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粒子钻井数值模拟与破岩机理研究

作　者: 赵琳娜
导　师: 颜廷俊
学　校: 北京化工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 粒子钻井流场分析钻进参数 PID钻头转速裂纹扩展
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文研究内容主要分为两大部分,含粒子钻井液射流井底流场数值模拟和含初始裂纹岩石破坏过程数值模拟。含粒子钻井液射流流场分析分为喷射性能分析和入射参数分析两个部分。本文使用ANSYS Workbench14.0建立井底流场模型、并采用离散相方法进行流场的数值模拟。首先通过观察粒子轨迹、速度矢量和压力分布等参数变化,分别针对自然射流区、冲击区、上返区、涡流区和漫流区进行分析；然后通过研究井底流场粒子排出情况、井底压力分布情况和井底流场分布情况,分析并总结小钢珠直径、小钢珠所占体积分数、泵压和围压这四个基本参数变化对粒子钻井效果产生的影响；最后对井底流场模型进行适当的修改,通过对井底流场压力、速度和粒子轨迹等参数的研究,分析钻头转速对射流性能的影响,进而优化目标钻进参数。对含初始裂纹岩石破坏过程数值模拟是使用ABAQUS非线性有限元软件进行数值模拟的。通过模拟XFEM裂纹随着时间变化而发生破坏的过程,发现岩石模型在压缩载荷作用下主要破坏形式是裂纹沿竖直方向开裂；通过岩石不同时刻最大主应力的对比,进一步得到30°初始裂纹在轴向载荷作用下最容易破坏的结论,且30°和45°裂纹附近区域在裂纹破坏前后时刻应力增长速度都很快,而0°裂纹在破坏前应力增长速度较快,但在破坏后应力增长速度减缓直至平稳,而90°裂纹与其他几种模型正好相反。最终通过裂纹扩展有限元分析进一步了解含初始裂纹岩石的破坏方式。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-16
第一章绪论  16-26
  1.1 坚硬、弱研磨性地层钻井概述  16-17
  1.2 粒子钻井技术简介  17-21
    1.2.1 工作原理  17
    1.2.2 粒子钻井技术发展过程  17-18
    1.2.3 PID钻头发展过程  18-21
    1.2.4 PID钻头破岩机理  21
  1.3 研究概况  21-23
    1.3.1 井下流场仿真方面  21-22
    1.3.2 岩石的破坏方面  22-23
  1.4 课题的研究意义、方法及内容  23-24
    1.4.1 研究意义  23
    1.4.2 研究方法  23-24
    1.4.3 研究内容  24
  1.5 本章小结  24-26
第二章含粒子钻井液射流、岩石裂纹扩展求解模型的确立  26-38
  2.1 含粒子钻井液射流的数学模型  26-31
    2.1.1 湍流模型  26-28
    2.1.2 离散相模型  28-30
    2.1.3 边界条件  30-31
  2.2 岩石裂纹扩展有限元法理论研究  31-36
    2.2.1 单位分解法  31-32
    2.2.2 扩展有限元法  32-34
    2.2.3 应力强度因子理论  34-35
    2.2.4 复合型裂纹断裂依据  35-36
  2.3 本章小结  36-38
第三章含粒子钻井液射流井底流场分析  38-70
  3.1 概述  38
  3.2 PID钻头的物理模型  38-41
  3.3 PID钻头喷嘴喷射性能分析  41-47
    3.3.1 粒子轨迹  42
    3.3.2 井底速度流线和矢量  42-46
    3.3.3 压力分布规律  46-47
  3.4 小钢珠直径对井底流场性能的影响  47-50
    3.4.1 速度流线对比  48
    3.4.2 压力峰值对比  48-49
    3.4.3 湍流动能对比  49-50
  3.5 小钢珠体积分数对井底流场性能的影响  50-53
    3.5.1 速度流线对比  50-51
    3.5.2 压力峰值对比  51-52
    3.5.3 湍流动能对比  52-53
  3.6 泵压对井底流场性能的影响  53-58
    3.6.1 粒子轨迹对比  53-54
    3.6.2 速度流线对比  54-55
    3.6.3 井底岩石表面压力对比  55-56
    3.6.4 井底岩石表面粒子质量浓度分布对比  56-57
    3.6.5 井底岩石表面湍流动能对比  57-58
  3.7 围压对井底流场性能的影响  58-62
    3.7.1 粒子轨迹对比  58-59
    3.7.2 速度流线对比  59-60
    3.7.3 井底岩石表面压力对比  60-61
    3.7.4 井底岩石表面粒子浓度分布对比  61
    3.7.5 井底岩石表面湍流动能对比  61-62
  3.8 钻头转速对井底流场性能的影响  62-68
    3.8.1 建立旋转流域物理模型  62-64
    3.8.2 粒子轨迹  64
    3.8.3 速度矢量分布规律  64-65
    3.8.4 井底岩石表面压力对比  65-66
    3.8.5 XOY面上的粒子质量分布情况  66-67
    3.8.6 井底壁面剪切应力分析  67-68
  3.9 本章小结  68-70
第四章含初始裂纹岩石破坏过程数值模拟  70-84
  4.1 概述  70
  4.2 裂纹扩展有限元模拟  70-83
    4.2.1 带有初始裂纹岩石的有限元模型  70-72
    4.2.2 不同角度初始裂纹岩石扩展路径分析  72-77
    4.2.3 不同角度初始裂纹岩石尖端应力分析  77-83
    4.2.4 结论  83
  4.3 本章小结  83-84
第五章结论与展望  84-86
  5.1 结论  84-85
  5.2 展望  85-86
参考文献  86-90
致谢  90-92
研究成果及发表的学术论文  92-94
作者和导师简介  94-95
附件  95-96

粒子钻井数值模拟与破岩机理研究

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