高频扭转冲击作用下硬地层破岩机理研究

摘要

高频扭转冲击钻井是一种能大幅提高钻井效率的新兴钻井技术，但由于对其破岩机理认识不清，使得高频扭转冲击钻井技术尚未能在国内得到推广应用。基于弹塑性力学和岩石力学，采用Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系，塑性应变作为岩石破碎的失效判据，通过有限元方法建立全尺寸PDC钻头动态破岩的非线性动力学三维仿真模型，分析了高频扭转冲击作用下硬地层中钻头的动态破岩过程。结果表明，高频扭转冲击钻进硬地层时拉应力与压应力区域交叉出现且以拉应力为主，拉应力破岩大大提高了钻头的机械钻速；高频扭转冲击钻进有效地减弱了硬地层中钻头处的粘滑振动，大大地提高了钻头的破岩效率。研究成果有助于深化对高频扭转冲击破岩的认识，为高频扭转冲击钻井技术的应用提供理论依据。