路宗羽，鄭珺升，蔣振新，趙 飛

（1.中國石油新疆油田分公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834002；2.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司，天津300450；3.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司，北京102206）

隨著全球油氣勘探開發(fā)從淺層向深層、超深層發(fā)展，破巖難度逐漸加大，而中國在深層領(lǐng)域的油氣勘探開發(fā)技術(shù)大幅度落后于發(fā)達(dá)國家，嚴(yán)重制約了我國深部地層的勘探開發(fā)進(jìn)程[1]。因此，亟需研究深層破巖新技術(shù)和新工具[2–5]，以提高深部硬地層的機(jī)械鉆速。

超聲波破巖技術(shù)是高效破巖新技術(shù)研究的重要方向之一，M.W iercigroch等人[6–9]率先開展了超聲波破巖系統(tǒng)的動力學(xué)研究；O.K. Ajibose等人[10–13]隨后建立了超聲波破巖實(shí)驗(yàn)室，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)確定了實(shí)現(xiàn)超聲波破巖最優(yōu)鉆速的響應(yīng)條件，并進(jìn)一步探索超聲波破巖的最優(yōu)鉆壓和最優(yōu)頻率。近年來，尹崧宇等人[14–16]搭建了超聲波振動試驗(yàn)臺，運(yùn)用數(shù)值模擬和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析了壓力和超聲波振動頻率對巖石破碎的影響規(guī)律；黃家根等人[17]對超聲波高頻旋沖破巖機(jī)理進(jìn)行了初步探索，設(shè)計(jì)了超聲波振動短節(jié)。M.W iercigroch和尹崧宇等人的研究重點(diǎn)在超聲波激勵(lì)系統(tǒng)的動力學(xué)方面，沒有通過試驗(yàn)分析超聲波高頻旋沖破巖技術(shù)的提速效果。因此，筆者搭建了超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺，進(jìn)行了超聲波破巖提速試驗(yàn)和影響超聲波破巖效率因素的試驗(yàn)，分析了影響超聲波破巖效率的主要因素，明確了超聲波高頻旋沖破巖技術(shù)的提速效果。

1 模擬試驗(yàn)裝置

1.1 超聲波振動發(fā)生短節(jié)

設(shè)計(jì)加工的超聲波振動發(fā)生短節(jié)主要由壓電換能器、換能器外殼、通電接口、MT4接頭、微型鉆頭及軸承等部件組成（見圖1）。通電接口和壓電換能器之間通過碳刷和導(dǎo)線連接，保證給旋轉(zhuǎn)運(yùn)動部件（包括MT4接頭、壓電換能器和微型鉆頭）持續(xù)供電。超聲波振動器由超聲波振動發(fā)生短節(jié)和數(shù)控驅(qū)動電源組成。

圖1 超聲波振動發(fā)生短節(jié)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ultrasonic vibration pup joint

壓電換能器采用壓電陶瓷制作，壓電陶瓷是電介質(zhì)，在電場作用下可以產(chǎn)生壓電效應(yīng)[18]，如圖2所示。在外電場作用下，壓電陶瓷會產(chǎn)生一定的應(yīng)變，電場的大小和方向決定了其產(chǎn)生應(yīng)變的大小和方向，電場越大則應(yīng)變越大。壓電陶瓷在外電場作用下產(chǎn)生的應(yīng)變大小為?h，外電場撤掉以后，壓電陶瓷較原始狀態(tài)相比剩余應(yīng)變?yōu)閔0。利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，在壓電陶瓷輸入端施加交變電壓，輸入的電能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，壓電陶瓷會沿電場方向作伸縮振動。微型鉆頭接收到微型高頻振動，通過柄部將超聲振動放大，從而帶動鉆頭做軸向高頻振動[17]。

1.2 超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺

為了研究超聲波破巖提速效果，分析影響超聲波破巖效率的因素，搭建了超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺，如圖3所示。

圖2 壓電陶瓷的壓電效應(yīng)Fig.2 Piezoelectric effect of piezoelectric ceram ics

圖3 超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺Fig.3 Test bench for ultrasonic rock breaking simulation

超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺主要由超聲波振動發(fā)生短節(jié)、數(shù)控驅(qū)動電源、液壓泵、壓力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和巖心夾持器組成，各部分的功能如下：

1）超聲波振動發(fā)生短節(jié)帶動微型鉆頭實(shí)現(xiàn)軸向高頻沖擊。數(shù)控驅(qū)動電源給超聲波振動發(fā)生短節(jié)提供高壓電流，使振動短節(jié)產(chǎn)生超聲高頻振動，同時(shí)帶動微型鉆頭進(jìn)行軸向高頻低幅振動[17]。

2）液壓泵帶動超聲波振動器產(chǎn)生垂直方向鉆進(jìn)運(yùn)動。液壓泵有恒壓模式和恒流模式2種工作方式。恒壓模式工作時(shí)，能縮小鉆壓的波動范圍，從而實(shí)現(xiàn)一定意義上的恒壓鉆進(jìn)；恒流模式工作時(shí)，能保證液壓泵工作時(shí)單位時(shí)間內(nèi)的吸液量和排液量大致相當(dāng)，此時(shí)鉆壓的波動范圍很大，而且波動無規(guī)律性。本文試驗(yàn)采用恒壓模式，目的是在破巖鉆進(jìn)中保持鉆壓穩(wěn)定，避免鉆壓波動對破巖效果產(chǎn)生影響。

3）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)測量并記錄鉆進(jìn)中的鉆壓和位移、設(shè)置測量時(shí)間間隔、控制鉆進(jìn)運(yùn)動的開始和停止以及設(shè)置鉆進(jìn)過程中的鉆壓和轉(zhuǎn)速。

4）交流伺服電機(jī)帶動巖心夾具和巖樣旋轉(zhuǎn)。

超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺中，超聲波振動發(fā)生短節(jié)帶動微型鉆頭實(shí)現(xiàn)軸向高頻沖擊運(yùn)動過程，巖心夾具和巖樣實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩者配合實(shí)現(xiàn)了超聲波高頻旋沖破巖運(yùn)動。

試驗(yàn)所用鉆頭為圓柄四刃四槽鎢碳合金鉆頭，巖樣為砂巖、泥巖和頁巖，由地面巖樣切割而成，巖樣均加工成邊長為50mm的正方體。

2 超聲波破巖提速效果試驗(yàn)

為定量分析超聲波破巖較常規(guī)破巖的提速效果，每一組對比試驗(yàn)進(jìn)行2次試驗(yàn)，2次試驗(yàn)中的鉆頭直徑、鉆壓、轉(zhuǎn)速和巖性都相同，其中一次試驗(yàn)打開超聲波振動器，實(shí)現(xiàn)超聲波高頻旋沖破巖；另外一次試驗(yàn)則關(guān)閉超聲波振動器，進(jìn)行常規(guī)破巖。將2次試驗(yàn)得到的鉆速進(jìn)行對比，即可確定超聲波破巖的提速效果。

為了確定超聲波高頻旋沖破巖的提速效果，共進(jìn)行了9組對比試驗(yàn)（18次試驗(yàn)），每組試驗(yàn)的試驗(yàn)編號及破巖參數(shù)設(shè)置見表1。鉆頭直徑分別為12，10和6 mm，鉆壓設(shè)置為400 N，轉(zhuǎn)速設(shè)置為90 r/m in。

在該試驗(yàn)條件下，H07和H09這2組試驗(yàn)的超聲波破巖提速效果最好，超聲波破巖較常規(guī)破巖鉆速分別提高了218.51%和187.33%。9組對比試驗(yàn)的超聲波旋沖破巖平均鉆速為0.145m/h，常規(guī)破巖平均鉆速為0.075m/h，根據(jù)這2個(gè)數(shù)值，計(jì)算出在該試驗(yàn)條件下超聲波破巖較常規(guī)破巖鉆速平均提高93.33%。這9組對比試驗(yàn)中，均計(jì)算得到超聲波旋沖破巖較常規(guī)破巖的鉆速提高幅度（見表1），將這9組數(shù)值平均后，得到在該試驗(yàn)條件下超聲波破巖較常規(guī)破巖鉆速平均提高77.65%，說明超聲波破巖較常規(guī)破巖的提速效果明顯。

由表1可知，H02和H08這2組試驗(yàn)相比于其他7組試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常，為了分析原因，選擇H01、H02、H08和H09這4組試驗(yàn)，分析這4組試驗(yàn)中鉆頭位移和鉆壓隨時(shí)間的變化情況（見圖4）。H01組試驗(yàn)中，超聲波破巖時(shí)鉆壓的波動范圍與常規(guī)破巖時(shí)鉆壓的波動范圍大致相同，都在250～270 N范圍內(nèi)波動；但相同時(shí)刻的超聲波破巖鉆進(jìn)位移大于常規(guī)破巖鉆進(jìn)位移，常規(guī)破巖鉆進(jìn)位移曲線趨近1.5 mm深度處，超聲波破巖鉆進(jìn)位移曲線趨近于2.0mm深度處。H01和H09這2組試驗(yàn)中，超聲波破巖時(shí)鉆壓的波動范圍與常規(guī)破巖時(shí)鉆壓的波動范圍大致相同；但相同時(shí)刻的超聲波破巖鉆進(jìn)位移均大于常規(guī)破巖鉆進(jìn)位移，說明在這2組試驗(yàn)中，超聲波破巖較常規(guī)破巖效果更好。

3 超聲波破巖效率影響因素試驗(yàn)

為了確定影響超聲波破巖效率的因素，按正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了超聲波破巖效率影響因素試驗(yàn)。試驗(yàn)考慮并選取了鉆頭直徑、振幅、鉆壓和轉(zhuǎn)速等4個(gè)影響因素，因此設(shè)計(jì)了四因素三水平正交試驗(yàn)的因素和水平（見表2），選擇L9（34）設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案（見表3），以鉆速作為考察指標(biāo)。其中，振幅為0表示關(guān)閉超聲波振動發(fā)生短節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1 超聲波破巖與常規(guī)破巖試驗(yàn)結(jié)果對比Table 1 Com parison of test resu lts between ultrasonic rock breaking and conventional rock breaking

圖4 超聲波破巖與常規(guī)破巖的鉆壓和位移對比Fig.4 Comparison of drilling pressure and disp lacement between ultrasonic rock breaking and conventional rockbreaking

表2 影響因素的不同水平取值Tab le 2 The valuesof the level of different in fluencing factors

用極差R判斷鉆頭直徑（A）、振幅（B）、鉆壓（C）和轉(zhuǎn)速（D）這4個(gè)影響因素的重要性次序。由表3可知，極差R的大小關(guān)系為RC>RB>RA>RD，重要性由大到小排列為鉆壓、振幅、鉆頭直徑和轉(zhuǎn)速。

根據(jù)表3的試驗(yàn)方案，重復(fù)進(jìn)行了3組正交試驗(yàn)，得到這4組正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果（見表4），進(jìn)一步分析獲得最高鉆速各因素的數(shù)值。

從表4也可以看出，4組正交試驗(yàn)中，各個(gè)因素的極差R平均值大小順序關(guān)系為RC>RB>RA>RD，因此得到各個(gè)因素對破巖效率的影響程度從大到小依次為鉆壓（C）、振幅（B）、鉆頭直徑（A）和轉(zhuǎn)速（D）。該試驗(yàn)條件下獲得最高鉆速的條件是A1B1C1D1，即鉆頭直徑為12mm、振幅為10μm、鉆壓為800 N和轉(zhuǎn)速120為r/m in時(shí)，可獲得鉆高鉆速。

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種超聲波振動發(fā)生短節(jié)，搭建了超聲波破巖模擬試驗(yàn)臺，實(shí)現(xiàn)了超聲波高頻旋沖破巖。

2）采用控制變量試驗(yàn)法，明確了超聲波高頻旋沖破巖技術(shù)的提速效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，超聲波技術(shù)可以極大地提高破巖效率，提高幅度達(dá)77.65%。

3）采用正交試驗(yàn)法，分析了影響超聲波高頻旋沖破巖效率的因素，發(fā)現(xiàn)鉆壓和振幅對超聲波破巖效率的影響顯著，鉆頭直徑和轉(zhuǎn)速對超聲波破巖效率的影響也比較大。

表3 正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Schemesand resultsof orthogonal experiments

表4 4組正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析Tab le 4 Range analysis resu lts of four groups of orthogonal experim ents