钻进过程岩石破坏面的确定方法技术

本发明专利技术公开了一种钻进过程岩石破坏面的确定方法，步骤包括：1)模拟假设并确定钻井力模型，确定模型中各分量之间的关系；2)计算岩石结构发生塑性破坏的最大剪应力；3)根据最大剪应力准则，破坏面形状与步骤2)中确定的剪切区的最大剪应力τ

【技术实现步骤摘要】
钻进过程岩石破坏面的确定方法


[0001]本专利技术属于地下空间与隧道工程
，涉及一种钻进过程岩石破坏面的确定方法。

技术介绍

[0002]岩数字化钻井技术已经成为现场评价岩石性质的有效手段，这种随钻测量(MWD)方法对于提高钻井效率和减少刀具磨损具有实际意义。在钻井过程中，机械钻速(ROP)是表征钻井效率的一个重要指标，钻压(钻头重量)和转速(每分钟旋转)的有效组合是提高机械钻速的关键，此外，随着钻孔深度的增加，围压对机械钻速有负面影响，这与刀具磨损有关，因此，了解刀具在约束条件下的破岩行为对减少刀具磨损至关重要。事实上，岩石特性和所需切削力之间存在定量关系，这与钻头的形状和材料有关，为了优化钻削效率，需要阐明刀具磨损和地应力的综合作用对切削力的影响。
[0003]在钻井过程中，钻机提供的推力(法向)和切削力(切向)协同作用破坏岩石。当在粗糙岩石中钻孔时，与磨料矿物的摩擦导致金刚石切割机以划痕的形式进行机械磨损。为了与岩石有足够的接触，附加力集中在最初的划痕位置以破坏岩石，这就产生了强烈的应力集中，加速了刀具的摩擦磨损。磨损平坦区A
f
随切削深度的演变证实了这种现象由三个阶段组成。相应地，刀具几何形状的变化导致了失效面的非线性传播。这一推论与大多数钻井模型中线性破坏面的假设不一致。此外，地应力对钻井参数有显著影响，特别是在深部岩石钻井中。在钻探过程中的应力情况下，岩石经历了裂纹扩展的塑性变形。
[0004]然而，在现有的模型中，岩石通常被认为是弹性体，使得对破坏面形状预测时可靠性、科学性、准确性均达不到施工时的技术要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种钻进过程岩石破坏面的确定方法，解决了现有技术中存在的数字钻井技术，对破坏面形状预测的可靠性、科学性、准确性无法得到保证的问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种钻进过程岩石破坏面的确定方法，按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、模拟假设并确定钻井力模型，确定模型中各分量之间的关系；
[0008]步骤2、计算岩石结构发生塑性破坏的最大剪应力；
[0009]步骤3、根据最大剪应力准则，破坏面形状与步骤2中确定的剪切区的最大剪应力τ
max
有关，以此对破坏面进行预测；
[0010]步骤4、根据最大剪应力准则，采用迭代法求解作用在切割面上的力，输入钻井基本参数确定破坏面的函数，定量呈现破坏面形态。
[0011]本专利技术的有益效果是，包括以下方面：
[0012]1)本专利技术将岩石视为半无限弹塑性平面体。根据钻进过程中的摩擦接触和切削，岩石的破坏区分为破碎区和剪切区，如图2所示。破碎区同时发生切割和压缩作用。在此基
础上，采用典型的莫尔
‑
库仑(M
‑
C)准则来描述破碎区的岩石断裂。切削力通过破碎带沿破坏面对岩石进行剪切，使岩石发生塑性破坏。因此，在剪切带中考虑了最大剪应力准则。引入弹塑性力学中的米歇尔解来求解钻井过程中岩石剪切带的应力状态。此外，破坏面的横截面形态确定为最大剪应力点的分布。
[0013]2)本专利技术根据钻头的受力特点，导出了岩石性质对钻进参数的特定响应函数。在此基础上，建立了几种预测岩石力学和物理性质的分析模型。例如渗透性、脆性、强度参数、弹性模量和黏聚力。在Seliami提出的模型中，首次考虑了地应力对机械钻速的影响。上述模型具有类似的假设，即刀具是理想的锋利，破坏面是直线。这些简化方便了建模，但会导致偏离实地结果。此外，钻孔中的岩石破坏行为分为脆性和延性，与地应力有关。随着静水压力的增加，机械钻速降低，所产生的岩屑尺寸变小。虽然数值和实验结果已经表明，切削力和MSE(机械比能)受到钻孔中应力状态的影响，但分析模型的发展仍然缺乏考虑围压。此外，刀具磨损也是由于地应力的增加引起的，这被认为是引起摩擦的主要原因。由于摩擦力会消耗钻机提供的载荷，从而降低钻井效率，所以在建模和试验中应研究刀具磨损和地应力的综合作用。
[0014]3)本专利技术在钻进过程中，岩石被假定为弹塑性平面体。在建立钻井模型时，考虑了刀具磨损和地应力。然后根据修正后的模型计算各岩体单元的剪应力。参照最大剪应力准则，将单元体的剪应力与岩石的剪切强度进行比较，判断岩石是否破碎。对不同粘聚力的岩石进行钻探试验，以获得岩石切割面的剪应力大小，并且为了验证模型的正确性，将最大应力点作为曲线来预测失效面并分析了几种影响因素对破坏面形状的影响，最后根据图1中各破坏面对比可以得到模型预测的结论与之前岩石内部裂缝、孔隙和缺陷的生成有关。
附图说明
[0015]图1是在磨损平坦区A
f
随切割深度d的变化规律；
[0016]图2a是钻井过程中破碎区和剪切区岩石切削力分析；
[0017]图2b是钻井过程中的米歇尔楔体解；
[0018]图3本专利技术方法根据最大剪应力点分布确定剪切破坏面；
[0019]图4a本专利技术方法不同切割深度时的剪切应力演化；
[0020]图4b本专利技术方法不同切割力时的剪切应力演化；
[0021]图5a本专利技术方法沿花岗岩钻孔法向力和切向力与钻孔深度的关系；
[0022]图5b本专利技术方法沿花岗岩钻孔的钻进速度、磨损角以及转速与钻孔时间的关系；
[0023]图6a本专利技术方法切削力的模型预测与试验测量的对比；
[0024]图6b本专利技术方法磨损角的模型预测与试验测量的对比；
[0025]图7本专利技术方法引用Akbari(2014)测量的切削力对模型的验证，并与Cheng(2019)的切削力预测模型进行比较；
[0026]图8本专利技术对于典型花岗岩岩屑形貌与预测结果对比；
[0027]图9a本专利技术对于破坏面形状函数表达式的确定，破坏面形状的坐标系变换与拟合曲线；
[0028]图9b本专利技术对于花岗岩破坏面形状函数表达式的确定；
[0029]图9c本专利技术对于砂岩破坏面形状函数表达式的确定；
[0030]图9d本专利技术对于片麻岩破坏面形状函数表达式的确定；
[0031]图10本专利技术考虑岩石内部缺陷影响的破坏面对比。
具体实施方式
[0032]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0033]本专利技术是钻进过程岩石破坏面的确定方法，按照以下步骤实施：
[0034]步骤1、模拟假设并确定钻井力模型，确定模型中各分量之间的关系，
[0035]参照图1，通过现有技术的磨损平坦区A
f
随切削深度的演变，证实了这种现象由跑合磨损、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段组成，模型分析如图2a，隙压力p
p
、地应力p
h
、静水压力p
d
、正应力N和剪应力S分别作用在岩石上(由推力F
n
和力矩F
t
提供)，在钻井过程中，摩擦力在磨损平面上的切向分量和法向分量分别表示为F本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钻进过程岩石破坏面的确定方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、模拟假设并确定钻井力模型，确定模型中各分量之间的关系；步骤2、计算岩石结构发生塑性破坏的最大剪应力；步骤3、根据最大剪应力准则，破坏面形状与步骤2中确定的剪切区的最大剪应力τ
max
有关，以此对破坏面进行预测；步骤4、根据最大剪应力准则，采用迭代法求解作用在切割面上的力，输入钻井基本参数确定破坏面的函数，定量呈现破坏面形态。2.根据权利要求1所述的钻进过程岩石破坏面的确定方法，其特征在于：步骤1的具体过程是，设推力为F
n
、力矩为F
t
、隙压力为p
p
、地应力为p
h
、静水压力为p
d
、正应力为N、剪应力为S，在钻井过程中，摩擦力在磨损平面上的切向分量和法向分量分别表示为F
fs
和F
fn
，刀具的参数包括切割深度d、倾角α、磨损角β、刀具宽度l，楔形体的应力分布表达式是：数包括切割深度d、倾角α、磨损角β、刀具宽度l，楔形体的应力分布表达式是：其中，γ为岩石楔体的顶角，θ为楔体的x轴与荷载P之间的夹角，θ符号为正，顺时针方向的符号τ为正；A为岩石
‑
钻头接触面积，计算式为A＝ldcosα；A
f
为磨损区域面积，计算式为A
f
＝ldcosαsinβ；倾角α被固定为5
°
，磨损角β与磨损机械力有关，在钻孔过程中，摩擦力被视为刀具磨损的主要原因，β的范围是0～15
°
，β'被视为钻头的运动变量函数，关系式为：其中，v和w分别表示钻头的轴向速度和切向速度。3.根据权利要求2所述的钻进过程岩石破坏面的确定方法，其特征在于：步骤2的具体过程是，假设压碎区处于一种压缩应力状态下，剪切区的状态满足γ＝π和的受力条件，通过以下受力分析，则压碎区的正应力σ0与剪应力τ0有以下关系：S＝σ0+τ0tanα
ꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何明明，袁卓亚，张永浩，赵建斌，罗波，马旭东，王滈藤，郝威，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：