PDC钻头谐振冲击下岩石破碎模拟研究

发布时间：2020-05-22 13:13

【摘要】：随着油气勘探的不断深入,井深从中浅层向深层、超深层延伸,钻井难度逐渐增加,因此钻井提速是相关研究的重点,钻井速度的快慢与钻头破岩效率关系很大。钻头谐振破岩技术是未来钻井提速的一个重要分支。井底工作面的岩石在钻头的谐振作用下能够加速破碎,而当前简谐振动冲击下岩石的破碎机理研究正处于起步阶段,钻头简谐振动对岩石的破碎效果及其破岩机理还不明确。因此针对这一问题,本文开展钻头谐振冲击下岩石破碎机理研究。本文采用离散单元法为理论基础,分别从岩石介质的岩石力学参数、岩石共振频率的测定,岩石在不同频率的简谐振动下所产生的破岩效果进行分析。通过离散元模拟以及室内实验,对岩石在简谐振动条件下的力学行为进行分析,揭示简谐振动下岩石的破碎机理。掌握谐振条件下岩石破碎的机理对提高机械钻速及现场应用有重要的指导意义,研究内容如下:(1)利用超声波测试系统及三轴岩石力学测试系统对岩石的共振频率及岩石的物理力学参数进行测量,通过分析岩石的成分、密度、体积等因素对岩石共振频率的影响可知,岩石所含的不同组份会对其共振频率产生不同的影响、岩石的质量与其共振频率呈负相关与地层深度呈正相关,但岩石的共振频率最终取决于激振频率的大小,当激励频率范围确定,岩石的共振频率也随之确定。(2)根据岩石的力学性质并结合离散元理论建立岩石的三维抗压及抗拉强度模型,通过数百组仿真模拟及26组室内试验,对颗粒之间的链接键参数进行了标定对模型的影响因素进行了分析,并给出了动态破碎过程,通过拟合室内实验结果与模拟实验结果可知,岩石破坏的应力-应变曲线基本一致两者误差约为3.5%,验证了模型的准确性。(3)建立了PDC单齿切削离散元模型,通过引入破碎比功对PDC切削齿的前倾角进行了优选,通过为PDC齿分别添加不同频率的简谐振动,对比分析其在有无振动下的破岩效果结合室内破岩试验可知,简谐振动下机械钻对比未施加简谐振动时的速度提高50%以上。
【图文】：

三轴应力,试验测试,岩石,孔隙压力

图 2.1 岩石三轴应力试验测试系统载框架包括四根预紧螺栓，上、下底座和舱包括舱体和底部插座两部分，底部插座也是流体进入岩样孔隙的载体，是整套设验舱内进行的。试验舱内可容纳的最大岩载荷是由力传感器测定，轴向位移是轴向统是用来模拟水平应力的。由液压流体径缸和一个伺服阀，可同时用压力传感到 140MPa。隙压力系统用来模拟地层孔隙压力，并可伺服阀控制的液压增压器产生孔隙压力，，最大孔隙压力可达到 120MPa。此外，，积的变化。机数据采集系统：进行岩样测试时，通过

曲线,岩样,应力-应变曲线,全尺寸

第二章岩石的共振频率测定表 2-3 全尺寸岩心岩石力学参数测试数据表序号岩性尺寸Mm杨氏模量MPa泊松比抗压强度MPa内聚力MPa可钻性微牙轮可钻性微 PDC硬度MPa塑性系数1泥岩全尺寸8516.7 0.12 32.57 11.18 4.96 6.89 598.6 1.122泥岩全尺寸5703.5 0.17 27.45 9.48 4.2 6.58 - -3砂岩全尺寸3176 0.19 6.572 2.99 5.08 4.97 888 1.014砂岩全尺寸6633.2 0.16 17.31 2.71 7.84 - 1326 1.165砂岩全尺寸10623.4 0.18 30.3 9.67 5.82 5.46 730.3 1.12三轴岩石力学测试应力-应变部分曲线如图 2.2 图所示。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE921.1;TE21

【参考文献】