基于岩石共振的旋冲钻井动力学系统的破岩机理研究

The efficient drilling rock-breaking technology is one of the core contents of oil and gas drilling technologies, and it’s more important in hard drilled formations of the deep and ultra deep wells. The rock-breaking efficiency decides the drilling speed and costs directly, and it’s also one of the basic guarantees of safe and fast drilling. Aiming at these problems: high hardness, high rock drillability and low penetration rate of deep formation rock, research on rock breaking mechanism of rotary percussion drilling dynamic systems based on rock resonance is carried out. Through the combination of theoretical models, numerical simulations and laboratory experiments, this project analyzes the influence of bottom hole conditons on the rocks of resonant characteristics, establishes the model of rotary percussion drilling dynamic systems considering rock resonance and the optimal bit-rock excitation collision model, studies the bottom rock breaking mechanism considering the rock resonance, insures degree of the rock drillability and rock indentation hardness weakened by rock resonance based on multidisciplinary cross. Finally, the 3D drill rate model of rotary percussion drilling base on the rock resonance is established, the influence degree of resonance phenomenon on drilling effect and the rate of penetration of resonance drilling is described quantitatively. The technology of rotary percussion drilling is explored and developed. It provides theoretical support and scientific basid to research and develop the high efficient and reliable resonance rotary percussion drilling tools.

高效钻井破岩技术是油气钻井的核心内容之一，在深井、超深井的难钻地层中更显重要。钻井破岩效率的好坏直接决定着钻进速度和钻井成本，更是安全、快速钻井的基本保障之一。项目针对深部地层岩石硬度大、可钻性级值高、机械钻速低的问题，开展基于岩石共振的旋冲钻井动力学系统的破岩机理研究。项目在多学科交叉的基础上，通过理论研究、数值模拟、实验模拟测试等技术措施，分析井底条件对工作面岩石共振特性的影响，建立考虑岩石共振的旋冲钻井动力学系统模型，确定最优的钻头-岩石激振碰撞模型，研究共振条件下井底岩石的破碎机理，确定岩石共振对岩石可钻性、压入硬度的弱化程度，最终给出共振条件下旋冲共振钻井的三维钻速模型，确定共振现象对钻进效果的影响程度，定量地描述共振钻井的机械钻速大小。探索和发展基于岩石共振的旋冲钻井技术，为研制和开发高效可靠的共振旋冲钻井工具提供理论支撑和科学依据。

高效钻井破岩是油气钻井工程的核心技术之一，在深井、超深井的难钻地层中更显重要。钻井破岩效率的好坏直接决定着钻进速度和钻井成本，更是安全、快速钻井的基本保障之一。项目针对深部地层岩石硬度大、可钻性级值高、机械钻速低的问题，通过理论研究、数值模拟、实验模拟测试等技术措施，分析了井底条件对工作面岩石共振特性的影响，开展了基于岩石共振的旋冲钻井动力学系统的破岩机理研究。.项目取得的主要研究内容及成果如下：.1、完成了井底条件下工作面岩石的共振特性研究。通过超声波测试系统及三轴岩石力学测试系统测量岩石共振频率及基本力学参数，分析了各项参数对岩石共振频率的影响。研究结果表明：岩石组分对共振频率有影响，共振频率随黏土、石英矿物含量增加而增加，随钾长石、斜长石矿物含量的增加而下降；岩石的质量与共振频率呈负相关；岩石共振频率与力学参数关系不大，而是取决于激励频率的大小。.2、基于重整化方法建立了理想脆性岩石的振动模型，进而建立了冲击载荷下岩石材料的断裂模型，并研究了岩石材料的冲击断裂特性。研究结果表明，无论岩石是受拉还是受压，都会促进岩石裂纹的动态断裂扩展；岩石振动位移受密度、刚度、压头冲击力等因素的影响；当压头的冲击频率等于岩石的固有频率时，岩石振动幅度最大，产生共振现象。.3、基于岩石共振理论，建立了岩石在谐振冲击下的有限元模型和离散元模型，分析了岩石在谐振冲击钻进下的破碎情况，并进行了室内简谐振动钻进破岩实验。研究结果表明，简谐振动冲击条件下，钻头的钻进速度明显高于常规钻进速度，且当谐振频率与岩石固有频率接近时破岩效率最高，室内实验进一步验证了理论和数值模拟结果。.4、基于类比原理建立了完整的钻头与岩石相互作用模型，对钻柱系统进行简化，建立了二自由度的钻柱系统简化模型，得到了常规钻进过程和谐振冲击钻进过程的钻头运动方程，对常规钻进过程和谐振冲击钻进过程下的破岩机理进行了研究。研究结果表明，在钻进过程中施加一定频率的振动，会让钻头的绝对角位移和扭矩平稳化，从而削弱粘滑效应，增加钻井速度。.本项目的研究，为研制和开发高效的共振旋冲钻井工具提供了理论支撑和科学依据。