亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        高溫高壓條件下PDC鉆頭破碎花崗巖試驗(yàn)研究*

        2021-12-13 07:33:36史懷忠傅新康陳振良赫文豪熊超高飛
        石油機(jī)械 2021年12期
        關(guān)鍵詞:鉆壓破巖巖樣

        史懷忠 傅新康 陳振良 赫文豪 熊超 高飛

        (1. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣光學(xué)探測(cè)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

        0 引 言

        近年來(lái),國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者對(duì)鉆頭破巖技術(shù)的研究已取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,取得的成果可滿(mǎn)足常規(guī)地層鉆井要求。但在超深復(fù)雜地層以及高溫高壓等惡劣工況下破巖技術(shù)仍有待提高,常用PDC鉆頭破巖特性尚不清晰,制約了深部資源的鉆探開(kāi)發(fā)進(jìn)程[1]。因此,應(yīng)開(kāi)展PDC切削齒布齒特征及破巖效率研究,以期為高溫高壓條件下PDC鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

        P.L.MENEZES等[2]利用數(shù)模軟件LS-DYNA模擬了不同切削速度和切削深度下,PDC切削齒各種傾角的破巖情況,發(fā)現(xiàn)與給定切削深度下的切削齒速度相比,切削力和巖屑特性受傾角影響較大。況雨春等[3]進(jìn)行了PDC全鉆頭破巖試驗(yàn),將摩爾庫(kù)倫本構(gòu)模型和D-P本構(gòu)模型在PDC單齒破巖數(shù)模中的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在不同條件下,上述兩種模型在計(jì)算精度和效率方面各有優(yōu)劣。唐勝利等[4]利用FLAC3D軟件模擬PDC切削齒破巖模型,研究了后傾角對(duì)破巖效果的影響,發(fā)現(xiàn)15°后傾角破巖效果最好。GHENG Z.等[5]采用高速攝影技術(shù)捕獲了PDC齒切削巖石過(guò)程中主要裂縫的形成過(guò)程,并通過(guò)石英玻璃塊顯示破巖過(guò)程裂紋和相鄰破碎區(qū)的發(fā)展順序,發(fā)現(xiàn)砂巖和花崗巖的主要裂紋起始于PDC齒尖端,而大理石的主要裂紋起始具有隨機(jī)性;在破碎區(qū)域形成之后主要裂紋起裂,主要裂紋的產(chǎn)生將擴(kuò)大破碎區(qū)域并導(dǎo)致下方裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張。李瑋等[6]研究了300 ℃高溫和100 MPa圍壓下,鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)PDC鉆頭破巖效果的影響規(guī)律,分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)溫度和轉(zhuǎn)速不變時(shí),破巖效率隨著鉆壓上升而明顯上升;當(dāng)鉆壓和溫度不變時(shí),破巖效率隨著轉(zhuǎn)速提升而顯著提升,此外還得出200 ℃高溫高壓環(huán)境下PDC鉆頭的磨損規(guī)律。XIONG C.等[7]將Stinger PDC齒與傳統(tǒng)PDC齒進(jìn)行了單齒切削測(cè)試對(duì)比,并分析了切削力、切削尺寸、表面形貌和斷裂表面的微觀形態(tài),發(fā)現(xiàn)Stinger PDC齒的平均切削力比傳統(tǒng)PDC齒小46.14%,破巖能耗比傳統(tǒng)PDC齒小34.09%;Stinger PDC齒的切削軌跡呈V形,表面相對(duì)較為粗糙。

        目前,針對(duì)PDC鉆頭破巖方面的研究主要通過(guò)數(shù)值模擬單齒破巖,而關(guān)于高溫高壓條件下室內(nèi)破巖試驗(yàn)的研究較少。鑒于此,本文借助真三軸鉆井模擬試驗(yàn)設(shè)備研究了溫度、圍壓、齒徑、后傾角和轉(zhuǎn)速等對(duì)PDC鉆頭破碎花崗巖效率的影響規(guī)律。

        1 試驗(yàn)方案

        1.1 試驗(yàn)流程

        試驗(yàn)在真三軸鉆井模擬試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行,設(shè)備主要包括真三軸圍壓釜和鉆進(jìn)部分,分別如圖1和圖2所示。真三軸加壓部分可模擬井下三軸圍壓狀態(tài),鉆進(jìn)部分可調(diào)節(jié)鉆桿下行速度和轉(zhuǎn)速,實(shí)時(shí)測(cè)出扭矩、位移和鉆壓等數(shù)據(jù)并以曲線圖的形式展現(xiàn)給試驗(yàn)者。鉆井液可用水等流體介質(zhì)代替,并通過(guò)釜內(nèi)流道流至地面蓄水池,再通過(guò)水泵排出。軟件操作界面見(jiàn)圖3,試驗(yàn)流程見(jiàn)圖4。

        圖1 真三軸圍壓釜

        圖2 鉆進(jìn)部分

        圖3 軟件操作界面

        圖4 試驗(yàn)流程圖

        1.2 試驗(yàn)巖樣與鉆頭

        試驗(yàn)采用雙齒微型PDC鉆頭(見(jiàn)圖5),其切削齒直徑為13.44、15.88和19.05 mm;切削齒后傾角分別為10°、15°、20°和25°。鉆頭體內(nèi)部設(shè)計(jì)有圓柱形射流孔道,直徑5 mm左右,用于鉆進(jìn)時(shí)鉆井液通過(guò)。

        圖5 微型PDC鉆頭

        試驗(yàn)巖樣選用山東泗水花崗巖,且從整塊大樣中取樣以減小巖樣非均質(zhì)性影響。為便于后期熱處理和搬運(yùn),特加工50塊200 mm×200 mm×200 mm的正方體巖樣(實(shí)際加工尺寸略小于200 mm,以便放入圍壓釜中),巖樣呈深灰白色、致密,六個(gè)面應(yīng)盡量平整,否則加圍壓過(guò)程中可能因?yàn)閼?yīng)力集中而被壓碎。

        1.3 試驗(yàn)方法

        2020年11月至12月在中國(guó)石油大學(xué)(北京)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯扛邷馗邏簵l件下,不同參數(shù)對(duì)PDC鉆頭破碎花崗巖效率的影響規(guī)律,主要涉及巖樣溫度、圍壓、切削齒直徑、后傾角及轉(zhuǎn)速等5個(gè)參數(shù)。

        熱處理方式是利用烤箱對(duì)巖樣進(jìn)行加熱,在達(dá)到設(shè)定溫度后,保溫10 h左右,以確保巖樣加熱充分??紤]到烤箱條件及加熱后搬運(yùn)和裝填至圍壓釜過(guò)程中的安全問(wèn)題,僅研究200和300 ℃的情況;另外考慮到將高溫巖樣裝填到圍壓釜后,加釜蓋固定Z軸需要較長(zhǎng)時(shí)間,造成熱損失而無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)定的試驗(yàn)溫度要求,故不加Z軸壓力,以節(jié)省裝填時(shí)間。

        為更真實(shí)還原鉆進(jìn)過(guò)程,在鉆進(jìn)過(guò)程中用自來(lái)水代替鉆井液:一是冷卻鉆頭,減輕由于摩擦生熱對(duì)鉆頭造成的損傷;二是攜帶巖屑,避免二次破巖,提高鉆進(jìn)效率。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 溫度、圍壓和轉(zhuǎn)速對(duì)破巖效率的影響

        選用齒徑d=15.88 mm的鉆頭,圍壓p設(shè)為20、40和50 MPa。考慮到設(shè)備安全穩(wěn)定性問(wèn)題,設(shè)圍壓上限50 MPa、轉(zhuǎn)速50 r/min、下行速度0.1 mm/s,鉆后巖樣見(jiàn)圖6。選取鉆進(jìn)中較為穩(wěn)定的階段并計(jì)算平均鉆壓和扭矩(后續(xù)試驗(yàn)皆為此處理方式),如表1和圖7所示。由圖7可以看出,隨著圍壓升高,鉆頭所受的鉆壓和扭矩呈明顯上升趨勢(shì)。

        圖6 鉆后巖樣

        圖7 鉆壓和扭矩隨圍壓的變化曲線

        表1 不同圍壓下的鉆壓和扭矩

        可以通過(guò)計(jì)算單位破巖能耗來(lái)衡量鉆進(jìn)效率[8]。本文采用鉆機(jī)做功的和除以破巖體積來(lái)計(jì)算單位破巖能耗。在鉆進(jìn)過(guò)程中,鉆頭破巖能量主要來(lái)源于兩個(gè)方面,一是旋轉(zhuǎn)電機(jī),二是下行鉆進(jìn)電機(jī)。這兩個(gè)方面的做功最直觀的表現(xiàn)參數(shù)即為扭矩和鉆壓,因此可以由下式來(lái)計(jì)算單位破巖能耗[9]:

        (1)

        式中:EM為單位破巖能耗,J/m3;Er為旋轉(zhuǎn)電機(jī)做功,J;Ed為下行鉆進(jìn)電機(jī)做功,J;V為破巖體積,m3。

        旋轉(zhuǎn)電機(jī)做功主要與扭矩和轉(zhuǎn)速有關(guān),可以表示為:

        (2)

        式中:M為扭矩,N·m;n為轉(zhuǎn)速,r/min;t為鉆進(jìn)時(shí)間,s。

        下行鉆進(jìn)電機(jī)做功主要與鉆壓有關(guān),其計(jì)算公式為:

        Ed=Fvt

        (3)

        式中:F為鉆壓,N;v為下行鉆進(jìn)速度,m/s。

        上述兩部分之和為鉆頭破巖所耗的總能量,將其除以破碎巖石體積即為單位破巖能耗。破巖體積可以表示為:

        V=πr2vt

        (4)

        式中:r為破巖圓柱孔的底面半徑,m。

        將式(2)、式(3)和式(4)代入式(1),得出單位破巖能耗的最終公式:

        (5)

        計(jì)算得20、40和50 MPa圍壓下的鉆頭單位破巖能耗,如圖8所示。由圖8可知,隨著圍壓增大,鉆頭破碎花崗巖的單位破巖能耗不斷上升,并且單位破巖能耗隨圍壓增大上升幅度增大。

        圖8 單位破巖能耗隨圍壓的變化曲線

        選用d=13.44 mm的鉆頭,鉆后部分巖樣見(jiàn)圖9。表2為不同溫度和轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)所得鉆壓和扭矩值。圖10、圖11、圖12分別為鉆壓、扭矩、單位破巖能耗隨溫度和轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖10、圖11和圖12可知,在不同轉(zhuǎn)速下,隨著熱處理溫度上升,鉆壓、扭矩和單位破巖能耗均呈明顯下降趨勢(shì),不同轉(zhuǎn)速之間的鉆壓區(qū)分度不大,可能是由于本文試驗(yàn)系統(tǒng)采用給定下行速度的方式送進(jìn)鉆頭且設(shè)定下行速度均較慢,加上設(shè)定的轉(zhuǎn)速區(qū)分度不大,導(dǎo)致不同轉(zhuǎn)速梯度之間的鉆壓區(qū)分度并不明顯。另外,轉(zhuǎn)速越高,單位破巖能耗越高。當(dāng)花崗巖經(jīng)過(guò)高溫?zé)崽幚砗?,其?nèi)部出現(xiàn)微裂紋,加上鉆井流道中通入冷的鉆井液,冷熱沖擊對(duì)花崗巖造成較大破壞,并且溫差越大,破壞越明顯。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)過(guò)300 ℃熱處理后不同轉(zhuǎn)速下的單位破巖能耗與常溫下相比下降均超過(guò)30%。此外,鉆井液在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)巖體內(nèi)部微裂縫進(jìn)入巖石中,造成一定的水力場(chǎng),微裂紋末端出現(xiàn)應(yīng)力集中,致使之前由熱應(yīng)力造成的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)張[10],見(jiàn)圖13。

        圖9 鉆后部分巖樣

        表2 不同溫度和轉(zhuǎn)速下鉆壓和扭矩

        圖10 鉆壓隨溫度和轉(zhuǎn)速的變化曲線

        圖11 扭矩隨溫度和轉(zhuǎn)速的變化曲線

        圖12 單位破巖能耗隨溫度和轉(zhuǎn)速的變化曲線

        圖13 300 ℃熱處理后冷熱沖擊形成的裂紋

        2.2 齒徑、后傾角對(duì)破巖效果的影響

        選用13.44、15.88和19.05 mm齒徑的鉆頭,設(shè)轉(zhuǎn)速60 r/min、下行速度0.1 mm/s。

        觀察發(fā)現(xiàn)鉆后PDC切削齒出現(xiàn)一定程度磨損。鉆后部分巖樣見(jiàn)圖14。觀察圖14可以發(fā)現(xiàn):小齒徑的切削齒鉆出的巖屑粒徑較小,大部分巖屑類(lèi)似于粉末狀,只出現(xiàn)少許大顆粒巖屑;大齒徑的切削齒鉆出的巖屑一般尺寸較大,多為顆粒狀巖屑。根據(jù)鉆后巖屑返排情況,19.05 mm齒徑的鉆孔坑中存在較多大顆粒巖屑,并且大齒徑所鉆孔的入口處較為粗糙,呈鋸齒狀,而小齒徑所鉆的孔較為平整。分析認(rèn)為,大齒徑切削齒與巖石接觸面積較大,破碎的巖屑以大顆粒或者塊狀為主,在剛吃入巖樣時(shí),以較大力壓入巖樣,由于受力范圍較大[11],導(dǎo)致在以核心受力點(diǎn)為中心的小片范圍內(nèi)的巖塊都隨之剝落,所以大齒徑鉆頭形成的鉆孔入口處不平整,缺口較多,呈鋸齒狀。

        圖14 鉆后部分巖樣

        表3為不同溫度和圍壓下不同齒徑鉆頭的鉆壓和扭矩測(cè)試值。

        表3 不同溫度和圍壓下不同齒徑鉆頭的鉆壓和扭矩值

        圖15為不同圍壓下鉆壓和扭矩隨齒徑的變化曲線。從圖15可以看出,在不同圍壓下,隨著PDC切削齒直徑的增加,鉆頭所受的鉆壓和扭矩均呈增大趨勢(shì)。隨著齒徑的增大,切削齒在破巖過(guò)程中與巖石接觸的面積隨之增大,在同樣的下行速度和轉(zhuǎn)速條件下,其受力隨之增大。小徑齒在破巖過(guò)程中更易壓入地層[12]。由于鉆頭外徑不一致,導(dǎo)致破碎巖石坑體積不一致,故此處不比較其單位破巖能耗。

        圖15 不同圍壓下鉆壓和扭矩隨齒徑的變化曲線

        圖16為不同溫度下鉆壓和扭矩隨齒徑的變化曲線。從圖16可以看出,在不同溫度T下,隨著齒徑的增大,鉆壓和扭矩均呈上升趨勢(shì),并且加熱溫度越高,鉆壓和扭矩越小。

        圖16 不同溫度下鉆壓和扭矩隨齒徑的變化曲線

        選用后傾角α=10°、15°、20°、25°的鉆頭,齒徑為13.44 mm,轉(zhuǎn)速為60 r/min,下行速度為0.1 mm/s。試驗(yàn)所鉆部分巖樣見(jiàn)圖17。

        經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在常溫常壓、常溫+40 MPa圍壓以及200 ℃+40 MPa圍壓這3種條件下,200 ℃+40 MPa圍壓下鉆頭的磨損情況最嚴(yán)重。表4為不同溫度和圍壓條件下,不同齒徑鉆頭的鉆壓和扭矩測(cè)試值。由圖18~圖21可得,在上述3種情況下,隨著后傾角的增大,鉆壓和破巖能耗均呈上升趨勢(shì)。這是因?yàn)橐暂^大后傾角吃入巖石時(shí),切削面與巖體接觸面積較大,PDC切削齒對(duì)巖石的破壞更多是擠壓破壞,而花崗巖的抗壓強(qiáng)度往往是數(shù)百兆帕[13],即使經(jīng)過(guò)一定溫度熱處理后,也具有較高抗壓強(qiáng)度,所以破巖難度相對(duì)提升,故考慮在實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中選用較小后傾角吃入地層。此外在研究中還發(fā)現(xiàn),后傾角α=15°時(shí),單位破巖能耗較小,鉆頭破巖效率較高。

        表4 不同溫度和圍壓下不同后傾角鉆頭的鉆壓和扭矩值

        圖18 不同圍壓下鉆壓隨后傾角的變化曲線

        圖19 不同圍壓下單位破巖能耗隨后傾角的變化曲線

        圖20 不同溫度下鉆壓隨后傾角的變化曲線

        圖21 不同溫度下單位破巖能耗隨后傾角的變化曲線

        3 結(jié) 論

        (1)隨著圍壓的增大,單位破巖能耗增加;在不同轉(zhuǎn)速下,隨著熱處理溫度的上升,鉆壓、扭矩和單位破巖能耗均明顯下降,尤其當(dāng)熱處理溫度達(dá)到300 ℃時(shí),單位破巖能耗與常溫相比下降30%。

        (2)隨著齒徑的增大,鉆壓和扭矩呈上升趨勢(shì),并且加熱溫度越高,鉆壓和扭矩越小。

        (3)隨著后傾角的增大,鉆壓和單位破巖能耗均呈上升趨勢(shì),后傾角為15°時(shí),單位破巖能耗較小,鉆頭破巖效率較高。

        猜你喜歡
        鉆壓破巖巖樣
        交錯(cuò)起爆下爆炸應(yīng)力波的碰撞機(jī)制與破巖效果
        爆炸與沖擊(2024年6期)2024-10-31 00:00:00
        圓柱形PDC切削齒磨損對(duì)鉆井工藝規(guī)程的影響
        裂隙幾何特征對(duì)巖體力學(xué)特性的模擬試驗(yàn)研究
        煤礦安全(2023年7期)2023-08-04 03:39:06
        第十三屆國(guó)際爆破破巖學(xué)術(shù)會(huì)議的征文即將截止
        工程爆破(2022年2期)2022-06-17 14:15:00
        預(yù)制裂紋砂巖樣力學(xué)特性與能量演化規(guī)律研究
        井下工程參數(shù)隨鉆測(cè)量短節(jié)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
        頻繁動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)圍壓卸載中高儲(chǔ)能巖體的動(dòng)力學(xué)影響*
        爆炸與沖擊(2019年6期)2019-07-10 01:37:50
        刀齒切削破巖實(shí)驗(yàn)及分形研究
        軟地層兩種靈活側(cè)鉆技術(shù)
        高陡構(gòu)造上部地層鐘擺鉆具帶偏軸鉆具組合應(yīng)用對(duì)策
        色www视频永久免费| 99精品又硬又爽又粗少妇毛片| 操国产丝袜露脸在线播放| 国产91精品高潮白浆喷水| 国产精品久久久久aaaa| 国产av影片麻豆精品传媒| 2021最新久久久视精品爱| 蜜桃夜夜爽天天爽三区麻豆av| 亚洲综合激情另类小说区| 亚洲av成人无码久久精品| 在线观看av国产自拍| 亚洲少妇一区二区三区老| 欧洲美熟女乱av亚洲一区| 九九99久久精品国产| 久久久综合九色合综国产| 麻豆三级视频网站在线观看 | 亚洲国产日韩av一区二区| 亚洲一区二区三区免费网站| 欧美老妇多毛xxxxx极瑞视频| 精品国产精品久久一区免费式| 欧美在线观看www| 亚洲av综合色一区二区| 内射欧美老妇wbb| 国产乱人视频在线看| 农村国产毛片一区二区三区女| 国产91传媒一区二区三区| 欧美天天综合色影久久精品| 国产精品99久久久精品免费观看| 日本高清在线一区二区三区| 加勒比色老久久爱综合网| 日本又黄又爽gif动态图| 精品无码一区二区三区小说| 亚州中文热码在线视频| 三年片免费观看大全有| 91精彩视频在线观看| 中文字幕一区二区三区四区久久| av无码精品一区二区三区| 精品人妻系列无码人妻免费视频| 免费无码AⅤ片在线观看| 狼人伊人影院在线观看国产| 国产色无码精品视频国产|