冲击载荷下深层致密砂岩破岩机理研究

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1、中图分类号：TE21单位代码：11414学号：2013312004题目冲击载荷下深层致密砂岩破岩机理研究学科专业油气井工程研究方向油气井岩石力学与工程博士生邓勇指导教师陈勉教授二○一七年五月TheResearchonRockFragmentationMechanismofDeepTightSandstoneunderImpactLoadDissertationsubmittedtoChinaUniversityofPetroleum,Beijinginpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeo

2、fDoctorofEngineering(OrDoctorofNaturalScience)ByDengYong（Oil&GasDrillingEngineering）DissertationSupervisorProf.ChenMianMay,2017Ｉ％博士学位论文独创性声明郑重声明：本博士学位论文是作者个人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人和集体己经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研宄做出贡

3、献的个人和集体，均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果并承担相应责任。．６．作者签名：却男ｊＨ１日期：ｊ导师签名：日期：博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送交学位论文的复印件和电子版；允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关

4、数据库进行检索。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意一，且须以中国石油大学（北京）为第署名单位。作者签名：日期：导师签名：日期１：＾Ｉ摘要摘要如何实现地层岩石的高效破碎是油气钻井工程领域的核心问题，尤其是随着石油钻探工作逐渐转向深部地层，高效破岩技术显得更为重要。由于传统钻井方式给在深部致密性地层钻进时带来了机械钻速低、钻井周期长、钻井成本高等一系列问题，常规旋转钻井技术已经无法满足我国油气勘探开发对深井提速的需求，而冲击钻井技术是提高深井硬脆性地层钻井速度的有效途径之一。因此，本文基

5、于深部致密砂岩的冲击破岩过程，完成了以下主要研究工作：在致密砂岩冲击动力学特性方面，基于岩石固有缺陷的损伤原理，获得了岩石动态破碎强度、破碎时间和应变能密度与应变率之间的数学关系，并通过室内SHPB冲击试验确定了符合深部致密砂岩的模型计算参数。研究结果表明，在与冲击钻井相当应变率范围内，致密砂岩的动、静态弹性模量之比在1.20~2.13之间，动、静态强度之比在1.31~1.91之间，且应变率越高，动态弹性模量和动态破碎强度越大；随着应变率的增加，致密砂岩的破碎时间减短，应变能密度增加；与浅层岩石的动力学性质相比，深部致密砂岩动力效应的应变率敏感性

6、更强。因此，在对深层致密岩石的冲击破岩参数进行设计时，应充分考虑岩石的动力学特性，保证施加在钻头牙齿上的载荷大于岩石的动态破碎强度，牙齿与岩石的接触时间大于其动态破碎时间。在岩石破碎的能量耗散方面，以分形理论和断裂力学为依据，建立了岩石破碎的能耗密度模型，并以致密砂岩和花岗岩的SHPB冲击试验予以了验证。该模型将破碎能大小与岩石固有性质及破碎体粒度分布特征相结合，可以直接根据岩屑的分形特性和岩石表面能确定岩石破碎所需的能量值。在冲击动载条件下岩石破碎体的形成机制方面，从理论分析和二维离散元模拟两方面研究了不同井底压力条件下球形齿动载侵入破岩过程中

7、的裂纹形成与扩展情况。研究发现，围压和液柱压力是阻碍径向/侧向裂纹朝自由面扩展和向破碎体发展的主要因素；液柱压力加剧了岩石内部的损伤，有助于侧向裂纹往岩石内部扩展，数值模拟结果形象地展现了岩石破碎体的形成过程。在冲击力幅值和作用时间对破岩效果的影响方面，利用三维离散元方法建立了球形齿动载侵入破岩的数值模型，研究了相同冲击速度和相同冲击能量两种工况下力的幅值和作用时间对破岩效果的影响。研究发现，当冲击速度恒定也即动载幅值相同时，存在一个最优的力延续时间（加载速率）可使破岩效果最佳，实-II-摘要际冲击钻井时可通过改变冲击器的冲锤形状来产生合理加载速

8、率的冲击力；当冲击能量恒定时，短延时、高幅值的冲击力更有利于岩石的高效破碎。在旋冲钻井的破岩能量钻速方程方面，分析了冲击器钻进系统的动力