单粒子冲击破岩实验与数值模拟_况雨春

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岩石破碎与破裂行为的数值模拟

岩石破碎与破裂行为的数值模拟随着科技的不断发展，数值模拟在各个领域都得到了广泛的应用。

在岩石力学领域，数值模拟可以帮助我们了解岩石的破碎与破裂行为，为工程设计和地质灾害预测提供依据。

岩石是由许多颗粒组成的，这些颗粒之间以不同的方式相互联系。

在外界的作用下，岩石可能会发生破碎和破裂。

为了研究这些现象，我们需要将岩石的物理特性和数学模型相结合，进行数值模拟。

首先，我们需要了解岩石的物理特性。

岩石具有各种力学参数，如抗拉强度、抗压强度、断裂模量等。

这些参数可以通过实验测量得到，然后输入到数值模拟程序中。

接下来，我们需要建立数值模拟的数学模型。

常用的数值模型包括有限元法、离散元法和连续介质力学模型等。

这些模型基于不同的假设和数学原理，可以用来描述岩石的破碎与破裂行为。

有限元法是最常用的数值模拟方法之一。

它将岩石划分为许多小的单元，并根据岩石的物理特性和边界条件，求解出每个单元的位移和应力分布。

通过对岩石内部各个位置的位移和应力进行计算和分析，可以得到岩石的破裂和破碎过程。

离散元法是另一种常用的数值模拟方法，它将岩石中的每个颗粒都看作一个独立的个体，通过计算颗粒之间的相互作用力，来模拟岩石的破裂和破碎行为。

与有限元法相比，离散元法更适用于描述岩体中存在大量颗粒的情况。

除了有限元法和离散元法，连续介质力学模型也被广泛应用于岩石破碎与破裂行为的数值模拟。

这种模型假设岩石是一个连续的介质，通过求解岩石的运动方程和应力平衡方程，得到岩石的变形和破碎情况。

通过数值模拟，我们可以观察到岩石的破裂和破碎行为，以及内部应力和位移的分布情况。

这些信息对于工程设计和地质灾害预测都非常重要。

例如，在隧道开挖工程中，我们可以通过数值模拟来评估岩石的稳定性，进而确定开挖的方法和参数。

在地震预测中，数值模拟可以帮助我们了解地震波在岩石中传播和扩散的过程，提供地震烈度和震源机制的预测。

当然，数值模拟也有一些局限性。

首先，数值模拟需要大量的计算资源和时间。

基于单齿多维度冲击破岩机理仿真研究

ｒｏｃｋ. Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｖｅｌｏｃｉｔｙꎬ ａｍｐｌｉｔｕｄｅｏｆｄｙｎａｍｉｃｔｏｒｓｉｏｎａｌｉｍｐａｃｔｌｏａｄꎬ ａｎｄｔｏｒｓｉｏｎａｌ￣ａｘｉａｌ
ｉｍｐａｃｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒａｔｉｏｏｆｔｈｅＰＤＣｃｕｔｔｅｒｄｕｒｉｎｇｃｏｍｐｏｕｎｄｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅａｎｄｄｅｐｔｈｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｕｎｄｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｏｏｌｓ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ: ｃｏｍｐｏｕｎｄｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇꎻ ｒｏｃｋ￣ｂｒｅａｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍꎻ ｓｉｎｇｌｅＰＤＣｃｕｔｔｅｒꎻ ｃｕｔｔｉｎｇｆｏｒｃｅꎻ ｉｍｐａｃｔ
ｖｅｌｏｃｉｔｙꎻ ａｘｉａｌｉｍｐａｃｔ
削效率ꎬ 然而扭转冲击钻具对钻头与冲击器的匹配
平面应变空间中ꎬ 假设静态坐标系ＸＯＹ和动态坐
性能要求很高ꎮ
标系ｘＯｙꎬ 切削过程是连续的ꎬ 切刀在Ｘ方向上以
针对一维冲击钻井在软硬相间地层钻进仍存在
一些挑战和局限性的问题ꎬ 提出了一种针对软硬交
错非均质地层的复合冲击破岩新技术
[６]
ꎮ 轴向冲
随着扭向冲击速度增加ꎬ 切削深度幅值和切削力幅值均增大ꎬ 切削深度曲线呈阶跃特征ꎬ 牙齿最
大切削深度随动态扭转冲击载荷幅值增大而增大ꎻ 扭转冲击频率与轴向冲击频率的配比关系存在
一个最优值ꎮ 所得结论可为复合冲击破岩工具的后续开发和优化提供理论支持ꎮ
关键词: 复合冲击钻井ꎻ 破岩机理ꎻ ＰＤＣ单齿ꎻ 切削力ꎻ 冲击速度ꎻ 轴向冲击

基于EASA的PDC钻头井底流场分析平台研究

2017年第45卷第3期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—11 —◄钻井技术与装备►基于EASA的PDC钻头井底流场分析平台研究况雨春1王芳1魏莉鸿2董宗正1罗金武1(1.西南石油大学机电工程学院2.乐山职业技术学院）摘要：常规PD C钻头井底流场水力性能的数值模拟分析具有门槛高、耗时长和重复工作量大等缺点。

鉴于此，建立了一个基于EASA封装软件的PD C钻头井底流场分析平台。

通过对CFD软件的集成，利用EA SA软件建立友好的用户界面，并对CFD底层应用程序进行封装，实现用户界面与底层应用程序之间的数据交互，通过网络发布和共享，用户即可对PD C钻头井底流场分析平台进行远程调用。

实例验证结果表明：通过该平台进行PD C钻头水力性能的分析可有效降低CFD 软件的使用门槛，提高钻头井底流场的分析效率，节约人力与物力资源。

研究结果能够为石油装备企业及现场应用提供规范化的技术支持。

关键词：EASA;PD C钻头；井底流场；分析平台；W eb服务中图分类号：TE921 文献标识码：A doi:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017.03.003Study on the Bottom Hole Flow Field Analysis Platform of PDC BitKuang Yuchun1Wang Fang1Wei Lihong2Dong Zongzheng1Luo Jinwu1(1. School o f Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University；2. Leshan Vocational & Technical College)Abstract ：The conventional numerical simulation of hydraulic performance of the bottom hole flow field of PDC bit has the shortcomings like high threshold,time-consuming and repetitive work.In view of this,an analytical platform for bottom hole flow field of PDC bit based on EASA package software has been established.Through the integration of CFD software,a friendly user interface has been established using EASA software.The CFD bottom application program has been packaged to achieve data exchange though the user interface and the bottom application program.By releasing and sharing through the network,the user can remote call the PDC bit bottom-hole flow field analysis platfomu The case verification results show that，through the platform，the analysis of hydraulic performance of PDC bit can effectively reduce the use threshold of CFD software and improve the analysis efficiency of bottom hole flow field,saving human and material resources,and providing standardized technical support for oil equipment enterprise and field application.Key words：EASA；PDC bit；bottom hole flow field；analysis platform；Web service的数值模拟研究可快速发现钻头水力结构存在的不〇引言PD C钻头井底流场的水力结构分析是优化PD C钻头钴进性能的一项重要工作。

三牙轮钻头破岩过程计算机仿真模型

对离散事件的仿真策略一般有面向事件、面向活动和面向进程等几种。具体的外理方法取决于所研究的具体系统和研究目的。对研究的钻头钻进过程中钻头牙齿与井底岩石的互作用和井底岩石在牙齿作用下的体积破碎的离散事件子系统，情况相当复杂。
用面向活动的方法处理离散事件系统，事件并不需要明显地表现出来，系统状态的改变以一组活动来表示，每一活动都有一个活动条件及活动的具体内容，因此用面向活动的方法处理离散系统。对离散事件子系统的仿真策略为：在每一时间步，都将以固定的次序来扫描活动的条件，当发现某一活动条件满足时，就立即转去执行该活动的具体程序。然后再扫描，直到没有一个条件被满足为止，此时时间才向前推进一步。即，对每一时间，先判断钻头上各牙齿是否与井底接触。然后确定牙齿侵入深度，计算破碎量，并按岩石的体积破碎改变井底。再循环扫描，重复上述过程。
图 1 单齿圈破岩破碎坑形状 Fig.1 Shape of breaking pit of single gear sing broken rock
通过对大量的牙齿破碎岩石的齿坑形状的观
察，发现大多数齿坑都为一个漏斗形状，而且下部
形状与牙齿形状一致，如图 1 所示。为此，可以建
立下面的简化破碎坑模型，如图 2 所示。区域 S 是
236
岩土力学
2009 年
相互作用对钻速的影响。这种方法弥补了以前众多钻速模型把钻头结构的影响归为一个常数的影响的不足。并且以钻头的几何学和运动学为基础，即考虑钻头结构的各种影响，又避免了基于钻头与岩石互作用单元试验建模，能更好地反映现场的各种钻井工况。
2 岩石破碎量仿真模型
本文将岩石在牙齿作用下的破碎分为两类：一类为岩石塑性变形；另一类则为体积破碎。本文将除岩石塑性变形外的所有其他破碎，即凡是岩石破碎量大于牙齿侵入部分体积的破碎统称为体积破碎，而不管其因何种破碎机制而破碎。另外，由于牙齿破岩过程的复杂性，无法建立起牙齿作用于岩石的各种准确力学模型，因此，本文将避开基于单元试验的力学模型的建立，而主要基于现场数据来建立钻头与岩石的互作用模型，一是力-吃深关系模型；二是破碎坑模型。

单颗磨粒的冲击磨损理论及实验研究

ｗｅａｒｗｉｔｈｐｉｅｃｅｓｏｆｍｅｔａｌａｔｉｆｎａｌ，ｉｔｗｏｕｌｄｂｅａｈｉｇｈｅｒｍａｔｅｉｒａｌｒｅｍｏｖａｌｗｈｅｎｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｗｉｔｈｉｎａ
并对颗粒的冲击磨损特性进行了实验研究。结果表明：对于弹塑性金属材料，撞击初期主要是发生
弹塑性变形。形成压坑与变形唇。经多次碰撞挤压后。最终以小块金属剥落而产生磨损。在一定冲击角度（颗粒冲击轨迹与水平面的夹角）下工件表面材料磨损量较高，随着磨粒碰撞速度和碰撞次
ｍａｔｅｉａｒｌｂａｓｅｄｏｎＳｉｎｇｌｅ— ｐａｔｉｒｃｌｅ，ａｎｄｓｔｕｄｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｃｔｗｅａｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ
摘要：针对螺旋式约束磨粒流抛光的机理研究，基于ＡＮＳＹＳ建立了单颗磨粒的冲击模型，选用铝合金作为工件的材料。并建立相应的Ｊｏｈｎｓｏｎ—Ｃｏｏｋ弹塑性模型，分析单颗磨粒对材料的冲击磨损情况。
ｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｉｍｐａｃｔＯＣＣＨＩＴｅＳｍａｉｎｌｙａｓｅｌａｓｔｉｃ— — ｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｒｆｍｐｉｔａｎｄｄｅｆｏｍｅｒｄｌｉｐ

落石冲击力理论与数值模拟研究

3.2. 落石冲击棚洞结构的数值模型
本文运用 ANSYS/LS-DYNA 软件，建立与实际工程一致的模型，通过显示动力算法模拟落石冲击混凝土棚洞的全过程。材料模型：针对钢筋混凝土冲击过程中破坏大变形问题，选择合适的混凝土本构关系至关重要。混凝土标号为 C30，采用 HJC 材料模型，该模型因其简明合理的描述和计算程序的适应性，在混凝土强动载问题中获得了世界范围的广泛应用[12]。其材料参数见表 2。
3.1. 落石与棚洞材料参数
本文棚洞结构主要分为上下两个部分，上部为钢筋混凝土 T 型梁，下部为混凝土顶端梁，混凝土棚洞模型如图 1 所示。根据 JTG/TD70-2010《公路隧道设计细则》[11]规定，当边坡有严重的危石、崩塌威胁时，棚洞顶板的回填土厚度不宜小于 1.5 m，因此在棚洞顶板上铺设 1.5 m 砂土缓冲层。由于实际工程中，落石的形状并非规则的球体，为了使冲击结果与实际工程更相近，因此落石采用
Open Access
1. 引言
落石是山区常见的灾害，对其危害范围内的公路、铁路等构筑物和人类活动构成了严重的威胁。棚洞作为一种有效的被动防护措施，目前已广泛地建造于落石易发处，来保护山区公路和铁路，防止交通堵塞。落石冲击力是棚洞结构设计时需要考虑的主要荷载之一。国内外学者对冲击力的研究主要基于四个理论：动量定理、弹性力学、接触力学和塑性变形[1]。为了保护棚洞的下部结构，设计人员通常在棚洞上部铺置一定厚度的砂土垫层来缓冲落石对棚洞结构的冲击。落石冲击土层时包含了土层的弹性、塑性变形，也伴随着粘性、硬化和摩擦能量耗散等行为，导致冲击过程更加复杂。因此学者们对于落石冲击的研究大多基于冲击实验结果推导半经验半理论公式：日本道路公团[2]和 Labiouse 瑞士公式[3]基于 Hertz 弹性接触理论和室内落石冲击试验数据结果，提出计算落石冲击力的半经验半理论公式；Pichler [4]等结合室外实验，根据落石冲击深度、落石高度计算其冲击力及冲击时间；杨其新、关宝树教授[5]通过对室内落锤实验数据拟合，建立落石冲击力计算方法。另外，国内的《公路路基设计规范》(JTJ13-95) [6]和《铁路工程设计技术手册·隧道(修订版)》[7]也推荐了落石冲击力的近似算法。然而实际工程中，山区落石的形状各异，冲击能量较大，当落石冲击砂石等缓冲层后，造成的压痕较深变形较大，Hertz 弹性理论的小应变假设已经不能应用于伴随着塑性变形的落石冲击力的理论研究。各个理论计算方法通常采用球形落石的形式，而忽略了落石形状对冲击力的影响。从理论上、数值上和实验上，对落石形状对冲击力和结构响应的影响研究较少。徐胜[8]通过数值模拟表明：在同等条件下，落石形状的不同会导致冲击力大小也不同，其中正方形时，落石冲击力最大。Peng Yan, Jinhua Zhang [9] 等人通过数值模拟发现，与圆形落石相比，椭球体随着球度的增大，峰值冲击力和冲量增大。因此本文在考虑落石形状的情况下，通过数值模拟二十六面体落石冲击混凝土棚洞结构，来研究现今推荐使用的各个落石最大冲击力的计算方法是否依然适用。

基于能量耗散的岩石损伤破坏数值模拟

此时耗散的应变能密度为面积ＯＵＦ。定义岩石材料的岩石的损伤演化本质上是能量耗散的过程Ｊ。目前常用的任何荷载，并用等效弹性模量Ｅ来表示。岩石单能量判别准则为第四强度理论（畸变能密度理论），但该准则只考损伤为弹性模量的折减，进入损伤，同时开始产生能量耗散，随着虑畸变能而没有考虑体积变形能，而应变能密度理论是将畸变能元到达应力峰值点Ｕ后，能量耗散量不断增加，损伤加剧，等效弹性模量也随着不断降低，密度和体积变形能密度综合考虑，可以更好的反映岩石在复杂情单元完全破坏。为了方便计算，综合考虑计算效率况下的受力情况。因此本文通过应变能密度理论建立能量耗散直到到达，点，与岩石损伤破坏之间的判别标准。假定岩石是由很多微小单元组成的连续块体，每个岩石单元为单位体积，当岩石在外力作用下发生变形时，每个岩石单元储存的能量就称为应变能密度
导致了岩石的应力应变关系是非线性的特点。大量研究表明，在
＝
（）＋（）。其中，（ａｗ／ａ）为耗散的应变能密度（面
ＵＡＢ）；（ｄＷ／ｄＶ）为可恢复的应变能密度（面积ＢＡＣ）。岩石变形破坏过程中，能量起着根本的作用Ｊ。岩石的破裂是一积Ｏ个逐步损伤以至于最终破坏的过程，从热力学角度看，这是一个能量不断耗散的不可逆过程。研究并建立岩石破坏过程中的能量变化规律及其与强度和整体破坏之间的联系，将更有利于反映外载作用下岩石强度变化与整体破坏的本质特征。因此，本文从能量角度出发，通过细观损伤力学研究岩石的变形破坏，并进行数值模拟。参考文献［３］采用双线性应变软化本构模型，通过应变能密度理论和能量耗散原理建立了细观岩石单元的损伤破坏判别准则。根据岩石单元的能量耗散情况确定岩石的损伤程

2009年11月24日同济大学授予博士学位名单(307人)

2009 年 11 月 24 日同济大学授予ห้องสมุดไป่ตู้士学位名单（307 人）
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 学号 0610102007 0610102008 0610102009 0610102010 0510102005 0610102003 0610102012 0510106005 0610106001 0410106003 0510106002 0610104007 0510104012 0610104009 0610104011 0610104012 0610104013 0410190011 0610190008 0610190014 0610101009 0610101001 0610101006 姓名杨新兵吴强董琳林启忠董跃武赵寿为谷玉盈柯微娜古林强张国星李勇攀王晓静彭程袁品仕雷芳李颖刘金亮孙玉花叶黎明杨光亮镇斌韩同伟武秀根学科专业基础数学应用数学应用数学应用数学应用数学应用数学应用数学声学声学声学声学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学无机化学海洋地质海洋地质固体地球物理学一般力学与力学基础固体力学固体力学导师方小春边保军李雨生李雨生孙继涛孙继涛孙继涛钱梦禄盛胜我王寅观王寅观胡中华施宪法吴庆生闫冰闫冰闫冰纪友亮翦知湣朱元清徐鉴贺鹏飞贺鹏飞论文题目交叉积 C*-代数与迹秩带交易费路径依赖期权的定价问题和数值计算图的 Ramsey 数的几个问题二部图的几个 Ramsey 函数随机脉冲系统理论及其在控制论中的应用基于几何方法的混杂系统的分析与控制复杂网络理论及其应用的研究空气声换能器无损检测复合板材缺陷的实验和三维数值模拟扩散吸声体的理论分析与优化设计连铸坯清洁度超声检测系统的建立与应用研究利用 Lamb 波,表面波,反射纵波和临界折射纵波进行应力检测的理论研究与实验研究 TiO2 微球与负载型 TiO2/活性炭的制备、表征和光催化性能研究基于杯芳烃超分子功能的新型质子交换膜的研究二茂铁衍生物的纳米化及其微/纳碳化研究稀土钨/钼酸盐发光材料的形貌控制合成及发光性质研究分子功能化稀土有机无机杂化介孔材料的组装与性能研究稀土有机-无机杂化发光材料的设计、构筑和组装孔南地区断陷盆地早期层序地层特征及储层预测研究西太平洋暖池区晚第四纪温跃层变化及其古海洋学意义主动地震台的设计与研究时滞耦合神经元的动力学行为及同步石墨烯力学性能的分子动力学研究基于限制失稳理论的艇用核反应堆 CRDM 系统可靠性分析和试验研究授予学位门类理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学理学工学工学工学

爆炸应力波作用下岩体破碎特性数值模拟分析

第16卷第3期2 0 1 8年6月水利与建筑工程学报^^Journal of Water Resources^td Architectural EngineeringVol.16 No.3Jun. ,2018D O I：10.3969/j.issn.1672 - 1144.2018.03.018爆炸应力波作用下岩体破碎特性数值模拟分析廖志毅，唐春安(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：孔内爆破作为一种常用的破岩手段，广泛的用于岩体工程中。

充分认识岩体的破碎特征是岩体工程中高效破岩的基础。

通过采用RFPA2D-D—数值分析软件，建立岩体孔内爆破数值模型,分析岩体在爆炸应力波作用下的破碎特征。

数值模拟结果表明，随着爆炸应力波峰值的增大，裂纹扩展距离随之增加。

细观非均匀程度越大的岩体，在爆炸应力波的作用下，离散的破坏越多，萌生裂纹的数量越少，裂纹传播距离也越短。

另外，岩石节理对爆炸应力波的削弱作用随着节理间距的增加呈现先增加后减小的特征。

同时,节理的存在极大程度上削弱了岩体的破坏程度。

关键词：孔内爆破;爆炸应力波;节理岩体;非均匀性;数值模拟中图分类号：TU452 文献标识码：A文章编号：1672—1144(2018)03—0098—05Numerical Simulation on the Rock Fragmentation CharacteristicUnder Explosion Stress Wave DisturbanceU A O Zhiyi, TANG Chun^an(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024, China) Abstract ：Hole-blasting,as one of the most commonly used rock fragmentation methods,has been widely utilized in rock engineering.Sufficiently u nderstanding of the rock fragmentation characteristic could provide a good guidance for efficient rock breaking in rock engineering.In this study,the hole-blasting model of rock cal code RFPA2D_ to investigate the fragmentation characteristic of rock masses under the disturbance of the explosion stress w ave.Simulation results demonstrate that the l n g h of the cracks is determined by the explosion wave magnitude.With increasing wave magnitude,the len gh of the cracks increases.In captured inside rock masses with relatively low heterogeneity index.And the number a d len gh of the cracks are increased with increasing rock heterogeneity index.Moreover,the rock joint significantly influence the propagation of the explosion stress w ave.With increasing rock joint spacing,the weakness of the stress wave energy by rock joint gradually decreases before notably increasing.Keywords：hole-blasting；explosion s tres wavv；jointed rock mases；rock heterogeneity；numerical simUation近年来，随着社会经济的快速发展，人类对地下能源开采、隧道建设以及军事防护等方面的需求不断增大。

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基金项目：国家自然科学基金项目（Ｎｏ．５０８７４０９５和Ｎｏ．５１１７４２７３）资助。第一作者：况雨春，男，１９７１年３月生，１９９９年获西南石油大学工学博士学位，２００２—２００４年在法国石油科学院从事博士后研究，现为西南石油大学
教授、“岩石破碎学与钻头研究”四川省高校重点实验室副主任，主要从事计算机仿真、ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＦＤ技术在机械及石油工程中的应用等教学及科研工作。Ｅｍａｉｌ：ｓｗｐｉｋｙｃ＠１２６．ｃｏｍ通讯作者：朱志镨，男，１９８７年８月生，２０１０年毕业于南阳理工学院，现为西南石油大学硕士研究生，主要从事油气井工程力学研究。Ｅｍａｉｌ：
２单粒子冲击破岩数值模拟
２．１数值模型的建立采用有限元软件ＡＮＳＹＳ进行粒子冲击破岩的数
值模拟，粒子和岩石均采用ＳＯＬபைடு நூலகம்Ｄ１６４实体单元，单元算法采用默认的单点积分算法。在材料模型的选择上，将粒子处理为线弹性体，即＊ＭＡＴ＿ＥＬＡＳＴＩＣ材料模型，岩石选择Ｈ－Ｊ－Ｃ材料模型。［４－７］
采用三维Ｌａｇｒａｎｇｅ方法建立数值模型，为节省时间，在分析过程中只建立二分之一个模型。在网格划分时，对岩石靶板的不同区域，采用了不同的网格密度。具体划分方案是：在接触附近区域Ｘ和Ｚ方向上距靶板中心各１ｃｍ范围内划分较细的网格，Ｙ方向上适当加密，其余范围网格较稀。笔者模拟了与实验参数相同的４种不同直径粒子以不同的速度冲击花岗岩岩石的过程。中间过程的模型及后处理云图如图３所示。
在一些区块的深井钻井作业中，随着大直径井段所占比例的增加（占井深３０％～７０％），致使机械破岩能量不足，钻井速度普遍偏低，尤其是当钻遇硬岩石、含砾岩层、软硬交错岩层、强研磨性岩层等难钻地层时钻井效率更低。因此，研究高效破碎深井、超深井等难钻地层岩石的新方法势在必行。在此形势下，近年来发展起来了一项新技术，即粒子冲击钻井（ＰａｒｔｉｃｌｅＩｍｐａｃｔＤｒｉｌｌｉｎｇ）。粒子冲击钻井改变了常规破岩的方法，采用体积破碎方式，提高了能量的利用率，其钻井速度是常规钻井的２～４倍，在硬夹层钻进一口井平均可节省三分之一钻井时间，节省２０％～３０％钻井费用。［１－３］但该技术的研究目前仍处于起步阶段，其中地面设备和钻头还有待进一步的改进和完善，并且国内外还没有对粒子破岩的冲击过程和机理进行深入研究。笔者通过单粒子破岩实验（垂直撞击岩石）与数值模拟相结合的方法，对粒子冲击破岩的粒子直径、冲击
第３３卷第６期２０１２年１１月
石油学报
ＡＣＴＡＰＥＴＲＯＬＥＩＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．６
Ｎｏｖ．２０１２
文章编号：０２５３－２６９７（２０１２）０６－１０５９－０５
单粒子冲击破岩实验与数值模拟
况雨春１朱志镨１蒋海军２伍开松１王勤１
（１．西南石油大学机电工程学院四川成都６１０５００；２．中国石化石油工程技术研究院北京１００１０１）
图２４种直径粒子初始冲击速度直方图Ｆｉｇ．２Ｉｎｉｔｉａｌｉｍｐａｃｔｖｅｌｏｃｉｔｙｈｉｓｔｏｇｒａｍｏｆｆｏｕｒｋｉｎｄｓｏｆ
ｄｉａｍｅｔｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｓ
第６期
况雨春等：单粒子冲击破岩实验与数值模拟
１０６１
图１粒子冲击破岩过程Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｒｏｃｋ－ｂｒｅａｋｉｎｇ
１．２实验结果处理经过多次钢粒子冲击靶体实验，高速摄像机分别捕
捉到４种直径的钢粒子冲击靶体时的速度（图２）。对每一组不同直径的钢粒子在各个捕捉到的速度下发生撞击的位置进行必要的标注和说明，再测量每个撞击坑的深度和岩石破碎体积的大小并进行统计分析。系统运用３ＤＣａＭｅｇａ光电三维扫描仪将光栅条纹投影到物体表面，并由摄影机对物体进行多方位、多角度的拍摄扫描以摄入条纹和色彩图像，利用ＣｌｏｕｄＦｏｒｍ三维图像处理软件对条纹图像进行高速、精密的处理，计算得出各像素对应点的空间坐标（Ｘ、Ｙ、Ｚ）和色彩（Ｒ、Ｇ、Ｂ）数据，生成弹坑的三维彩色点云数字图像。进而通过Ｐｉｏｎｔ－Ｃｌｏｕｄ软件对弹坑的彩色点云数据进行分析，利用空间几何关系计算出弹坑的体积、投影面积、最大深度等。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆｄｅｅｐｗｅｌｌｓｉｎｈａｒｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｃｏｕｌｄｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ａｓｉｎｇｌｅｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｒｏｃｋｔｅｓｔｗａｓｍａｄｅｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｈｏｗｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｉｍｐａｃｔｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋｖｏｌｕｍｅａｎｄｍａｘｉｍｕｍｄｅｐｔｈｏｆｃｒａｔｅｒｓ．Ｗｅａｎａｌｙｚｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｃｒｕｓｈｅｄｃｒａｔｅｒｓｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓａｓｓｏｃｉａｔｅｄｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｒｏｃｋｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｗｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｒｏｃｋａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈｌａｂｄａｔａ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｆｉｒｍｅｄｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆｔｈｅＨ－Ｊ－Ｃｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｃａｎｌｅａｄｔｏａｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｏｆｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｉｍｐａｃｔｉｎｇｓｐｅｅｄａｓｗｅｌｌ，ｗｈｉｃｈｉｓｏｆｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｄｒｉｌｌｉｎｇ；ｉｍｐａｃｔｄｙｎａｍｉｃｓ；ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｒｏｃｋｂｒｅａｋｉｎｇ
摘要：粒子冲击破岩可提高深井、超深井硬地层的钻井速度。通过破岩实验与数值模拟相结合的方法，以冲击破岩的粒子直径、冲击速度等与岩石破碎体积和粒子最大侵彻深度（岩石破碎坑最大深度）之间的内在规律研究为目的，进行了单粒子冲击破岩室内实验，分析了破碎坑模式。同时，利用有限元软件建立了粒子冲击破岩的物理模型，并对粒子冲击破岩的过程进行了数值模拟。模拟结果与室内实验数据的对比，验证了Ｈ－Ｊ－Ｃ模型选取的正确性，并得到了粒子冲击破岩的最佳直径和初速度值的范围。关键词：粒子冲击钻井；冲击动力学；室内实验；数值模拟；破岩机理中图分类号：ＴＥ２４２文献标识码：Ａ
击靶体后靶体没有变形。因此粒子冲击的初始速度控制在３００ｍ／ｓ之内，分别开展４种尺寸粒子的垂直撞击靶体实验。高速摄影的结果显示，弹托不影响钢粒子冲击破岩实验的正常结果。需要说明的是，由于实验后破碎区域较小，在一发实验后通过移动位置可继续进行实验，并且通过调整靶体的支撑方式可开展不同方位的粒子垂直撞击实验。所有实验均在同一块花岗岩岩体上开展。单粒子撞击靶体的实验过程如图１所示。
Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐａｒｔｉｃｌｅｉｍｐａｃｔｉｎｇｒｏｃｋ
ＫＵＡＮＧＹｕｃｈｕｎ１ＺＨＵＺｈｉｐｕ１ＪＩＡＮＧＨａｉｊｕｎ２ＷＵＫａｉｓｏｎｇ１ＷＡＮＧＱｉｎ１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１０５００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｎｏｐｅｃＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１０１，Ｃｈｉｎａ）