常德玉,李根生,沈忠厚,黄中伟,田守嶒,史怀忠,宋先知

(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249)

射流冲击载荷对井底岩石应力场的影响

常德玉,李根生,沈忠厚,黄中伟,田守嶒,史怀忠,宋先知

(中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249)

考虑三向地应力、液柱压力、孔隙压力和射流速度的影响,建立射流冲击井底岩石流固耦合模型,运用有限元及有限体积法进行求解。结果表明:井底压差越大,井底岩石最大主应力越大;射流最大冲击压力与速度平方成正比,孔隙压力在冲击面和冲击轴线上随距离增加均呈“三次抛物线”减小;射流冲击井底岩石存在明显的局部效应,射流主要影响区域在冲击面上约为2倍射流半径,在冲击轴线上约为2.5～3.5倍射流半径,与应力波理论结果相吻合。

射流;井底岩石;流固耦合;应力场;有限元法;有限体积

石油钻井过程中钻头喷嘴射流的冲击作用能够直接或辅助破岩钻孔,并且井底流体有利于清离井底岩屑,从而提高机械钻速[1]。国内外学者已在射流破岩机制研究方面做了大量工作:目前比较公认的主要有拉伸-水楔破岩理论和密实核-劈拉破岩理论[2];射流冲击岩石时应力波破岩为主要作用,准静态压力作用为其次[3];通过试验研究得出射流破岩存在门限压力和最优喷距,射流压力越大,破岩效果越好[4],围压越大,破岩效果越差[5-6];数值模拟研究得出射流存在等速核,射流冲击时岩石表面为拉伸破坏,内部为剪切破坏[7-8],将射流冲击岩石简化为刚性接触体与岩石接触进行分析,通过研究得出射流冲击破岩发生时间约毫秒级且存在两个门限压力[9-10]。……