切削和侵入作用下层理岩层破碎机理浅析

层理岩层是石油钻井中经常遇到的一类地层,特别是在页岩气开采过程中,所钻页岩属于典型的层理岩层。研究层理岩层在钻齿作用下的破碎机理对于控制井眼轨迹、优化钻进参数、提高钻进效率都有很大指导作用。在以往岩石破碎机理研究中,一般多假设岩石介质为各向同性;但是对于层理岩层,由于其表现出强烈的强度各向异性特征,各项同性假设不再适用。本文利用离散单元方法(PFC2D)建立了钻齿与层理岩层相互作用模型。研究了层理岩层在钻齿切削和侵入过程中的破碎情况、裂纹的扩展情况以及钻齿受力情况。研究表明:切削力根据层理倾角分为高切削力区和低切削力区;液柱压力的存在对裂纹扩展有抑制作用,增大切削力;在岩石侵入过程中,层理的存在改变了裂纹的走向,当主裂纹扩展至层理处时,裂纹不再向岩石内部扩展,而是朝着层理的方向扩展。

振动冲击下PDC切削齿在层理岩层的破岩仿真分析

层理岩层是钻井工程中经常遇到的一类岩层,存在地质条件复杂、非均质性强、软硬交错、地层倾角大等特点,PDC钻头在该类岩层破岩效率低,经常发生先期损失。为了提高PDC钻头在层理岩层的破岩效率,以Drucker-Prager准则作为岩石的本构关系,用有限元软件建立PDC切削齿在振动冲击下破岩的仿真模型,研究了层理岩层在PDC切削齿切削过程中的破碎情况及PDC切削齿在不同振动频率和冲击幅度下对层理岩层破岩效率的影响。研究表明:振动频率越高,破岩比功越小,冲击幅值大小与破岩比功无明显相关性,振动冲击载荷有利于提高层理岩层的破岩效率。