【摘 要】
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深井是未来我国油气开发的主战场,深入认识井下PDC钻头齿的破岩机理对PDC钻头深部提速具有重要意义。目前,对于PDC钻头齿破岩机理的研究大多局限于地面条件的宏观实验现象与规律揭示,缺乏针对井底应力条件下岩石破碎机理的深入认识。因此,本论文从齿周岩石裂纹演化的角度入手,结合室内实验、数值模拟和理论分析,针对PDC钻头齿周岩石内部裂纹的演化规律、井底应力对于裂纹发展的影响机理、考虑齿间裂纹演化的PDC
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“深层高温高压油气井安全高效钻完井基础研究（U1562212）”；
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深井是未来我国油气开发的主战场,深入认识井下PDC钻头齿的破岩机理对PDC钻头深部提速具有重要意义。目前,对于PDC钻头齿破岩机理的研究大多局限于地面条件的宏观实验现象与规律揭示,缺乏针对井底应力条件下岩石破碎机理的深入认识。因此,本论文从齿周岩石裂纹演化的角度入手,结合室内实验、数值模拟和理论分析,针对PDC钻头齿周岩石内部裂纹的演化规律、井底应力对于裂纹发展的影响机理、考虑齿间裂纹演化的PDC钻头齿参数优选等方面展开了研究。主要工作及成果如下:1.搭建了PDC钻头齿破岩可视化实验系统,识别了齿周裂纹的类型及形态特征,揭示了基于齿周裂纹演化的PDC钻头齿动态破岩过程。基于高速摄像技术,对不同岩石在PDC钻头齿作用下的分阶段破岩特征进行了识别与分析归纳,实验验证并完善了传统“压实-崩裂”分阶段破岩经验模型,发现了压实过程占据超过95%破岩时间的阶段特征。进一步为了捕捉齿前拉剪裂纹的发展过程,提高摄像采样率至4000帧/秒,发现齿前拉剪裂纹多呈向上弯曲的弧形,并萌发于压实阶段生成的压实核。而利用三维形貌扫描与铸体薄片裂纹成像技术观测,发现齿下拉张裂纹呈现典型的长直型拉张裂纹特征,有的延伸长度可以达到切深的一半。最终,利用优选的透明硅玻璃材料,实时观测破岩过程中的裂纹演化过程,提出了基于“压实核-齿前拉剪裂纹-齿下拉张裂纹”的裂纹演化动态破岩过程。该部分的研究内容弥补了现有PDC齿-岩石相互作用机理中破岩阶段特征不清晰、裂纹类型及特点不明确、破岩过程描述静态化的缺陷。2.搭建了真三轴-静液柱压力PDC钻头齿破岩实验系统,建立了基于裂纹拓展模拟的PDC钻头齿周应力分析数值模型,结合宏观实验现象与微观齿周应力分析,揭示了井底应力对于PDC齿周裂纹演化的影响规律与作用机理。实验模拟了井底应力的作用,探究了静液柱压力与地应力对于PDC钻头齿破岩的影响规律:发现当静液柱压力从0MPa增加至20MPa时,破岩切削力增加了约1200N。进一步结合齿周应力与裂纹发现,静液柱压力的增加使得PDC钻头齿的破岩方式由拉剪联合转变为剪切主导,从而抑制了齿前拉剪裂纹的发展,降低了破岩效率;同时也使得齿下拉张应力区域增大,促进了齿下拉张裂纹的发展,有益于二次破岩。而地应力对齿周裂纹发展主要表现为抑制作用。该部分的研究内容弥补了前人研究中井底应力条件模拟不充分、破岩工具元件不聚焦、机理分析粗粒度的不足。3.提出了利用齿周岩石裂纹演化辅助破岩的PDC钻头布齿优选方法,针对不同井深形成了PDC钻头布齿最优参数组合。以前齿切削预制裂纹,提高后齿破岩效率为目标。发现当前齿倾角越小,且切深为后齿切深2/3时,通过充分利用前齿预制裂纹损伤的方式,能明显提高破岩效率,平均齿载荷。该方案弥补了传统PDC钻头布齿参数设计优选中忽略齿间裂纹干扰及井底应力影响的不足。研究成果揭示了基于齿周岩石的裂纹演化的井下PDC钻头齿破岩机理,可望为钻头深部破岩提供理论基础。
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