共振破岩技术原理与发展分析

,,

(中国石油集团钻井工程技术研究院，北京102206)①

如何提高深井、超深井钻井速度，是目前钻井工程领域迫切需要解决的重大技术难题之一。旋冲钻井是一种解决硬岩层和软硬交错地层钻速低、井眼易斜等难题的有效方法。与常规旋转钻井相比，旋冲钻井在提高深层硬岩破碎效率方面具有明显的优越性。但是，目前所用的各类冲击器也存在以下不足：

1) 由于冲击功很大，容易危害井眼的稳定性，降低井眼质量。还会加速工具损伤，甚至是灾难性的后果。

2) 冲击器的冲击频率普遍只有十几或几十赫兹，一般不足以使钻头与被钻岩石产生共振，因此破岩时能量利用率较低。

3) 在地层条件发生较大变化时，无法进行判别，并及时调整冲击器的工作参数，导致破岩效率下降。

1 共振破岩原理与特点

针对传统冲击器在实际应用过程中存在振动大、能耗高、易损伤钻具，且对地层变化适应能力弱等缺点，国外研究人员在超声加工技术基础上开展了共振破岩(Resonance Enhanced Drilling-RED)技术研究，其主要目标是开发具有自主适应能力的振动破岩系统，使钻头能够实时与被钻地层之间形成共振，以此来增强冲击能量的传递效率，加速地层裂纹扩展，提高冲击系统破岩效率和对不同地层的自适应性。

Ekaterina Pavlovskaia等人依据共振破岩试验系统建立了如图1所示物理模型[1]。

图1 共振破岩试验系统物理模型

模型中m1表示钻头质量，m2表示激振器质量，m3表示框架的等效振动质量。钻头与激振器之间通过刚度为k2的弹簧和阻尼系数为c2的阻尼器相连，激振器与等效振动质量之间通过刚度为k3的弹簧和阻尼系数为c3的阻尼器相连。静载Fs作用在激振器上，动载F0sin(Ωt+φ)作用于钻头上。h表示钻头与岩石表面的初始距离。岩石在钻头冲击下的响应通过粘弹性滑块和干摩擦副组成的模型来模拟，当钻头作用于岩石表面上时，滑块开始向下滑动，即岩石发生粘弹性变形，当作用力超过摩擦副临界摩擦力时，摩擦副发生移动，即岩石发生破碎。

图2显示了系统在不同的参数条件下产生的不同响应[1](图中钻头速度和相对位移均为归一化处理后的无量纲量数据)。图2a表示系统的单周期响应，即外部激励每一个周期对应一次冲击，系统向前移动并取得良好的钻速。此时，系统能量集中在钻头上，产生高的冲击力以破碎岩石。图2b表示双周期响应，即外部激励每两个周期对应一次冲击，此时所获得的钻速将明显降低。图2c表示非周期响应，此时钻头运行轨迹不稳定，虽然振动幅度很大，但所获得的钻速很低。由此可知，共振破岩技术的核心就是使钻头与岩石组成的振动系统处于或接近单周期响应状态，以此来提高冲击能量传递效率，达到高效破岩的目标。

图2 不同响应时的钻头运动轨迹(归一化处理后的无量纲量数据)

研究人员发现，静载、动载幅值和频率对破岩效率有重要影响，如图3所示[1](图中钻进量、静载、动载幅值和频率均为归一化处理后的无量纲量数据)。

图3 破岩效率与静载、动载幅值和频率关系(归一化处理后的无量纲量数据)

从图3a可以看出，除了动载幅值a等于0.8的情况，随着静载增大，每周期平均钻进量逐渐上升至一个最大值，但静载若继续增大，系统响应将进入混沌状态，每周期平均钻进量降低。图3b显示，在0.3

共振破岩能够将冲击能量集中在钻头上，通过较低钻压和冲击能实现高效破岩，因此具有以下潜在优势[2]：

1) 显著提高硬地层钻速，增强难以钻达的潜在资源的开采能力。

2) 有利于形成平滑稳定的井壁，提高井眼质量。

3) 降低钻具磨损和失效几率，具备一趟钻钻达目的层的潜力。

4) 减少起下钻等非生产时间，显著缩短钻井周期，节约大量成本。

2 国内外发展现状

2.1 国外发展

自1998年起，阿伯丁大学Marian Wiercigroch教授带领的研究团队开始对共振破岩技术进行研究。研究的主要目标是通过微钻试验了解共振破岩的作用机理、技术特性和影响因素，并建立相应的物理和数学模型。

2008年，研究团队与ITI能源公司签署了开发共振破岩技术的协议，项目总投资高到460万欧元(约合人民币3 800万元)。图4a是研究团队建造的一台立式试验装置[2]，研究人员使用PDC和牙轮钻头对砂岩、石灰岩和玄武岩等不同岩石进行了大量钻进试验。试验结果表明，共振破岩技术能够适用于砂岩、玄武岩等硬岩层，在实验室条件下，对硬岩样品的钻进速度可以比常规旋转钻井提高近5倍，如图4b所示[2]，并且所需钻压低，能够明显延长工具寿命。

2013年，研究团队以工业应用为目标建造了一台卧式试验装置[2]，如图5所示。卧式试验装置具有动载大、钻压稳定、转速范围宽和循环液流量大等特点，能够对多种钻头和岩石进行测试。卧式试验装置使用一种全新设计的共振破岩模块，此模块仍然采用磁致伸缩换能器作为激振器，模块最大外径152.4 mm(6 英寸)，能产生最大15 kN动载，激振频率达到100～350 Hz。另外，研究团队还开发了一种机械式高频激振器，其优点是结构紧凑、无需电力供应、可靠性高且成本低。但是，振幅和频率可控性不如磁致伸缩换能器。

a 试验装置

b 实测曲线

图5 卧式共振破岩试验装置与激振器

2.2 国内发展

近年来，国内一些科研机构和研究人员也相继开始跟踪并开展相关技术的研究。例如，中国矿业大学(徐州)的杨威等通过对岩石裂隙的探究，结合振动系统发生共振时的破坏作用，分析了共振碎岩的机理、岩块裂隙扩张过程和裂隙的分布情况等，得出了岩石在共振作用下的破碎过程[3]。东北石油大学的闫铁、李玮等从理论研究、数值模拟以及室内实验的角度出发，对谐振激励下的岩石响应机制、破岩机理、冲击系统动力学特性以及钻头钻进效率评价展开研究，并研制了一台高频谐振钻进试验装置，如图6a所示。该装置能产生不同的振动激励方式，例如低频高幅振动或高频低幅振动，可提供的振动频率为0～2 000 Hz，冲击力为0～3 kN，切削转速0～1 000 r/min，试验钻头直径10～100 mm[4]。图6b为使用该装置获得的测试曲线，从钻速和振动频率关系曲线中可以看出，当没有谐波振动作用于岩样时，不同岩样的钻速几乎相等(2.11～2.16 cm/min)。当引入谐波振动时，钻速随激励频率的升高而增大，在振动频率达到1 400 Hz时，钻速提高了93%～106%，并达到最大值。另外，在相同转速下，振动频率为1 400 Hz的钻头钻速比其他频率和非振动条件下的钻速更高[5]。

a 高频谐振钻进试验装置

b 实测曲线Ⅰ

c 实测曲线Ⅱ

3 技术难点与发展趋势

理论分析和室内试验结果表明，要使钻头与被钻岩石之间形成共振，必须满足2个条件：

1) 钻头能够产生上百甚至上千赫兹的振动，并能对振动频率和幅值进行调整。

2) 能够根据检测参数判断岩性和振动状态变化，并通过控制频率、振动力和钻压等参数，使钻头与被钻岩石恢复至共振状态。

3.1 可调式高频激振器

目前，井下常用的激振器有液动冲击器、气动冲击器和水力振荡器等，这些激振器能产生的频率一般不超过40 Hz，而且很难实时调激频率和幅值，因此无法有效实现共振破岩。

常用的压电换能器由压电陶瓷材料制作，例如PZT4、PZT8等。压电陶瓷具有高的电声转化效率，且能在宽频带上工作。在大功率超声和水声领域，常采用一种在压电陶瓷圆片的两端面夹以金属块而组成的夹心式压电换能器，如图7所示。压电换能器的缺点是机械强度低，设计、装配和工作不当时易发生损坏，频率范围窄，对整个振动系统的设计、制造和调整精度要求较高，易老化。另外，压电换能器多用于中小功率换能器，最大功率约为2 kW[6]。

图7 压电换能器

超磁致伸缩材料是一种具有极大磁致伸缩应变的一类金属化合物，其典型代表是Terfenol-D。相比压电材料，超磁致伸缩材料具有大应变、强力和高功率密度及高精度、快速响应和高可靠性等优点。超磁致伸缩材料的承载能力大于20 MPa，而压电陶瓷的上限仅为4 MPa，超磁致伸缩材料能量密度是压电陶瓷的10～25倍。此外，超磁致伸缩材料的能量转换能力优于压电材料，国外已用超磁致伸缩材料制造出6～25 kW的超大功率换能器[7]。超磁致伸缩换能器典型结构如图8所示，虽然其性能比压电换能器更优异，但其工作温度和机械强度仍有待进一步提高。

图8 磁致伸缩换能器

电磁式激振器是将电能转换成机械能，并将其传递给试验结构的一种设备。电磁式激振器由磁路系统与动圈、弹簧、顶杆、外壳等组成，当输入动圈内的电流Ie以简谐规律变化时，则通过顶杆作用在物体上的激振力也以筒谐规律变化。电磁式激振器的优点是产生激振力的频率范围较宽，但其缺点是功重比小，径向尺寸大，发热量较高，需要配备风机进行强制冷却。

偏心块振动器是利用偏心块(轴)在旋转时形成的离心力来产生振动作用的一种装置。偏心块振动器已广泛应用于声波钻进(Sonic Drilling)，其振动频率通常为50～150 Hz，激振力最高可达200 kN。但是，目前的偏心块振动器体积较大，要随钻头一起下入井内，必须对结构进行改进，使其外形适应井眼尺寸要求。

除上述4种激振器外，直线电机、液压冲击器等也具有较好应用潜力。综上所述，现有的激振器均不能完全满足井下使用的要求，需要在现有技术基础上，或根据新原理研究开发适合共振破岩需求的新型激振器。

3.2 状态检测识别与控制

国外研究表明，要实现共振破岩，必须实时了解钻头与被钻岩石之间的振动状态，以及被钻岩石的有效刚度等关键信息。但是，共振破岩是一种复杂的非线性振动过程，无法获取其精确的运动方程，且通过测量只能得到一些少量数据，难以用简单的方法做出准确判断。

非线性时间序列分析常被用于研究只有有限一组数据，并且运动方程未知的系统行为，此方法通常从应用相空间技术计算吸引子开始，利用吸引子使系统动力特性可视化，并且计算其非线性表征值以研究系统行为，例如李亚普诺夫指数和相关维数。使用重构吸引子比使用原始变量构成的原始吸引子具有的优势在于，对于重构吸引子，可使用一个测量(例如加速度)执行分析，而没有必要依靠其他测量的精度和同步性。另外，原始吸引子的一些特性会被噪声影响所隐藏。

图9表示3种不同振动状态下钻头加速度参数的重构相空间图。研究发现，对于非冲击过程，重构相空间显示吸引子停留在一个平面内，而对于冲击过程，吸引子在冲击后逃离至另一平面，然后返回原平面，而且随着刚度比增大，吸引子逃逸至另一平面上的轨迹偏差也增大，但其持续时间会减小，即冲击持续时间变短[8]。

图9 3种振动状态下钻头加速度的重构相空间轨迹

图10表示重构相空间内吸引子在冲击前的轨迹平面和冲击后轨迹平面的倾角差异间隔与刚度变化的关系[8]。从图10a可以看出，随着刚度增大，冲击前后的平面倾角亦增大。但是，倾角之间的差异将减小直至变得难以区分。图10b显示，加入低噪声干扰时，平面倾角仍然聚合成一组，刚度-倾角趋势仍很显著，不同刚度之间具有明显差异间隔。图10c则显示加入高噪声干扰时，冲击前的平面倾角变得特别分散，这是由于质量体的低加速度使数据点间距很小，因此导致噪音对非接触时的数据有较大影响，此时较难有效判断被钻岩石的刚度。

图10 冲击前后的平面倾角差异与刚度变化关系

通过钻头的运动来确定被钻介质的特性是目前国外研究的重点方向。除了上述方法，研究人员还尝试利用冲击持续时间和振动分岔等特性来判断有效刚度，并通过实测获取的频率-刚度和幅值-刚度两参数分岔图来确定激振参数，在室内试验条件下取得了较好效果。为了获得更为稳定可靠的探测数据，研究人员正考虑将更多信号纳入探测范围内(如冲击力)，运用信号综合分析，进一步提高冲击持续时间等重要信息的探测精确度[9-10]。

4 结论

1) 共振破岩技术的核心就是使钻头与被钻岩石之间形成共振。与常规旋冲钻井相比，共振破岩具有岩层变化适应能力强、冲击能量传递效率高、对井壁和钻具破坏影响小等特点。

2) 要实现钻头与被钻岩石之间的共振，首先需要开发可调式高频激振器，此新型激振器不仅能够驱动钻头产生上百甚至上千赫兹振动，而且可以根据需要实时调整激振参数，以适应地层岩性变化。现有的压电、磁致伸缩、电磁和偏心轮等各式激振器由于耐压、耐温和结构等原因，均不能完全满足井下使用的要求，需要在已有技术基础上或根据新原理开发新一代产品。

3) 实现共振破岩的另一个关键要素就是状态检测识别与控制，即必须能够根据检测参数实时判断岩性和振动状态变化，并依据激振作用关系进行参数控制。非线性时间序列分析对于复杂振动而言是一种较为可靠的状态识别方法，可以通过重构加速度吸引子来判断岩石刚度变化，并具有一定的抗噪声干扰能力。另外，利用冲击持续时间和振动分岔等特性也可判断岩石刚度，并运用频率-刚度和幅值-刚度分岔图来确定激振参数。

4) 从国外发展现状来看，共振破岩技术仍然处于理论和实验室研究阶段，要投入实际应用还有很长距离。国内在共振破岩理论、试验和配套机具研究方面具有一定的基础，应在紧密跟踪国外技术发展的基础上，着重针对关键技术难点开展相关研究，例如开发适用于井下高温高压环境的百赫兹可调频激振器。通过建立专业试验平台，研究激振频率和幅值、钻头结构、切削转速以及钻柱振动等因素对破岩效率的影响，为后续样机的开发提供有力技术支撑。

：

[1] Ekaterina Pavlovskaia，David C.Hendry，Marian Wiercigroch. Modelling of high frequency vibro-impact drilling[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2015(90): 110-119.

[2] Marian Wiercigroch，Vahid Vaziri，Marcin Kapitaniak. RED：Revolutionary Drilling Technology for Hard Rock Formations[C]//SPE/IADC-184665-MS, SPE/IADC Drilling Conference and Exhibition，Hague，2017.

[3] 杨威，李磊，赵延旭，等. 共振碎岩理论的初步探究[J]. 能源技术与管理, 2007(4): 7-9.

[4] 李思琪. 谐振激励下钻头的冲击破岩机理研究[D]. 大庆：东北石油大学，2016.

[5] Li W, Yan T, Li S, et al. Rock fragmentation mechanisms and an experimental study of drilling tools during high-frequency harmonic vibration[J]. Petroleum Science,2013, 10(2): 205-211.

[6] 张云电. 夹心式压电换能器及其应用[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[7] 唐志峰. 超磁致伸缩执行器的基础理论与实验研究[D]. 杭州：浙江大学, 2005.

[8] Mukthar Sayah，Murilo S Baptista，James Ing，et al. Attractor reconstruction of an impact oscillator for parameter identification[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2015(103): 212-223.

[9] Maolin Liao, James Ing，Joseph Páez Chávez，et al. Bifurcation techniques for stiffness identification of an impact oscillator[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2016(41): 19-31.

[10] Maolin Liao, James Ing，MuktharSayah，et al. Dynamic method of stiffness identification in impacting systems for percussive drilling applications[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2016(80)：224-244.