[發明專利]一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法

有效

• 申請號: 201910726187.6
• 申請日: 2019-08-07
• 公開（公告）號: CN110399699B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 朱海燕;王兆巍;劉清友;萬宇瀚;唐煊赫;陶雷
• 申請（專利權）人: 西南石油大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17;G01N23/207;G01N3/40
• 代理公司: 成都金英專利代理事務所(普通合伙) 51218
• 代理人: 袁英

本發明公開了一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法，對巖屑開展微納米壓痕實驗獲取壓痕破巖評價效率e_i，再結合XRD實驗和有限元模擬，獲取巖石力學參數；基于Drucker?Prager準則定義頁巖本構關系及失效準則，建立不同切削齒結構參數下的單齒?頁巖互作用有限元模型，取得切削齒力學參數以及實時接觸面積；由各切削齒結構條件下的力學參數分別求取平均值、波動幅值及機械比能MSE，由所得結果參數建立數據庫及單齒破巖效率綜合評價算法K，在鉆頭設計時給定切削齒設計參數，計算單齒破巖效率綜合評價參數k_i，最終應用于鉆頭優化設計。本發明的有益效果是：簡單有效，并能準確反映各設計條件下單齒?頁巖互作用規律。

技術領域

本發明涉及頁巖氣開發技術領域，特別是一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法。

背景技術

頁巖氣是指賦存于富有機質頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，是一種日益受到國內外關注的高效清潔能源，在我國頁巖氣的開發過程中，頁巖埋深大，斷層及層理相對發育，鉆頭壽命較短，這給頁巖氣的勘探及開發帶來極大困難，而由于頁巖儲層發育的斷層及天然裂縫，井下取芯成功率低，室內實驗成本高昂，這極大制約了我國針對川南頁巖氣個性化鉆頭/切削齒設計研究的進程。

在常規的PDC鉆頭設計和切削齒形優化研究過程中，現有研究方法主要通過單/三軸壓縮實驗、直接剪切實驗、變角板剪切實驗、巴西實驗等宏觀實驗研究頁巖巖石力學及其本構關系(王騰.基于鉆柱振動特性的各向異性頁巖破碎機理研究[D].成都:西南石油大學機電工程學院,2016.；楊春雷.鉆頭齒圈復合運動破巖系統仿真研究[D].成都:西南石油大學,2006.；)，進而為鉆頭/切削齒設計提供巖石力學數據支撐，但宏觀實驗所用巖芯需求較大，由于我國川南頁巖氣儲層鉆完井配套技術起步較晚，深井儲層中取芯困難，因而宏觀實驗具有測試周期長，成本高等局限性。國內外出現了一種應用微/納米壓痕表面力學測試技術研究頁巖巖石力學特性的實驗方法(陳平,韓強,馬天壽,等.基于微納米壓痕實驗研究頁巖力學特性[J].石油勘探與開發,2015,42(05):662-670.)，但是沒有學者將該方法應用于鉆頭設計領域，而前述的鉆頭設計及齒形優化研究基本上仍然僅依托宏觀巖石力學實驗，均未基于微觀巖石力學實驗建立起一套成體系的鉆頭/切削齒設計方法，因此亟需一種基于微納米壓痕及有限元分析并能準確反映各設計條件下單齒-頁巖互作用規律的單齒破巖效率評價方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種簡單有效，并能準確反映各設計條件下單齒-頁巖互作用規律的基于微納米壓痕及有限元分析的單齒破巖效率評價方法。

本發明的目的通過以下技術方案來實現：一種基于微納米壓痕的單齒破巖效率評價方法，它包括以下步驟：

S1、利用X射線衍射技術，分析并得到巖石礦物組分的質量百分數；

S2、對巖屑進行不同形狀壓頭條件下的微納米壓痕實驗，取得巖屑彈性模量E、壓入硬度H、壓入功W、壓入體積V，計算壓痕破巖效率評價參數e_i，通過巖屑彈性模量E、壓入硬度H及硬度-顆粒堆積密度關系反演得到頁巖儲層的粘聚力c_s和內摩擦角系數α，并計算出巖屑的內摩擦角

S3、根據材料的線彈性及冪律硬化模型假設若干組頁巖應力-應變曲線C_i，應用所假設硬化曲線C_i、粘聚力c_s、內摩擦角以及Drucker-Prager準則建立有限元模型，反向求取巖屑彈塑性階段的應力-應變曲線C_σ-ε；