汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

唐胜利，孙利海，杨 亮，张 伟，吴金生，张晓宏，任福建

(1. 西安科技大学，陕西西安 710054；2.中国地质调查局，北京 100037；3.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734；4. 陕西煤田地质局，陕西西安 710054；5.陕西煤田地质局185队，陕西榆林 719000)

汶川科学钻探PDC取心钻头有限元分析

唐胜利1，孙利海1，杨 亮1，张 伟2，吴金生3，张晓宏4，任福建5

(1. 西安科技大学，陕西西安 710054；2.中国地质调查局，北京 100037；3.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都 611734；4. 陕西煤田地质局，陕西西安 710054；5.陕西煤田地质局185队，陕西榆林 719000)

汶川地震断裂带科学钻探项目是在龙门山“北川-映秀”断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻，由于所实施的5个钻孔都位于地震断裂带上，地层十分松软破碎，普通取心钻进的取心率低、岩心扰动大。为解决该问题，设计并采用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头，取得了良好的效果，提高了岩心采取率，并保证了岩心的原状性。论文通过UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下的CFX流场分析和Steady-Thermal稳定热分析模块，分析了该钻头的井底流场分布、大小以及钻头的冷却效果，并计算孔底有效排粉的最低泵量，以确定超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时保证取心率和岩心原状性要求的最优泵量。

WFSD 地层 PDC取心钻头 半合管 取心率

Tang Sheng-li, Sun Li-hai, Yang Liang, Zhang Wei, Wu Jin-sheng, Zhang Xiao-hong, Ren Fu-jian. A finite element analysis on PDC coring bits used in Wenchuan scientific drilling[J].Geology and Exploration,2014,50(3)：0577-0582.

2008年5月12日14时28分,我国四川省发生了震撼世界的汶川特大地震。尽管地震预报的难度很大,但是目前世界上一些国家和地区的科学家,正在千方百计利用新的科学技术,不断探索新的途径来提高对地震灾害的预报预警能力,提升对地球内部岩石变形机理的认知程度,其中一个重要的途径就是实施活动(地震)断裂带的科学钻探(许志琴等，2008)。

1 WFSD项目概况

汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)项目属科技部“十一五”国家科技专项。该项目的主要任务是在龙门山“北川-映秀”断裂及龙门山前缘安县-灌县断裂附近实施5口科学群钻的基础上，开展地质构造、地震地质、岩石力学、化学物理、地震物理、流体作用和流变学等多学科的研究、观测和测试,研究地震活动的规律和发震机理。完钻后,将在钻孔内安放地震探测仪器,建立长期地震观测站,为未来地震的监测、预报或预警提供基本数据(樊腊生等，2009；李海兵等，2013；张伟等，2009)。

WFSD实施的5个钻孔现已完钻了4个孔，WFSD-4孔正在实施中。其主要实施目的之一是获取岩心，从而研究地震断裂发震机理。所实施的5个钻孔都位于龙门山地震山断裂带上，该断裂带在历史上都经历了多次地震，地层极其破碎，并含有部分极松散无胶结地层和强水敏性断层、泥岩地层，在某些孔段，因地层不详，岩性变化大，取心钻头难以选择，取心率低，回次进尺短，堵心严重，孔壁垮塌，效率低下。因此，如何在极破碎、松散地层中高效、优质地取心钻进是WFSD钻探施工的关键技术(王稳石等，2012)。

图1 超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头Fig.1 Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits

针对汶川断裂带科学钻探项目复杂的地层条件，采用了隔液、半隔液取心钻具结构，半合管无损出心，转盘+螺杆钻复合回转钻进，转盘+螺杆钻+液动锤复合回转冲击钻进等有效的技术手段。为了提高破碎松软地层取心率和保证岩心的原状性，设计并使用了一种超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头(见图1)和长半合管取心钻具(见图2)，有效解决了常规不隔水钻具组合取心率低和岩心扰动大的问题。

图2 长半合管取心钻具Fig.2 Long half-formed core tube

2 钻头参数和使用情况

2.1 钻头参数

钻头直径150mm，钻头内径94mm，钻头的阶梯高度12mm，排水槽面积约2160mm2，超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头为钢体式PDC钻头，单排齿6个刀翼呈阶梯分布，每一阶梯分布3个刀翼，6个刀翼在钻头上下阶梯上交错分布，钻头上分布有6个喷嘴和保径面(见图1)。

2.2 钻头使用情况

汶川地震断裂带科学钻探WFSD-2孔，采用超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头，泵量360～480L/min，在孔段1453.84～1469.11m取心效果明显，该地层为松软破碎的闪长岩、花岗岩、断层角砾岩，夹有断层泥等，软硬不均,岩心采取率达95.1%；在WFSD-4孔三开一次侧钻孔深 2290～2319m 处，地层为碳质板岩、断层角砾岩等，节理发育，破碎松软，稍有扰动，无法形成柱状岩心,采用超前式隔水防冲蚀PDC钻头，取心内管为半合管，岩心采取率达92.4%，且节理裂隙保持原状，岩心未被泥浆冲刷破坏(吴金生等，2013)。

然而，超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头在使用过程也出现了取心率低和岩心扰动大的问题，如WFSD-4孔在三开钻进3K-QX100回次处采用螺杆+顶驱复合取心钻进，钻进参数：钻压15～25kN，转速160+15r/min，泵量580L/min，泵压11.8～12.3MPa。孔深2308.20～2311.15m进尺2.95m，岩心0.3m,岩心采取率只有10.17%，岩心冲刷严重(图3)。

图3 WFSD-4孔3K-QX100回次岩心Fig.3 The 3K-QX100 times core form WFSD-4 hole

所以，运用有限元分析超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头井底流场以及水力参数，研究其防冲蚀机理，以及取心率低和扰动大的原因，对于在汶科钻破碎松软地层取心钻进过程合理使用该钻头，提高岩心采取率、降低岩心扰动作用、预防堵心和提高井壁稳定性尤为重要。

3 参数设置和控制方程

通过UG 三维软件设计了超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头结构和几何模型(图1)，为了进行有限元分析，并应用ANSYS Workbench建模和分析软件在钻头内侧建立了半合管、卡簧座和卡簧的简化模型。

3.1 钻头模型结构参数和边界条件

钻头直径150mm，半合管直径139.7mm；钻头内径94mm，内管与外管间环状间隙7.7mm；卡簧座与钻头台阶间隙5mm。

3.2 钻头材质和钻进参数

钢体采用35CrMo，钻头采用金刚石复合片(PDC)钻头。钻进参数: 钻压20～35kN，转速160～200r/min，泵量 540L/min和580L/min，泵压3～8MPa，扭矩 3～7 kN·m，钻进方法采用回转钻进。

3.3 泥浆性能

密度1.1～1.5 g/cm3，漏斗粘度30～35s ，静切力5～10Pa，动切力8～13Pa，塑性粘度 17～29 MPa·s，动塑比0.35～0.60，pH值9～11，泥饼0.4mm。

3.4 控制方程与湍流k-ε两方程模型

根据计算流体动力学建立取心钻头孔底流场的N-S控制方程，对控制方程求解时，考虑湍流效应，钻头孔底流场和能量交换由以下方程控制(白玉湖等，2003；赵艳玲，2003)。

连续性方程:

(1)

动量方程：

(2)

式中：ueff-考虑了湍流效应得到的有效粘度；P′-考虑涡流影响后的修正压力；ut-湍流粘度，其表达式如下：

ueff=u+ut

(3)

P′=P+(2/3)ueff(∂Uk/∂xk)

(4)

uc=Cuρk2/ε

(5)

能量方程：

(6)

湍流RNGk-ε模型方程：

k-ε湍流模型为基于涡粘性假设的双方程湍流模型，k是湍流动能，ε为湍流耗散率，湍流考虑了平均流动中的旋转及旋流效应。RNGk-ε模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，因此本次采用改进的动能k方程、湍流耗散率ε的方程。

(7)

-Cz2ρε+Cz1pkb

(8)

式中：Cz1、Cz2、∂k、∂ε-湍流模型常数。

4 最优泵量分析

4.1 排除岩粉最小泵量的确定

泥浆流速与泵量正比，泵量越大，泥浆携带岩粉的能力越强，孔底清渣效果越好。泥浆携带岩屑的条件是泥浆上返速度要大于岩屑的沉降速度，下面是岩屑颗粒沉降速度V确定公式(王三牛等，2012)：

(9)

式中:K-颗粒形状系数，2.5～4；dk-岩屑粒径，dk=0.004 m；ρk-岩屑密度，ρk=2700kg/m3；ρ-泥浆密度，ρ=1100 kg/m3。

将以上数值带入后求出岩屑在泥浆中的沉降速度为0.2～0.35m/s。

所需的泵量由下面公式确定:

Q=Vπ(D2-d2)/4

(10)

式中:V-泥浆上返流速,0.4m/s；D-钻孔直径，0.1536m；d-钻杆直径，0.089m。

计算得出钻进最小泵量为296.4L/min, 即当泵量大于300 L/min时能有效排除钻渣，防止岩粉沉淀。

4.2 井底流场分析

利用UG建立的实体模型导入ANSYS Workbench下标准的CFX流场分析模块，分析了超前式隔水防冲蚀PDC钻头取心钻进过程中泥浆在孔底钻头处的流场分布，本次分析采用取心率高、岩心扰动小和取心率低、岩心扰动大的540L/min和580L/min泵量计算。

根据ANSYS Workbench下标准的CFX流场分析模块分析得出钻头孔底的压力云图(图4)，速度流线图(图5和图7)，以及速度矢量图(图6和图8)。从图4可以看出，阶梯式隔水底喷钻头内侧与岩心接触面压力高，最大为 2.6MPa，减少泥浆对岩心的冲刷，且在较小的压差下促使液流在孔底流动，润滑钻头，携带岩粉，不影响钻进速度。图5和图6可以看出，当采用540L/min泵量时钻头内侧与岩心接触面泥浆流速低，低于2.5m/s，冲刷面积小，涡流小，有利于提高岩心采取率，同时钻头内侧与岩心交界面有一定的液流，起到冷却钻头和携带岩粉，减少堵心和磨心的作用；图7和图8可以看出，当采用580L/min泵量时钻头内侧与岩心接触面泥浆流速达到3m/s，局部达3.5m/s，对岩心冲刷作用大，是导致取心钻进时取心率低和岩心扰动大的主要原因之一。

图4 PDC钻头压力云图Fig.4 Pressure cloud of PDC coring bits

图5 540L/min泵量时PDC钻头速度流场流线图Fig.5 Streamline distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 540L/min

图6 540L/min泵量时PDC钻头速度流场矢量图Fig.6 Vector distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 540L/min

图7 580L/min泵量时PDC钻头速度流场流线图Fig.7 Streamline distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 580L/min

图8 580L/min泵量时PDC钻头速度流场矢量图Fig.8 Vector distribution of velocity field of PDC coring bits for pump volume of 580L/min

4.3 流体传热耦合分析

通过井底流场分析，当钻井液排量较大时，钻头内侧与岩心接触面泥浆流速较高，对岩心冲刷较严重，影响取心率，并且对岩心的扰动大，无法保证岩心的采取率和原状性要求；当排量较小，不能及时冷却钻头，导致钻头的非正常失效，降低钻头的使用寿命，增加钻井成本，并可能导致井内复杂情况。

流体传热耦合分析，根据钻头钻进过程中产生的热量，对钻头施加500℃的温度(杨晓峰等，2011)，井底的温度场取40℃计算，钻头未冷却时的温度场分布如图9所示，并直接导入CFX流体载荷至ANSYS Workbench下Steady-Thermal稳定热分析模块，分析了钻头的冷却情况。钻井液的排量越大，钻头的冷却效果越好，在满足上返流速携带岩粉的基础上，尽量减少泵量，减小对岩心的冲刷。所以本次模拟采用排除岩粉的最低排量300L/min，分析显示采用排量300L/min时钻头的冷却效果较好(图10)。所以，取心钻进时，采用此排量能保证岩心的采取率和原状性要求，并且有很好的冷却效果。

图9 钻头钻进时摩擦生热温度场分布Fig.9 Frictional and heating temperature distribution while PDC coring bit drilling

图10 钻头冷却效果Fig.10 Cooling effect of PDC coring bits

5 结论与建议

WFSD实施的5个钻孔都位于地震断裂带上，采用的超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头，取得了良好的效果，但也出现了取心率低和岩心扰动大的问题。本文通过公式计算以及有限元井底流场和温度场分析，得出超前式隔水防冲蚀PDC取心钻头取心钻进时，保证取心率、岩心原状性、排粉和钻头冷却的泵量为300L/min～540L/min。采用此泵量取心钻进时，钻头内侧与岩心接触面泥浆流速低，冲刷面积小，涡流小，有利于提高岩心采取率，同时钻头内侧与岩心交界面有一定的液流，起到冷却钻头和携带岩粉、减少堵心和磨心的作用；根据流场分析，当泵量过大，达580L/min，钻头内侧与岩心接触面泥浆流速高，冲刷岩心，导致取心率低和岩心扰动大。

建议对该型PDC取心钻头进行进一步的个性化设计和分析，针对破碎松软地层特性，优化喷嘴和水槽结构，并设计不同钻进参数条件下的个性化钻头，以保证汶川科学钻探的实施，并为破碎松软地层取心钻头的设计与优化提供借鉴。

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A Finite Element Analysis on PDC Coring Bits Used in Wenchuan Scientific Drilling

TANG Sheng-li1,SUN Li-hai1,YANG Liang1,ZHANG Wei2,WU Jin-sheng3,ZHANG Xiao-hong4,REN Fu-jian5

(1. Xi’an University of Science and Technology,Xian,Shanxi 710054;2. China Geological Survey Bureau,Beijing 100037;3. Chinese Academy of Geological Prospecting Institute of Technology,Chengdu,Sichuan 611734;4. Coalfield Geology Bureau in Shanxi Province,,Xi’an,Shaanxi 710054;5. Coalfield Geology Bureau 185 Teams in Shanxi Province,Yulin,Shaanxi 719000)

The Wenchuan earthquake faults in the Longmen Shan Scientific Drilling Project is “Yingxiu-Beichuan” of the leading edge of the fracture and the Longmen County-near Guanxian fracture to implement five scientific drilling group,due to five drilling holes are located on earthquake fault ,formation is very soft and broken,ordinary drill have low core recovery and large core disturbance. To address the low core recovery and large core disturbance,the design and the use of a Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits,and achieved good results,to improve the core recovery and ensure that the core of undisturbed nature. This article through import UG solid models to “CFX” flow analysis and “Steady-Thermal” stability thermal analysis module under ANSYS Workbench,to analyze the flow field of the distribution of the drilling,size,the cooling effect and calculate the minimum amount of effectively pump discharge powder in the bottom. Ensure the optimal amount of pump to improve the core recovery and ensure that the core of undisturbed nature in the drilling time of Lead-type anti-erosion resisting PDC coring bits.

WFSD,formation,PDC coring bits,half-formed core tube,core recover

2013-11-27；

2014-01-16；[责任编辑]郝情情。

科技部科技支撑计划专项“汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)”资助。

唐胜利(1963年- ),男,1991年毕业于煤炭科学研究总院西安分院，获硕士学位，教授,长期从事钻探工艺研究。E-mail:drilling@163.com。

P634.4

A

0495-5331(2014)03-0577-6