的表面形成了局部破碎,產(chǎn)生如圖1中Ⅰ-Ⅰ所示的溝槽,此時(shí)將鉆頭旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α,再進(jìn)行第2次沖擊,形成圖中Ⅱ-Ⅱ所示的溝槽。如果連續(xù)不斷地對炮孔進(jìn)行沖擊旋轉(zhuǎn),并不停地排出巖屑,便可以形成圖中的圓形炮孔。潛孔鉆頭在破巖時(shí),溝槽的形成依靠沖擊作用,沖擊鉆頭尾部所產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變以波的形式作用于孔底巖石上,使巖石產(chǎn)生局部破碎;而扇形區(qū)域則是鉆頭在旋轉(zhuǎn)時(shí),巖石受剪切作用而形成的[3~5]。所以潛孔鉆頭的破巖成孔過程實(shí)質(zhì)上是沖擊壓碎和剪切刮削的復(fù)合運(yùn)動,如圖1所示。

2 潛孔鉆頭結(jié)構(gòu)研究

易高來提出將鉆頭頭部端面由四翼對稱結(jié)構(gòu)改進(jìn)為三翼整體結(jié)構(gòu),這樣不僅可以改善布齒條件和排氣孔的設(shè)計(jì),而且提高了鉆頭的整體強(qiáng)度。并且將鉆頭端面分成3個(gè)區(qū)域,即雙斜面中心大平面結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)可以使所有硬質(zhì)合金齒達(dá)到比較均勻的磨損,而且便于加工及固齒[6]。對于大直徑潛孔鉆頭,齒圈數(shù)多,里圈齒間距應(yīng)取上限,邊緣圈距應(yīng)取下限。每圈齒數(shù)應(yīng)根據(jù)所擔(dān)負(fù)的破碎孔地面積百分比來確定,以得最佳破巖效果,使鉆刃磨損均勻。每圈球齒的位置應(yīng)保證每個(gè)齒和整個(gè)鉆頭受力均勻[7]。符夷雄等研究了破巖機(jī)型與球齒鉆頭的結(jié)構(gòu)形狀、所鉆巖性的合理性,并獲得了足夠沖擊功時(shí),潛孔鉆頭的破巖效果更好;齒數(shù)較多時(shí),潛孔鉆頭對沖擊能更敏感;在硬脆巖石、較大沖擊能條件下,球齒鉆頭使用效果最佳的結(jié)論[8]。李華等在工作條件布齒理論的基礎(chǔ)上,從球齒破碎機(jī)理出發(fā),探討了相鄰球齒對破巖效果的影響,從而確定了最優(yōu)齒間距,并確定了鉆頭的最佳齒位和合理的齒數(shù),最優(yōu)齒間距為(D1+D2)/2(D1、D2分別為相鄰壓頭碎巖產(chǎn)生一次大剪切時(shí)破碎穴的最大直徑),球齒數(shù)目可以由沖擊功確定[9]。金鑫通過研究發(fā)現(xiàn),潛孔鉆頭齒傾角取值大小與其工作所承受的切向載荷、軸向載荷、硬質(zhì)合金強(qiáng)度、刮削摩擦系數(shù)等有關(guān)系,應(yīng)通過力學(xué)分析來確定其值大小,但根據(jù)設(shè)計(jì)得出傾角一般在30~45°[10]。黃志強(qiáng)等通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn),導(dǎo)致潛孔鉆頭失效的主要原因是邊齒鉆井過程中受到剪切破壞,而并非是邊齒受壓破壞或者受拉破壞,根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)推薦在沖擊力較小時(shí)傾角為20~50°,在沖擊力較大時(shí),傾角為35~40°[11]。楊茂君對潛孔鉆頭井底流場進(jìn)行研究以后認(rèn)為,噴嘴向鉆頭中心靠攏可以提高流體對牙齒的沖洗能力,并可有效的吹掃井底巖屑,減少由于沖擊巖屑而造成重復(fù)鉆進(jìn)[12]。

圖1 潛孔鉆頭破巖機(jī)理

3 潛孔鉆頭靜力學(xué)研究

Akchiko、Kumano等試驗(yàn)研究了沖擊速度為18~40m/s時(shí),半球形齒和圓錐齒在不同沖擊速度時(shí)對塑性頁巖的沖擊情況。基于體積應(yīng)變和靜壓力經(jīng)驗(yàn)公式以及試驗(yàn)結(jié)果,建立了鉆頭鉆進(jìn)深度與鉆進(jìn)速度、巖石可鉆性之間的數(shù)學(xué)模型,在模型建立過程假定鉆頭所產(chǎn)生的沖擊能功全部作用在破碎和壓碎巖石過程[13]。Werner Goldsmith等研究了尖端桿對耐堿巖石沖擊破碎情況,并根據(jù)分析獲得,在相同的研究工況下,具有最大破碎坑的鉆齒為120°鍥形齒;而具有最大鑿入深度的鉆齒為60°錐形齒;對峰值高和鉆硬地層巖石需持續(xù)時(shí)間短的應(yīng)力波,這樣可更好的鉆磨硬巖石;對于軟地層巖石,應(yīng)力峰值小和持續(xù)時(shí)間長的應(yīng)力波有助于鉆磨軟地層巖石;研究結(jié)論也得出在相同能量鉆磨地層時(shí),石灰?guī)r沒有頁巖的易鑿深,應(yīng)力波沖擊巖石過程,巖石與鉆頭之間剛開始處于自由狀態(tài),然后活塞鉆入巖石時(shí)固定狀態(tài),最后活塞被反彈脫離接觸[14~16]。刁順等在考慮了活塞端面與末速度作用力而產(chǎn)生的應(yīng)力,并提出了在簡諧力作用下的反射波與入射波之間的方程,該方程的提出主要是針對前期研究未考慮活塞的末速度對鉆頭應(yīng)力的作用[17,18]。譚卓英等人針對邊齒的受力情況,系統(tǒng)的研究了邊齒的失效問題,得出了鉆齒孔的應(yīng)力分布情況以及鉆齒孔易失效的部位,同時(shí)理論分析了鉆頭體和球齒的疲勞特性情況,最后得出了鉆齒孔喇叭口的最終形成原因[19,20]。甘海仁等根據(jù)相關(guān)的鑿巖機(jī)現(xiàn)場測試結(jié)果,詳細(xì)研究了鑿巖機(jī)與沖擊破巖類工具的入射應(yīng)力波形、性能特性與潛孔鉆頭之間的應(yīng)力峰值關(guān)系[21,22]。

4 潛孔鉆頭計(jì)算機(jī)仿真研究

林元華建立了鉆頭牙齒沖擊巖石過程互作用模型,完成了仿真軟件編制,采用數(shù)值模擬方法測算了沖擊器活塞沖擊力和沖旋鉆井機(jī)械鉆速[23]。周曄應(yīng)用ANSYS有限元軟件數(shù)值模擬了潛孔鉆頭鉆齒過盈量對齒孔和牙齒應(yīng)力的影響規(guī)律[24]。金鑫應(yīng)用LS-DYNA有限元軟件分析了不同類型鉆齒的破巖形態(tài),并根據(jù)分析結(jié)果得出沖擊破巖主要有斷裂區(qū)、破碎區(qū)和無損區(qū)3種形態(tài);同時(shí)得出錐形齒和球形齒相結(jié)合破巖效率最優(yōu),并推薦使用該布齒方案[10]。魏振強(qiáng)通過非線性有限元軟件ANSYS/LSDYNA對不同沖擊功作用下的潛孔鉆頭與巖石互作用過程進(jìn)行仿真,仿真表明適當(dāng)增加沖擊功能夠提高潛孔鉆頭破巖效率和鉆進(jìn)速度。但沖擊功過大,對進(jìn)一步提高巖石破碎坑的深度和巖石破碎體積沒有明顯效果,反而會降低物探?jīng)_旋鉆頭的使用壽命[25,26]。王琳通過在 ANSYS中建立 Q13115-H64型潛孔鉆頭的有限元模型,對不同過盈量下鉆頭本體的應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究,并提出針對鉆頭本體不同的齒孔間距,采用不同的配合過盈量,從而保證鉆頭上所有柱齒固緊效果都能達(dá)到最優(yōu)[27]。黃志強(qiáng)、周已等應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對不同牙齒過盈量時(shí)鉆頭本體應(yīng)力的分布情況進(jìn)行了模擬研究,并得出了相應(yīng)的應(yīng)力分布圖,為合理進(jìn)行潛孔鉆頭本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)和校驗(yàn)方法[28]。黃繼亮采用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真分析軟件對空氣錘活塞-鉆頭-巖石的破巖過程進(jìn)行了仿真研究,得出沖擊應(yīng)力波傳播過程中,鉆頭胎體部位氣孔交匯處應(yīng)力幅值最大,是鉆頭最薄弱之處,加之長期處于高頻交變沖擊應(yīng)力的作用下,是導(dǎo)致鉆頭胎體部位疲勞斷裂的主要原因[29]。趙艷嬌采用有限元分析軟件CFD研究表明,反循環(huán)潛孔鉆頭引射孔與鉆頭中心貫通通道夾角為45°時(shí)反循環(huán)形成效果最好,并對不同外徑的鉆頭分別進(jìn)行仿真模擬分析,分別得到了最有利于實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)的底部排風(fēng)孔傾角,同時(shí)優(yōu)化了現(xiàn)有鉆頭結(jié)構(gòu),使其更有效的實(shí)現(xiàn)反循環(huán)鉆進(jìn)[30]。祝效華、羅衡通過仿真分析剖析了動靜載在破巖中聯(lián)動作用及對破巖的影響,發(fā)現(xiàn)沖擊功-破巖比功曲線有界限明顯的波動區(qū)與穩(wěn)定區(qū),并由此提出了空氣沖旋鉆井臨界沖擊功、臨界鉆壓的概念[31,32]。

5 潛孔鉆頭材料研究

太原重機(jī)學(xué)院工廠技術(shù)科的劉鴻雁等從鉆頭制造方法和加工工藝等方面進(jìn)行了研究,以此來提高鉆頭強(qiáng)度,提高其使用壽命,并對硬質(zhì)合金齒的選擇和硬質(zhì)合金的鑲焊作了一定的技術(shù)總結(jié)[33]。根據(jù)球形壓模破巖的有效機(jī)理和彎曲應(yīng)力恒等的要求,李常春、寧曙光設(shè)計(jì)出耐鈍硬質(zhì)合金柱齒,證明了耐鈍硬質(zhì)合金柱破巖時(shí),巖石面對齒面的反作用力基本是壓應(yīng)力,很少出現(xiàn)彎曲應(yīng)力,所以用該合金柱齒潛孔鉆頭鑿巖時(shí),牙齒不易破碎;并且在合金柱齒高度磨損很多的情況下,其鈍臺直徑也遠(yuǎn)低于2/3合金柱直徑,故其不易鈍化[34,35]。針對高風(fēng)壓潛孔鉆頭由于滲碳工藝不合理而造成的鉆頭崩塊、裂紋,陳儒軍、徐家軍提出采用低濃度滲碳+高溫回火+一次淬火+低溫回火工藝可以較好地解決鉆頭的崩塊等問題[36]。黃志強(qiáng)、沈岳等就空氣重新鉆頭鉆進(jìn)中牙齒頻繁斷裂、脫落及磨損嚴(yán)重等問題,分析了空氣錘牙齒的失效機(jī)理,采用了納米改進(jìn)型技術(shù),在硬質(zhì)合金中摻雜納米AL2O3制備出的AL2O3/WC-Co納米/微米復(fù)合材料,對其性能、組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,并就其耐磨性、耐沖擊性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明復(fù)合材料的耐磨性和耐沖擊性得到了大幅提高[37]。黃志強(qiáng)、劉清友等經(jīng)試驗(yàn)研究確定了新型鉆頭最佳的熱處理工藝,并推薦最佳淬硬層深度范圍為:1.8~2.0mm[38,39]。李宏利、于慶增等人在高溫高壓下將人造金剛石與硬質(zhì)合金一次燒結(jié)制備了高性能聚晶金剛石復(fù)合齒,并對這種金剛石潛孔鉆頭進(jìn)行了試驗(yàn),得出在偏硬的巖層鑿巖時(shí),與傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金潛孔鉆頭相比,其壽命提高了653%、效率提高了79%[40,41]。

6 結(jié)語

由于潛孔鉆頭破巖效率較高,在硬地層及難鉆地層得到了廣泛的應(yīng)用。潛孔鉆頭破巖方式為錘擊破巖,在實(shí)際鉆進(jìn)過程有效的減少了鉆頭磨損,鉆具損壞較輕,間接降低了整個(gè)鉆井成本,受到油田企業(yè)的親睞。通過前面研究回顧發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外針對潛孔鉆頭布齒研究開展較少,缺乏對鉆頭牙齒受力特點(diǎn)的分析,存在一定的盲目性。由于大型CAD/CAE/CFD軟件可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)潛孔鉆頭,這使?jié)摽足@頭在虛擬設(shè)計(jì)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合的研發(fā)下,可使得潛孔鉆頭布齒更為合理,潛孔鉆頭使用壽命更長,大大的縮短了研發(fā)周期。

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