钻头谐振激励下岩石的响应机制及破碎机理研究

The crushing technology under rock resonance in the incentive of harmonic vibration with drill bit is a new rock breaking method. It has great significance to improve penetration rate in deep well. Resonance mechanism of rocks in the incentive of harmonic vibration and rock breaking mechanism in the condition of resonance are basic problems to realize the resonance drilling technology. Through the indoor test, measure resonant characteristics of rocks, analyze the influence of pore, crack, static and dynamic load and mechanical parameters on it. According to the resonance parameters of rocks by testing, incentive rock materials into the resonance, study crack propagation mechanism under static and dynamic load and analyze drillability of rock and penetration rate of drill bit in resonance condition. Study three key problems to reveal the crushing mechanism of rocks in harmonic incentive with drill bit. The three key problems are the interaction mechanism of cracks' dynamic expansion and resonant characteristics, the change rule of resonant characteristics in the impact of shear load and the analysis and evaluation of the ability of crush resistance of rock material in resonance. The project is the theoretical foundation that resonance rock breaking technology is widely applied to the mining, drilling, construction and other rock mechanics engineering field.

钻头简谐振动激励下的岩石共振破碎技术是一种新兴的破岩方法,它对提高深井钻井机械钻速具有重要意义。研究简谐振动激励下岩石的共振机理和共振条件下钻头的破岩机理是实现共振破岩技术的基础问题。本项目通过室内试验测定岩石材料的共振特性，分析简谐振动激励下岩石孔隙、裂缝、动静载荷、力学参数等因素对岩石共振特性的影响。根据测试得到的岩石共振参数，激励岩石材料进入共振状态，研究动、静载荷下岩石的裂纹扩展机制，分析共振状态下岩石的可钻性及钻头的机械钻速。通过解决岩石裂缝动态扩展与共振特性的作用机制、冲击剪切载荷下岩石材料共振特性的变化规律及共振状态下岩石材料抗破碎能力等三个关键问题，揭示钻头简谐振动激励下岩石的破碎机理。本项目的研究工作，为共振破岩技术广泛应用到采矿、钻井、建筑等岩石力学工程领域奠定理论基础。

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，破岩难度加大。尤其在一些复杂难钻地层，旋转钻井的钻进效果并不理想，机械钻速低下，钻井事故频发，钻井成本高。本项目针对我国当前深部地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况，提出了应用谐振激励冲击破岩的钻井方向，采用理论研究、数值模拟以及室内实验相结合的手段对谐振激励下钻头的冲击破岩机理展开研究。.项目的主要研究内容及研究成果如下：.1. 研究了岩石介质冲击振动的力学模型。分别从作用介质、振动响应以及冲击系统三个角度介绍了岩石介质的力学模型、振动系统的力学模型以及冲击钻进系统的力学模型，给出了谐振激励下岩石介质稳态响应的幅频特性曲线。.2. 基于模态分析理论，分别建立了单裂缝岩石固有频率的理论计算模型和多裂缝岩石的振动模型。分析了裂缝走向、裂缝长度、裂缝宽度以及裂缝数量对岩石谐振频率的影响规律，证明了裂缝存在会降低岩石介质的固有频率。.3. 基于最小作用量原理，建立了谐振激励下岩石介质的微振动方程，分析了压头冲击力、冲击频率以及岩石质量对岩石介质振动位移的影响。研究结果表明岩石介质在谐振激励下的微振动位移曲线也呈类简谐函数形状。.4. 基于哈密顿能量方程，分别建立了无阻尼条件下和有阻尼条件下岩石介质的能量响应模型及相应的能量耗散方程。研究结果表明：岩石的固有频率与冲击频率对岩石介质能量响应的振动周期起决定性作用，而冲击力、岩石质量以及阻尼系数主要决定岩石介质能量响应的最大幅值。.5. 基于接触力学理论，分别建立了动静载荷作用下锥形压头和球形压头在加载阶段和卸载阶段的破岩模型。分别从岩石的位移响应和应力响应两个角度分析说明动静载荷冲击作用能够扩大岩石的响应范围和载荷的作用区域，促进岩石破碎。.6. 基于振动学理论，建立了高频谐波振动冲击系统的物理模型、数学模型以及相应的简化模型。通过对运动方程分析可知钻头钻进岩石的效果受岩石刚度、阻尼、临界力，动态激振力与激励频率等因素影响。.7. 完成了谐振激励下钻头破岩的室内实验研究。结果证明：谐振冲击钻井时，谐振激励能大大提高岩石的振动幅度，促进岩石破碎，进而提高钻进速度。.共振破岩是未来钻井技术发展的重要方向之一。研究钻头谐振激励下岩石的响应机制及破碎机理，是共振钻井破岩技术实用化、现场化所必须解决的基础问题。本项目的研究为我国钻井工程、矿山开采工程提速降本提供了科学指导。