冲旋钻井系统能量传递模型分析.pdf

2 0 1 0年 第 3 9 卷 第 3期 第 1 8页 石 油 矿 0I L FI ELD 场 机 械 E QUI P ME NT 2 0 1 0 ， 3 9 3 1 8 ～ 2 1 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 O 1 0 0 3 0 0 1 8 - 0 4 冲旋钻井系统 能量传递模型分析 王灿h ， 梨青海 。 ， 王国荣 ， 敬佳佳仆 1 - 西南 石油大学 a ， 石油工程学院 ； b ． 油气藏地 质及开发 工程 国家重点实验室 ， 成都 6 1 o 5 o o ； 2 ． 渤海钻探第一钻井工程分公司 ， 天津 3 0 0 2 8 0 摘要 能量传递效率是冲旋钻技术的一个关键性能指标， 直接影响破岩效率。在现有冲旋钻井系统 能 量传递 效 率研 究的基础 上 ， 建立 了 2种 波形作 用下的 冲击 系统能量 传递 效率计 算模 型 ， 同时开展 了实例计算， 找到 了能量传递效率 r ／ 与匹配参数口之 间的关系， 为冲击钻具设计及现场作业提供 了 理 论 依 据 。 关键 词 冲旋 钻 井 ； 能 量传递 ； 传递 效 率 ； 应 力波 中图分 类 号 T E 9 2 1 ． 2 文 献标识 码 A En e r g y Tr a n s f e r r i ng M o d e l An a l y s i s o f Pe r c u s s i o n Dr i l l i n g S y s t e m WANG Ca n ”， LI Qi n g h a i 。 ， WANG Gu o r o n g ， J I NG J i a j i a 1 ． a ． S c h o o l o f Pe t r o l e u m En gi n e e r i n g； b ． St a t e Ke y La b o f Oi l a n d Ga s Re s e r v o i r Ge o l o g y a n d E xp l o i t a t i o n， S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 5 0 0 ， C h i n a； 2 ． No ． 1 Dr i l l i n g En gi n e e r i n g C o mp a n y o f BHDC，Ti a n j i n 3 0 0 2 8 0 ， Ch i n a Abs t r a c t Ene r g y t r a ns f e r e f f i c i e n c y，whi c h r e l a t e s t o r o c k e r o s i on e f f i c i e n c y，i s t h e ke y pe r f o r m a n c e o f pe r c us s i on d r i l l i ng t e c h no l og y ． Ba s e d o n t he r e c e nt s t u di e s o f pe r c u s s i o n d r i l l i ng s ys t e m e ne r g y t r a n s f e r e f f i c i e nc y，t he e n e r g y t r a ns f e r e f f i c i e nc y c a l c u l a t i o n mod e l s f o r t wo wa v e f or ms we r e e s t a bl i s he d a nd mad e a c a l c ul a t i on mo d e ．Fi n a l l y，t he r e l a t i o ns h i p o f t he e ne r gy t r a ns f e r d- f i c i e n c y叩a n d t h e ma t c h i n g p a r a me t e r J8 i s f o u n d ．I t c a n p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r p e r c u s s i o n d r i l l i n g t o ol s a n d f i e l d o pe r at i o n． Ke y wor d s p e r c u s s i o n dr i l l i n g； e ne r g y t r a n s f e r ； t r a ns f e r e f f i c i e nc y； s t r e s s wa v e 相对于传统旋转钻井技术 ， 冲旋钻井技术依靠 冲击 动载来 破碎 岩 石 ， 可 大 幅 提高 对 岩 石 尤其 是 脆 性岩 石 的破 碎 速度[ 1 ] ， 因而 越来越 受 到钻井 界 的重 视。然而 ， 在现场应用中， 在已知冲锤具有 的冲击能 量情况下 ， 为了确定在 冲旋条件下具有多少冲击能 量最终用于破碎岩石， 冲击能量对牙齿吃深的贡献 以及反算冲击器应该输出多大冲击能量才能满足破 碎条件等 ， 都需要知道系统 的能量传递效率。因此 ， 需要建立合理的冲旋钻井系统能量传递模型 ， 以求 出系统的能量传递效率 ， 以及冲击 能量和钻头平均 吃深的关系， 从而指导冲击钻具系统设计 及现场作 业 。 1 系统能量传递效 率定义 冲旋钻 井 的冲击 系统 可 以看 作 由活塞 冲锤 一 砧子 钻头 一 岩石组成。冲击系统的效能 主要体现 在对岩石 的破碎作用上 ， 从能量利用 的角度来说 ， 期 望 由冲击 器 提供 的 冲击 能量 能 最 大 程 度 地 通 过 活 塞 、 冲锤 、 砧 子和 钻 头传 递 给岩 石 ， 使岩 石 发 生变 形 和破坏 ， 即获得最大的能量传递效率 。 收 稿 日期 2 0 0 9 ～ 0 9 1 8 作 者简 介 王灿 1 9 7 1 一 ， 男 ， 江苏盐城 人 ， 高级工程师 ， 博士研究 生 ， 主要 从事钻井工艺 的相关研究 ， E ma i l wa n g c a n c n pc c o m ． c n a 第 3 9卷第 3 期 王 灿 ， 等 冲旋钻井系统 能量传 递模 型分析 假设 砧子 钻 头 破 碎 岩石 的动 能和岩 石变 形破 坏 的位 能是相 等 的 。忽 略 冲 锤 下 落 的势 能 ， 定 义 冲 击系统的能量传递效率为冲击系统破碎岩石所做的 功与冲锤具有 的初始动能 的比值 ， 用 叩 表示 。假设 冲击 系统 对岩 石所 作 的功全 部转 化为 了岩 石 的变形 和破 坏 ， 用 每 冲击 1次 钻头 的最 大 吃深 “ 。来 表 征 ， 则 系统 每冲击 1 次 的能 量传 递效 率 为 一 W 一 2 F d 即 ， 7 一 一 1 m h i 式 中 ， m 为活 塞 冲 锤 质 量 ， k g ； 为 活 塞 冲 锤 的冲击 速度 ， m／ s ； F U 为 岩 石 抵 抗 钻 头 吃 入 的 阻 力 ， N； U 。 为钻 头 牙 齿 吃 入 岩 石 平 均 深 度 ， 1T I ； W 为 最 终用 于破 碎岩 石 的冲击 系统 冲击 能量 ， J ； w 为 活 塞 冲锤 的初 始 能量 ， J 。 应力 波 由 冲锤 传人 ， 以入射 波 的形 式 传人 岩石 ， 冲击 系统 简化 模 型如 图 1 所 示 。 ～ ／ 砧子 钻头 图 1 冲击 系统 简 化 模 型 2 假 设条件 a 活塞 冲锤 、 砧 子 钻 头 均 为等 截 面 均 匀 杆 等波阻 ， 其长度足够长， 保证冲锤与砧子撞击产 生的入射波不受反射波影 响， 入射波 波形不变地传 播 到钻 头与 岩石 的界 面 。 b 只 考 虑 冲 击 系统 的 第 1次 入 射 波 作 用 过 程 ， 忽略反 射波 自钻 头 与 岩石 的界 面 再 反 射后 形 成 的第 2次入 射 波 ， 忽 略 冲锤 与砧 子 撞 击 后 进入 冲锤 的压缩 波在 自由面反 射 成为 第 2次入 射 波后再 次撞 击 砧子 。 c 忽略砧 子 和 钻 头 接 头 、 钻 头 的结 构 形 状 变 化对波传播的影响 ， 将二者看成半无限长杆； 对钻头 牙齿 压人 岩 石看作 平 底压 模压 入 。 d 边 界条件 中岩石 在 冲击 载荷下 的特性采 用 前节所述的岩石模型 ， 未考虑岩石冲击损伤。对任 何岩石模型均采用岩石抗冲击破碎阻力来表示 。 e 忽略钻柱的影响， 将其看作刚性杆。 3 系统动 力学方程 以钻头与岩石的界面为研究对象， 对于岩石 ， 其 作用 和位 移关 系式 为 F K “ 十 l， 等 F ， 警 ≥ o 2 式 中 ， K 为 岩石 的加 载刚 度 ， N／ m； J 为岩 石 的 粘性 系数 ； F 。 为 岩石 的塑性 极 限阻 力 ， N。 当 K一0时， 为粘 塑性模 型； 当 F 一0时 ， 为粘 弹性模 型 ； 当 J 一 0时 ， 为 弹 塑 性 模 型 ； 当 K一 0 ， J 一o H ， 为 塑性 模 型 ； 当 J 一0 ， F 一0时 ， 为 弹性 模 型 。 对 于 砧 子 和钻 头 组 成 的弹 性 杆 ， 其 工 作 端 钻 头 凿入 力 F和位 移关 系有 F P Q 3 d u一 PQ d ￡ 4 式 中 ， P 为人 射波 顺波 ， N； Q为反 射 波 逆 波 ， N； z为弹性 杆 砧 子 与 钻 头 波 阻 ， Zp c A， 表 征 杆 对 波的传送能力 ， Ns ／ m。 由于钻 头 的吃 深 与岩 石 的位移 是 一 致 的 ， 故 可 以将式 2 ～ 4 综合得到系统的动力学方程为 ‘ ， p Z d u 一 2 P--F 一 K“ 5 其 初 始条 件为 一0 ， 一0 。 冲 锤 在 方 程 中 的作 用 是 以 入 射 波 波 形 来 体 现 的 ， 它与砧 子 钻头 不 同 的波 阻 比决 定 了不 同 的波 形 。波形 主要是 由冲锤 结构 和与 砧子 接触 情况来 决 定 的 。 4 不 同波形下的能量传递模型 冲击系统的能量传递与岩石特性和撞击产生的 应 力波 的波 形都 有 关 ， 而 波 形 又 与 冲 锤 和杆 的结 构 形 状 、 材料 以及 二 者 的波 阻 比 、 接 触 状 态 等 相 关 ， 因 此 有必要 考察 在 不 同波形 和不 同岩 石组 合 时系统 的 能量传递规律。 为 简化 岩 石 模 型 ， 统 一 用岩 石 抗 冲击 破 碎 阻 力 F。 来 表 示 ， 对不 同模 型的岩 石 阻力 取值 不 同。抗 冲 击破 碎 阻力 即 冲 击 载 荷 下 岩 石 变形 破 坏 的最 小 值 N。 ， 根据相互作用力相等原理 ， 在静 载时应该 用岩 石相应 的屈服极限 或硬度 乘以钻头与岩石的作用 面积来计算 ， 但在动载下岩石的硬度 、 屈服极限均有 上升 ， 塑性系数则下降 ， 也就是说动载的岩石性质表 现出更多的脆性 ， 许多试验也证明在动载下 大多岩 石表现为脆性破坏 。因此 ， 采用岩石 的动态破碎强 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0年 3月 度乘 以牙齿横截面积来计算牙齿在压入岩石时受到 的阻力更为合适。由于该数据现场应用时一般无法 得 到 ， 因此 用 静载 下的抗 压强度 来 表示 ， 实 际上 是有 差距 的， 对某些岩石差距 还较大 。若考虑钻头是 以 不同形状和侵入角度 的单齿压入岩石、 岩石在反复 加载下的疲劳破坏 涉及疲劳硬度 、 岩石在高温 和 围压 下 的性质 变化 、 泥浆 对岩 石性 质 的影 响 、 冲击力 的峰值、 钻头在冲击载荷作用时实际是瞬时载荷 的 作用 峰值是恒作用力的 2倍 、 牙齿 吃入岩石后还 受到与吃人速度相关的侧壁摩擦阻力作用等 问题 ， 则 F 的取值要复杂得多 。 通过 以上的分析 ， 可 以建立 冲击系统动力学方 程 ， 即 z _ 2 P-F 6 4 ． 1矩 形波 假设 冲锤与杆等波阻或等截面同材料， 则撞击 产生的应力波为矩形波 。 ， 其波形 函数 凿入 力 为 J 专 o ≤ 7 l 0 式中， t 为为应力波在冲锤 中传递 1 周所需时间， S ， “ 一 2 _ ／ ； ￡ 为冲 锤 弹 性 杆 长 度 ， m； 为杆 材 料 的纵 波 波速 ， c v ／ E ／ p ， m／ s 。 将 式 6 代入 式 7 可 得 一 ㈣ 显然， 当 t 时， U为最大值 ， 即系统 冲击能量 作 用 岩石 的平 均 吃深 。或钻 头 吃人 岩 石 的平 均 深 度 为 一 由 - 砉 _ Z 杆 和 z 杆 一z可知 该处的z就是 砧 子 钻 头 的 波 阻 ， 一 ，则U O 一 Z v h F p ， 冲 击 系 统 的 能 量 传 递 效 率 为 一 --4 fl 一 1 o ‰ 式 中， 卢为 冲 击 系 统 与 岩 石 的 匹 配 参 数， 卢一 F。 ／ Zv h 。 当不考虑热量 、 声音等能量消耗时的传递效率 表达式， 即冲锤波阻小于或等于砧子 钻头 波阻 ， 冲 锤 与砧子碰撞后产生应力波波形均为矩形波 ； 而在 实际工作中冲锤波阻大于砧子 钻头 波阻， 应力波 波形为指数衰减波。 4 ． 2指数 衰减 波 据 相 关 文 献 研 究 显 示 ， 当 冲 锤 与 杆 波 阻 比 Z ≥5 时 ， 按 刚性 冲锤 波 阻无 限大 计算 的撞 击 应 力 波理 论波形 已经 非 常接近 实测应力 波 波形 ， 因此 ， 计算在指数波下冲击系统的能量传递效率更具有实 际应用意义 。刚性冲锤指数衰减波的波形 函数 凿 入 力 ， 实际 到达 钻 头 与 岩 石 界 面 的 时 刻 是 t z ／ c 为 P f 一Zv h ‘ “， O 1 1 将式 1 1 代入式 6 ， 可得 一 1 -- e - z 一 1 2 两 边对 t 求 导 ， 可求 得最 大位 移发 生 的时 间 ， 即 du O 时 一 l n丁2 ZV h 1 3 系统冲击 能量 作用 岩石 的平均 吃深 为 丁 h U h 一 Fp m h～ Fp 7 m hl m 1 4 。 一丁一 r ～ z z m _ - 4 冲击系统的能量传递效率为 一 一 4 fl 一 2 一 2 ln 丢 1 5 言 mh ； 式 1 5 即为考 虑 到 破 碎 过程 中声 音 、 热 量等 能 量损失的传递效率表达式 ， 可见实际凿入力比理论 结 果要小 。 由以上分析可知 ， 由于是平模压入 ， 理论计算的 岩石抗冲击破碎阻力比实 际要大， 因此通过 以上 2 种理论计算方法得到的压入深度均趋于保守。 5 应 用分 析 假设 冲锤 质 量 为 1 0 0 k g ， 活 塞 冲 锤 和 砧 子 钻头 长 度 均 为 1 ． 5 m， 冲 击 频 率 2 0 Hz ， 材 料 为 钢 ， 则 纵波 波速 为 5 1 3 0 m／ s ， 密 度 7 8 5 0 k g ／ m。 ， 截 面积 0 ． 0 6 0 1T I ， 某岩石抗压强度 H 6 3 MP a ， 冲击 速 度 为 4 m／ s ， 则 波 阻 Zp c A一 2 4 4 7 0 1 0 Ns ／ m， 对指数衰减波也用此值 ； 岩石 的抗冲击破碎阻力为 F 一6 3 MP a 0 ． 0 6 m。 一3 ． 7 8 MN； 匹配参 数 一 F。 ／ ZV h 一0 ． 3 8 6 。 由塑性岩石在 2种人射波下 的能量传递模型可 第 3 9 卷第 3期 王灿 ， 等 冲旋钻井 系统能量传 递模 型分析 2 1 以看 到 ， 冲击 系统 的能量 传 递 效 率 7 7 只 与 匹配 参 数 有关 ， 而 是 由岩石 的性质 、 冲击速度和冲击钻具 波阻决定的。为了便于分析， 作出以上算例所述条 件下能量传递效率 与匹配参数 关 系曲线 ， 如图 2 ～3 所示 。 专 模 籁 删 筻 较 O ． 2 0 ． 4 o． 6 o ． 8 1 _ o 匹配参数 图 2 匹配参数与传递效率关系 矩形 波 0 匹配参数 图 3 匹配参数 与传 递效 率关 系 指数衰减波 由图 2 ～3可以看出 ， 矩形波是在等波阻条件下 实 现 的 ， 其理 想能 量传 递效 率 可 达 到 1 0 0 ， 而指 数 衰 减波 的最 高能量 传递 效率 仅 能达到 8 1 。 6 结 论 1 合理 设计 冲击 器和钻 头 组成 的 冲击 钻具 系 统， 使冲锤和砧子 钻头 尽量等波阻， 即等截面 截 面实 际 已被 钻井 直 径 决定 了 、 相 同材 料 ， 以产 生 应 力 峰值 小 、 作用 时间 长 的矩 形 波 ， 一 方面 可 以提高 能 量 传递 效率 ， 另一 方 面可 以增加 系统 的 整体 寿命 。 2 应尽量降低波阻， 波阻越小 ， 能量传递效率 越高， 吃深越大 ， 因此应在保证强度前提下减小 冲锤 截 面积 、 增加 长度 ， 即设 计 细长杆 z p c Ame 1 。 3 从矩 形波 与 刚性 冲锤指 数衰 减 波对应 波 阻 比来 看 ， 该 岩 石 冲击 系统 能 量传递 效率 在 8 1 ～ 1 0 0 ％之间， 口取值在 0 ． 4 ～0 ． 7之间较为合适， 当然 对弹性介质能量传递效率会低些 。因此可以用 2种 波形计算能量传递效率的结果来衡量冲击钻具设计 的合理 性 。 4 应 尽量 增 加 冲 锤 冲击 速 度 ， 在机 械 结 构 已 经确定情况下 ， 可通过调节 冲击能量来调节 冲击速 度 ， 达到调节 |8 的 目的 。从算例分析可知 ， 若调低冲 击速度， 能量传递效率反而更高， 但这样就降低了初 始冲击能 ， 因此只有 同时增加冲锤质量和长度 保持 波阻 不变 来 提 高能 量传 递效 率 。 5 矩 形 波和 刚性 冲锤 指数 衰 减 波考 虑 的是 2 个 极 端情况 ， 即完全 不衰 减 和衰减 最大 2种 情况 ， 实 际 的冲击 系统 产生 的都 是 不 同程 度 的衰 减 波 ， 因此 对 吃 深应该 取 二者 的平均 值较 为合 适 。 参考文献 [ 1 ] 袁新梅 ， 孙起昱 ， 王爱芳 ， 等． 旋 冲钻井技 术及 装备 的发 展现状和展望E J 3 ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 7 ， 3 6 3 7 - 1 0 ． [ 2 ] 黄志强 ， 范永涛 ， 李琴 ， 等． 冲旋钻头 的现状 及发展趋 势[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 9 2 9 6 ． E 3 J 黄万志 ， 林元华． 冲击 回转钻具 的能量传递 和参数选择 _ J ] ． 西南石油学院学报 ， 1 9 9 7 ， 1 9 4 7 4 7 9 ． E 4 3 张晓东 ， 刘龚 ， 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