粒子冲击钻井破岩规律研究

论文摘要

美国的钻井工程师受到射弹冲击破岩的启发,用高速球形粒子模拟射弹破碎井底坚硬的岩石,提出了粒子冲击钻井技术（Particle Impact Drilling,简称PID）。该技术利用钻井液携带球形硬质粒子通过特殊设计的钻头,粒子以较高的频率和大约150m/s的速度迅速冲击破碎岩石,并附以切削齿机械破岩,解决深井和超深井硬地层钻井速度慢、钻井周期长等难题,提高硬地层钻井破岩效率。目前,美国PDTI（Particle Drilling Technology Inc.）公司已经进行了理论研究与现场应用试验,证明在硬地层中钻井速度是常规钻井的2～4倍,破岩效果特别明显。根据现场应用情况,粒子冲击钻井破岩机理及钻头优化设计等还需要进一步研究和改进。本文采用数值模拟与室内试验相结合的方法,深入研究破岩理论与破岩规律,为新型PID钻头结构设计提供理论依据,从而改善钻头的总体性能。主要完成了以下几方面的工作:（1）通过有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了粒子冲击岩石过程,找出粒子冲击钻井的破岩规律;（2）进行室内破岩试验,获得最优的破岩参数（粒子注入量、冲击速度、入射角度等）;（3）分析粒子冲击钻井破岩机理,模拟优化喷嘴结构,设计PID钻头结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 深井超深井复杂硬地层钻井概述
• 1.2 粒子冲击钻井技术提出
• 1.2.1 粒子冲击钻井工作原理
• 1.2.2 粒子冲击钻井装置
• 1.3 粒子冲击钻井技术发展和特点
• 1.4 研究目标、内容、方法及拟解决的关键问题
• 1.4.1 研究目标、内容和方法
• 1.4.2 拟解决的关键问题
• 1.5 研究的技术路线、预期成果
• 1.5.1 研究技术路线
• 1.5.2 预期成果
• 第二章 粒子冲击破岩数值模拟
• 2.1 ANSYS/LS-DYNA 简介
• 2.2 硬质粒子和岩石模型
• 2.2.1 基本物理模型和假设
• 2.3 粒子冲击岩石的有限元模型
• 2.3.1 岩石有限元分析
• 2.3.2 材料模型选择
• 2.4 粒子冲击破岩模拟结果及分析
• 2.5 应用ANSYS/LS-DYNA 研究粒子冲击破岩规律
• 2.5.1 粒子初速度对侵入深度的影响
• 2.5.2 粒子直径对侵入深度的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 粒子冲击岩石实验规律研究
• 3.1 实验目的
• 3.2 实验设备及试样的制备
• 3.2.1 实验设备及原理
• 3.2.2 实验岩样的制备
• 3.3 实验方法及步骤
• 3.4 实验数据测量与处理方法
• 3.4.1 喷距对破岩效果的影响
• 3.4.2 角度对破岩效果的影响
• 3.4.3 压力对破岩效果的影响
• 3.4.4 钢粒浓度对破岩效果的影响
• 3.4.5 大理石破岩实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 粒子冲击钻井钻头设计
• 4.1 钻头和破岩机理
• 4.1.1 粒子冲击钻井破岩机理
• 4.1.2 粒子冲击钻井钻头
• 4.2 钻头结构设计
• 4.2.1 冠部轮廓设计
• 4.2.2 布齿设计
• 4.2.3 水力结构设计
• 4.2.4 排屑槽
• 4.2.5 稳定性设计
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢