本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井，特別涉及一種電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模擬方法及裝置。

背景技術(shù)：

1、目前，各國能源需求隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展不斷增加，預(yù)計(jì)從2010年至2040年，全球能源需求將增長112％，預(yù)計(jì)到2040年全球76％的能源消費(fèi)將來自化石能源。作為能源結(jié)構(gòu)的主體，石油和天然氣的需求量必然會大幅增加。然而，易獲取的淺層油氣資源經(jīng)過多年的開采已經(jīng)日漸枯竭。為了滿足日益增長的全球能源需求，從深部地層獲取石油和天然氣在能源供應(yīng)中將發(fā)揮著越來越重要的作用。國際上一般將深度在4500m以上的地層定義為深層，近10年來，深層油氣資源在全球新增儲量中占據(jù)主要地位，4000m以上地層的石油和天然氣探明儲量分別占新增探明儲量的67％和61％。

2、據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國深層超深層油氣資源達(dá)671×108t油當(dāng)量，占油氣資源總量的34％，有39％的剩余石油和57％的剩余天然氣資源分布在深層。而我國深層超深層油氣資源主要集中在在塔里木盆地和四川盆地：塔里木盆地5000米以上的已探明油氣儲量約占總探明儲量的80％，而四川盆地3500米～4500米的地質(zhì)資源量達(dá)12.5×1012m3。我國年鉆超深井的數(shù)量超過200口，2017年之后我國超深井鉆井?dāng)?shù)量超過美國，2020年鉆6000m以上超深井302口，5年累計(jì)完成8000m以上超深井接近50口。

3、深層超深層油氣資源的勘探開發(fā)是我國石油工業(yè)實(shí)現(xiàn)重要突破的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域和必然趨勢，發(fā)展?jié)摿薮蟆６阢@井過程中，鉆頭對機(jī)械鉆速的影響幅度超過了30％，是鉆井提速中最重要的工具之一。因此，先進(jìn)的鉆頭技術(shù)能顯著提高機(jī)械鉆速，從而降低鉆井成本。電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭結(jié)合了pdc鉆頭與電脈沖破巖技術(shù)的優(yōu)勢，有望成為新一代高效破巖鉆頭。然而，目前針對電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭破巖過程的研究較為缺乏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少一定程度上解決上述技術(shù)中的技術(shù)問題之一，為此提出了一種電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模擬方法，包括：

2、分別對電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭中的電脈沖鉆頭與機(jī)械鉆頭進(jìn)行建模，得到電脈沖鉆頭模型與機(jī)械鉆頭模型；

3、根據(jù)巖石有限元模型與機(jī)械鉆頭模型模擬機(jī)械鉆頭破巖；

4、根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖；

5、將機(jī)械鉆頭破巖模擬與電脈沖破巖模擬中的巖石相關(guān)參數(shù)進(jìn)行耦合，得到電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型；

6、根據(jù)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行破巖模擬。

7、優(yōu)選的，所述巖石有限元模型的構(gòu)建與力學(xué)參數(shù)標(biāo)定過程，包括：

8、根據(jù)電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭的尺寸建立巖石有限元模型；

9、對所述巖石有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在破巖時(shí)直接接觸鉆頭的區(qū)域建立基于voronoi細(xì)分的有限元模型；

10、采用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)與巴西劈裂實(shí)驗(yàn)對所述基于voronoi細(xì)分的有限元模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；其中，所述力學(xué)參數(shù)，包括：單軸壓縮強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和楊氏模量。

11、優(yōu)選的，基于voronoi細(xì)分的有限元模型的建立過程，包括：

12、構(gòu)建晶粒形狀為三維voronoi的幾何模型；

13、基于目標(biāo)地層中巖石的材料屬性與巖石有限元模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果，確定三維voronoi的幾何模型每個(gè)單元的材料屬性；其中，

14、所述目標(biāo)地層中巖石的材料屬性根據(jù)xrd衍射實(shí)驗(yàn)與/或ct掃描實(shí)驗(yàn)確定；其中，所述材料屬性，包括：礦物的成分、礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同礦物的密度及礦物顆粒的粒徑范圍。

15、優(yōu)選的，根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖，采用的公式包括：

16、

17、

18、

19、其中，sr表示電脈沖破巖過程中巖石受到的損傷情況；t表示時(shí)間；ee表示巖石內(nèi)部隨電極電壓動(dòng)態(tài)變化的電場強(qiáng)度；a、b1、b2、c1、c2為根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的常數(shù)；es表示準(zhǔn)靜態(tài)條件下巖石的介電強(qiáng)度，其值視作等于巖石發(fā)生電擊穿臨界點(diǎn)與le的比值，表示電脈沖鉆頭高壓電極與接地電極之間的電勢差，le表示高壓電極與接地電極的間距；εr表示巖石的相對電容率；ε0表示真空的電容率；er表示巖石的彈性模量；wr表示巖石的體積能；

20、f與g為邏輯函數(shù)，二者的表達(dá)式分別為：

21、

22、

23、優(yōu)選的，根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖，包括：通過在電極鉆頭上施加特定脈沖上升前沿時(shí)間與電壓的高壓電脈沖進(jìn)行電脈沖破巖模擬，獲得電脈沖破巖時(shí)巖石的損傷分布情況。

24、優(yōu)選的，根據(jù)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行破巖模擬，包括：

25、根據(jù)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行不同工況下的破巖模擬；

26、根據(jù)不同工況下電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭的破巖效果的對比結(jié)果改進(jìn)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭的結(jié)構(gòu)；

27、基于改進(jìn)后電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭重復(fù)以上方法。

28、優(yōu)選的，所述不同工況包括不同高壓電脈沖參數(shù)及不同機(jī)械鉆進(jìn)參數(shù)。

29、本發(fā)明還提出一種電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模擬系統(tǒng)，包括：

30、鉆頭建模模塊，用于分別對電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭中的電脈沖鉆頭與機(jī)械鉆頭進(jìn)行建模，得到電脈沖鉆頭模型與機(jī)械鉆頭模型；

31、獨(dú)立模擬模塊，用于根據(jù)巖石有限元模型與機(jī)械鉆頭模型模擬機(jī)械鉆頭破巖；所述破巖模擬模塊，還用于根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖；

32、模型耦合模塊，用于將機(jī)械鉆頭破巖模擬與電脈沖破巖模擬中的巖石相關(guān)參數(shù)進(jìn)行耦合，得到電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型；

33、復(fù)合模擬模塊，用于根據(jù)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行破巖模擬。

34、本發(fā)明還提出一種電子設(shè)備，包括存儲器與處理器，所述存儲器中存儲有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，至少用于實(shí)現(xiàn)上述的方法。

35、本發(fā)明還提出一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行時(shí)，至少用于實(shí)現(xiàn)上述的方法。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明根據(jù)xrd衍射實(shí)驗(yàn)和ct掃描實(shí)驗(yàn)確定的鉆進(jìn)地層中巖石的礦物成分、礦物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同礦物的密度以及礦物顆粒的粒徑范圍來建立基于voronoi細(xì)分的巖石有限元模型，能夠較好的貼合巖石的實(shí)際情況，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)電脈沖-機(jī)械復(fù)合鉆頭破巖的模擬與鉆頭的改進(jìn)。

37、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

38、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模擬方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述巖石有限元模型的構(gòu)建與力學(xué)參數(shù)標(biāo)定過程，包括：

3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于voronoi細(xì)分的有限元模型的建立過程，包括：

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖，采用的公式包括：

5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖，包括：通過在電極鉆頭上施加特定脈沖上升前沿時(shí)間與電壓的高壓電脈沖進(jìn)行電脈沖破巖模擬，獲得電脈沖破巖時(shí)巖石的損傷分布情況。

6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，根據(jù)所述電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行破巖模擬，包括：

7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述不同工況包括不同高壓電脈沖參數(shù)及不同機(jī)械鉆進(jìn)參數(shù)。

8.一種電脈沖-機(jī)械復(fù)合破巖模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括：

9.一種電子設(shè)備，其特征在于，包括存儲器與處理器，所述存儲器中存儲有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被所述處理器執(zhí)行時(shí)，至少用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中存儲有計(jì)算機(jī)程序或指令，所述計(jì)算機(jī)程序或指令被處理器執(zhí)行時(shí)，至少用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種電脈沖?機(jī)械復(fù)合破巖模擬方法及裝置，該方法包括：分別對電脈沖?機(jī)械復(fù)合破巖鉆頭中的電脈沖鉆頭與機(jī)械鉆頭進(jìn)行建模，得到電脈沖鉆頭模型與機(jī)械鉆頭模型；根據(jù)巖石有限元模型與機(jī)械鉆頭模型模擬機(jī)械鉆頭破巖；根據(jù)所述巖石有限元模型與電脈沖鉆頭模型模擬電脈沖破巖；將機(jī)械鉆頭破巖模擬與電脈沖破巖模擬中的巖石相關(guān)參數(shù)進(jìn)行耦合，得到電脈沖?機(jī)械復(fù)合破巖模型；根據(jù)所述電脈沖?機(jī)械復(fù)合破巖模型進(jìn)行破巖模擬。本發(fā)明提供的方法能夠較好的貼合巖石的實(shí)際情況，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)電脈沖?機(jī)械復(fù)合鉆頭破巖的模擬與鉆頭的改進(jìn)。

技術(shù)研發(fā)人員：程晉,王愛國,韓飛,胡志堅(jiān),郭海清,王宏偉,喬漢,李星月,陳朗逸
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國石油天然氣集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/19