高溫高壓對微波破巖效果的影響模擬研究

胡 亮， 馬蘭榮， 谷 磊， 李丹丹， 韓艷濃

（中國石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101）

石油鉆井過程時常會鉆遇玄武巖、花崗巖等堅硬巖石層，普遍存在機(jī)械鉆速慢、鉆頭磨損嚴(yán)重等問題，大大增加了鉆井成本和施工風(fēng)險[1]。因此，亟待解決鉆遇堅硬巖石層時的提速增效問題[2-4]。國外提出了一種微波輔助破巖技術(shù)，在鉆頭破碎巖石之前先采用微波照射巖石對其進(jìn)行預(yù)加熱，使其內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，降低巖石強(qiáng)度，以利于鉆頭破碎巖石[5-8]。此后，國內(nèi)外開展了相關(guān)的理論研究和室內(nèi)試驗工作：F. Hassani 等人[9]通過有限元模擬分析了微波照射對巖石單軸強(qiáng)度的影響；斯倫貝謝公司設(shè)計了不同微波照射通道的微波輔助破巖鉆頭，并申請了相關(guān)專利[10]；戴俊等人[11]在室內(nèi)進(jìn)行了微波照射花崗巖試驗，發(fā)現(xiàn)花崗巖經(jīng)微波照射后，其抗拉強(qiáng)度明顯下降，驗證了微波對巖石的作用效果；盧高明等人[12]研究了微波照射參數(shù)對微波破巖效果的影響，室內(nèi)試驗證明了微波高功率短時間照射更容易使巖石破裂。但上述研究都基于常溫常壓環(huán)境，未考慮異常溫度和壓力對微波破巖效果的影響，而實際鉆井過程中井底的溫度和圍壓要明顯高于地面且變化劇烈，因此要將微波破巖技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井領(lǐng)域，就必須考慮井下高溫高壓對微波破巖的影響。為此，筆者采用數(shù)值模擬方法，分析了井下高溫高壓對微波破巖的影響，以期獲得影響規(guī)律，為微波破巖時調(diào)整微波參數(shù)提供理論依據(jù)。

1 微波破巖理論

被照射物體吸收微波的功率密度與微波照射參數(shù)和被照射物體的電磁參數(shù)有關(guān)[13]，其計算公式為：式中：P為物體吸收微波的功率密度，W/m3； ε′′為被照射物體的電磁介電損耗因子；f為微波照射頻率，Hz； ε0為真空介電常數(shù)，8.854×10-12F/m；Ei為被照射物體內(nèi)部電場有效值，V/m。

物體被微波照射一定時間，其吸收的能量為[14-15]：式中：Q為被照射物體吸收微波的功密度，J/m3；t為微波照射時間，s； θ0為物體在微波照射前的溫度，℃； θ為物體在微波照射后的溫度，℃； ρ為物體密度，kg/m3；Cm為物體比熱，J/（kg·℃）。

被照射物體溫度上升速度為：

將式（1）代入式（3），得到物體溫度變化與微波照射的關(guān)系式：

物體在微波加熱后，溫度變化所引起的應(yīng)變可以表示為[16-18]：

式中： ε為物體應(yīng)變量； α為熱膨脹系數(shù)，1/℃； Δθ為溫度變化量，℃。

由熱量產(chǎn)生的應(yīng)力可以通過胡克定律計算：

式中： σ為熱應(yīng)力，Pa；E為彈性模量，Pa；v為泊松比。

2 微波破巖數(shù)值模擬

2.1 模擬模型的建立

巖石由多種礦物成分組成，根據(jù)不同礦物成分對微波的吸收特性，可將其分為吸波成分和透波成分2 大類。筆者根據(jù)涪陵頁巖氣田焦石壩區(qū)塊鉆遇某層段巖石的礦物成分，建立了巖石二維平面模型，如圖1 所示。該模型由方解石和黃鐵礦組成，方解石的介電損耗因子約為4×10-4，黃鐵礦的介電損耗因子為17。因此，模擬時可以認(rèn)為方解石為透波材料，不吸收微波能量；黃鐵礦是吸波材料，吸收微波能量。模型中黃鐵礦顆粒隨機(jī)散布于基質(zhì)方解石當(dāng)中，其體積占模型總體積的10%。

圖 1 巖石二維平面模型Fig. 1 Two-dimensional plane model of rock

2.2 模擬條件及參數(shù)

采用有限元軟件進(jìn)行模擬，設(shè)定微波功率密度為6×106W/m3，照射時間為120 s。模擬實際鉆井工況，設(shè)置模型初始條件為溫度120 ℃，圍壓30 MPa。模型邊界為固定約束，周圍環(huán)境產(chǎn)生熱交換，熱交換系數(shù)設(shè)為50 W/（m2·℃）。模型中不同礦物成分的熱學(xué)和力學(xué)參數(shù)見表1—表3[13]。

2.3 模擬結(jié)果

2.3.1 模型溫度分布

模型的溫度分布如圖2 所示，溫度梯度分布如圖3 所示。

表 1 巖石各成分的熱膨脹系數(shù)Table 1 Thermal expansion coefficients of various rock components

表 2 巖石各成分在不同溫度下的熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱Table 2 Thermal conductivity and specific heat of various rock components at different temperatures

表 3 巖石各成分的力學(xué)參數(shù)Table 3 Mechanical parameters of various rock component

圖 2 模型的溫度分布Fig. 2 Temperature distribution of the model

從圖2 可以看出，模型右下角黃鐵礦密集區(qū)溫度最高，而模型左下角方解石密集區(qū)溫度最低。分析認(rèn)為，這主要是因為黃鐵礦為吸波材料，吸收微波能量后溫度急劇升高；而方解石為透波材料，溫度升高主要依靠高溫黃鐵礦的熱傳遞作用，從而形成了溫度由黃鐵礦密集區(qū)向方解石密集區(qū)擴(kuò)散的現(xiàn)象。

圖 3 模型的溫度梯度分布Fig. 3 Temperature gradient distribution of the model

從圖3 可以看出，黃鐵礦內(nèi)部溫度梯度最低。分析認(rèn)為，這主要是因為微波對黃鐵礦是整體加熱的，黃鐵礦內(nèi)部溫度升高幅度基本相等，溫度幾乎沒有差異，因此溫度梯度最低。自身不升溫的方解石包裹在劇烈升溫的黃鐵礦周圍，必然會造成二者接觸面的溫度差很大，因此此處溫度梯度最大。

2.3.2 模型應(yīng)力及塑性變形

模型的應(yīng)力分布如圖4 所示。

圖 4 模型的應(yīng)力分布Fig. 4 Stress distribution of the model

從圖4 可以看出：黃鐵礦顆粒熱應(yīng)力主要為壓應(yīng)力（負(fù)值），其中心處最大；方解石熱應(yīng)力主要為拉應(yīng)力（正值），且最大值環(huán)繞黃鐵礦顆粒分布。由于巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故方解石更容易受拉產(chǎn)生破壞。因此，在微波照射下，當(dāng)方解石局部最大拉應(yīng)力大于方解石自身抗拉強(qiáng)度時，將會產(chǎn)生破壞。

巖石是一種脆性材料，模擬中當(dāng)有限元某節(jié)點發(fā)生微小位移時，就可以認(rèn)為是發(fā)生了塑性變形，也就意味著發(fā)生了破壞。因此可以通過模擬模型的塑性變形情況來表征微波照射下巖石的破裂情況。筆者選用Drucker-Prager 屈服準(zhǔn)則，模擬模型的塑性變形，結(jié)果如圖5 所示。

圖 5 微波照射下模型的塑性變形Fig. 5 Plastic deformation of the model under microwave irradiation

從圖5 可以看出，模型大部分為深藍(lán)色區(qū)域，位移為0，意味著沒有發(fā)生塑性變形，塑性變形主要集中在黃鐵礦顆粒周邊，與圖4 中的最大拉應(yīng)力分布相對應(yīng)。因此，微波照射巖石造成的主要破壞方式是黃鐵礦顆粒周圍的方解石受拉破壞。

3 破巖效果影響因素分析

3.1 溫度

以上分析可知，巖石破壞主要發(fā)生在黃鐵礦顆粒周圍，也是整個模型中最先發(fā)生破碎的區(qū)域。當(dāng)外界環(huán)境參數(shù)變化時，這個區(qū)域最為敏感。因此，選取黃鐵礦邊緣處的方解石某節(jié)點為研究對象，分析溫度變化對微波破巖的影響。方解石某節(jié)點溫度增幅和溫度梯度隨環(huán)境溫度的變化曲線如圖6 和圖7 所示。

圖 6 不同環(huán)境溫度下方解石某節(jié)點的溫度增幅Fig. 6 Temperature amplification of a node in calcite under different ambient temperatures

圖 7 不同環(huán)境溫度下方解石某節(jié)點的溫度梯度極值Fig. 7 Temperature gradient extremum of a node in calcite under different ambient temperatures

從圖6 和圖7 可以看出，隨著環(huán)境溫度提高，方解石某節(jié)點的溫度增幅逐漸減小，而溫度梯度逐漸增大。分析認(rèn)為，這主要是因為方解石的比熱隨環(huán)境溫度升高而增大，導(dǎo)致吸收相同熱量時的溫度增幅減小，進(jìn)而使溫度梯度增大。

模擬不同環(huán)境溫度下方解石某節(jié)點發(fā)生塑性變形的時間，結(jié)果如圖8 所示。

圖 8 不同環(huán)境溫度下方解石某節(jié)點的塑性變形時間Fig. 8 Plastic deformation times of a node in calcite under different ambient temperatures

從圖8 可以看出，隨著溫度升高，方解石某節(jié)點發(fā)生塑性變形的時間變短，微波破巖效率提高。

利用最小二乘法對圖8 中的曲線進(jìn)行擬合，得到巖石塑性變形時間與井下環(huán)境溫度的關(guān)系式為：

式（7）的相關(guān)指數(shù)R2為0.988 7，利用式（7）可以計算出0～300 ℃條件下方解石某節(jié)點發(fā)生塑性變形的時間，有利于現(xiàn)場快速判斷井下溫度變化對微波破巖效果的影響。

3.2 圍壓

由圖4 和圖5 可知，應(yīng)力極值和塑性變形主要發(fā)生在黃鐵礦顆粒周圍，因此選取黃鐵礦邊緣處的方解石某節(jié)點，模擬其在不同圍壓下的應(yīng)力變化和塑性變形情況，分析井下圍壓變化對破巖效果的影響，結(jié)果如圖9 所示。

圖 9 施加圍壓前后方解石某節(jié)點的應(yīng)力對比Fig. 9 Comparison on the force of a node in calcite before and after confining pressure

從圖9 可以看出，施加圍壓前后方解石某節(jié)點的拉壓應(yīng)力變化趨勢類似；但不同之處在于，施加圍壓后，方解石某節(jié)點的應(yīng)力從壓應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力，而不是從0 開始。分析認(rèn)為，這主要是由于受圍壓作用，巖石各部分最初都處于受壓狀態(tài)。因此，方解石某節(jié)點的受力是先由圍壓造成的受壓逐漸轉(zhuǎn)化為微波作用下的受拉。圖9 中應(yīng)力轉(zhuǎn)折點是某節(jié)點處發(fā)生塑性變形的時間點，施加圍壓情況下這個時間點也比未加圍壓的時間點“晚”很多。

模擬不同圍壓下方解石某節(jié)點發(fā)生塑性變形的時間，結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可以看出，隨著圍壓增大，巖石塑性變形時間增長。圖10 中曲線的擬合公式為：

式中：pc為圍壓，MPa。

式（8）的相關(guān)指數(shù)R2為0.997 8，利用式（8）可以計算出圍壓0～70 MPa 條件下方解石某節(jié)點發(fā)生塑性變形的時間，有利于現(xiàn)場快速判斷井下圍壓變化對微波破巖效果的影響。

3.3 高溫高壓共同作用

圖 10 不同圍壓下方解石某節(jié)點的塑性變形時間Fig. 10 Plastic deformation times of a node in calcite under different confining pressures

地層溫度和壓力隨埋深增加而升高，但由于不同區(qū)域的地質(zhì)情況不同，地層溫度梯度和壓力梯度差異很大。為了研究溫度和圍壓同時作用對微波破巖效果的影響，在一定假設(shè)條件下進(jìn)行了模擬分析。

假設(shè)地面溫度為20 ℃，地層溫度梯度為3 ℃/100m，地層壓力梯度為1 MPa/100m，模擬井深為2 000.00 m（溫度80 ℃，圍壓20 MPa）、3 000.00 m（溫度110 ℃，圍壓30 MPa）、4 000.00 m（溫度140 ℃，圍壓40 MPa）、5 000.00 m（溫度170 ℃，圍壓50 MPa）、6 000.00 m（溫度200 ℃，圍壓60 MPa）和7 000.00 m（溫度230 ℃，圍壓70 MPa）情況下微波照射后巖石發(fā)生塑性變形的時間，結(jié)果如圖11 所示。

圖 11 不同溫度和圍壓作用下方解石某節(jié)點的塑性變形時間Fig. 11 Plastic deformation times of a node in calcite under different temperature and confining pressure

對比圖11 和圖8、圖10 可以發(fā)現(xiàn)：溫度和圍壓共同作用下巖石發(fā)生塑性變形時間的變化趨勢與圍壓單獨作用下的情況類似，井深5 000.00 m 以淺（溫度170 ℃，圍壓50 MPa）的巖石塑性變形時間也基本相同；井深5 000.00～7 000.00 m、溫度超過170 ℃時，塑性變形時間小于單一圍壓作用下的時間，溫度的影響開始體現(xiàn)，并與溫度單獨作用的影響趨勢相吻合。由此可知，井下微波破巖過程中，圍壓的影響是主要的，要密切關(guān)注地層壓力的異常波動，及時調(diào)整微波參數(shù)；溫度的影響主要體現(xiàn)在高溫情況下，地層溫度異常升高、鉆開地?zé)醿踊蜷_采干熱巖時要予以關(guān)注。

4 結(jié) 論

1）井下高溫對微波破巖有一定促進(jìn)作用。隨著溫度升高，巖石發(fā)生塑性變形的時間縮短，微波破巖效率提高，在高溫情況下尤為明顯。

2）井下圍壓對微波破巖有比較大的負(fù)面影響。隨著圍壓增大，巖石發(fā)生塑性變形時間增長，微波破巖效率降低。

3）同時考慮溫度和圍壓的作用時，圍壓的負(fù)面影響占主導(dǎo)地位，溫度的促進(jìn)作用只有在高溫情況下才有所體現(xiàn)。因此，在將微波破巖技術(shù)應(yīng)用于石油鉆井中時要綜合考慮溫度和圍壓變化對破巖效果的影響，及時調(diào)整微波參數(shù)，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效破巖。