单粒子冲击破岩实验与数值模拟_况雨春

基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０８７４０９５和 Ｎｏ．５１１７４２７３）资助。 第一作者：况雨春，男，１９７１年３月生，１９９９年获西南石油大学工学博士学位，２００２—２００４年在法 国 石 油 科 学 院 从 事 博 士 后 研 究 ，现 为 西 南 石 油 大 学
教授、“岩石破碎学与钻头研究”四川省高校重点实验室副 主 任，主 要 从 事 计 算 机 仿 真、ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＦＤ 技 术 在 机 械 及 石 油 工 程 中 的 应 用 等 教 学 及 科 研 工 作 。Ｅｍａｉｌ：ｓｗｐｉｋｙｃ＠１２６．ｃｏｍ 通讯作者：朱志镨，男，１９８７ 年 ８ 月 生，２０１０ 年 毕 业 于 南 阳 理 工 学 院，现 为 西 南 石 油 大 学 硕 士 研 究 生 ，主 要 从 事 油 气 井 工 程 力 学 研 究。Ｅｍａｉｌ：
２ 单粒子冲击破岩数值模拟
２．１ 数 值 模 型 的 建 立 采用有限元软件 ＡＮＳＹＳ进行粒子冲击破岩的数
值模拟，粒子和岩石均采用 ＳＯＬபைடு நூலகம்Ｄ１６４实体单元，单元 算法采用 默 认 的 单 点 积 分 算 法。 在 材 料 模 型 的 选 择 上，将粒 子 处 理 为 线 弹 性 体，即 ＊ ＭＡＴ＿ＥＬＡＳＴＩＣ 材 料模型，岩石选择 Ｈ－Ｊ－Ｃ 材料模型 。 ［４－７］
采用三维 Ｌａｇｒａｎｇｅ方法建立数值模型，为节省时 间，在分析过程中 只 建 立 二 分 之 一 个 模 型。 在 网 格 划 分时，对岩 石 靶 板 的 不 同 区 域，采 用 了 不 同 的 网 格 密 度。具体划分方案是：在接触附近区域 Ｘ 和Ｚ 方向上 距靶板中心各１ｃｍ 范围 内划分较细的网格，Ｙ 方向上 适 当 加 密 ，其 余 范 围 网 格 较 稀 。 笔 者 模 拟 了 与 实 验 参 数 相同的４种不同直径粒子以不同的速度冲击花岗岩岩 石的过程。中间过程的模型及后处理云图如图３所示。
在一些区块的深 井 钻 井 作 业 中，随 着 大 直 径 井 段 所占比例的增加（占井深 ３０％ ～７０％），致 使 机 械 破 岩 能量不足，钻井速度 普 遍 偏 低，尤 其 是 当 钻 遇 硬 岩 石、 含 砾 岩 层 、软 硬 交 错 岩 层 、强 研 磨 性 岩 层 等 难 钻 地 层 时 钻 井 效 率 更 低 。 因 此 ，研 究 高 效 破 碎 深 井 、超 深 井 等 难 钻地层岩石的新方 法 势 在 必 行。 在 此 形 势 下，近 年 来 发展起 来 了 一 项 新 技 术，即 粒 子 冲 击 钻 井 （Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍｐａｃｔ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ）。 粒 子 冲 击 钻 井 改 变 了 常 规 破 岩 的 方 法，采用体积破碎方 式，提 高 了 能 量 的 利 用 率，其 钻 井 速 度 是 常 规 钻 井 的 ２～４ 倍 ，在 硬 夹 层 钻 进 一 口 井 平 均 可节 省 三 分 之 一 钻 井 时 间，节 省 ２０％ ～３０％ 钻 井 费 用 。 ［１－３］ 但该技术的研究目前仍处于起步阶段，其 中 地 面设备和钻头还有待 进 一 步 的 改 进 和 完 善，并 且 国 内 外还没有对 粒 子 破 岩 的 冲 击 过 程 和 机 理 进 行 深 入 研 究 。 笔 者 通 过 单 粒 子 破 岩 实 验 （垂 直 撞 击 岩 石 ）与 数 值 模 拟 相 结 合 的 方 法 ，对 粒 子 冲 击 破 岩 的 粒 子 直 径 、冲 击
第 ３３ 卷 第 ６ 期 ２０１２年１１月
石油学报
ＡＣＴＡ ＰＥＴＲＯＬＥＩ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３３ Ｎｏ．６
Ｎｏｖ． ２０１２
文 章 编 号 ：０２５３－２６９７（２０１２）０６－１０５９－０５
单粒子冲击破岩实验与数值模拟
况雨春１ 朱志镨１ 蒋海军２ 伍开松１ 王 勤１
（１．西 南 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 四 川 成 都 ６１０５００； ２．中 国 石 化 石 油 工 程 技 术 研 究 院 北 京 １００１０１）
图 ２ ４ 种 直 径 粒 子 初 始 冲 击 速 度 直 方 图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｉｔｉａｌ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｏｆ ｆｏｕｒ ｋｉｎｄｓ ｏｆ
ｄｉａｍｅｔｅｒ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ
第６期
况 雨 春 等 ：单 粒 子 冲 击 破 岩 实 验 与 数 值 模 拟
１ ０６１
图 １ 粒 子 冲 击 破 岩 过 程 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ
１．２ 实 验 结 果 处 理 经过多次钢粒子冲击靶体实验，高速摄像机分别捕
捉到４种直径的钢粒子冲击靶体时的速度（图２）。对每 一组不同直径的钢粒子在各个捕捉到的速度下发生撞 击 的 位 置 进 行 必 要 的 标 注 和 说 明 ，再 测 量 每 个 撞 击 坑 的 深度和岩石破碎体积的大小并进行统计分析。系统运 用 ３Ｄ ＣａＭｅｇａ光 电 三 维 扫 描 仪 将 光 栅 条 纹 投 影 到 物 体 表面，并由摄影机对物体进行多方位、多角度的拍 摄扫 描以摄入条纹和色彩图像，利用 ＣｌｏｕｄＦｏｒｍ 三维图像处 理软件对条纹 图 像 进 行 高 速 、精 密 的 处 理 ，计 算 得 出 各 像 素 对 应 点 的 空 间 坐 标（Ｘ、Ｙ、Ｚ）和 色 彩 （Ｒ、Ｇ、Ｂ）数 据 ， 生成弹坑的三维彩色点云 数 字 图 像。进 而 通 过 Ｐｉｏｎｔ－ Ｃｌｏｕｄ软 件 对弹 坑 的 彩 色 点 云 数 据 进 行 分 析 ，利 用 空 间 几何关系计算出弹坑的体积、投影面积、最大深度等。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｄｅｅｐ ｗｅｌｌｓ ｉｎ ｈａｒｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａ ｓｉｎｇｌｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｒｏｃｋ ｔｅｓｔ ｗａｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅ ｈｏｗ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈｅ ｂｒｅａｋｉｎｇ ｒｏｃｋ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｃｒａｔｅｒｓ．Ｗｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｏｆ ｃｒｕｓｈｅｄ ｃｒａｔｅｒｓ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｒｏｃｋ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ， ｗｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｒｏｃｋ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｉｔｈ ｌａｂ ｄａｔａ，ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｈ－Ｊ－Ｃ ｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ｌｅａｄ ｔｏ ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｓ ｗｅｌｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆ ｇｕｉｄｉｎｇ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｉｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｄｒｉｌｌｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔ ｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｉｍｐａｃｔ ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ
摘要：粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过 破 岩 实 验 与 数 值 模 拟 相 结 合 的 方 法 ，以 冲 击 破 岩 的 粒 子 直 径、冲 击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度（岩石破碎坑最大深度）之间的内在规律研究为目的，进 行 了 单 粒 子 冲 击 破 岩 室 内 实 验，分析了破碎坑模式。同时，利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型，并对粒子冲击破 岩 的 过 程 进 行 了 数 值 模 拟 。 模 拟 结果与室内实验数据的对比，验证了 Ｈ－Ｊ－Ｃ 模型选取的正确性，并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。 关 键 词 ：粒 子 冲 击 钻 井 ；冲 击 动 力 学 ；室 内 实 验 ；数 值 模 拟 ；破 岩 机 理 中 图 分 类 号 ：ＴＥ２４２ 文 献 标 识 码 ：Ａ
击靶体后靶体没有变形。因此粒子冲击的初始速度控 制在３００ ｍ／ｓ之内，分 别 开 展 ４ 种 尺 寸 粒 子 的 垂 直 撞 击靶体实验。高速摄影的结果显示，弹托不影响钢粒子 冲 击 破 岩 实 验 的 正 常 结 果 。 需 要 说 明 的 是 ，由 于 实 验 后 破碎区域较小，在一发实验后通过移动位置可继续进行 实验，并且通过调整靶体的支撑方式可开展不同方位的 粒子垂直撞击实验。所有实验均在同一块花岗岩岩体 上开展。单粒子撞击靶体的实验过程如图１所示。
Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅ ｉｍｐａｃｔｉｎｇ ｒｏｃｋ
ＫＵＡＮＧ Ｙｕｃｈｕｎ１ ＺＨＵ Ｚｈｉｐｕ１ ＪＩＡＮＧ Ｈａｉｊｕｎ２ ＷＵ Ｋａｉｓｏｎｇ１ ＷＡＮＧ Ｑｉｎ１
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｉｎｏｐｅｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ）