楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程

发布时间：2020-02-09 22:48

【摘要】：从理论分析和数值模拟两方面研究楔形钻齿侵入岩石过程中径向裂纹和侧向裂纹的扩展情况。首先根据Marshall的试验研究,分析考虑钻井液压力、侧压作用下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳齿间距公式,讨论钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。研究表明:随着侧压增大,临界侵入深度变大;钻齿下方的损伤区域变小,并且损伤区域变得相对比较平坦,不再凸入岩石内部;钻井液压力增大对径向裂纹的扩展以及损伤区域的扩大有促进作用,径向裂纹长度以及损伤区域随钻井液压力的增大而增大,但损伤区域随着钻井液压力的增大越来越凸入岩石内部;钻井液压力对侧向裂纹的萌生和扩展有抑制作用;合理的齿间距可以产生侧向裂纹重叠区,促进岩石的破碎,提高破岩效率;理论分析结果和数值仿真结果较一致。
【图文】：

断裂形态,静态

，分析在考虑钻井液压力、侧压情况下岩石在楔形钻齿侵入过程中径向裂纹与侧向裂纹的极限长度公式和最佳的齿间距公式，以及钻井液压力、侧压和齿间距对裂纹扩展的影响;然后利用离散单元方法(PFC2D)研究楔形钻齿侵入过程中岩石的失效以及裂纹扩展情况。1侵入断裂形态及分析1.1侵入断裂形态对压头侵入脆性材料的研究结果表明，弹性侵入和弹脆性侵入的区别主要在于压头形状和被侵入材料性质。弹脆性侵入时一般在损伤区外产生径向、中间和侧向裂纹，除了产生这3种裂纹外，还在压头下方产生密实核，如图1所示。图1静态侵入断裂形态Fig．1Staticfracturemorphology1.2侵入断裂分析建立侵入载荷与裂纹长度的关系对研究被侵入材料中裂纹的扩展范围、强度衰减、损伤所致的程度以及脆性材料的侵入破碎机制有重要意义。根据Swain［29］拉脆侵入理论得到侵入载荷与径向裂纹长度的关系为P∝C3/2r。Marshall［30-32］根据前人大量的试验和理论研究结果，提出了适用于各种压头弹脆性侵入断裂的分析方法。其分析基于两个普遍的试验现象:弹脆性侵入产生的裂纹最终形态在压头离开材料表面完成，即残余应力场在形成裂纹最终形态方面起到了很大作用;压痕下不可逆变形区的形状近似半球形。最后提出了与径向裂纹产生密切相关的应力强度因子的概念:Kr=β(EH)1/2(δV)2/3/C3/2r．(1)式中，β为常数;E为岩石弹性模量，MPa;H为被侵入材料的硬度，HRC;δV为压痕体积，mm3。同时通过试验测定岩石的平面应变断裂韧度Kc，当Kr≥Kc，即产生径向裂纹扩展，P/C3/2r=Kc/Xb．(2)其中Xb=β(E/H)1/2(acotψ)2/3/a0．式中，ψ为

几何形状,侧向,裂纹

为压头特征角，(°);a为牙齿接触长度，mm;a0为牙齿几何参数。凿岩中最关键的裂纹是侧向裂纹，试验说明侧向裂纹在压头卸载时扩展，因而残余应力起主要作用。假定侧向裂纹平行于自由面，且同时忽略多层开裂的影响，建立简化的侧向裂纹分析模型，如图2所示。假设把侧向裂纹以上的岩石当成厚度为h的板，残余应力Pr1与其引起的位移ur呈线性关系:Pr1Pro=1－ururo．(3)式中，Pro为最大残余应力，MPa;uro为Pr1=0时的初始位移，mm;ur为残余力Pr1引起的位移，mm。图2侧向裂纹系统Fig．2Lateralcrackssystem联立平面应变应力强度因子方程，塑性区及压痕体积的几何尺寸方程为Kc=［A/2π(1－ν2)］1/2Pr1/h3/2，(4)Pr1=Pr0/(1+APr0C2L/Eur0h3)．(5)式中，ν为泊松比;A为与压头几何形状相关的常数;h为侧向裂纹以上岩石的厚度，，mm。最大残余应力、初始位移及侧向裂纹以上岩石的厚度为Pro∝(E/H)1/2(cotψ)2/3P，(6)uro∝［(H/E)/H1/2］(cotψ)1/3P1/2，(7)第41卷第1期祝效华，等:楔形钻齿作用下岩石破碎及微观劣化过程·91·

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