振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

doi:10.11885/j.issn.1674-5086.2014.08.15.01

摘要/Abstract

摘要：

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理，用数值模拟分析的方法，研究了不同参数对破岩效率的影
响，包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型，并分别对其进行了定量分析。结果表明，井底岩石的破碎分为
3 个区域：破碎区，损伤区和无损区，在振荡冲击器的作用下，井底岩石的破碎过程分为3 个阶段：钻头的中心齿压碎
岩石，边齿对岩石造成破坏，钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化，
当工具的工作频率为16 Hz 时，破岩效率最高，振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加，当其
峰值载荷超过10 kN 之后，破岩效率增加比较缓慢，振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振
荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。

关键词: 数值模拟, 动态载荷, 工作频率, 破岩机理, 破岩效率

Abstract:

A model was built to simulate the process of rock breaking，under the action of oscillation impacter．In this model，
influences of different parameters on rock breaking efficiency were considered．Moreover，a quantitative analysis was proposed
for different parameters，such as different frequencies，different cyclic dynamic loads and different kinds of rocks．Through
the modelling and simulation using ABAQUS/Explicit，rock breaking efficiency was investigated in detail．The results indicate
that the connected face of rock and bit appears in three distinct zones：the broken zone，damage zone and undamaged zone．
Rock breaking process can be divided into three stages：center cutters of bit crushing rock，surrounding cutters of bit crush
rock and rotary cutting．When the frequency is about 16 Hz，rock breaking efficiency gets the maximum value．Along with the
increase of dynamic load，the depth of broken pit increased，when the dynamic load was larger than 10 kN，the rising trend
of rock breaking efficiency slowed down．Different rock had different rock breaking efficiency．It is very helpful to the field
application.

Key words: simulation, dynamic load, working frequency, rock breaking mechanism, rock breaking efficiency

董学成1，2，熊继有1，2**，王国华1，2，秦大伟1，. 振荡冲击器破岩机理数值模拟分析[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), DOI: 10.11885/j.issn.1674-5086.2014.08.15.01.

Dong Xuecheng1，2, Xiong Jiyou1，2**, Wang Guohua1，2, Qin Dawei1，2. Numerical Simulation Analysis of Rock Breaking Mechanism for
Oscillation Impacter[J]. 西南石油大学学报(自然科学版), DOI: 10.11885/j.issn.1674-5086.2014.08.15.01.

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参考文献

[1] 刘维凯. 大位移井钻柱力学分析及延伸能力研究[D].

大庆：大庆石油学院，2008．

[2] 徐坤吉，熊继有，陈军，等. 深井水平井水平段水力延

伸能力评价与分析[J]. 西南石油大学学报：自然科学

版，2012，34（6）：101–106．

Xu Kunji，Xiong Jiyou，Chen Jun，et al．The evaluation

and analysis of hydraulic extensions ability of horizontal

section in deep horizontal wells[J]．Journal of Southwest

Petroleum University：Science & Technology Edition，

2012，34（6）：101–106．

[3] Barton S，Baez F，Alali A．Drilling performance improvements

in gas shale plays using a novel drilling agitator device[

C]．SPE 144416，2011．

[4] Al-Buali M H，Dashash A A，Shawly A S，et al．Maximizing

coiled tubing reach during logging extended horizontal

wells using E-line Agitator[C]．SPE 127399，2009．

[5] Newman K，Burnett T，Pursell J，et al．Modeling the affect

of a downhole vibrator[C]．SPE 121752，2009．

[6] Rasheed W．Extending the reach and capability of non rotating

BHAs by reducing axial friction[C]．SPE 68505，

2001．

[7] Baez F，Barton S．Delivering performance in shale gas

plays：Innovative technology solutions[C]．SPE/IADC

140320，2011．

[8] 石崇东，党克军，张军，等. 水力振荡器在苏36–8–18H

井的应用[J]. 石油机械，2012，40（3）：35–38．

Shi Chongdong，Dang Kejun，Zhang Jun，et al．Application

of the hydraulic oscillator in Well 36–8–18H of

the Sulige Block[J]．China Petroleum Machinery，2012，

40（3）：35–38．

[9] 胥豪，牛洪波，唐洪林，等. 水力振荡器在新场气田

新沙21–28H 井的应用[J]. 天然气工业，2013，33（3）：

64–67．

Xu Hao，Niu Hongbo，Tang Honglin，et al．Application

of hydraulic oscillators to the development of Well Xinsha

21–28H in the Xinchang Gas Field，western Sichuan

Basin[J]．Natural Gas Industry，2013，33(3)：64–67．

[10] 胥豪，唐洪林，张晓明. 新场气田长水平段水平井钻井

技术[J]. 石油钻采工艺，2013，35（1）：10–13．

Xu Hao，Tang Honglin，Zhang Xiaoming. Long lateralsection

horizontal well drilling technology in Xinchang

Gas Field[J]．Oil Drilling & Production Technology，

2013，35（1）：10–13．

[11] 刘志坚，李榕. ?172 mm 水力振荡器在川西中浅水平

井的应用[J]. 天然气技术与经济，2012，6（6）：37–39．

Liu Zhijian，Li Rong．Application of hydraulic oscillator

with ?172 mm to medium-to-shallow horizontal wells，

western Sichuan Basin[J]．Nature Gas Technology and Economy，

2012，6（6）：37–39．

[12] 涂辉，高文金，陈涛，等. 一种能有效提高机械钻速的

水力振荡器的研究[J]. 江汉石油科技，2012，22（3）：

56–58．

Tu Hui，Gao Wenjin，Chen Tao，et al．Study on hydraulic

oscillator for improving the rate of penetration [J]．Jianghan

Prtroleum Science and Technology，2012，22（3）：

56–58．

[13] 熊继有，廖荣庆，孙文涛，等. 石油工程岩石水力破碎

特性研究[J]. 西南石油学院学报，1999，21（1）：48–51．

Xiong Jiyou，Liao Rongqing，Sun Wentao，et al．Study

of hydraulic breaking properties of petroleum engineering

rocks[J]．Journal of Southwest Petroleum Institute，1999，

21（1）：48–51．

[14] 牛洪波，陈建隆，隋小兵. 浅层大位移水平井钻井关键

技术分析[J]. 天然气工业，2012，32（2）：71–74．

Niu Hongbo，Chen Jianlong，Sui Xiaobing．Key techniques

in drilling extended reach horizontal wells through

shallow formations[J]．Natural Gas Industry，2012，

32（2）：71–74．

[15] 易先中，宋顺平，陈霖，等. 复杂结构井中钻柱托压效

应的研究进展[J]. 石油机械，2013，41（5）：100–104，

110．

Yi Xianzhong，Song Shunping，Chen Lin，et al．Progress

of research on drillstring backing pressure effect in

complex structure well[J]．China Petroleum Machinery，

2013，41（5）：100–104，110．

[16] 刘恩龙，黄润秋，何思明. 循环加载时围压对岩石动力

特性的影响[J]. 岩土力学，2011，32（10）：3009–3013．

Liu Enlong，Huang Runqiu，He Siming．Influence of confining

pressure on dynamic properties of rock samples

subjected to cyclic loading[J]．Rock and Soil Mechanics，

2011，32（10）：3009–3013．

[17] 周子龙. 岩石动静组合加载试验与力学特性研究[D].

长沙：中南大学，2007．

[18] 宫凤强. 动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准

则的试验研究[D]. 长沙：中南大学，2010．

[19] 杨岳峰. 基于模拟的岩石类材料在动载作用下的裂缝

扩展研究[D]. 大连：大连理工大学，2012．

[20] 金解放. 静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态力学

特性研究[D]. 长沙：中南大学，2012．