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水力机械联合破岩技术是一种将水射流和钻进刀具结合在一起工作的破岩技术。本文运用数值模拟和实验等手段研究了钻井工况下联合破岩的动态过程及其配合参数对破岩效果的影响规律,以期能为它在钻井中应用提供技术支持。
本文利用数值模拟技术,结合钻头钻进时的井底工况,建立了水力机械联合破岩的三维数值模型。模型中将射流和钻齿对岩石的作用简化为两个恒定集中载荷,通过使用子程序控制两个载荷的施加角度和移动方向,来模拟现实中的工作情况。计算中采用自己定义的破碎准则的失效系数,来判断岩石的破碎与否。
本文数值计算结果表明:联合破岩动态破碎过程中的破坏形式,以压缩破坏和拉伸破坏为主;最大主应力和失效系数在开始阶段有较大的波动,随后趋于稳定。剪应力在离岩石表面较近的区域起一定的作用,对更深的岩石区域影响不大。从切向剖面、径向剖面和岩石表面三个剖面看来,破碎区的形成过程都是压碎区域和拉碎区域交替出现;
单射流单钻齿联合破岩中配合参数对其破岩效果影响研究的实验结果表明:联合破岩工作方式要优于单射流或者单钻齿工作方式。射流在齿后喷射的破岩效果要优于射流在其它方位角(包括射流在齿前、齿内侧和齿外侧喷射)下喷射的破岩效果。射流压力增大,联合破岩效果变好。围压增大,联合破岩效果降低,但降低的程度逐渐变小。当射流与齿间距大于3mm时,射流与齿间距越大,联合破岩效果越差。