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1 第 27 卷 增 2 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 Vol.27 Supp.2 28 年 9 月 Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering Sept.,28 空 气 钻 井 中 动 态 破 岩 有 限 元 仿 真 研 究 林 铁 军 1, 练 章 华 1, 孟 英 峰 1, 杨 斌 1, 伍 贤 柱 2, 肖 洲 (1. 西 南 石 油 大 学 油 气 藏 地 质 及 开 发 工 程 国 家 重 点 实 验 室, 四 川 成 都 615; 2. 中 国 石 油 天 然 气 集 团 公 司 四 川 石 油 管 理 局, 四 川 成 都 6151) 1 摘 要 : 空 气 钻 井 技 术 是 以 空 气 作 为 循 环 介 质 的 欠 平 衡 钻 井 技 术, 其 钻 头 的 破 岩 形 式 与 常 规 泥 浆 钻 井 有 很 大 的 区 别 在 岩 石 力 学 和 弹 塑 性 力 学 的 基 础 上, 考 虑 岩 石 材 料 的 各 项 异 性 地 层 倾 角 钻 头 与 岩 石 间 摩 擦 因 数 等 影 响 因 素, 采 用 有 限 元 方 法 建 立 空 气 钻 井 中 全 尺 寸 PDC 钻 头 动 态 破 岩 的 非 线 性 动 力 学 三 维 模 型 通 过 对 空 气 钻 井 中 岩 石 的 破 坏 机 制 和 钻 头 动 态 破 岩 过 程 的 研 究 以 及 对 破 岩 后 形 成 井 眼 井 壁 和 井 底 岩 石 应 力 应 变 的 分 析 结 果 表 明 : 井 底 岩 石 受 到 较 大 拉 应 力 的 作 用, 使 得 空 气 钻 井 中 破 岩 速 度 更 快 ; 干 燥 空 气 钻 成 的 井 眼 井 壁 稳 定 性 较 好, 但 是 一 旦 发 生 井 壁 不 稳 定 性, 井 壁 岩 石 将 成 块 掉 落 最 后 通 过 对 钻 头 上 随 时 间 变 化 的 位 移 分 析, 得 到 钻 进 各 向 异 性 地 层 岩 石 的 井 斜 和 方 位 的 变 化 规 律 本 模 型 为 空 气 钻 井 的 破 岩 机 制 井 斜 变 化 规 律 以 及 井 壁 稳 定 性 研 究 提 供 一 种 新 的 方 法, 为 钻 头 和 钻 具 设 备 的 研 制 优 化 设 计 提 供 理 论 依 据 关 键 词 : 岩 石 力 学 ; 空 气 钻 井 ; 破 岩 ; 各 向 异 性 ; 有 限 元 ; 井 壁 稳 定 性 ; 井 斜 中 图 分 类 号 :TU 45 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1 6915(28) 增 FINITE ELEMENTS METHOD STUDY ON DYNAMIC ROCK BREAKING IN AIR DRILLING LIN Tiejun 1,LIAN Zhanghua 1,MENG Yingeng 1,YANG Bin 1,WU Xianhu 2,XIAO Zhou 1 (1. State Key Laboratory o Oil and Gas Reservoir Geology and Exoitation,Southwest Petroleum University,Chengdu, Sichuan 615,China;2. Sichuan Petroleum Administration,China National Petroleum Corporation, Chengdu,Sichuan 6151,China) Abstract:Air drilling is a kind o under-balanced drilling technology with air,whose rock breaking orm is dierent rom conventional mud drilling. Based on rock mechanics and elastoastic mechanics,a 3D non-linear dynamic model o dynamic rock breaking with ull gauge PDC bit is established using inite element method (FEM),in which anisotropy,strata dip and riction actor o drilling bit and rock are considered. The mechanism and process o dynamic rock breaking in air drilling are studied. And the stress and strain o borehole shat wall and bottom hole ater rock breaking are analyed as well. It shows that the rate o rock breaking in air drilling is aster in bottom hole where the tensile stress is larger,and the shat wall is quiet stable under dry air;however, it would collapse in blocks in case o instability. And the change law o hole deviation and aimuth in anisotropic ormation in air drilling is obtained by investigating the disacement o drilling bit with time variation. The model provides a new method or the study o breaking mechanism,the change o deviation and stability o shat wall, and it oers theoretical basis or the development and optimiation o bit and drilling tool in air drilling. Key words:rock mechanics;air drilling;rock breaking;anisotropy;inite elements;wall stability;hole deviation 收 稿 日 期 : ; 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 (863) 项 目 (26AA6A13); 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (577463) 作 者 简 介 : 林 铁 军 (198 ),26 年 于 西 南 石 油 大 学 油 气 井 工 程 专 业 获 硕 士 学 位, 现 为 博 士 研 究 生, 主 要 从 事 欠 平 衡 钻 井 钻 柱 力 学 岩 石 力 学 及 其 仿 真 方 面 的 研 究 工 作 swpultj@sina.com

2 第 27 卷 增 2 林 铁 军, 等. 空 气 钻 井 中 动 态 破 岩 有 限 元 仿 真 研 究 引 言 气 体 钻 井 技 术 根 据 循 环 介 质 的 不 同 分 为 空 气 钻 井 氮 气 钻 井 和 天 然 气 钻 井 等, 其 中 空 气 钻 井 技 术 开 始 于 2 世 纪 5 年 代 的 美 国 犹 他 州 [1,2], 是 采 用 平 均 密 度 为.1 2 g/cm 3 的 空 气 作 为 循 环 工 作 介 质 的 一 种 欠 平 衡 钻 井 技 术 由 于 能 够 有 效 的 保 护 储 层 防 止 井 漏 大 幅 度 提 高 钻 井 速 度 缩 短 建 井 周 期 和 减 少 钻 井 费 用 等 优 点, 空 气 钻 井 技 术 在 国 内 外 得 到 了 迅 速 的 发 展 截 止 26 年 底, 在 四 川 长 庆 和 新 疆 等 油 田 采 用 空 气 钻 井 技 术 已 成 功 实 施 了 55 口 井 由 于 空 气 钻 井 时 空 气 的 密 度 可 以 忽 略 不 计, 井 底 岩 石 从 一 个 垂 向 地 应 力 和 两 个 水 平 地 应 力 的 作 用 下 急 剧 变 化 为 只 有 2 个 水 平 地 应 力 作 用 的 状 态, 导 致 空 气 钻 井 和 常 规 泥 浆 钻 井 钻 头 破 岩 方 式 发 生 很 大 改 变 由 于 理 论 研 究 ( 比 如 空 气 钻 井 的 提 速 机 制 井 斜 以 及 井 壁 稳 定 性 方 面 的 研 究 ) 跟 不 上 现 场 应 用 的 要 求, 本 文 采 用 有 限 元 方 法 模 拟 空 气 钻 井 中 钻 头 破 岩 的 动 态 过 程, 分 析 岩 石 的 应 力 应 变, 为 空 气 钻 井 中 的 破 岩 机 制 和 井 斜 以 及 井 壁 稳 定 性 研 究 提 供 依 据 2 各 向 异 性 岩 石 破 岩 判 据 岩 石 的 屈 服 准 则 很 多, 对 于 均 质 岩 石 最 常 用 的 是 Mohr-Coulomb 准 则 和 Druker-Pragar 准 则, 但 是 沉 积 作 用 和 地 质 构 造 运 动 使 得 地 层 岩 石 一 般 表 现 为 材 料 性 质 的 各 向 异 性, 因 此, 本 文 采 用 Hill 屈 服 函 [3,4] 数 研 究 各 向 异 性 岩 石 的 力 学 行 为 : 2 2 [ F( y ) G( x ) H ( x y ) L 2 M 2 N 2 ] 1/ 2 ( U V W ) (1) yx x y 式 中 :F,G,H,L,M,N,U,V,W 均 为 材 料 常 数 ; x, y, 分 别 为 x,y, 三 个 坐 标 方 向 的 正 应 力, yx, y, x 分 别 为 yx,y,x 三 个 正 应 力 面 上 的 剪 应 力 根 据 式 (1) 的 屈 服 函 数 可 以 计 算 出 一 定 钻 压 转 速 的 钻 头 和 地 应 力 共 同 作 用 后 的 岩 石 应 力 和 与 之 对 应 的 等 效 塑 性 应 变, 当 塑 性 应 变 达 到 某 一 值 时, 岩 石 开 始 被 破 坏, 进 而 从 岩 石 主 体 中 失 效 剥 落, 本 文 采 用 塑 性 应 变 作 为 判 断 岩 石 破 碎 的 依 据 [4], 即 p x y (2) 式 中 : 为 岩 石 完 全 失 效 时 的 等 效 塑 性 应 变 ( 见 2 图 1) [5], p 为 岩 石 的 等 效 塑 性 应 变 损 伤 因 子 是 损 伤 力 学 中 的 重 要 参 量, 由 苏 联 学 者 在 1963 年 提 出 损 伤 力 学 发 展 至 今 已 形 成 1 余 种 损 伤 因 子 测 量 方 法 [6], 较 实 用 的 是 通 过 材 料 弹 性 模 量 的 变 化 来 定 义 损 伤 因 子 D [7], 即 ( ) E D 1 (3) E 1 ( > ) 式 中 :E 为 未 损 伤 时 的 岩 石 弹 性 模 量, E 含 裂 纹 的 岩 石 的 宏 观 等 效 弹 性 模 量, 为 应 变, 为 应 力, 为 临 界 塑 性 应 变,D 为 损 伤 因 子, 为 图 1 中 曲 线 上 的 数 值 y o E (D = ) 破 坏 应 力 应 变 曲 线 无 破 坏 应 力 应 变 曲 线 [5] 图 1 破 坏 过 程 应 力 应 变 曲 线 Fig.1 Stress-strain curve during ailure process [5] 地 层 岩 石 材 料 在 破 坏 过 程 中 的 应 力 应 变 特 征 曲 线 见 图 1 [5] 图 1 中, y 和 分 别 为 岩 石 开 始 破 坏 时 的 临 界 屈 服 应 力 和 临 界 塑 性 应 变, 此 处 D = ; 为 岩 石 完 全 失 效 时 的 等 效 塑 性 应 变, 此 时 D = 1 当 D = 1 时, 材 料 视 为 完 全 失 效 而 剥 落 3 钻 头 动 态 破 岩 仿 真 模 型 E (1-D)E 3.1 基 本 假 设 空 气 钻 井 中 的 钻 进 过 程 是 一 个 多 场 耦 合 的 复 杂 过 程, 但 是 本 模 型 研 究 的 重 点 是 钻 头 破 岩 的 动 态 过 程 及 岩 石 的 应 力 应 变 变 化, 在 建 模 时 可 以 忽 略 一 些 次 要 因 素, 如 下 假 设 : (1) 钻 头 远 远 大 于 岩 石 的 强 度 和 硬 度, 因 此 假 设 钻 头 为 刚 体, 且 钻 进 过 程 中 不 磨 损 ; (2) 钻 井 循 环 介 质 为 空 气, 气 体 对 钻 头 的 运 动 行 为 的 影 响 可 以 忽 略 不 计 ;

3 3594 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 28 年 (3) 空 气 平 均 密 度 一 般 为.1 2 g/cm 3, 质 量 很 小, 忽 略 空 气 对 形 成 井 眼 后 的 井 壁 和 井 底 岩 石 的 压 力 作 用 ; (4) 当 岩 石 单 元 失 效 后, 不 再 考 虑 这 些 失 效 了 的 岩 石 被 重 复 破 碎 的 问 题, 即 被 破 碎 的 岩 石 单 元 不 再 影 响 后 续 钻 进 3.2 非 线 性 动 力 学 基 本 方 程 本 模 型 属 于 材 料 非 线 性 和 接 触 非 线 性 的 动 力 学 [8] 模 型, 非 线 性 动 力 学 分 析 求 解 的 基 本 方 程 为 : [ M ]{ u } [ C]{ u } [ K]{ u} [ P] (4) 式 中 :[M ] 为 质 量 矩 阵,[C] 为 阻 尼 矩 阵,[K] 为 刚 度 矩 阵,{u } 为 节 点 加 速 度 向 量,{u } 为 节 点 速 度 向 量,{u} 为 节 点 位 移 向 量,[P] 为 外 部 激 励 作 用 3.3 有 限 元 模 型 的 建 立 前 人 通 过 试 验 研 究 和 理 论 推 导 得 到 了 单 牙 齿 单 牙 轮 破 岩 过 程 和 破 岩 规 律 [9,1], 以 及 岩 石 破 坏 后 特 性 变 化 [11~13] 本 文 为 了 比 较 真 实 地 模 拟 空 气 钻 井 [9~16] 中 钻 头 的 破 岩 过 程, 在 前 人 研 究 的 基 础 上, 采 用 有 限 元 软 件 建 立 了 三 维 的 岩 石 实 体 三 维 真 实 尺 寸 的 PDC 钻 头 实 体 模 型, 并 且 还 建 立 了 钻 头 与 岩 石 之 间 的 随 时 间 变 化 且 有 摩 擦 因 数 的 接 触 非 线 性 动 力 学 模 型 由 于 钻 头 和 井 眼 尺 寸 相 对 于 无 限 大 地 层 是 很 小 的, 钻 井 时 离 井 眼 较 远 处 地 层 岩 石 的 力 学 环 境 不 受 影 响, 根 据 弹 塑 性 力 学 理 论, 取 岩 石 实 体 直 径 为 钻 头 外 径 1 倍 大 小 本 模 型 中 还 通 过 定 义 岩 石 的 材 料 方 向 建 立 了 各 向 异 性 岩 石 的 15 地 层 倾 角, 如 图 2 所 示 岩 石 钻 头 VR Z 图 2 钻 头 与 岩 石 的 有 限 元 模 型 Fig.2 Finite element models o drilling bit and rock P Z 实 体 模 型 建 立 后 必 须 对 其 离 散 化 才 能 计 算 为 了 得 到 较 好 的 计 算 效 率 和 收 敛 速 度, 在 岩 石 中 心 部 分 可 能 与 钻 头 接 触 并 且 可 能 被 钻 头 破 坏 进 而 形 成 井 眼 的 区 域 采 用 四 面 体 单 元 划 分 网 格, 而 且 在 计 算 成 本 允 许 的 情 况 下 尽 量 细 化 网 格, 这 样 破 岩 后 形 成 的 井 眼 看 起 来 会 更 加 圆 滑 ; 岩 石 其 它 区 域 采 用 六 面 体 单 位 划 分 网 格, 如 图 2 所 示 另 外, 钻 头 为 刚 体, 采 用 三 角 形 单 元 划 分 网 格 岩 石 模 型 周 围 及 其 底 部 属 于 井 眼 远 场 部 分, 其 位 移 和 应 力 没 有 受 到 钻 井 行 为 影 响, 因 此 均 要 进 行 约 束 地 层 岩 石 模 型 表 面 及 其 地 层 内 部 施 加 原 始 地 应 力 数 值, 垂 向 地 应 力 75 MPa, 水 平 地 应 力 v H 5 MPa, h 45 MPa, 使 地 层 保 持 原 始 地 应 力 状 态 在 钻 头 上 施 加 一 定 的 转 速 VR Z, 同 时 施 加 垂 向 钻 压 P Z, 见 图 2, 使 钻 头 向 下 运 动 并 破 碎 岩 石 4 有 限 元 结 果 分 析 钻 头 在 钻 压 和 转 速 的 作 用 下, 牙 齿 最 先 与 地 层 接 触, 并 在 钻 头 压 力 作 用 下 吃 入 岩 石, 相 互 接 触 的 岩 石 和 钻 头 产 生 摩 擦 力 ; 钻 头 的 转 动 使 钻 头 具 有 切 削 能 力, 使 得 岩 石 同 时 受 到 钻 头 的 压 力, 摩 擦 力 和 剪 切 应 力 的 作 用 当 岩 石 单 元 应 力 大 于 其 屈 服 应 力 时, 岩 石 单 元 进 入 塑 性 硬 化 阶 段 但 没 有 被 破 坏 在 钻 头 牙 齿 的 持 续 作 用 下, 当 岩 石 的 应 力 值 大 于 其 临 界 屈 服 应 力 y 和 相 应 的 临 界 塑 性 应 变 时, 岩 石 进 入 应 力 软 化 阶 段, 损 伤 因 子 D 不 断 增 大 当 等 效 塑 性 应 变 值 达 到 时, 损 伤 因 子 D = 1, 岩 石 单 元 完 全 失 效, 从 岩 体 中 剥 落, 形 成 凹 槽 甚 至 井 眼 4.1 岩 石 应 力 应 变 分 析 本 模 型 为 非 线 性 动 力 学 三 维 有 限 元 模 型, 计 算 结 果 存 储 数 据 量 相 当 大, 本 文 只 提 取 了.5,.15,.36,.56,1.15 和 1.75 s 这 6 个 时 刻 钻 头 破 岩 过 程 的 应 力 和 应 变 进 行 分 析 图 3 是 在 不 同 时 刻 钻 头 破 岩 时 形 成 的 井 眼 形 态 和 岩 石 的 应 力 云 图 在.5 s 时 刻 钻 头 与 岩 石 接 触, 压 力 施 加 于 岩 石 表 面 上, 在 转 速 的 作 用 下, 钻 头 在 岩 石 表 面 划 出 了 一 条 痕 迹, 岩 石 发 生 了 损 伤, 使 得 岩 石 表 面 局 部 区 域 应 力 接 近 或 达 到 破 坏 应 力 值 ; 在 钻 头 不 断 的 作 用 下, 岩 石 局 部 单 元 的 损 失 因 子 不 断 增 加 直 到 损 伤 因 D = 1 时, 岩 石 局 部 区 域 单 元 失 效, 形 成 凹 槽, 如 图 3 中.15 s 时 刻 所

4 第 27 卷 增 2 林 铁 军, 等. 空 气 钻 井 中 动 态 破 岩 有 限 元 仿 真 研 究 s (a) s (b).15s s (c).36s s s 1.15s 1.75s (d).56 s (e) 1.15 s () 1.75 s 图 3 不 同 时 刻 的 井 眼 形 态 和 岩 石 应 力 云 图 Fig.3 Morphology o borehole and rocks stress at dierent times 示, 此 时 钻 头 破 坏 了 最 初 与 之 相 接 触 的 岩 石 单 元, 并 且 岩 石 下 一 层 单 元 暴 露 出 来, 形 成 新 的 岩 石 表 面 ; 钻 头 在 压 力 作 用 下 与 新 暴 露 出 来 的 单 元 接 触, 经 过 一 段 时 间 作 用 后, 又 破 坏 掉 这 一 部 分 岩 石 单 元 钻 头 与 岩 石 之 间 经 历 接 触 破 坏 再 接 触 循 环 作 用, 最 终 形 成 如.36,.56,1.15 和 1.75 s 时 刻 的 井 眼 形 式 其 中 在.56,1.15 和 1.75 s 时 刻 的 应 力 云 图 中, 为 了 清 晰 的 看 见 井 眼 内 壁 形 状, 只 取 了 岩 石 的 半 剖 面, 半 剖 面 沿 图 2 中 AB 线 剖 开 得 到 当 井 眼 形 成 以 后, 从 图 中 各 时 刻 的 应 力 云 图 可 见,von-Mises 应 力 最 大 值 出 现 在 钻 头 牙 齿 与 岩 石 接 触 的 岩 石 单 元 上 在 井 壁 和 井 底 岩 石 的 von-mises 应 力 值 最 小, 更 大 的 von-mises 应 力 值 出 现 在 井 壁 附 近 的 某 个 位 置 这 种 现 象 说 明 干 燥 空 气 钻 成 的 井 眼 井 壁 稳 定 性 比 较 好, 但 是 一 旦 发 生 井 壁 不 稳 定 性 问 题, 将 出 现 成 块 掉 落 的 现 象 另 外, 距 离 井 眼 较 远 处 的 岩 石 应 力 值 基 本 相 同, 并 在 数 值 上 等 于 地 层 原 始 地 应 力, 说 明 距 离 井 眼 较 远 处 的 岩 石 应 力 场 没 有 受 到 影 响, 因 此 本 模 型 中 选 择 使 用 较 小 直 径 的 岩 石 实 体 代 替 无 限 大 地 层 是 正 确 的 von-mises 应 力 是 一 个 综 合 考 虑 了 三 向 主 应 力 的 应 力 值, 现 取 出 1.75 s 时 刻 岩 石 半 剖 面 上 的 最 大 主 应 力 进 行 分 析, 规 定 主 应 力 值 遵 守 拉 正 压 负 的 原 则, 如 图 4 所 示 由 图 4 可 知, 在 井 壁 和 井 底 岩 石 单 元 的 最 大 主 应 力 值 都 为 正 值, 即 为 拉 应 力, 而 且 拉 应 力 最 大 值 出 现 在 井 壁 附 近 一 定 距 离 处 和 井 底 岩 最 大 主 应 力 (Pa) /Pa 图 s 时 刻 岩 石 半 剖 面 上 最 大 主 应 力 云 图 Fig.4 Maximum principal stress o hal round section at 1.75 s

5 3596 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 28 年 石 上 一 般 情 况 下, 岩 石 的 抗 拉 强 度 是 岩 石 所 有 强 度 中 最 低 的 [11] 这 种 井 底 岩 石 出 现 拉 应 力 的 现 象 使 实 际 空 气 钻 井 中 井 底 岩 石 容 易 受 到 拉 应 力 作 用 而 崩 裂, 是 空 气 钻 井 中 破 岩 速 度 大 幅 提 高 的 原 因 之 一 在 图 4 中, 只 有 钻 头 牙 齿 与 岩 石 接 触 的 部 分 单 元 压 应 力 值 最 大, 其 余 区 域 的 岩 石 单 元 只 受 到 原 始 地 应 力 的 压 力 图 5 是 1.75 s 时 刻 岩 石 剖 面 上 3 个 主 应 力 的 矢 量 图, 从 这 个 角 度 可 以 更 加 清 楚 地 看 到 井 壁 和 井 底 岩 石 的 应 力 作 用 趋 势 由 图 5 可 知, 井 壁 附 近 和 井 底 岩 石 的 3 个 矢 量 都 指 向 井 眼 中 心, 而 距 离 井 壁 和 井 底 一 定 距 离 的 岩 石 的 3 个 矢 量 基 本 没 有 受 到 扰 动 说 明 井 底 和 井 壁 岩 石 都 有 向 井 筒 内 部 作 用 的 趋 势 4.2 钻 头 上 的 位 移 和 扭 矩 分 析 图 7 是 钻 进 过 程 中 钻 头 上 沿 X,Y,Z 方 向 的 位 移 曲 线 由 图 7 可 知, 钻 头 X 方 向 的 位 移 始 终 为 正, 即 X 的 正 方 向, 而 且 随 着 时 间 的 增 加 而 增 大, 说 明 钻 头 将 不 断 的 向 X 正 方 向 移 动 结 合 图 2 中 地 层 倾 角 示 意 图 可 知, 钻 头 偏 向 于 垂 直 地 层 层 面 的 方 向, 由 此 可 知, 空 气 钻 井 中, 钻 头 在 15 倾 角 地 层 岩 石 中 钻 进 时, 井 眼 具 有 偏 向 垂 直 地 层 层 面 方 向 的 趋 势, 即 井 斜 有 上 倾 趋 势 [17] 由 图 2~6 的 岩 石 半 剖 面 中 也 可 以 清 楚 看 到 形 成 的 井 眼 发 生 了 倾 斜, 并 且 偏 向 于 垂 直 地 层 层 面 的 方 向 Y 方 向 的 位 移 是 负 值, 说 明 钻 头 偏 向 于 Y 轴 的 负 方 向, 而 且 随 着 时 间 的 增 加 而 增 大, 这 说 明 钻 头 在 各 向 异 性 地 层 中 发 生 了 方 位 漂 移, 也 造 成 了 井 眼 弯 曲 Z 方 向 的 位 移 是 钻 头 的 进 尺, 可 以 看 出, 钻 头 比 较 快 速 的 钻 进, 然 而 钻 头 的 送 进 不 是 连 续 的, 实 际 上 井 眼 是 一 步 步 跳 跃 式 地 加 深, 也 就 是 出 现 了 进 尺 台 阶 的 现 象, [18] 这 与 马 德 坤 在 实 验 室 内 的 钻 井 试 验 所 得 到 的 结 果 相 同 (a) 最 大 主 应 力 矢 量 图 (b) 中 间 主 应 力 矢 量 图 (c) 最 小 主 应 力 矢 量 图 Fig.5 图 s 时 刻 岩 石 剖 面 上 3 个 主 应 力 矢 量 图 All principal stress tensor o hal round section at 1.75 s Z 方 向 的 位 移 图 6 给 出 了 1.75 s 时 刻 岩 石 半 剖 面 上 等 效 塑 性 应 变 云 图, 由 图 可 知, 只 有 井 壁 和 井 底 岩 石 部 分 单 元 进 入 塑 性 阶 段, 其 余 区 域 的 岩 石 单 元 都 没 有 发 生 塑 性 变 形, 而 且 数 值 都 比 较 小 因 此, 从 应 变 这 个 角 度 也 证 明 了 空 气 钻 井 井 壁 岩 石 在 没 有 发 生 水 化 的 情 况 下, 稳 定 性 较 好 位 移 /m X 方 向 的 位 移 Y 方 向 的 位 移 时 间 /s 图 7 钻 头 随 时 间 变 化 的 位 移 曲 线 Fig.7 Disacements o drilling bit varying with time 等 效 塑 性 应 变 /% (%) 图 s 时 刻 岩 石 半 剖 面 上 等 效 塑 性 应 变 云 图 Fig.6 Equivalent astic strain o hal round section at 1.75 s 图 8 是 钻 头 上 扭 矩 随 时 间 变 化 的 曲 线 由 图 8 可 知, 钻 头 上 扭 矩 是 随 时 间 动 态 变 化 的, 不 但 有 正 扭 矩 还 有 负 扭 矩, 其 中 最 大 正 扭 矩 约 为 8 kn m, 最 大 负 扭 矩 约 为 7 kn m 从 数 值 上 看, 钻 头 上 的 扭 矩 比 常 规 泥 浆 钻 井 中 的 扭 矩 值 大, 而 在 现 场 空 气 钻 井 中 的 扭 矩 值 也 比 常 规 泥 浆 钻 井 中 的 扭 矩 值 更 大, 这 主 要 由 于 空 气 钻 井 中 没 有 泥 浆 在 井 内 起 到 黏 持 钻 具 和 润 滑 井 壁 的 作 用, 使 得 钻 具 与 岩 石 之 间 的 摩 擦 增 加, 扭 矩 相 应 增 加 另 外, 图 中 交 替 出 现 的 正 负 扭 矩 使 得 钻 头 甚 至 钻 铤 易 发 生 疲 劳 破 坏 [19], 对 钻 头 的 寿 命 不 利, 在 钻 头 和 钻 具 设 备 的 研 制 和 优

6 第 27 卷 增 2 林 铁 军, 等. 空 气 钻 井 中 动 态 破 岩 有 限 元 仿 真 研 究 3597 扭 矩 /(kn m) 图 8 钻 头 上 扭 矩 随 时 间 变 化 曲 线 Fig.8 Torque o drilling bit varying with time 化 设 计 时 应 该 考 虑 5 结 论 时 间 /s (1) 本 文 采 用 全 尺 寸 PDC 钻 头 模 拟 空 气 钻 井 中 的 复 杂 动 态 破 岩 过 程, 为 空 气 钻 井 的 破 岩 机 制 井 斜 以 及 井 壁 稳 定 性 研 究 提 供 依 据 和 方 法 (2) 空 气 钻 井 形 成 的 井 眼 井 壁 岩 石 的 Von- Mises 应 力 值 很 小, 而 更 大 的 应 力 值 出 现 在 井 壁 附 近 的 某 个 位 置 说 明 干 燥 空 气 钻 成 的 井 眼 井 壁 稳 定 性 比 较 好, 但 一 旦 发 生 井 壁 不 稳 定 性 问 题, 将 出 现 成 块 掉 落 的 现 象 (3) 空 气 钻 井 井 底 岩 石 上 存 在 拉 应 力 且 可 能 发 生 崩 裂, 是 空 气 钻 井 中 破 岩 速 度 大 幅 提 高 的 原 因 之 一 (4) 空 气 钻 进 中, 钻 头 在 15 倾 角 的 各 向 异 性 地 层 岩 石 中 钻 进 时, 井 斜 具 有 上 倾 趋 势 ; 空 气 钻 井 中 钻 头 扭 矩 比 常 规 泥 浆 大, 对 钻 具 的 寿 命 不 利 (5) 本 有 限 元 模 型 可 以 用 来 研 究 空 气 钻 井 在 各 种 机 械 参 数 下 的 破 岩 过 程, 为 钻 头 和 钻 具 设 备 的 优 化 设 计 提 供 依 据 参 考 文 献 (Reerences): [1] 周 英 操, 翟 洪 军. 欠 平 衡 钻 井 技 术 与 应 用 [M]. 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社,23.(ZHOU Yingcao,ZHAI Hongjun. Underbalance drilling technology and apication[m]. Beijing:Petroleum Industry Press, 23.(in Chinese)) [2] WILLIAM C L. Air and gas drilling manual[m]. 2rd ed. New York: McGraw-Hill Companies,21. [3] 郑 颖 人, 沈 珠 江, 龚 晓 南. 岩 土 塑 性 力 学 原 理 [M]. 北 京 : 中 国 建 筑 工 业 出 版 社,1987.(ZHENG Yingren,SHEN Zhujiang,GONG Xiaonan. Princie o rock astic mechanics in geotechnical engineering[m]. Beijing:China Architecture and Building Press, 1987.(in Chinese)) [4] HIBBITT,KARLSSON,SORENSEN,Inc. ABAQUS analysis users manual version 6.5[R]. [S. l.]:[s. n.],25. [5] HIBBITT,KARLSSON,SORENSEN,Inc. ABAQUS theory manual version 6.5[R]. [S. l.]:[s. n.],25. [6] 蒋 伯 杰, 邹 奕 芳. 大 坝 基 础 开 挖 中 爆 破 损 伤 的 度 量 与 控 制 [J]. 爆 破,24,21(1):l 4.(JIANG Bojie,ZOU Yiang. The measurement and control o blast-induced damage in dam oundation excavation[j]. Blasting,24,21(1):1 4.(in Chinese)) [7] 蔡 四 维, 蔡 敏. 混 凝 土 的 损 伤 断 裂 [M]. 北 京 : 人 民 交 通 出 版 社, 1999.(CAI Siwei, CAI Min. Concrete damage and racture theories[m]. Beijing:China Communications Press,1999.(in Chinese)) [8] 张 文 元. ABAQUS 动 力 学 有 限 元 分 析 指 南 [M]. 北 京 : 中 国 图 书 出 版 社,25.(ZHANG Wenyuan. ABAQUS dynamic inite element analysis manual[m]. Beijing:China Tushu Publishing Limited, 25.(in Chinese)) [9] 杨 迎 新, 林 敏, 张 德 荣. 牙 齿 刮 切 实 验 破 碎 坑 的 几 何 建 模 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,22,21(9): (YANG Yingxin, LIN Min,ZHANG Derong. Geometric modeling o rock grooves induced by scraping tests with single insert[j]. Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering,22,21(9): (in Chinese)) [1] 张 文 华, 汪 志 明, 于 军 泉, 等. 高 压 水 射 流 机 械 齿 联 合 破 岩 数 值 模 拟 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,25,24(23): (ZHANG Wenhua,WANG Zhiming,YU Junquan,et al. Numerical simulation or combined breaking rock with high pressure water jet and mechanical bit[j]. Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering,25,24(23): (in Chinese)) [11] 屠 厚 泽, 高 森. 岩 石 破 碎 学 [M]. 北 京 : 地 质 出 版 社,199.(TU Houe,GAO Sen. Theory o rock ragmentation[m]. Beijing: Geological Publishing House,199.(in Chinese)) [12] 杨 米 加, 贺 永 年. 试 论 破 坏 后 岩 石 的 强 度 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,1998,17(4): (YANG Mijia,HE Yongnian. On the strength o broken rock[j]. Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering,1998,17(4): (in Chinese)) [13] 陈 庆 敏, 张 农, 赵 海 云, 等. 岩 石 残 余 强 度 与 变 形 特 性 的 试 验 研 究 [J]. 中 国 矿 业 大 学 学 报,1997,26(3):42 45.(CHEN Qingmin, ZHANG Nong,ZHAO Haiyun,et al. Experimental research on the residual strength and deormation o rock[j]. Journal o China University o Mining and Technology,1997,26(3):42 45.(in Chinese)) [14] 赵 伏 军, 李 夕 兵, 冯 涛, 等. 动 静 载 荷 耦 合 作 用 下 岩 石 破 碎 理 论 分 析 及 试 验 研 究 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,25,24(5): (ZHAO Fujun,LI Xibing,FENG Tao,et al. Theoretical analysis and experiments o rock mentation under couing dynamic and static loads[j]. Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering,25,24(5): (in Chinese)) [15] 倪 红 坚, 王 瑞 和, 葛 洪 魁. 高 压 水 射 流 破 岩 的 数 值 模 拟 分 析 [J]. 岩 石 力 学 与 工 程 学 报,24,23(4): (NI Hongjian,WANG Ruihe,GE Hongkui. Numerical simulation on rock breaking under high pressure water jet[j]. Chinese Journal o Rock Mechanics and Engineering,24,23(4): (in Chinese)) [16] HAN G,BRUNO M S,DUSSEAULT M B. 3D simulation o rock breakage with air hammers in gas-well drilling[j]. Technologies USA Inc.:M. B. Dusseault U. o Waterloo.,26. [17] 白 家 祉, 苏 义 脑. 井 斜 控 制 理 论 与 实 践 [M]. 北 京 : 石 油 工 业 出 版 社,199.(BAI Jiahi,SU Yinao. Theory o bore hole deviation control and proctive[m]. Beijing:Petroleum Industry Press,199.(in Chinese)) [18] 马 德 坤. 岩 石 同 钻 头 的 相 互 作 用 与 井 斜 [J]. 西 南 石 油 学 院 学 报, 1983,5(3):51 58.(MA Dekun. Mutual action between rock and nit and wellborn devication[j]. Journal o Southwest Petroleum Institute, 1983,5(3):51 58.(in Chinese)) [19] 姚 卫 星. 结 构 疲 劳 寿 命 分 析 [M]. 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社,23. (YAO Weixing. Analysis o atigue lie o structure[m]. Beijing: National Deence Industry Press,23.(in Chinese))

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