粒子冲击破岩规律的仿真研究及参数优化

论文摘要

坚硬地层的快速钻进问题一直是钻井工程中的技术难题。据资料显示,石油资源占全国1/3以上的西部地区,有73%的石油资源埋藏在深部地层。随着钻井深度的增加,岩石的可钻性显著降低,钻井难度呈指数形式增加。目前深井、硬地层的勘探开发已成为油气田作业的首要问题。粒子钻井技术是以粒子破岩为主,机械破岩和水力破岩为辅的一种新型钻井技术。根据美国粒子钻井公司（Particle Drilling Technology Inc.）于2003-2007年的实验表明,粒子钻井技术相对于传统钻井技术有钻速快、井斜小、钻具寿命长等优点。由于粒子钻井是一种新兴的钻井技术,目前对其理论研究的内容较少。本文利用有限元仿真方法对粒子冲击破岩过程进行了研究。介绍了岩石受冲击载荷作用的有限元分析理论和相应的数值模拟方法,运用非线性有限元软件LS-DYNA,建立球形钢粒子冲击岩石的三维实体模型,模拟了粒子冲击破岩过程。为提高粒子破岩效果和效率,分别研究了岩石能量吸收率和侵蚀体积随粒子参数如入射速度、入射角度和粒子直径的变化规律,得出了粒子入射速度在120-150m/s、粒子直径在2.5-4.5 mm和入射角度在0-10°时为宜。为了模拟真实地质条件下的粒子破岩过程,利用（?）NSYS具有的“隐式-显式”序列求解方法,将围压作用简化为岩石内部的预应力效应,分析了岩石在围压作用下的冲击损伤破坏演化过程。研究了有、无围压作用对粒子冲击破岩的影响,进而探讨了不同材料模型在模拟粒子破岩过程的差异。为研究钻井液中粒子的浓度对钻井效果的影响,建立了多粒子连续冲击破岩的有限元模型,分析发现粒子浓度的选取不仅要考虑其破岩效果的好坏还需考虑粒子间相互的干涉作用。根据仿真的结果提出了最佳的粒子浓度与速度的配合表,以指导工程作业。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和研究背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究背景
• 1.2 粒子冲击钻井的研究现状
• 1.2.1 粒子冲击钻井系统的研究
• 1.2.2 粒子冲击钻头的研究
• 1.3 粒子破岩的仿真研究
• 1.4 本课题的研究目的和意义
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第二章 粒子冲击破岩的有限元理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 粒子破岩过程的理论分析
• 2.3 岩石的有限元分析
• 2.3.1 控制方程
• 2.3.2 空间有限元离散
• 2.4 岩石的动态损伤理论
• 2.5 粒子冲击破岩的有限元分析
• 2.5.1 模型的接触与约束
• 2.5.2 粒子速度
• 2.6 本章小结
• 第三章 无围压条件下单粒子冲击破岩参数分析与优化
• 3.1 引言
• 3.2 无围压条件下单粒子冲击破岩的有限元分析
• 3.2.1 岩石和粒子的材料模型
• 3.2.2 岩石和粒子的有限元模型
• 3.2.3 单粒子冲击破岩过程仿真
• 3.3 粒子冲击参数的分析与优化
• 3.3.1 入射速度对粒子冲击破岩的影响
• 3.3.2 直径对粒子冲击破岩的影响
• 3.3.3 入射角度对粒子冲击破岩的影响
• 3.3.4 粒子冲击参数的优化
• 3.4 本章小结
• 第四章 围压条件下单粒子冲击破岩的仿真与分析
• 4.1 引言
• 4.2 围压条件下单粒子冲击破岩的有限元分析
• 4.2.1 岩石和粒子的材料模型
• 4.2.2 岩石和粒子的有限元模型
• 4.2.3 围压条件下单粒子破岩过程仿真
• 4.3 围压作用对粒子破岩效果的影响
• 4.4 有限元材料模型对粒子冲击破岩的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 多粒子连续冲击破岩的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 多粒子连续冲击的数学模型
• 5.3 仿真结果与分析
• 5.3.1 无干涉时的多粒子连续冲击
• 5.3.2 少量干涉时的多粒子连续冲击
• 5.3.3 严重干涉时多粒子连续冲击
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者和导师简介
• 附件