压力对超声波振动碎岩效果影响规律的研究

发布时间：2017-04-16 11:18

  本文关键词：压力对超声波振动碎岩效果影响规律的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在钻探领域,硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。岩石受到超声波振动时,内部会快速产生损伤或裂纹,岩石强度会大幅度下降,从而降低破碎难度,提高岩石破碎效率。钻压作为重要钻进工艺参数,直接影响钻进效率。压力对振动碎岩效果有较大影响:过大的压力使得岩石的最大剪应力减小,影响裂纹产生,并且钻压过大使得钻头消耗急剧增大,将导致钻速下降;压力过小,能量传递差、振动碎岩效果不理想。超声波振动应用于硬岩钻进时,钻压可反映为装置静压力的大小,因此压力是影响超声波振动碎岩效率及其在硬岩钻进领域应用的重要因素。而由于超声波振动碎岩机理、条件均与常规碎岩方式不同,须通过理论与试验相结合的方式探究在超声波振动加载条件下,压力对岩石破碎效果的影响规律,对于提高超声波振动破碎硬岩效率、扩展超声波振动在硬岩钻进领域的应用具有重要研究意义,为研究超声波振动碎岩机理、攻克硬岩钻进技术难题等提供重要的理论支撑。目前国内外均未有涉及压力等因素对超声波振动碎岩效果影响的研究,均未充分阐释超声波振动碎岩机理。本文通过理论分析,试验验证的研究方式,研究了压力对超声波振动碎岩效果的影响规律。本文对超声波振动碎岩作用进行了理论分析。将超声波振动碎岩过程与疲劳破碎理论、断裂力学理论及共振理论相结合,从岩石的疲劳损伤、能量耗散和共振破碎三个方面对超声波振动促进岩石破碎作用进行理论分析。本文就压力对超声波振动碎岩效果的影响规律进行了理论及数值模拟分析。建立了压力与超声波振动组合加载岩石系统非线性动力学模型,分析了压力与超声波振动加载下岩石系统的突变失稳,结合能量耗散理论和疲劳损伤理论,从能量角度分析了压力对岩石塑性应变能的影响,得到超声波振动下岩石的能量耗散和破碎规律,并推导了压力与超声波振动组合加载下岩石的损伤断裂过程与微裂纹扩展条件。利用ANSYS WORKBENCH软件,对超声波振动岩石过程进行了有限元仿真分析,通过对比分析岩石在不同压力条件下振后产生塑性应变情况,总结了压力对超声波振动碎岩效果的影响规律。本文进行了超声波振动碎岩试验研究。利用压电陶瓷式超声波振动器建立超声波振动试验平台,在不同压力条件下对岩样进行超声波振动试验,使用核磁共振仪检测岩石核磁共振特性,通过岩石压裂试验机进行岩石单轴抗压强度测试,对比岩石在不同压力下进行超声波振动试验前后的孔隙度、T2图谱分布、核磁共振谱面积、抗压强度及破碎形态等量的变化情况,并分析各量随压力增大的变化规律。将试验结果与理论分析结果相结合进行分析对比,得到的研究成果如下:(1)通过超声波振动碎岩作用理论分析得到:由于超声波振动具有高频率、高振动力的特点,加载应力波的能量密度高,使得岩石损伤累积速度快,达到疲劳破坏极限时间短;又由于超声波振动可达到岩石的共振频率,促使岩石裂纹扩大和发展,强度降低,因此超声波振动具有更高的破碎岩石效率。(2)通过压力对超声波振动碎岩影响的理论及数值模拟分析,发现:超声波振动与压力结合作用时,加载应力波能量密度存在最小压力阈值,在200N至300N之间。只有当压力增大至加载应力波能量密度大于该能量最小阈值时,微裂纹才开始扩展,岩石开始损伤累积;在一定范围内,施加于岩石上的能量密度随着压力的增大而提高,岩石吸收的用于裂纹产生和破碎的塑性应变能越多,岩石疲劳强度越低,裂纹扩展速度和损伤速率也越大,破碎效率越高;当压力在200N至500N的范围内,塑性应变随压力增大而大幅度递增,岩石破碎效率逐渐提高,并在300N时塑性应变递增幅度达到最大值;在500N至2000N范围内,塑性应变随压力递增幅度减缓,增大压力而提高超声波振动下岩石破碎效率的相对作用较弱。这是由于随加载能量的增大,塑性应变能随压力提高而增大的程度有限,到达一定值后塑性应变能增大幅度趋于平缓,无用耗散的弹性波能量的相对值缓慢下降,岩石损伤速度趋于稳定,岩石内部裂纹以较快的速度保持平稳发展。(3)通过压力对超声波振动碎岩效果影响规律的试验研究,发现:超声波振动对岩石的破碎具有促进作用,但这种促进作用存在压力阈值,在200N至300N之间,低于此阈值时,振动对岩石内部裂纹影响微弱,岩石强度几乎无变化,振动不对岩石产生损伤,无促进岩石破碎作用;超过压力阈值,在试验的压力范围内(即500N以内),超声波振动能够促使岩石裂纹产生和发展,损伤累积、强度降低,并且这种促进作用随压力的增大而提高;当压力增大到一定值(即300N)后继续增大时,促进作用随压力递增有向平缓发展趋势,岩石在超声波振动下处于微裂纹产生和扩展的平稳发展阶段。试验结果同理论分析结果相符合,初步验证了理论分析的正确性。(4)由仿真及实验结果可知:在频率为20KHz,振动时间为5min的条件下,当压力为300N时,超声波振动对岩石破碎的促进作用随压力递增的速度最快;当压力超过500N后,压力增大对岩石破碎效率的相对提高作用减缓。因此,在此条件下从能量利用率及碎岩效果上来看,存在一最优压力值为300N,此时岩石核磁共振特性及抗压强度变化幅度最大。
【关键词】：超声波振动 岩石破碎 压力
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-26
• 1.1 研究背景13-14
• 1.2 研究目的和意义14-15
• 1.3 国内外研究现状15-24
• 1.3.1 超声波振动碎岩相关理论国内外研究现状15-18
• 1.3.2 声波、超声波钻进国内外研究现状18-21
• 1.3.3 压力对超声波振动碎岩效果影响研究现状21-24
• 1.4 论文主要研究内容及技术路线24-26
• 第二章 超声波振动碎岩作用理论分析26-37
• 2.1 超声波振动碎岩疲劳损伤过程理论分析26-28
• 2.1.1 疲劳损伤分析26-27
• 2.1.2 破裂破坏的裂纹扩展过程27-28
• 2.2 超声波振动碎岩能量耗散理论分析28-32
• 2.2.1 岩石在振动冲击下的能量耗散28-30
• 2.2.2 损伤累积理论30-32
• 2.3 超声波振动共振碎岩理论分析32-36
• 2.3.1 岩石共振理论32-35
• 2.3.2 岩石共振破碎35-36
• 本章小结36-37
• 第三章 压力对超声波振动碎岩影响的理论及有限元仿真分析37-55
• 3.1 压力与超声波振动加载下岩石系统的突变失稳37-40
• 3.1.1 压力与超声波振动加载下岩石系统的非线性动力学模型37-39
• 3.1.2 压力与超声波振动加载下岩石系统自振频率变化规律39-40
• 3.2 压力对超声波振动碎岩的影响规律40-45
• 3.2.1 压力对超声波振动下岩石塑性应变能的影响40-42
• 3.2.2 压力与超声波振动加载下岩石的能量耗散与破碎规律42-44
• 3.2.3 压力与超声波振动加载下岩石的损伤断裂过程与判据44-45
• 3.3 超声波振动碎岩有限元分析45-53
• 3.3.1 有限元分析条件45-46
• 3.3.2 瞬态动力学分析46-53
• 本章小结53-55
• 第四章 超声波振动碎岩试验研究55-81
• 4.1 试验技术55-59
• 4.1.1 岩样制备55-56
• 4.1.2 使用的仪器设备56-59
• 4.2 试验方法和步骤59-62
• 4.2.1 超声波振动试验60
• 4.2.2 核磁共振特性测定试验60-62
• 4.2.3 单轴抗压强度测试试验62
• 4.3 试验结果与分析62-77
• 4.3.1 岩石孔隙度变化规律62-66
• 4.3.2 岩石核磁共振T2图谱分布变化规律66-71
• 4.3.3 核磁共振谱面积变化规律71-73
• 4.3.4 岩石抗压强度变化规律73-77
• 4.4 试验结论77-80
• 本章小结80-81
• 第五章 结论与展望81-83
• 5.1 结论81-82
• 5.2 展望82-83
• 参考文献83-89
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果89-90
• 致谢90-91

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本文编号：310708