南岭科学钻探NLSD-1孔螺杆钻具造斜数值模拟分析

程红文，朱恒银，程锦华，刘兵

(1. 建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007；2. 安徽省地质矿产勘查局313地质队，安徽六安 237010； 3. 吉林大学，长春 130061)

0 引言

不同岩性的岩石由于其矿物成分和结构构造不同，导致岩石的物理力学性质具有较大的差异[1]，且螺杆钻具在孔内造斜时的应力状态极其复杂[2, 3]，因此其造斜机理难以通过数学公式定量计算分析。采用软件模拟螺杆钻具碎岩过程，是研究螺杆钻具造斜机理及造斜规律的有效方法。

南岭科学钻探NLSD-1孔为“大陆科学钻探选址与钻探实验综合研究”课题的一部分[4, 5]，位于武夷山与南岭成矿带交汇处—赣南银坑多金属矿田、于都县银坑镇[6, 7]，终孔孔深2967.83 m。根据该项目的实际试验情况，螺杆钻具造斜主要发生在1691.98 m以上孔段，钻遇的岩层主要有变质沉凝灰岩、岩屑石英砂岩、细砂岩、中层状粉砂岩、含炭质粉砂岩及含炭质泥岩等，且多处岩浆岩呈脉状产出，分别为花岗斑岩、流纹岩、辉长闪长玢岩和花岗闪长斑岩[8-10]。

从上述岩层中选取代表性岩石，采用Abaqus软件模拟螺杆钻具碎岩过程。分别模拟螺杆钻具在软、硬程度不同的单一岩石中的碎岩状态，研究螺杆钻具造斜机理及规律，并分析岩石硬度对造斜的影响；模拟螺杆工具由软岩进入硬岩、硬岩进入软岩界面时的碎岩状态，研究螺杆钻具造斜机理及规律，并分析岩石软硬界面处的各向异性对造斜的影响。

本次数值模拟简化螺杆钻具的外部受力环境，直接施加轴向压力、转速、泵量至造斜钻头，以模拟造斜钻头碎岩时在岩层中产生的应力及应变状态[11, 12]，从而定性分析螺杆钻具造斜机理及规律。

1 模型相关参数

根据南岭科学钻探NLSD-1孔螺杆钻具造斜工艺，选取模型参数如下：①钻孔结构为直孔，孔径97 mm；②孔深100 m；③上覆岩层压力2.3 MPa；④造斜螺杆钻具外径73 mm，弯外管1°，弯外管及以下部分长1 m，造斜钻头直径80 mm；⑤钻头承受的轴向钻压为8 kN，与铅垂线夹角1°，钻头转速250 r/min，扭矩460 N·m，冲洗液泵量300 L/min，冲洗液密度1.0 g/cm3；⑥螺杆钻具力学参数见表1；⑦岩石力学参数见表2。

表1 螺杆钻具力学参数Table 1 Mechanical parameters of screw drilling tool

表2 岩石力学参数Table 2 Rock mechanical parameters

2 模型设计

选取南岭科学钻探NLSD-1孔代表性岩石花岗闪长斑岩、凝灰质板岩、粉砂岩及含碳质泥岩。①模拟螺杆钻具在花岗闪长斑岩、凝灰质板岩、粉砂岩及含碳质泥岩4种单一岩性地层中碎岩状态；②模拟螺杆钻具在凝灰质板岩—花岗闪长斑岩、粉砂岩—花岗闪长斑岩、含碳质泥岩—花岗闪长斑岩、花岗闪长斑岩—凝灰质板岩、花岗闪长斑岩—粉砂岩、花岗闪长斑岩—含碳质泥岩6种不同岩性交界面地层的碎岩状态。其示意简图见图1。

图1 螺杆钻具在单一岩性地层和不同岩性地层交界面钻进示意简图Fig.1 Drilling diagram with screw drilling tool at single lithologic formation and the interface between different lithologic formation

采用Abaqus软件进行模型设计，由于两种岩石交界面处存在尖角，六面体单元划分困难，故岩体采用c3d4单元，螺杆钻具和钻头采用c3d8r单元，见图2。由于螺杆钻上部钻柱只传递钻压，不传递扭矩，故钻头与螺杆钻具间采用connector单元中的Cartesian连接(见图3)，只耦合平行于z轴方向的力和位移。为了加快connector单元的建立，运用Python语言对Abaqus进行了二次开发。

图2 Abaqus软件建立的螺杆钻具及岩体模型Fig.2 Screw drilling tool and rock mass model established by Abaqus software

图3 钻头与螺杆钻具的Cartesian连接Fig.3 Cartesian connection between bit and screw drilling tool

假设条件如下：①不考虑岩石和钻柱、钻头的塑性，不考虑钻柱和孔壁的接触；②考虑钻头和孔底的接触，冲洗液只考虑对井壁和孔底的压力；③忽略摩擦生热和散热的影响。

3 边界条件

①岩石边界条件：上端施加上覆压力，其余五个面垂直于该面的方向施加固定边界条件，见图4。

图4 岩石边界条件示意图Fig.4 Schematic diagram of rock boundary conditions

②造斜工具边界条件：上端施加压力，钻头施加转速，钻柱x、y方向和绕x、y的转角固定；造斜工具下部和孔底摩擦；接触类型采用Abaqus自带的面面接触。

4 数值模拟结果及分析

4.1 单一岩性地层数值模拟结果及分析

4.1.1 应力分析

造斜钻具在单一岩性地层钻进时，由于螺杆钻具的弯外管为1°，螺杆钻具在孔内处于倾斜状态(见图5)，因此其孔底岩石最大主应力分布具有明显偏向性。

图5 模拟螺杆钻具在孔内碎岩示意图Fig.5 Simulation diagram of rock breaking with screw drilling tool in hole

模拟造斜钻具在含炭质泥岩、粉砂岩、凝灰质板岩及花岗闪长斑岩中钻进时的应力等值线图，见图6。由图6可知，对于上述4种岩石，最大主应力最大值相差并不大，但孔底钻头左侧(工具面低边)接触处的最大主应力数值均明显大于右侧(工具面高边)[13]，因此左侧岩石将会先于右侧破碎，钻孔将会向右偏斜，即钻孔轴线将发生沿螺杆钻具高边工具面方向的偏斜，从而产生导向钻进[14]。因此无论岩石类型如何，对于同一岩性，螺杆钻具将会有明显的导向性，最大主应力最大值相差并不大。

图6 造斜钻具在不同岩层中钻进时的应力等值线图Fig.6 Stress contour map of deviation drilling tool when drilling in different rock strata

4.1.2 应变分析

模拟造斜钻具在含炭质泥岩、粉砂岩、凝灰质板岩、花岗闪长斑岩中钻进时的应变等值线图见图7。对于4种岩石，其最大主应变处都为钻头接触的左侧(工具面低边)，与应力分布所得结果一致，但应变数值大小相差较大。由于花岗闪长斑岩和凝灰质板岩岩石强度较大，其应变较小，粉砂岩和含炭质泥岩强度较小，其应变较大。粉砂岩最大主应变为花岗闪长斑岩的近4倍，强度最弱的含炭质泥岩的最大主应变是花岗岩的近9倍。所以，尽管分布规律相同，在相同钻压下，软质岩石会出现更大的变形，更容易发生破碎，螺杆钻具导向钻进速率也更大。

图7 造斜钻具在不同岩层中钻进时的应变等值线图Fig.7 Strain contour map of deflecting drilling tool when drilling in different rock strata

4.2 不同岩性交界面数值模拟结果及分析

4.2.1 应力分析

分别做了①凝灰质板岩—花岗闪长斑岩、②粉砂岩—花岗闪长斑岩、③含碳质泥岩—花岗闪长斑岩、④花岗闪长斑岩—凝灰质板岩、⑤花岗闪长斑岩—粉砂岩、⑥花岗闪长斑岩—含碳质泥岩6个不同岩性交界面的数值模拟分析，见图8。其中图8(a)、(b)、(c)为上软层下硬层，图8(d)、(e)、(f)为上硬层下软层，作为两大对照组。

图8 不同岩性交界面应力等值线图Fig.8 Stress contour map of interface between different rock properties

由图8(a)、(b)、(c)应力等值线图可看出，当地层为上软层下硬层时，由于上覆岩层的压力以及岩石边界的倾角，应力会集中于左上角交界处的较硬地层处，上下地层强度相差越大，该处应力值越大。钻头附近由于相较岩层上覆压力钻压较小，螺杆钻对于钻孔底部附近的应力分布影响较小，而且通过图8(a)、(b)、(c)的对比可以看出，当上下地层软硬相差越大，其对最大主应力总体分布影响越小，螺杆钻的导向功能就越差，可见使用螺杆钻进行导向钻进时上下地层强度相差不能太大。由图8(d)、(e)、(f)应力等值线图可看出，当地层为上硬层下软层时，最大主应力出现在地层交界处右下角的较硬地层中。对于钻头附近，螺杆钻对钻孔底部最大主应力场的分布有较大影响。由应力图中可看出，在钻孔底部的左下角(工具面底边)，其应力值相比周围有明显增大，这种情况下，本就强度较小的下部地层，岩石破碎将更加迅速，使得钻孔轴线会更快地沿岩层交界面方向弯曲[15, 16]，而受到螺杆钻具工具面角影响较小，同样使螺杆钻导向功能大打折扣。上下地层强度相差越大，螺杆钻导向功能越差。

4.2.2 应变分析

应变分析见图9，图9(a)、(b)、(c)为上软层下硬层，图9(d)、(e)、(f)为上硬层下软层。

由图9(a)、(b)、(c)应变等值线图可看出，最大主应变也出现在左上角，不同的是，其出现在左上角较软地层中。其原因在于较软地层强度较小，受力更容易发生变形，故应变较大。对于钻孔底部，从应变关系上看，在8 kN的钻压下，螺杆钻并未对孔底的应变场产生较大影响，其原因在于钻压较小，而下层岩石较硬，难以产生较大变形。因此，从应变的角度分析，螺杆钻对于下部较硬、上部较软的地层，依然难以取得较好的导向钻进，当下部地层强度与上部地层强度相差越大，其效果越差，当下部地层与上部地层强度相差越小，导向效果稍好，其结果与应力分析相符。

图9(d)、(e)、(f)应变等值线图中，最大主应变出现在右下角，与应力不同的是，其出现在右下角较软地层中，原因同样是较软地层更易发生变形。与最大主应力所得结论相似，在8 kN的钻压下，以本例中螺杆钻施加的角度，钻头与孔底接触偏左部分应变较大，且地层越软，应变越大，下部地层与上部地层强度相差越大，应变在孔底左侧越集中，最终也会导致钻孔沿岩层交界面方向弯曲，而不受螺杆钻具工具面角影响，使螺杆具钻导向效果减弱。

5 结论

本文选取了南岭科学钻探NLSD-1孔造斜孔段中花岗闪长斑岩、凝灰质板岩、粉砂岩、含碳质泥岩等典型岩石，通过Abaqus软件对螺杆钻具在单一岩性和不同岩性交界面碎岩进行数值模拟研究，得出了如下主要结论：

(1)螺杆钻具在单一岩性地层造斜时，其工具面低边侧岩石先于工具面高边侧岩石破碎，使钻孔轴线沿螺杆钻具高边工具面方向进行导向钻进。在相同钻压下，软质岩石会出现更大的变形，更容易发生破碎，螺杆钻具导向钻进速率也更大。

(2)螺杆钻具在不同岩性交界面造斜时，当地层为上软层下硬层时，螺杆钻具对于钻孔底部附近的应力、应变分布影响较小，螺杆钻的导向功能较差，且上下地层软硬相差越大，导向功能越差；当地层为上硬层下软层时，强度较小的下部岩石最先破碎，使钻孔轴线沿岩层交界面方向弯曲，而受到螺杆钻具工具面角影响较小，使螺杆钻导向功能变差，同样是上下地层强度相差越大，螺杆钻导向功能越差。

(3)本文数值模拟分析及得出的结论，一定程度上揭示了螺杆钻的造斜机理和造斜规律，可以为螺杆钻具在岩层导向钻进提供相关的指导依据。但在实际的工程中，地层复杂多变，螺杆钻具受力环境也错综复杂，后续应进一步加强在不同地层及受力环境下螺杆钻具造斜的研究。