高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法_田家林

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｍｉｃｒｏ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ；ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ；ｃｒａｃｋ
０ 前 言
行简化，建立如图１所示的理论模型（ｘ 为横坐标，ｙ 为纵坐标，ｈ 为冲锤 的 行 程，δ 为 钻 头 的 压 入 角），对
如何进行高效的破岩是石油钻探行业关注的焦 钻井的影响因素进 行 适 当 的 简 化 和 假 设：钻 头 轴 线
综 上 所 述 ，现 有 研 究 主 要 从 数 值 模 拟 、有 限 元 仿
左 图 ．冲 击 模 型 ；右 图 ．高 频 微 幅 冲 击 振 动 钻 具 简 化 模 型 。 图 １ 高 频 微 幅 冲 击 振 动 模 型
Ｆｉｇ．１ Ｉｍｐａｃｔ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
ｖ２ ＝２ｈｇ ＋ｖ２ｍ 。
（２）
式中：ｖ 为冲锤冲击铁砧的速度，ｍ／ｓ；ｈ 为 冲 锤 的 行
程，ｍｍ；ｇ 为重力 加 速 度，取 １０ ｍ／ｓ２；ｖｍ 为 冲 锤 与
铁砧的撞击速度，ｍ／ｓ，该值 由 感 应 式 线 速 度 测 量 法
获得。
１８１０
吉 林 大 学 学 报（地 球 科 学 版） 第４５卷
仿真理论，建立的冲击 旋 转 钻 井 系 统 仿 真 模 型 ； ［９－１０］
在塔河油 田 进 行 了 冲 击 器 配 合 聚 晶 金 刚 石 复 合 片
（ＰＤＣ）钻头 提 速 的 现 场 试 验 ；根 ［１１－１３］ 据 岩 石 破 碎 的 基本理论，提出的一 种 基 于 破 碎 比 功 的 岩 石 冲 击 破 碎效率评价方法 。 ［１４］
点，使用高频微幅冲击振动钻具已成为当前深井、超 与钻杆的轴线、井眼中心线等完全重合；钻杆为均质
深井钻进硬地层应用最多且效果最好的一种高效破 弹性直杆并忽略钻 杆 的 弯 曲 和 扭 转 变 形；忽 略 钻 杆
岩技术，其在深部硬 地 层 破 岩 中 发 挥 了 无 可 替 代 的 与井眼的摩擦以及钻井液的影响等。
假定 冲 锤 和 铁 砧 的 轴 线 是 重 合 的，忽 略 高 频 微 式中，ｄ 为复合片的直径，ｍｍ。
幅冲击振动钻具内 的 摩 擦 阻 力，由 经 典 碰 撞 理 论 可
关 键 词 ：高 频 ；微 幅 ；振 动 ；频 率 ；破 岩 ；裂 纹 ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｊｕｅｓｅ．２０１５０６２０４ 中 图 分 类 号 ：Ｐ６３４．５ 文 献 标 志 码 ：Ａ
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｏｃｋ－Ｂｒｅａｋｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｕｎｄｅｒ Ｉｍｐａｃｔ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ
１ 计 算 分 析 模 型
当高频微幅冲击振动钻具和钻压推动钻头冲击
岩石时，在有限的深 度 范 围 内 岩 石 会 受 到 一 定 程 度
上的振动响应，高频 微 幅 冲 击 振 动 钻 具 向 钻 头 传 递
的 力 为 简 谐 力 ，可 用 如 下 公 式 表 示 ：
Ｆ（ｔ）＝ Ｆ０ｓｉｎ（２πｆｔ）。
第４５卷 第６ ２０１５ 年 １１ 月
期
吉 林 大 学 学 报（地 球 科 学 版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＶｏＮｌｏ．ｖ４５． ２０Ｎ１５ｏ ．６
田家林，杨志，付传红，等．高频微 幅 冲 击 振 动 作 用 下 岩 石 破 碎 行 为 计 算 方 法 ．吉 林 大 学 学 报：地 球 科 学 版，２０１５，４５（６）： １８０８－１８１６．ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｊｕｅｓｅ．２０１５０６２０４． Ｔｉａｎ Ｊｉａｌｉｎ，Ｙａｎｇ Ｚｈｉ，Ｆｕ Ｃｈｕａｎｈｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｒｏｃｋ－Ｂｒｅａｋｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｕｎｄｅｒ Ｉｍｐａｃｔ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ：Ｅａｒｔｈ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２０１５，４５（６）：１８０８－１８１６．ｄｏｉ：１０．１３２７８／ｊ． ｃｎｋｉ．ｊｊｕｅｓｅ．２０１５０６２０４．
Ｔｉａｎ Ｊｉａｌｉｎ１，２，Ｙａｎｇ Ｚｈｉ １，Ｆｕ Ｃｈｕａｎｈｏｎｇ１，Ｙａｎｇ Ｌｉｎ１，Ｌｉ Ｙｏｕ１，Ｚｈｕ Ｙｏｎｇｈａｏ１
１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０５００，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ
优 势 。 ［１－３］
到目 前 为 止，国 内 外 专 家 学 者 针 对 冲 击 破 岩 进
行了 大 量 的 研 究，例 如：考 虑 岩 石 疲 劳 损 伤，利 用互 作 用 模型，通过仿真 进 行 破 岩 的 数 值 模 拟 研 究［４－５］；通 过
高频微幅冲击振动作用下岩石破碎行为计算方法
田家林１，２，杨 志１，付传红１，杨 琳１，李 友１，朱永豪１
１．西 南 石 油 大 学 机 电 工 程 学 院 ，成 都 ６１０５００ ２．西 南 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 ，成 都 ６１００３１
摘要：针对现有岩石破碎研究的现状以及不足，进行高频微幅冲击振 动 作 用 下 的 岩 石 破 碎 行 为 计 算 方 法研究。首先建立高频微幅冲击振动模型，在 此 基 础 上 建 立 求 解 破 岩 体 积、破 岩 比 功、岩 石 裂 纹 长 度 的 计 算方法，并分析冲击频率、幅值对岩石破岩 效 率 的 影 响。 通 过 对 比 试 验 与 算 例 结 果，验 证 了 计 算 方 法 的 可 靠性。结果表明：当冲击频率增加到 ２ ０００ Ｈｚ时，冲 击 时 间 的 周 期 将 减 小 到 ０．００１ｓ，冲 击 力 将 会 增 加 到 １２ ９００Ｎ，钻头吃入岩石的深度以及冲击末速度也对应增 加；并 且 高 冲 击 频 率、低 幅 值 能 够 增 加 破 岩 体 积 、 减小破岩比功、增加岩石裂纹长度。研究结论对于提高破岩效率，进行 高 频 微 幅 冲 击 振 动 破 岩 的 技 术 研 究 与工具研制具有参考价值。
破岩实验与数值模 拟 相 结 合 的 方 法，进 行 单 粒 子 的
破岩分析 并 利 用 有 限 元 建 立 单 粒 子 破 岩 的 物 理 模
型［６－７］；针对单粒子破岩与粒子冲击钻井的真 实 工 况
存 在 的 差 异 ，采 用 无 量 纲 化 分 析 方 法 ，对 双 粒 子 联 合
冲 击 破 岩 展 开 的 破 岩 仿 真 研 究［８］；利 用 三 牙 轮 钻 头
收 稿 日 期 ：２０１５－０３－２８ 基金项目：石油 天 然 气 装 备 教 育 部 重 点 实 验 室 开 放 课 题 （ＯＧＥ２０１４０３－０５）；国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （５１０７４２０２，
１１１０２１７３）；四 川 省 教 育 厅 成 果 转 化 重 大 培 育 项 目 （１２ＺＺ００３，Ｎｏ．６６７） 作者简介：田家林（１９７９—），男，副教 授，博 士，主 要 从 事 机 械 设 计 及 理 论 、井 下 工 具 和 钻 井 动 力 学 理 论 研 究 ，Ｅ－ｍａｉｌ：
（１）
式中：ｔ为 时 间，ｓ；ｆ 为 冲 击 频 率，Ｈｚ；Ｆ０ 为 冲 锤 作
用在铁砧面上的冲击力，Ｎ；Ｆ（ｔ）为ｔ时 刻 高 频 微 幅
冲 击 振 动 钻 具 输 出 的 冲 击 力 ，Ｎ。
由经典冲击理论和自由落体运动公式可求得冲
击高度与冲击速度之间的关系为
高频微幅冲击 振 动 钻 具 配 合 ＰＤＣ 钻 头 在 保 持 旋转剪切破岩的同 时，轴 向 冲 击 对 岩 石 的 破 坏 也 起 到了决定性的作用，能 够 实 现 对 岩 石 的 高 频 微 幅 纵 向 冲 击 ，降 低 岩 石 抵 抗 破 坏 的 能 力 ，达 到 高 速 破 岩 的 效果。以垂直井为 例，将 高 频 微 幅 冲 击 振 动 钻 具 进
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｒｏｃｋ ｂｒｅａｋｉｎｇ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｏｎｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｕｎｄｅｒ ｓｈｏｃｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ． Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ ｓｈｏｃｋ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ， ｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ，ｒｏｃｋ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｗｏｒｋ ｒａｔｉｏ，ａｎｄ ｃｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ，ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｉｒｃｌｅ ｏｆ ｉｍｐａｃｔ ｔｉｍｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｔｏ ０．００１ｓｗｈｅｎ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｏ ２ ０００ Ｈｚ；ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｆｏｒｃｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｔｏ １２ ９００ Ｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｂｉｔ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｎａｌ ｉｍｐａｃｔ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｒｅ ａｌｓｏ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｌｏｗ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ ｖｏｌｕｍｅ，ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｃｒｕｓｈｉｎｇ ｗｏｒｋ ｒａｔｉｏ，ａｎｄ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒｏｃｋ ｃｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ．Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ