简谐振动冲击钻井岩石共振破碎机理研究

With the increasing of exploration and development in oil and gas, it is more difficult to explore strata and break rock. The high hardness and abrasiveness of rock which result in low drilling speed in rotary drilling are the main reasons for frequent drilling accidents. Therefore, aiming at the drilling difficulties in deep formation and the actual situation of rock breaking technology in our country, harmonic vibration impact drilling as a new method is proposed to solve the current drilling problems. In this project, means of theoretical research, numerical simulation and laboratory test are adopted to study on resonant breaking mechanism of rock in the bottom hole. Here, the static deformation model and the fracture mechanism of rock in the bottom hole under harmonic vibration impact are studied. Also, the influence of mechanical parameters and vibration parameters on deformation characteristics and fracture mechanism of rock are discussed respectively. In addition, the resonant characteristics of rock are considered to determine the optimal state (Resonance Enhanced Drilling) of harmonic vibration impact drilling. Finally, the effect of rock breaking and technical advantages of the technology is verified. In conclusion, the project can provide theoretical basis and technical support on harmonic vibration impact drilling technology and even resonance enhanced drilling technology for their application.

随着油气勘探的不断深入，破岩难度加大，岩石的高硬度、高研磨性等问题是导致旋转钻井机械钻速低下、钻井事故频发的主要原因。因此，针对当前深部地层钻井难点和钻井破岩技术的实际情况，提出一种新兴的高效破岩技术——简谐振动冲击钻井技术以解决当前钻井难题。本项目主要采用理论研究、数值模拟以及室内实验相结合的手段对简谐振动冲击下井底岩石的共振破碎机理展开研究。本项目主要建立谐振下井底岩石介质静态变形模型，确定谐振下井底岩石介质断裂机理，分析岩石的力学参数和冲击的振动参数等关键因素对谐振破岩机理的影响，明确简谐振动冲击钻井的最优状态——共振破岩的技术指标，最终验证简谐振动冲击钻井的破岩效果和技术优势。通过本项目的研究，可为简谐振动冲击钻井技术乃至共振破岩钻井技术实用化、现场化提供理论基础和技术支撑。

针对当前钻遇深部地层面临的机械钻速低下，钻井事故频发，钻井成本高等系列难题，本项目提出了一种新兴的高效破岩技术—简谐振动冲击钻井技术以解决当前钻井技术瓶颈。项目主要采用理论研究、数值模拟以及室内实验相结合的手段对简谐振动冲击下岩石的共振破碎机理展开研究。.项目的主要研究内容及研究成果如下：.（1）基于弹性力学理论，建立了岩石介质在谐振激励下的变形方程。由模型分析可知：岩石介质的变形特性与其弹性模型、泊松比、简谐冲击力以及变形距离密切相关。简谐动载的存在进一步扩大了岩石位移场和应力场的响应程度。.（2）基于弹性力学理论，建立了单齿切削作用下地层的应力分布模型，推导了不同情况下裂缝尖端的应力强度因子、T应力和起裂角，通过数值计算和扩展有限元模拟两种途径确定了单齿切削下地层内裂缝尖端的起裂特征。.（3）基于接触力学理论，分别建立了谐振激励和钻压共同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。通过数值模拟研究可知动静载作用促进了地层断裂区域的连通性，减缓了钻头粘滑现象，提高了钻头的机械钻速。.（4）基于振动学理论，建立了估算小块岩石介质的固有频率单自由度模型和多自由度模型。从模型分析可知岩石介质的固有频率一方面与其自身力学特性相关，另一方面与其自身形状尺寸相关。.（5）应用超声波测试系统分别完成了岩石介质和金属材料共振频率测试研究。测试结果表明：岩石的共振频率并不唯一，它与其组份、质量、形状、地层深度等因素密切相关，且岩石介质达到共振时，并不会对其它钻井部件造成损害。.（6）提出了共振破岩钻井技术应用的可行性方案，分析了共振钻井模块控制系统的工作原理，确定了共振钻井模块施加作业参数的最优范围。.通过本项目的研究，进一步深入探索了简谐振动冲击钻井技术的破岩机理，解决了该破岩技术研究过程中遇到的基础问题，为进一步促进简谐振动冲击钻井技术乃至共振钻井技术实用化、现场化提供理论支撑。