CN110399699A - 一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法，对岩屑开展微纳米压痕实验获取压痕破岩评价效率e i ，再结合XRD实验和有限元模拟，获取岩石力学参数；基于Drucker‑Prager准则定义页岩本构关系及失效准则，建立不同切削齿结构参数下的单齿‑页岩互作用有限元模型，取得切削齿力学参数以及实时接触面积；由各切削齿结构条件下的力学参数分别求取平均值、波动幅值及机械比能MSE，由所得结果参数建立数据库及单齿破岩效率综合评价算法K，在钻头设计时给定切削齿设计参数，计算单齿破岩效率综合评价参数k i ，最终应用于钻头优化设计。本发明的有益效果是：简单有效，并能准确反映各设计条件下单齿‑页岩互作用规律。

Description

一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法
技术领域
本发明涉及页岩气开发技术领域，特别是一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法。
背景技术
页岩气是指赋存于富有机质页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，是一种日益受到国内外关注的高效清洁能源，在我国页岩气的开发过程中，页岩埋深大，断层及层理相对发育，钻头寿命较短，这给页岩气的勘探及开发带来极大困难，而由于页岩储层发育的断层及天然裂缝，井下取芯成功率低，室内实验成本高昂，这极大制约了我国针对川南页岩气个性化钻头/切削齿设计研究的进程。
在常规的PDC钻头设计和切削齿形优化研究过程中，现有研究方法主要通过单/三轴压缩实验、直接剪切实验、变角板剪切实验、巴西实验等宏观实验研究页岩岩石力学及其本构关系(王腾.基于钻柱振动特性的各向异性页岩破碎机理研究[D].成都:西南石油大学机电工程学院,2016.；杨春雷.钻头齿圈复合运动破岩系统仿真研究[D].成都:西南石油大学,2006.；)，进而为钻头/切削齿设计提供岩石力学数据支撑，但宏观实验所用岩芯需求较大，由于我国川南页岩气储层钻完井配套技术起步较晚，深井储层中取芯困难，因而宏观实验具有测试周期长，成本高等局限性。国内外出现了一种应用微/纳米压痕表面力学测试技术研究页岩岩石力学特性的实验方法(陈平,韩强,马天寿,等.基于微纳米压痕实验研究页岩力学特性[J].石油勘探与开发,2015,42(05):662-670.)，但是没有学者将该方法应用于钻头设计领域，而前述的钻头设计及齿形优化研究基本上仍然仅依托宏观岩石力学实验，均未基于微观岩石力学实验建立起一套成体系的钻头/切削齿设计方法，因此亟需一种基于微纳米压痕及有限元分析并能准确反映各设计条件下单齿-页岩互作用规律的单齿破岩效率评价方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种简单有效，并能准确反映各设计条件下单齿-页岩互作用规律的基于微纳米压痕及有限元分析的单齿破岩效率评价方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法，它包括以下步骤：
S1、利用X射线衍射技术，分析并得到岩石矿物组分的质量百分数；
S2、对岩屑进行不同形状压头条件下的微纳米压痕实验，取得岩屑弹性模量E、压入硬度H、压入功W、压入体积V，计算压痕破岩效率评价参数ei，通过岩屑弹性模量E、压入硬度H及硬度-颗粒堆积密度关系反演得到页岩储层的粘聚力cs和内摩擦角系数α，并计算出岩屑的内摩擦角
S3、根据材料的线弹性及幂律硬化模型假设若干组页岩应力-应变曲线Ci，应用所假设硬化曲线Ci、粘聚力cs、内摩擦角以及Drucker-Prager准则建立有限元模型，反向求取岩屑弹塑性阶段的应力-应变曲线Cσ-ε；
S4、根据现场常用PDC钻头布齿参数Bi/Si和齿形参数Mi建立具有不同侧/后倾角、不同齿形的切削齿和页岩岩石几何模型，进而完成各几何模型的组合装配；
S5、使用S2～S3中取得的弹性模量E、应力应变曲线Cσ-ε、粘聚力cs及内摩擦角岩石力学参数，基于Drucker-Prager准则建立页岩材料的本构关系和损伤准则，对步骤S4中的几何装配模型进行网格离散化，设置边界条件、分析步以及求解算法以完成有限元模型的建立；
S6、应用显式积分算法求解模型，计算得到稳定切削过程中的切向力RF2、轴向力RF3和接触面积A结果参数，然后计算RF2对应的平均值X1和波动幅值X3、RF3对应的平均值X2和波动幅值X4，根据X1和A计算机械比能MSE；
S7、考虑压痕破岩效率ei及各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下的X1、X2、X3、X4及MSE，建立数据库及综合破岩效率评价算法K；
S8、在钻头设计优化的研究过程中，取不同布齿参数Bi/Si和齿形参数Mi，基于S7中所建立数据库运行综合破岩效率评价算法K，计算得到综合破岩效率评价参数ki。
本发明具有以下优点：本发明简单有效、并能准确反映各设计条件下单齿-页岩互作用规律；首次将微观表面力学实验或微纳米压痕实验应用于钻头设计研究，填补了国内在宏微观单齿破岩效率评价方法上的空白。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为不同形状压头示意图；
图3为载荷-位移曲线的拟合示意图；
图4为微纳米压痕有限元分析示例图；
图5为有限元分析与实验所得载荷-位移曲线比对示意图；
图6为某布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi下的单齿-页岩有限元模型示意图；
图7为各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中切向力RF2时程曲线；
图8为各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中轴向力RF3时程曲线；
图9为各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中接触面积A时程曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法，它包括以下步骤：
S1、利用X射线衍射技术，分析并得到岩石矿物组分的质量百分数，其具体操作步骤为：
S11、取储层特定深度的页岩岩屑，辨认页岩岩性，选取几何直径5mm左右且较致密的页岩岩屑以及适量页岩碎屑，用环氧树脂、金相模具以及金相预磨机将岩屑制成含页岩岩屑的金相试样，用工具加工碎屑至200目粉末制成X射线衍射实验(XRD)待用试样；
S12、根据SYT 5163-2010《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》获取得到页岩岩屑各矿物组分的质量分数按照对岩屑开展XRD测试实验，经过计算得到如表1所示实验结果；
表1页岩储层代表岩屑矿物质量组分表
S2、对岩屑进行各形状压头条件下的微纳米压痕实验，取得岩屑弹性模量E、压入硬度H、压入功W、压入体积V，计算压痕破岩效率评价参数ei，通过岩屑弹性模量E、压入硬度H及硬度-颗粒堆积密度关系反演得到页岩储层的粘聚力cs和内摩擦角系数α，并计算出岩屑的内摩擦角具体步骤如下：
首先应用如图2所示的各形状压头对含页岩岩屑的金相试样进行微纳米压痕表面力学测试，取得载荷-位移曲线，其中图2a)为ISO 14577中(ISO 14577-2:2015,Metallicmaterials—Instrumented indentation test)规定使用的标准Berkovich压头，图2b)-d)为某布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi(i＝1、2、3)下的仿PDC切削齿压头。
得到页岩样本载荷-位移曲线后，由式(1)求取压入体积，由式(2)求取压入能量，由式(3)计算压痕破岩效率评价参数ei，其卸载部分曲线以公式(4)进行拟合，拟合后得到如图3所示的载荷-位移曲线的拟合示意图，由国际标准ISO14577计算材料的折合模量Er、弹性模量E和压入硬度H等其他微观岩石力学参数；具体的，由公式(4)计算接触刚度S；由公式(5)计算接触残余深度hc；由公式(6)计算压头-岩屑接触面积Ac；由公式(7)计算折合模量Er；由公式(8)计算页岩样本的弹性模量；由公式(9)计算压入硬度H；根据硬度-颗粒堆积密度关系所得出的均匀介质分析方法-公式(10)和(11)反演得到页岩储层的粘聚力cs和内摩擦角系数α，进而由Ganneau.F.P.等提出的无量纲公式-式(12)计算岩屑样本的内摩擦角公式(1)～公式(12)如下：
V＝V(hm) (1)
式中，V-压入体积，μm3，hm-最大压深，μm，V(hm)-与最大压深hm有关的压入体积函数，μm3，W-压入能量，J，P(h)-与压深h有关的载荷函数，N，h-压深，μm，ei-压痕破岩效率评价参数，J/μm3，a，m-载荷-位移(P-h)曲线的拟合参数，无量纲，hf-卸载曲线在横轴上的截距，μm，S-接触刚度，无量纲；hc-卸载残余压入深度，μm，ε-与压头形状有关的形状参数，Fm-最大载荷，N，无量纲，θ-压头半锥角，(°)，Ac-压痕投影面积，μm2，β-压头校正系数，无量纲，Er-折合模量，MPa；ν-岩样泊松比，无量纲，νi-金刚石压头泊松比，无量纲，Ei-金刚石压头弹性模量，MPa，Er-折合模量，MPa，E-岩屑弹性模量，MPa，H-压入硬度，MPa，F-施加载荷，N，Cijkl-刚度张量分量，无量纲，α-岩样的内摩擦系数，无量纲，cs-岩屑粘聚力，MPa，无量纲，η-颗粒堆积密度，无量纲；η0-颗粒堆积密度阀值，无量纲，h-压入深度，μm，Πλ-压入载荷量纲函数，Πδ-接触面积量纲函数，Π-量纲函数，-粘聚力量纲函数，无量纲，-岩屑内摩擦角，(°)，ν-岩屑样本泊松比，无量纲；
S3、根据材料的线弹性及幂律硬化模型假设若干组页岩应力-应变曲线Ci，应用所假设硬化曲线Ci、粘聚力cs、内摩擦角以及Drucker-Prager准则建立有限元模型，反向求取岩屑弹塑性阶段的应力-应变曲线Cσ-ε，具体步骤如下：
由公式(13)连同步骤S2中计算取得的压入硬度H计算页岩屈服强度；再假设页岩材料在弹性阶段服从胡克定律，在塑性阶段服从幂硬化模型，正交假设若干组应变强化系数n和强化硬度R，由公式(14)得到对应若干组应力应变曲线Ci，将Ci连同公式(8)～(12)中计算所得的岩屑弹性模量E、粘聚力cs及内摩擦角利用岩屑弹性模量E、粘聚力cs及内摩擦角基于Drucker-Parger准则开展微纳米压痕有限元分析示例图如图4所示，将有限元分析所得载荷-位移曲线与实验所得载荷-位移曲线进行对比示意图如图5，当有限元分析所得载荷-位移曲线与实验载荷-位移曲线规律大致一致时停止有限元分析，即取当前应力-应变曲线作为页岩材料的应力-应变曲线为Cσ-ε，公式(13)和公式(14)如下：
式中，H-压入硬度，MPa；Ci-假设所得若干组应力应变曲线，σ-应力，MPa，ε-应变，无量纲，E-岩屑的弹性模量，MPa，n-应变强化系数，无量纲，R-硬化强度，无量纲，σy-屈服强度，MPa；
S4、根据现场常用PDC钻头布齿参数Bi/Si和齿形参数Mi建立具有不同侧/后倾角、不同齿形的切削齿和页岩岩石几何模型，进而完成各几何模型的组合装配；
S5、使用S2～S3中取得的弹性模量E、应力应变曲线Cσ-ε、粘聚力cs及内摩擦角岩石力学参数，基于Drucker-Prager准则建立页岩材料的本构关系和损伤准则，对步骤S4中的几何装配模型进行网格离散化，设置边界条件、分析步以及求解算法以完成有限元模型的建立，具体步骤如下：
应用步骤S2～S3中获取的页岩岩屑岩石力学参数(弹性模量E，内摩擦角以及应力-应变曲线Cσ-ε)基于Drucker-Prager准则定义页岩力学性质及本构关系及损伤准则，继而进行各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿-岩石几何装配模型的网格划分及分析步设置，完成某布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi下的单齿-页岩有限元模型的建立如图6所示；
S6、应用显式积分算法求解模型，计算得到稳定切削过程中的切向力RF2、轴向力RF3和接触面积A结果参数，然后计算RF2对应的平均值X1和波动幅值X3，RF3对应的平均值X2和波动幅值X4，根据X1和A计算机械比能MSE，具体步骤如下：
应用显式积分算法求解步骤S5中所建立的单齿-岩石有限元模型，取得各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中切向力RF2时程曲线如图7所示、各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中轴向力RF3时程曲线如图8所示、各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下单齿切削页岩过程中接触面积A时程曲线如图9所示，利用公式(15)～公式(18)分别计算稳定切削过程中的RF2对应的平均值X1和波动幅值X3、RF3对应的平均值X2和波动幅值X4，根据公式(19)推导并计算单齿破岩机械比能MSE，公式(15)～公式(19)如下；
式中，RF2-切削齿所受切向力，N；RF3-切削齿所受轴向力，N；X1-稳定切削阶段切削齿所受切向力平均值，N；X2-稳定切削阶段切削齿所受轴向力平均值，N；X3-稳定切削阶段切削齿所受切向力波动幅值，N；X4-稳定切削阶段切削齿所受轴向力波动幅值，N；t-切削过程某时刻，s；ts-稳定切削状态所对应时刻，s；te-切削结束所对应时刻，s；n-切向力RF2所对应数据点个数，无量纲；l-轴向力RF3所对应数据点个数，无量纲；MSE-机械比能，MPa；fh-切削齿所受切向力；Scut-切削齿实际切削面积，mm2；A-切削过程中的实时接触面积，mm2；
S7、考虑切削齿吃入难度、切削稳定性及切削单位体积岩石所需能量综合评价单齿破岩效率，即考虑压痕破岩效率评价参数ei及各布齿参数Bi/Si及齿形参数Mi条件下的X1、X2、X3、X4及MSE，建立数据库及综合破岩效率评价算法K：
K＝ki(ei，X1，X2，X3，X4，MSE，Bi，Si，Mi) (20)
式中，K-综合破岩效率评价算法，无量纲；ki-综合破岩效率评价参数，无量纲；Bi-切削齿后倾角，°；Si-切削齿侧倾角，°；Mi-齿形，无量纲；
S8、在钻头设计优化的研究过程中，取不同的Bi/Si、Mi并基于步骤S7中所建立数据库运行算法K，得到各布齿参数/齿形参数条件下的综合破岩效率评价参数ki，为钻头设计研究及优化提供有效的理论依据。因此该单齿破岩效率评价方法通过步骤S1～S8能准确反映各设计条件下单齿-页岩互作用规律，首次将微观表面力学实验或微纳米压痕实验应用于钻头设计研究，填补了国内在宏微观单齿破岩效率评价方法上的空白。

Claims (1)

1.一种基于微纳米压痕的单齿破岩效率评价方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、利用X射线衍射技术，分析并得到岩石矿物组分的质量百分数；
S2、对岩屑进行不同形状压头条件下的微纳米压痕实验，取得岩屑弹性模量E、压入硬度H、压入功W、压入体积V，计算压痕破岩效率评价参数e i ，通过岩屑弹性模量E、压入硬度H及硬度-颗粒堆积密度关系反演得到页岩储层的粘聚力c s 和内摩擦角系数α，并计算出岩屑的内摩擦角φ；
S3、根据材料的线弹性及幂律硬化模型假设若干组页岩应力-应变曲线C i ，应用所假设硬化曲线C i 、粘聚力c s 、内摩擦角φ以及Drucker-Prager准则建立有限元模型，反向求取岩屑弹塑性阶段的应力-应变曲线C σ-ε ；
S4、根据现场常用PDC钻头布齿参数B i /S i 和齿形参数M i 建立具有不同侧/后倾角、不同齿形的切削齿和页岩岩石几何模型，进而完成各几何模型的组合装配；
S5、使用S2~S3中取得的弹性模量E、应力应变曲线C σ-ε 、粘聚力c s 及内摩擦角φ岩石力学参数，基于Drucker-Prager准则建立页岩材料的本构关系和损伤准则，对步骤S4中的几何装配模型进行网格离散化，设置边界条件、分析步以及求解算法以完成有限元模型的建立；
S6、应用显式积分算法求解模型，计算得到稳定切削过程中的切向力RF 2 、轴向力RF 3 和接触面积A结果参数，然后计算RF 2 对应的平均值X 1 和波动幅值X 3 、RF 3 对应的平均值X 2 和波动幅值X 4 ，根据X 1 和A计算机械比能MSE；
S7、考虑压痕破岩效率e i 及各布齿参数B i /S i 及齿形参数M i 条件下的X 1 、X 2 、X 3 、X 4 及MSE，建立数据库及综合破岩效率评价算法K；
S8、在钻头设计优化的研究过程中，取不同布齿参数B i /S i 和齿形参数M i ，基于S7中所建立数据库运行综合破岩效率评价算法K，计算得到综合破岩效率评价参数k i 。
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