复合冲击钻井技术的破岩机理及优化设计方法研究

Aiming at solving the problem of low rate of penetration and fast failure of PDC bit during drilling in deep well, the new technology of compound percussion drilling has been put forward, which can combine the axial impact and torsional impact. Field application shows that this technology has obtained the expected effect of speed, but also has some problems, such as: the effect of compound percussive drilling technology in different strata and different drilling parameters is quite different, and relationship of bit matching is uncertainty, the key reason is lacking of the research of rock breaking theory of the technology. This project intends to take the rock breaking mechanism of the compound percussive drilling as the starting point, the evolution law of rock crack and damage as the main line, fully considering the key parameters, the rock properties and other factors, the compound percussive drilling test analysis, theoretical model, numerical simulation, respectively to reveal the mechanism of damage and fracture of rock under compound percussion from the micro and macro perspective, and set up the optimization design method based on the mechanism of rock fracture, and verify and improve the method through field experiment. The research results of the project will lay a theoretical foundation for the development of compound percussive drilling technology from experience design to scientific design.

针对深井超深井硬质地层钻进过程中的机械钻速低、PDC钻头失效快等问题，提出了将轴向冲击和扭转冲击相耦合的复合冲击钻井新技术。复合冲击钻井技术的现场应用表明，该技术取得了预期的提速效果，但是也存在一些问题，如：该技术在不同地层、不同钻井施工参数中的提速效果差别较大，与钻头匹配关系不确定等，其关键原因是对该技术的破岩理论研究不足。本项目拟以复合冲击破岩机理为切入点，以岩石裂纹及损伤的演变规律为主线，充分考虑复合冲击的关键参数、岩石物性等因素，通过复合冲击实验分析、理论模型研究、数值模拟等方法，分别从细观和宏观角度揭示复合冲击作用下岩石的损伤破裂机理，并基于岩石损伤破裂建立复合冲击钻井技术关键参数优化设计方法，通过现场实验进行验证和完善。项目的研究成果将为复合冲击钻井技术从经验设计向科学设计发展奠定理论基础。

随着油气勘探的不断深入，钻遇硬质地层的情况日益增多，现有破岩技术在硬质地层中机械钻速较慢，导致钻井成本大幅增加。针对硬质地层机械钻速低，PDC钻头粘滑振动失效快等问题，急需研制一种适合硬质地层的高效破岩工具，能同时提高硬质地层的机械钻速和PDC钻头的使用寿命。本研究结合现有一些高效破岩技术的特点，提出了同时给PDC钻头提供高频低幅的往复轴向冲击和扭转冲击的复合冲击钻井技术，根据该技术的特点进行了相关的理论研究，开发了新型复合冲击钻具。.本研究对PDC钻头进行了受力分析，研究了动静组合时岩石的损伤过程。采用数值模拟的方式分析了复合冲击时岩石的宏观和微观破碎状态。研究结果表明，采用复合冲击时，岩石所受的剪切载荷有较大的增大，增加了岩石的损伤，并增大了切削齿的切削深度。岩石内微观裂纹逐渐形成宏观裂纹，在岩石内部扩展造成内聚力单元刚度损伤，导致岩石承载力随着冲击加载次数的增加不断下降。研究表明复合冲击能够产生立体破岩效果，有利于提高机械钻速。.本研究建立了PDC钻头扭转振动模型，分析了轴向冲击及复合冲击时钻头的运动规律，对复合冲击减振机理进行了分析。研究结果表明，轴向冲击会造成钻头的扭转振动，其振幅随着轴向冲击载荷幅值的增大而增大，随着频率的减小而增大。对PDC钻头施加的扭转冲击能有效抑制由轴向冲击所产生的钻头扭矩的波动。.本研究根据复合冲击钻井技术的特点，确定了复合冲击钻具的工作原理，设计了复合冲击钻具的结构，对工具进行了室内及现场试验，试验结果显示，工具有较为明显的提速效果，试验证明复合冲击钻具能有效的提高机械钻速，提高PDC钻头使用寿命。初步形成了一项适用于直井、定向井、水平井的复合冲击钻井工具提速新技术。