各向异性岩石破碎过程分析及其钻进用钻头设计研究

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1、各向异性岩石破碎过程分析及其钻进用钻头设计研究汤凤林沈中华段隆臣彭莉柳少青ThxotkhhB・①.中国地质大学〈武汉〉无锡钻探工具厂有限公司摘要：钻探工程施工中经常遇到各向异性岩石。钻进各向异性岩石时，不同方向上的岩石强度是不同的。在垂直地层方向上的岩石最容易钻进破碎，其他方向破碎阻力较大，因此岩石压挤核成椭圆形。轴载用于克服岩石的内摩擦阻力和克服来自岩石破碎时产生的反力。在岩石反力垂直分力的作用下，对钻头产生翻转力矩。在此翻转力矩的作用下，钻头偏斜，钻孔弯曲，直接影响钻进效率和钻孔质量。因此，要采取措施解决这个翻转力矩问题。俄罗斯博士cKopoMHblXB・B.教授等对此进行多年研究，提

2、出了宜用钻头设计的新思路。关键词：齐向异性岩石;翻转力矩;钻孔弯曲;钻探技术经济指标;新型钻头设计;作者简介：汤凤林，男，汉族，1933年生，教授，博士生指导教师，俄罗斯工程院院士、俄罗斯自然科学院院士、国际矿产资源科学院院士，探矿工程专业，主要从事探矿工程方面的教学和科研工作，fltang_wuhan@aliyim.com。收稿日期:2017-07-15基金：江苏省江苏双创团队资助项目（编号:苏人才办［2014］）27号）AnalysisonAnisotropicRockFragmenta/tionProcessandResearchontheDrillBitDesignTANGFeng

3、-linSHENZhong-himDUANLong-chenPENGLiLIUShao-qingCHIKHOTKINV.F.ChinaUniversityofGeosciences;WuxiDrillingToolsFactoryCo.,Ltd・;Abstract：Anisotropicrocksareoftenencounteredindrillingengineeringconstruction;whiledrilling,theanisotropicrocksstrengthsindifferentdirectionsarenotthesame.Therocksthatarevert

4、icaltothestrataarebrokeneasily,butthosedri1linginotherdirectionshavebigfragmcritationrcsistancc,thcrcforcthecorepartofrockisdeformedintoellipsoidalshapebyextrusion.Axialdrillingloadismainlyusedforovercominginternalfrictionresistanceintherockandthereactionsfromtherockfragmentation.Undertheactionofv

5、erticalcomponentofrockreaction,overturningmomentisproducedtothedri11bit;undertheactionoftheoverturningmoment，drillbitisdeflectedandboreholeisdeviated,whichhavedirectinfluenceonthepenetrationrateandholequality.DoctorCkopomiibixB.B.,whoisaRussianprofessor,andsomeothershavemadealotofstudiesinresolvin

6、gtheoverturningmoment,anewideaofdril1bitdesignisproposedfordri1lingintheanisotropicrocks.Keyword：anisotropicrock;overturningmoment;dr订1holedeviation;dr订lingtechnicalresultsandeconomicindiestors;designofnewtypedr订1bit;Received：2017-07-151问题的提出钻探工程中常常遇到各向界性（非各向同性）岩石。从岩石力学和岩石破碎原理得知，钻进各向异性岩石时，不同方向的强度是

7、不同的。在垂直地层方向上岩石最容易钻进破碎，其他方向破碎阻力较大，因此破碎核成椭圆形（见图la）。轴载P用于克服岩石的内摩擦阻力和克服来自岩石破碎的反力，在岩石反力垂直分力P“和P丄的作用下,对钻头产生翻转力矩Mon（见图lb）,Mon=P

8、

9、aPJ.Co在这个翻转力矩的作用下，钻头将偏离中心线一个角度屮（见图1C）,结果是钻头偏斜，钻孔弯曲，直接影响钻进效率和钻孔质量。因此，要采取措施解决这个翻转力矩Mon问题［1-6