【摘要】：隨著油氣勘探的不斷深入,井深從中淺層向深層、超深層延伸,鉆井難度逐漸增加,因此鉆井提速是相關(guān)研究的重點(diǎn),鉆井速度的快慢與鉆頭破巖效率關(guān)系很大。鉆頭諧振破巖技術(shù)是未來鉆井提速的一個(gè)重要分支。井底工作面的巖石在鉆頭的諧振作用下能夠加速破碎,而當(dāng)前簡諧振動(dòng)沖擊下巖石的破碎機(jī)理研究正處于起步階段,鉆頭簡諧振動(dòng)對巖石的破碎效果及其破巖機(jī)理還不明確。因此針對這一問題,本文開展鉆頭諧振沖擊下巖石破碎機(jī)理研究。本文采用離散單元法為理論基礎(chǔ),分別從巖石介質(zhì)的巖石力學(xué)參數(shù)、巖石共振頻率的測定,巖石在不同頻率的簡諧振動(dòng)下所產(chǎn)生的破巖效果進(jìn)行分析。通過離散元模擬以及室內(nèi)實(shí)驗(yàn),對巖石在簡諧振動(dòng)條件下的力學(xué)行為進(jìn)行分析,揭示簡諧振動(dòng)下巖石的破碎機(jī)理。掌握諧振條件下巖石破碎的機(jī)理對提高機(jī)械鉆速及現(xiàn)場應(yīng)用有重要的指導(dǎo)意義,研究內(nèi)容如下:(1)利用超聲波測試系統(tǒng)及三軸巖石力學(xué)測試系統(tǒng)對巖石的共振頻率及巖石的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量,通過分析巖石的成分、密度、體積等因素對巖石共振頻率的影響可知,巖石所含的不同組份會(huì)對其共振頻率產(chǎn)生不同的影響、巖石的質(zhì)量與其共振頻率呈負(fù)相關(guān)與地層深度呈正相關(guān),但巖石的共振頻率最終取決于激振頻率的大小,當(dāng)激勵(lì)頻率范圍確定,巖石的共振頻率也隨之確定。(2)根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)并結(jié)合離散元理論建立巖石的三維抗壓及抗拉強(qiáng)度模型,通過數(shù)百組仿真模擬及26組室內(nèi)試驗(yàn),對顆粒之間的鏈接鍵參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定對模型的影響因素進(jìn)行了分析,并給出了動(dòng)態(tài)破碎過程,通過擬合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,巖石破壞的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本一致兩者誤差約為3.5%,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。(3)建立了PDC單齒切削離散元模型,通過引入破碎比功對PDC切削齒的前傾角進(jìn)行了優(yōu)選,通過為PDC齒分別添加不同頻率的簡諧振動(dòng),對比分析其在有無振動(dòng)下的破巖效果結(jié)合室內(nèi)破巖試驗(yàn)可知,簡諧振動(dòng)下機(jī)械鉆對比未施加簡諧振動(dòng)時(shí)的速度提高50%以上。
【圖文】：

圖 2.1 巖石三軸應(yīng)力試驗(yàn)測試系統(tǒng)載框架包括四根預(yù)緊螺栓，上、下底座和艙包括艙體和底部插座兩部分，底部插座也是流體進(jìn)入巖樣孔隙的載體，是整套設(shè)驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行的。試驗(yàn)艙內(nèi)可容納的最大巖載荷是由力傳感器測定，軸向位移是軸向統(tǒng)是用來模擬水平應(yīng)力的。由液壓流體徑缸和一個(gè)伺服閥，可同時(shí)用壓力傳感到 140MPa。隙壓力系統(tǒng)用來模擬地層孔隙壓力，并可伺服閥控制的液壓增壓器產(chǎn)生孔隙壓力，，最大孔隙壓力可達(dá)到 120MPa。此外，，積的變化。機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：進(jìn)行巖樣測試時(shí)，通過

第二章 巖石的共振頻率測定表 2-3 全尺寸巖心巖石力學(xué)參數(shù)測試數(shù)據(jù)表序號(hào)巖性尺寸Mm楊氏模量MPa泊松比抗壓強(qiáng)度MPa內(nèi)聚力MPa可鉆性微牙輪可鉆性微 PDC硬度MPa塑性系數(shù)1泥巖全尺寸8516.7 0.12 32.57 11.18 4.96 6.89 598.6 1.122泥巖全尺寸5703.5 0.17 27.45 9.48 4.2 6.58 - -3砂巖全尺寸3176 0.19 6.572 2.99 5.08 4.97 888 1.014砂巖全尺寸6633.2 0.16 17.31 2.71 7.84 - 1326 1.165砂巖全尺寸10623.4 0.18 30.3 9.67 5.82 5.46 730.3 1.12三軸巖石力學(xué)測試應(yīng)力-應(yīng)變部分曲線如圖 2.2 圖所示。
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TE921.1;TE21

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2676047