基于态型近场动力学的PDC钻头破岩机理研究

The bit-rock interaction is a discontinuous process, which involves impact, crack and shear problems. The bit-rock interaction has become the core issue in drilling engineering. Meanwhile, the bit-rock interaction models which build on continuum mechanics often fail due to the heterogeneous, anisotropic and discontinuous properties of rock materials. Peridynamics is a nonlocal theory, which has advantages for solving crack problems. In this research, the rock-breaking mechanism of PDC bit based on state-based peridynamics is investigated. First, the rock properties are represented within the peridynamic framework, including Young's modulus, Poisson ratio, anisotropic properties, heterogeneous properties, joints, initial cracks and etc. Second, the rock cracking model under the influence of single cutter is built. This single cutter model is focused on the bit-rock contact problem. The influence of cutter depth, speed, geometry on crack characters is analyzed. Finally, after setting up the rock crack criterion and bit penetration criterion, the rock breaking multiscale model under the influence of full PDC bit is proposed using an adaptive algorithm and parallel computing technique. Influence of drilling parameter on penetration rate is analyzed. This project is beneficial to bit design and high efficient drilling technique.

钻头与井底岩石的作用是钻井工程的核心问题，一系列碰撞、压碎和剪切等构成了钻头破岩过程，同时，岩石所具有非均质、不连续和各向异性等，导致传统基于连续介质力学的破岩理论具有较大的局限性。近场动力学作为新兴的非局部力学理论体系，在应用于研究钻头-岩石非连续问题时体现出强大优势，已成为当前断裂力学、钻井工程相关领域的热点问题。本课题基于态型近场动力学理论，结合试验验证，对PDC钻头作用下岩石的破碎机理进行研究。主要内容包括：首先将岩石的材料和力学特性用态型近场动力学的参数进行描述。其次，通过定义钻头切削齿与岩石的接触关系，建立PDC单齿作用下岩石的破坏模型，进而分析单齿的切削深度、切削角度和切削速度对岩石破坏特性的影响。最后,采用多尺度和钻深自适应算法，对PDC全钻头破岩机理进行研究，进而研究不同钻压、转速、轴向振动对钻头钻进速度的影响。本项目对钻头设计与研发，以及高效破岩技术具有理论指导意义。

由于钻井过程复杂的钻头岩石相互作用和剧烈的岩石破碎现象，导致传统的连续介质力学在表征破岩时具有局限性。考虑近场动力学理论在处理断裂相关问题时的优势，本项目将近场动力学理论应用到PDC钻头破岩领域。在获得实测岩石的力学特性参数的基础上，搭建完成岩石的近场动力学本构关系和断裂准则；通过设计非局部接触算法，获得切削齿破岩的近场动力学模型，并进行PDC钻头破岩分析。本项目在以下三个方面取得了突破：.（1）通过岩石的动、静力学实验，探明了岩石的力学性能。完成了单轴抗压、巴西圆盘抗压、三轴抗压、三轴冲击等实验，结果表明岩石材料三轴力学性能和单轴力学性能差异大，考虑深部岩石高地应力的情况，在仿真破岩时应充分考虑围压对岩石强度的影响。.（2）设计近场动力学非局部接触算法，进行切削齿破岩仿真。提出基于接触力和接触位移的两种非局部接触算法，并对比两者特点和优势。基于接触位移模型进行了切削齿破岩模拟，结果表明不同类型切削齿的破岩效果差异较大，且切削参数影响岩石的破碎类型。.（3）搭建了全钻头钻进模型，并研讨高效破岩技术和机理。基于随机接触力模型和钻深自适应算法，进行了钻进过程模拟。在此基础上，将钻头岩石之间的相互作用作为边界条件，采用随机运动耦合方式对实钻过程钻头的运动状况进行表征。.本项目对岩石三轴力学性能的研究部分解释了深部岩石难钻的原因，对不同类型切削齿破岩规律的探究对钻头研发以及组合切削齿破岩提供理论支撑，对钻头岩石耦合关系的研究对钻头工况的识别提供思路，可作为高效破岩和智能钻井的理论基础。