温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

破岩效率低是深层超深层钻井面临的主要难题之一,受深部地层温度、压力影响,深层超深层钻头破岩效率与浅层钻井有较大差异。基于高温高压钻井模拟装置,测试分析了温度、压力对岩石等效可钻性级值的影响,通过温度20、150、300 ℃,围压25、50 MPa环境下钻头破岩实验,开展了破岩效率影响因素敏感性分析。实验结果显示:在温度、压力单因素作用下,花岗岩等效可钻性级值随温度升高而降低,随压力增加而升高;温度、压力耦合作用下,压力因素对花岗岩等效可钻性级值的影响大于温度因素,花岗岩等效可钻性级值升高1~2级。在20~300 ℃,钻头破岩效率均随温度的升高而增加,高钻压(800 N)下破岩效率对温度敏感性升高,高转速(50 r/min)下破岩效率对温度敏感性降低;在0~50 MPa围压范围,钻头破岩效率均随围压的升高而降低;在温度150 ℃、围压50 MPa环境下,破岩效率与钻压、转速正相关,且与转速近似呈线性关系,钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。综合以上分析可知,高温高压地层钻井时,基于岩石可钻性级值优选或设计钻头时,应考虑温度、压力的影响,同时通过强化钻井参数,可经济有效地提升钻头破岩效率。     

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现代旋转钻井破碎岩石是以机械破岩为主导方式，射流辅助机械破岩的目的是提高机械钻速。文章论述了牙轮钻头与岩石相互作用过程及岩石剪切破坏的内在规律；重点研究了射流的水楔作用对岩石裂纹产生、扩展、贯通及破坏的机理。实验结果表明，射流辅助钻井的门限压力是岩石抗拉强度的4.1倍，是抗压强度的26%；还与井底压差及其它岩石物理力学性质有关。同时指出，超高压射流的研究与应用是辅助钻井高效破岩的重要发展趋势。     

液氮磨料射流破碎高温花岗岩机理

液氮磨料射流是一种高效的破碎干热岩方式。为进一步探究其破岩机理,开展液氮磨料射流喷射高温花岗岩室内实验。从宏观角度分析岩石破碎形式、射流孔眼形态及表面特征,从微观角度分析断裂面形貌和微裂缝分布等,探究液氮磨料射流破碎高温岩石特征。同时,开展磨料水射流和氮气磨料射流破岩实验作为对照。实验结果表明,液氮磨料射流形成的孔眼形状不规则,表面凹凸不平,且破碎体积明显大于磨料水射流和氮气磨料射流。扫描电镜实验显示,低温、冲击载荷作用下,在孔眼壁面和孔眼附近区域生成大量微裂缝,其主要断裂方式为拉伸、剪切作用下岩石的脆性断裂,表现为穿晶断裂和沿晶断裂。理论分析和数值模拟研究表明,液氮低温作用对岩石造成损伤,而热应力、磨料冲击载荷和流体水楔作用在损伤岩石基础上主要以剪切和拉伸两种方式破碎岩石。     

等离子体电脉冲钻井破岩机理的电击穿实验与数值模拟方法

等离子体电脉冲钻井技术为一种高效破岩钻井技术。对4种岩石在80 kV固定输出电压、重频率为2.5 Hz下进行了电脉冲击穿实验。实验发现,电脉冲破碎结果中存在贯穿破碎和未贯穿破碎2种状貌,并针对产生这两种状貌的原因进行了分析。从电击穿角度明确了单次脉冲破岩效率的评价指标——能量转换效率η_e,并提出了一种新的岩石介质击穿模型——概率发展模型(PDM),借助PDM和简化的电击穿电路研究了单脉冲击穿时电路结构参数对破岩能耗分配的影响规律。基于电脉冲击穿实验参数和PDM生成的等离子体通道轨迹提出了等离子体电脉冲钻井破岩机理研究的数值模拟方法,利用该数值模拟方法研究了在地层压力为0～30 MPa下、直径为41 mm的电极钻具在加载峰值电压为60 kV时的破岩规律。     

高温高压对微波破岩效果的影响模拟研究

为了将微波破岩技术应用于石油钻井，研究了钻井过程中高温高压对微波破岩效果的影响。根据岩石不同矿物成分的微波吸收特性，建立了某岩石的二维平面模型，模拟分析了温度、围压及二者共同作用对微波破岩效果的影响。研究发现:在微波照射参数相同的情况下，随着井下温度升高，岩石发生塑性变形的时间缩短；随着井下围压增大，岩石塑性变形时间延长；温度和围压共同作用时，围压的影响占主导作用，而温度的影响主要在高温条件下体现。研究结果表明，围压不利于微波破岩，且影响较大；温度对微波破岩有一定促进作用，但只在高温条件下作用明显。因此，应用微波进行破岩时要综合考虑温度和围压变化对破岩效果的影响，及时调整微波参数，使破岩更加经济高效。      

徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究

根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。     

PDC切削齿破碎干热岩数值模拟

开采干热岩地热资源大多都需要在硬度大、研磨性强、可钻性差、温度高的地层中钻井,PDC钻头的合理布齿是提高破岩效率的关键。为了给干热岩钻井用PDC钻头的设计提供参考,基于弹塑性力学和岩石力学,以Drucker-Prager准则作为岩石的强度准则,建立了PDC切削齿动态破岩的三维数值仿真模型,研究了60 MPa围压条件下切削深度、温度、后倾角、切削速度对PDC切削齿破岩效率的影响以及影响机理。研究结果表明:①PDC切削齿以0.5 m/s的速度切削岩石,PDC切削齿(后倾角5°～25°)的破岩比功随切削深度的增加而减小,随温度的增加呈现出先增大后减小的趋势,临界温度为200℃;②PDC切削齿以0.5 m/s切削速度切削岩石,PDC齿(切削深度1～3 mm)的破岩比功随后倾角增加呈现出先减小后增大的趋势,最优破岩后倾角为20°;③岩石温度处于20～300℃的范围内,PDC齿以后倾角5°进行破岩,破岩比功随切削速度的增加而增大,任意切削速度下,破岩比功随切削深度的增加而减小。结论认为:在干热岩钻井中,采用浅内锥、大冠顶、长外锥的钻头外形结构,增加冠顶处布齿密度、降低中心处布齿密度、20°后倾角,可以释放岩石围压、均匀切削齿磨损、增加切削深度、降低破岩比功、提高钻井效率。     

动载作用下页岩动态破碎力学特性及能耗规律

四川盆地页岩气已成为规模效益开发的重要领域和对象，其中四川盆地南部地区(以下简称川南地区)已成为我国页岩气勘探开发的主战场，2022年产量达223.23×10⁸ m³，展示了川南地区页岩气良好的勘探开发潜力。但川南地区页岩气长水平井面临机械钻速慢、钻井周期长等严峻挑战。为了解决页岩气水平井钻井破岩过程中页岩动态破碎特征和能耗规律不清的难题，基于霍普金森压杆测试技术测试了动态破岩的应力波传播过程；采用应力波平衡法，评价了动载荷作用下页岩动力学强度演化特征、破碎能耗响应规律、岩石裂纹动态扩展特性。研究结果表明：(1)页岩破碎过程中，动态强度和能耗直接影响破碎和提速效果，不同加载应变率和加载模式下页岩强度是动态变化的，动态加载会激活页岩内部更多的微裂纹和穿透裂纹；(2)随着加载应变率增加，页岩压缩强度和拉伸强度均是先缓慢增加，超过临界应变率时，强度快速增长；(3)页岩压缩破碎能耗存在临界应变率区间，随着应变率增加，破岩能耗增长缓慢，当超过临界区间，能耗快速增长，页岩拉伸破碎能耗呈对数型增加规律，也存在临界应变率区间；(4)钻头—岩石互作用过程中过高...     

PDC齿压入破岩过程的岩石裂纹特征试验研究

PDC齿是PDC钻头的重要破岩单元,其破岩过程包含压入和旋转切削,但现有研究忽略了压入过程的岩石损伤。为了研究PDC齿压入岩石的能力和探究岩石损伤机理,为PDC钻头的参数选择提供理论依据,采用室内试验方法研究了不同前倾角PDC齿压入青砂岩、花岗岩的破岩过程,采用岩石无损显微检测技术分析了岩石宏观及细观的裂纹。研究表明,砂岩的破碎方式为细小砂粒和黏结物的脱落,花岗岩的破碎方式为晶体的脆性破碎。岩石受载后会先在岩石内部薄弱地方萌生出单一的微裂纹,微裂纹连贯扩展形成主裂纹,主裂纹持续扩展形成宏观可见的裂纹;主裂纹附近为薄弱区域,其内部包含很多尚未成形的微裂纹;接触区域的齿尖处为应力集中区,主裂纹沿此开裂。岩石损伤过程随着前倾角的变化而变化,20°前倾角PDC齿压入青砂岩的能力最强,25°前倾角PDC齿压入花岗岩的能力最强;压入深度小于4 mm时,5°前倾角PDC齿压入岩石的能力最差。研究结果对于揭示岩石的细观与宏观损伤机理、建立PDC钻头破岩的评价方法和优化PDC钻头的设计参数及工作参数等具有重要作用。     

旋冲钻井技术的破岩及提速机理

深部硬地层钻井效率低、成本高的问题是现阶段深井、超深井钻井过程中长期面临的难点问题。旋冲钻井技术由于其具有提高硬地层钻进效率、降低定向钻进中黏滑振动以及提高钻压传递效率等优点而得到认可，但旋冲钻井技术的破岩提速机理尚不够明晰，且与冲击器配合的钻头使用寿命尚达不到工业要求。基于岩石力学、岩石破碎学、损伤力学等理论结合有限元方法建立了单齿旋冲破岩的三维有限元模型，分析了单齿旋冲作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、损伤演化以及破岩比功等问题。研究发现，硬地层岩石在旋冲作用下更易发生脆性破碎，旋冲钻井技术能够改善钻齿的受力状态，更好地保护切削齿，提高钻进效率；冲击幅值对破岩比功的影响程度不大，这与扭冲钻井技术不同；冲击频率对于破岩比功的影响较大；旋冲钻进技术不适用于软地层。     

电脉冲破岩钻井地层主要参数敏感性分析

岩石的硬度、耐磨性等严重限制了深层超深层油气资源的高效开采,而电脉冲破岩钻井技术在破碎硬岩方面具有独特优势。为探究地层特性对电脉冲破岩效果的影响,根据电脉冲破岩的基本原理,并基于基本破岩单元建立了动态电损伤模型。基于动态电损伤模型,讨论了特定高压脉冲电源参数下,岩石特性对电脉冲破岩效果的影响。通过讨论分析可知,相对介电常数越大,岩石内部发生电击穿的时间成本越低,破坏深度与损伤总量也会越大;电击穿时间、破坏深度会随泊松比和弹性模量的变化出现小幅波动,但不具有规律性;岩石的密度不会对电脉冲破岩造成影响。相关结论可为电脉冲破岩钻井技术的进一步工业化应用提供一定参考。     

高压液氮射流提高深井钻速机理

针对深部油气及地热钻探中岩石温度及强度高、钻速普遍偏低等问题,采用花岗岩、页岩和砂岩3种岩样,开展了高温岩石液氮冷却后的力学特性测量实验与液氮射流破岩实验,解析了液氮喷射破岩的宏观特征与微观机理、液氮-岩石的传热特征、岩石内热应力的演化规律,进而提出了高压液氮射流辅助钻井的新方法。研究表明,液氮冷冲击可显著降低岩石的单轴压缩强度及弹性模量,岩石温度越高,力学弱化程度越高,冷冲击对岩石的损伤程度越强;液氮射流破岩以大块体积破碎为主要破岩特征,具有破岩效率高、破岩门限低的特点,岩石温度越高,液氮射流破岩效果越强;液氮喷射作用下花岗岩的损伤程度最高,该方法对高温花岗岩地层具有更好的适用性,应用于深层干热岩储集层钻井提速,具有良好的前景。图13表2参19     

冲击旋转钻井破岩特点分析

冲击旋转钻井破岩原理是在钻头冲击刃与岩石的接触面上施加静压力的同时，给以脉动冲击负荷对岩石作功，从而提高岩石破碎效率。本文就冲击旋转钻井破岩特点及影响冲击旋转钻井破岩效果的因素进行了分析。     

基于ANSYS-LSDYNA的围压下粒子冲击破岩规律

粒子冲击钻井是一种以粒子冲击破岩为主的新型钻井技术,在仿真分析中岩石的围压作用对模拟岩石真实的受力状态和力学响应至关重要。利用ANSYS-LSDYNA具有的"隐式-显式"序列求解方法,将围压作用简化为岩石内部的预应力效应,分析了岩石在围压作用下的冲击损伤破坏演化过程,进一步研究了有、无围压作用下粒子不同速度冲击破岩的规律。仿真结果表明:有围压作用的岩石破碎体积明显小于无围压作用的岩石破碎体积;随粒子入射速度的增加,岩石的破碎体积呈线性增大。     

负压脉冲射流辅助钻井模拟试验研究

负压脉冲射流是以负压脉动为特征的非连续射流。通过在钻头上部使用负压脉冲射流调制器，使井底压力产生负压脉动，能够瞬间减小井底岩石上的压持效应，降低岩石的抗破碎强度．从而达到提高机械钻速的目的。利用中围压模拟钻进试验系统进行了负压脉冲射流辅助钻进效果试验。通过在天然砂岩岩心中钻进，考察了负压脉动值、围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响。试验结果表明。随着脉动负压值的增加。负压脉冲射流辅助破岩钻进速度线性增大；围压对负压脉冲射流辅助钻井钻速的影响较常规钻井小；与常规钻井相比。室内模拟钻井试验条件下负压脉冲射流辅助钻井可以使钻速提高0．7～3.0倍。     

低—非孔隙岩石中走滑断裂带内部结构的形成演化

文中描述了低—非孔隙岩石中走滑断裂带特征,分析了断裂带内部结构的物性特征,研究了走滑断裂带的形成过程。研究表明,低—非孔隙岩石中走滑断裂带具有典型的"二元结构",即断层核和破碎带。当围压和有效压力上升时,断层核和破碎带的孔渗性均降低,但破碎带的物性要好于断层核。另外,低—非孔隙岩石中走滑断层成核作用,具有破碎带成核、压溶缝成核和先存节理成核3种形式。早期碳酸盐岩中普遍存在破碎带,并且在应力集中处破碎程度严重,随着断层逐渐演化形成断层核;早期低孔隙灰岩中会形成开启型雁列岩脉,在雁列脉间的压性岩桥内形成第1期压溶缝,其持续开启时,沿岩脉形成的剪切作用使岩块滑动,导致压溶缝受到剪切,形成第2期压溶缝,最终形成断裂带;低孔砂岩、花岗岩及变质岩中存在早期形成的节理,在剪切作用下,形成次级裂缝,次级裂缝与小型断层逐渐连接起来,形成了走滑断裂带。     

考虑水平刮切作用的旋转钻井牙齿侵入规律

考虑旋转钻井钻头牙齿对井底岩石产生的水平刮切作用,分析了井底岩石侵入系数的变化规律以及初次侵入破碎坑的形状,得出旋转钻井重复侵入时井底岩石的破碎过程以及载荷侵深曲线形态,进一步揭示了旋转钻井牙轮钻头破岩机理:随着摩擦因数的增大,刃前岩石侵入系数线性降低,刃后岩石侵入系数线性增加;初次侵入时破碎坑为非对称的不规则形状,岩石破碎体积比只考虑垂向压入作用时小,发生剪切破碎时所需的载荷低;刃前岩石发生剪切破碎以后,刃后岩石由于应力集中效应,达到剪切破碎时所需的整体载荷降低,存在水平刮切作用时岩石多次侵入剪切破碎更为容易;重复侵入时井底岩石剪切破碎频数是只考虑垂向压入作用时的两倍,剪切破碎时载荷下降的幅度降低。     

岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成机理

高压电脉冲钻井技术具有破岩效率高、井壁质量好等优点，是一种新型破岩方法。为研究岩石内部孔隙特性对其局部电击穿的影响，构建了多孔隙随机分布的多物理场耦合岩石电击穿二维数值模型，从电路场、电流场、击穿场和温度场耦合的角度实现了多孔隙岩石内部高压电脉冲等离子体通道生成及破岩全过程，主要研究了孔隙特征(即孔隙率、孔径大小和孔隙介质)和电极间距对岩石局部电击穿(即岩石内部等离子体形成)的影响规律。数值研究发现，岩石孔隙对电脉冲破岩效率影响较大，当孔隙内介质为空气时，孔隙发生电击穿，等离子体通道贯穿孔隙；当孔隙内介质为水时，孔隙没有被电击穿，等离子体通道沿着孔隙表面延展；随着孔隙率增大，电脉冲的破岩效果逐渐增强；随着孔隙介质水/气比值减小，等离子体通道生成时间减小，电脉冲破岩的效果逐渐加强；随着电极间距的增大，岩石电击穿时刻逐渐减小，岩石内部“电损伤”区域面积减小。通过开展电击穿破岩的室内实验，再现了电脉冲破岩过程及岩石内部等离子通道形态，电击穿实验结果和仿真试验结果相符合。     

空气锤钎头破岩机理仿真分析

基于非线性动力学理论,利用ANSYS/LS-DYNA显式动力学分析软件建立空气锤钎头与岩石的破岩机理仿真模型,对钎头的破岩过程进行仿真分析,认为钎头破碎岩石的过程分为4个阶段,即弹性变形阶段、塑性变形阶段、裂纹萌生阶段和破碎完成阶段。最后对花岗岩、砂岩、白云岩、页岩、灰岩5种不同类型的岩石在同一条件下的破岩结果进行比较。结果表明,花岗岩的侵入深度最小,灰岩的侵入深度最大;页岩的体积破碎量最小,花岗岩的体积破碎量最大。由仿真发现,岩石体积破碎主要发生在卸载阶段。不同类型岩石的体积破碎量和侵深虽然不同,但整体的破岩曲线走向是一致的,即破岩规律是相似的。     

PDC钻头复合冲击井下破岩特性模拟研究

为对比各种冲击钻井技术的破岩效果，利用ABAQUS/Explicit模块建立PDC单齿-岩石冲击模型，研究PDC单齿在无冲击、轴向冲击、扭向冲击和复合冲击作用下的破岩特性，再进一步对影响复合冲击性能的因素进行分析。分析结果表明：在其他条件相同的条件下，复合冲击下的破岩比功相较于无冲击降低了28%,较轴向冲击降低了7%,以复合冲击破岩方式破岩效率最高；岩石在复合冲击作用条件下，钻压对PDC齿破岩效率影响较大，且存在明显差异，增大钻压有利于破碎岩石；转速对复合冲击破岩效率存在一个临界值，未达到这个值时，增大转速反而会降低PDC齿的破岩效率。所得结论可为复合冲击钻井工具选择合适的钻压和转速提供理论依据。