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。     

基于离散元的岩石单轴压缩实验模拟及断裂特性分析

利用20 t级单轴实验机对大庆三肇地区深层岩石进行单轴压缩实验。基于室内实验力学得到岩石物理参数及单轴压缩所能测出的接触参数,通过离散元软件虚拟参数标定得到与室内实验相似力学性质的模拟岩石试样,并通过离散元软件EDEM对该岩石试样进行单轴压缩实验模拟,得到应力⁃应变曲线,通过对应力⁃应变曲线得到阶段性的破坏过程,研究了在单轴应力条件下岩石破坏的阶段性形态及微观的力链断裂特征及不同时刻黏结键数目与时间的关系。研究表明,在单轴压缩过程中脆性岩石没有较大的变形,力链断裂的方式为直接断裂,没有发生很大的形变。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。     

基于离散元法的岩石单轴压缩模型建立及参数校核

建立基于离散单元法的脆性岩石单轴压缩可靠模型,通过单一变量数值模拟方法,分析4个关键参数对应力—应变曲线的影响,并较准确地模拟真实岩石的力学性能。通过仿真试验可得出结论:临界切向应力主要影响轴向压缩力—应变曲线的最大值,随着临界切向应力的减小,曲线的最大值逐渐减小;临界法向应力主要影响曲线的下降段,随着临界法向应力的减小,曲线的下降段斜率逐渐增大;切向接触刚度对曲线的3段均有影响,随着切向接触刚度的线性增加,曲线的上升段斜率逐渐增大,曲线最大值逐渐增加,下降段斜率逐渐增加;法向接触刚度主要影响曲线的最大值,随着法向接触刚度的增加曲线的最大值增加。当选取黏结参数:法向接触刚度400 MN/m³、切向接触刚度为300 MN/m³、临界法向应力为40 kPa、临界切向应力为20 kPa,按照这组参数标定可以较可靠地模拟出大庆三肇地区2 500~3 000 m深的岩石特性。