深井高溫巖石破巖機理及生熱分析*

陳 浩 李邦潤,2 蔡 燦,2,3 謝 松,2 曹煜磊 楊迎新,2,3

(1．西南石油大學機電工程學院 2. 西南石油大學油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室鉆頭研究室3. 西南石油大學油氣藏地質(zhì)與開發(fā)國家重點實驗室)

0 引 言

近年來，隨著油氣資源勘探開發(fā)技術(shù)的進步以及世界各國對能源需求量的不斷增加，勘探領域面臨更多的深層超深層油氣、深部高溫干熱巖以及深部科學鉆探等高溫地層[1-3]。鉆井工程中將埋深為4 500～6 000 m的地層定義為深層，埋深大于6 000 m的地層定義為超深層[4]；將地層溫度超過150 ℃定義為高溫地層，部分高溫地層溫度甚至超過200 ℃[5]。井底高溫高壓條件會造成巖石內(nèi)部礦物晶間膠結(jié)物活化性能增加，導致巖石強度降低、塑性增強，切削性能發(fā)生較大變化[6-7]。PDC鉆頭在油氣勘探和地質(zhì)勘查工作中應用廣泛，也是目前科學鉆探、深部油氣勘探和干熱巖勘探開發(fā)中所采用的主要鉆頭[8-11]。在高溫硬質(zhì)地層鉆井作業(yè)時，特別是以片麻巖或花崗巖等高強度變質(zhì)巖為主的干熱巖地層中，巖石具有硬度高、研磨性強及可鉆性差等特點，且地層溫度極高[12]。PDC鉆頭在這些地層中作業(yè)時存在破巖效率低、切削齒熱磨損嚴重、使用壽命短以及成本高等問題[13]，這給高溫地層鉆探施工帶來了極大挑戰(zhàn)。

針對PDC鉆頭在高溫地層鉆井的工程背景，PDC切削齒的破巖力學機制分析、試驗研究及其數(shù)值分析是其中的關鍵基礎。LI W.等[14]通過對Nishimatsu模型修正，建立了基于地應力的PDC單齒力學模型，該模型可以有效地分析水平應力、垂直應力和巖石強度對切削力的影響。LIU W.J.等[15]進行了一系列巖石切削試驗并建立了離散元模型，研究了PDC切削齒在不同切削深度、切削速度和前傾角下的應力響應和巖屑形成過程。CHENG Z.等[16]利用高速攝影機觀察了PDC單齒切削3種巖樣試驗，發(fā)現(xiàn)巖屑質(zhì)量分數(shù)可以作為一種簡單的方法來評價PDC切削齒的破巖效率。祝效華等[17]建立了PDC切削齒動態(tài)破巖的三維仿真模型，研究了布齒參數(shù)和圍壓等因素對 PDC切削齒破巖能效的影響。馬清明等[18]試驗模擬了不同布齒參數(shù)和巖石性能對PDC切削齒破巖受力的影響，并在此基礎上建立了PDC切削齒的受力模型。鄒德永等[19]采用室內(nèi)鉆進試驗方法，考察了切削齒尺寸、后傾角和布齒密度等對PDC鉆頭破巖效率的影響，得到了針對可鉆性級值不同巖石的最佳布齒參數(shù)。鄧敏凱等[20]采用試驗與仿真結(jié)合的方法研究了前傾角和側(cè)傾角的變化對PDC鉆頭切削齒破巖效果的影響，得到了PDC鉆頭破巖效果最佳的前傾角和側(cè)傾角。

在高溫巖石切削破巖及切削生熱方面，部分學者已開展了初步研究。楊曉峰等[21]通過對鉆頭鉆掘巖石傳熱過程進行分析，建立了描述鉆頭在鉆掘巖石過程中溫度變化的微分方程組，歸納了影響鉆頭溫度變化的各種影響因素。鄧嶸等[22]建立了三維切削齒-巖石仿真模型，分析了單齒破巖過程中溫度場的分布規(guī)律，研究結(jié)果表明，同一個齒的齒刃上因各點的線速度不同，溫度分布也不同，齒刃切削區(qū)域上靠近鉆頭軸線側(cè)的溫度低于遠離鉆頭軸線側(cè)的溫度。伍開松等[23]利用ABAQUS熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真技術(shù)，通過改變切削參數(shù)，研究了PDC單齒破巖溫升變化規(guī)律，仿真結(jié)果表明，在PDC單齒破巖過程中，PDC齒溫度變化與單齒切深以及PDC齒線速度密切相關，且存在讓PDC齒溫度急劇上升的臨界切深和臨界切削線速度。張麗秀等[24]建立了二維PDC鉆頭切削齒-巖石動態(tài)仿真模型，通過改變鉆頭切削齒破巖時的切削參數(shù)，揭示了不同參數(shù)對切削齒溫度和變形的影響規(guī)律。祝效華等[25]采用數(shù)值模擬方法對60 MPa圍壓條件下高溫花崗巖的PDC切削齒破巖過程進行了模擬，研究結(jié)果表明，PDC 切削齒的破巖比功隨切削深度的增大而減小，隨溫度的升高呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。趙金昌等[26]通過正交試驗研究花崗巖在高溫高壓狀態(tài)下的切削破碎規(guī)律，揭示了高溫高壓環(huán)境對破巖效率和破巖能效的影響。

綜上所述，目前關于常溫巖石的 PDC切削齒破巖規(guī)律研究較多，對高溫巖石切削破巖雖然已開展了初步仿真分析[27]，但是其破巖機理及生熱規(guī)律尚不明確，更缺乏可靠有效的試驗支撐，極大地限制了對高溫地層破巖鉆井及鉆頭壽命評估的充分認識。針對上述問題，筆者分別將花崗巖和砂巖加熱至不同溫度以模擬深部井底高溫巖石，結(jié)合巖石巖性及其在高溫條件下的力學特性，進行PDC單齒切削破巖室內(nèi)試驗，利用切削力傳感器、高速攝影機和熱紅外成像儀對不同溫度巖樣的切削力、破巖過程和切削溫度場進行深入分析，以揭示PDC切削齒切削高溫巖石的破巖機理及生熱規(guī)律。所得結(jié)論可為高溫地層高效鉆井和配套PDC鉆頭設計提供理論指導和技術(shù)支撐。

1 試驗裝置與試驗方案

1.1 試驗裝置

本試驗在油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室單齒切削試驗系統(tǒng)上進行。圖1為單齒切削試驗系統(tǒng)示意圖。該試驗系統(tǒng)主要包含4個部分：單齒切削裝置、高速攝影機及配套軟件、熱紅外成像儀及配套軟件、切削力測試裝置。試驗開始前需要將單齒切削裝置設定好預定切削速度，然后連接好其他設備和裝置，并將測試軟件調(diào)試至最佳狀態(tài)。試驗過程中采用高速攝影機捕捉PDC切削齒在切削巖石時的破巖過程和巖屑剝離過程，利用熱紅外成像儀分析PDC切削齒在切削巖樣過程中溫度場的變化，并采用切削力測試裝置同步監(jiān)測切削齒在各個方向力的變化。

圖1 單齒切削試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of single cutter cutting test system

1.2 試驗方案

試驗選用如圖2所示的花崗巖和砂巖巖樣。巖樣的外形尺寸為280 mm×202 mm×16 mm(長×寬×高)，加工精度為0.1 mm?；◢弾r的平均單軸抗壓強度為240 MPa，泊松比為0.21。砂巖的平均單軸抗壓強度為32 MPa，泊松比為0.24。為了獲得最佳的高速攝影拍攝效果，切削前將巖樣待切削部位表面進行噴漆處理，形成白底黑色斑點狀的背景圖案，以利于破巖過程及巖屑剝離過程分析。

試驗前將3組花崗巖和3組砂巖巖樣通過高溫加熱爐分別加熱至100、200和300 ℃，然后在空氣中冷卻至室溫，放置24 h后進行切削試驗。該加熱巖樣用于模擬高溫井底巖石，并通過不同加熱溫度后的巖樣模擬不同井深下的巖石。本文主要分析高溫地層溫度對切削破巖的影響，因此暫時不考慮其他工況參數(shù)的影響，試驗時統(tǒng)一采用切深3 mm、前傾角20°、直徑19 mm的PDC切削齒，采用高速攝影機、熱紅外成像儀和切削力傳感器進行同步監(jiān)測。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 切削坑及損傷區(qū)分析

切削后巖石切削面會形成切削坑和損傷區(qū)(見圖3)，其切削坑幾何尺寸包含切深和切寬。在切削坑附近會形成相應損傷區(qū)，主要是PDC切削齒切削過程中在切削坑附近巖屑剝離造成的裂紋擴展和碎屑，該損傷區(qū)范圍取裂紋擴展的最長長度L。如圖3所示，測量得到巖樣的切深H、切寬D和裂紋區(qū)L的尺寸，并記錄在表1中。

圖3 切削形成的切削坑及損傷區(qū)幾何尺寸示意圖Fig.3 Schematic geometric dimensions of cutting pits and damage areas formed by cutting

表1 不同溫度花崗巖和砂巖切削坑及損傷區(qū)尺寸Table 1 Dimensions of cutting pits and damage areas in granite and sandstone with different temperatures

從表1可以看出，砂巖在100和200 ℃時切削坑相比常溫砂巖切深略有減小，切寬呈現(xiàn)出不同程度的增大，裂紋擴展區(qū)長度則明顯增大，說明加熱至100～200 ℃對砂巖切削坑附近的損傷較為明顯。300 ℃的砂巖切削坑尺寸相比常溫砂巖切寬明顯減小，切深反而略有增大。花崗巖從常溫加熱至200 ℃其切深逐漸減小，在300 ℃時略有增大，切寬和裂紋區(qū)長度均呈現(xiàn)波動下降趨勢，可見高溫會使花崗巖切削體積顯著減小。對比砂巖和花崗巖，從切深、切寬及裂紋區(qū)長度變化趨勢可以看出，高溫對砂巖切削坑尺寸和損傷效果影響更為顯著，且這種影響有利。

2.2 巖石切削形貌及巖屑分析

2.2.1 花崗巖

如圖4所示，通過高速攝影觀察得到花崗巖切削過程及其巖屑剝離過程。通過對比不同溫度處理后的花崗巖切削結(jié)果，隨著溫度的升高，PDC切削齒切削高溫花崗巖形成的塊狀巖屑數(shù)量更多。進一步由高速攝影觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PDC切削齒切削花崗巖時，裂紋主要集中在齒尖處；切削過程中齒尖端附近的粉碎區(qū)和齒表面的塑性流動區(qū)生成粉末狀的巖屑，而其他區(qū)域則主要生成塊狀巖屑。

圖4 不同溫度花崗巖切削破碎時高速攝影圖Fig.4 High speed photo of granite with different temperatures during cutting and breaking

對比分析不同溫度下花崗巖切削后的巖屑，如圖5所示。相對于常溫花崗巖，隨著溫度的升高，切削形成的較大塊狀巖屑數(shù)量逐漸增多，顆粒狀巖屑數(shù)量相對減少。已有研究表明，當花崗巖溫度超過200 ℃時其力學性能劣化程度顯著，進而影響單齒切削破巖效率。通過對比可知，高溫使花崗巖的力學特性發(fā)生劣化，尤其是花崗巖的脆性表現(xiàn)更為明顯，導致高溫下花崗巖塊狀巖屑較多，這將有利于鉆井。

圖5 不同溫度花崗巖切削后的巖屑Fig.5 Cuttings of granite with different temperatures

表2統(tǒng)計了不同溫度下花崗巖切削產(chǎn)生的最大巖屑尺寸。從表2可以看出，切削不同溫度花崗巖產(chǎn)生的最大巖屑長度變化不大，最大巖屑寬度隨著溫度的升高略有減小。花崗巖塊狀巖屑數(shù)量增多而最大巖屑尺寸卻無明顯變化，這與高溫對花崗巖造成的損傷有密切關聯(lián)，高溫導致花崗巖脆性呈現(xiàn)出一定程度的增強，同時也導致其內(nèi)部的裂紋增多，因此花崗巖巖屑并沒有隨其脆性增強而導致尺寸變大。

表2 不同溫度下花崗巖巖屑的最大幾何尺寸Table 2 Maximum geometric dimension of the cuttings of granite with different temperatures

2.2.2 砂巖

通過高速攝影觀察得到砂巖切削過程及其巖屑剝離過程，如圖6所示。通過對比不同溫度處理后的砂巖切削結(jié)果，隨著溫度的升高，PDC切削齒切削高溫砂巖形成的塊狀巖屑數(shù)量更多。與花崗巖相同，PDC切削齒切削砂巖時，裂紋主要集中在齒尖處；切削過程中齒尖端附近的粉碎區(qū)和齒表面的塑性流動區(qū)生成粉末狀的巖屑，而其他區(qū)域則主要生成塊狀巖屑。

圖6 不同溫度砂巖切削破碎時高速攝影圖Fig.6 High speed photo of sandstone with different temperatures during cutting and breaking

對比分析不同溫度下砂巖切削后的巖屑，如圖7所示。相對于常溫砂巖，隨著溫度的升高，切削形成的較大塊狀巖屑數(shù)量逐漸增多，顆粒狀巖屑數(shù)量相對減少，該現(xiàn)象反映了高溫會顯著改變砂巖的力學特性，造成砂巖脆性增強，使得較大塊狀巖屑數(shù)量明顯增多，這將有利于鉆井。對比圖5和圖7可以看出，升高相同溫度時，砂巖的塊狀巖屑數(shù)量顯著多于花崗巖，反映了高溫下花崗巖研磨性強于砂巖，脆性表現(xiàn)弱于砂巖。

圖7 不同溫度砂巖切削后的巖屑Fig.7 Cuttings of sandstone with different temperatures

表3統(tǒng)計了不同溫度下砂巖切削產(chǎn)生的最大巖屑尺寸。從表3數(shù)據(jù)可以看出：切削常溫砂巖產(chǎn)生的巖屑相對高溫砂巖的巖屑尺寸較小，而不同溫度的砂巖產(chǎn)生的最大巖屑尺寸則無明顯差異；砂巖塊狀巖屑數(shù)量增多而最大巖屑尺寸卻明顯增大，高溫導致砂巖脆性顯著增強，而裂紋對砂巖巖屑尺寸影響有限，切削產(chǎn)生更多塊狀巖屑的同時也會產(chǎn)生尺寸更大的塊狀巖屑。對比表2和表3可知，花崗巖在高溫下最大巖屑尺寸受溫度影響不大，而砂巖最大巖屑尺寸受高溫影響則明顯增大。這說明高溫對不同巖石的力學特性和微觀損傷影響各異，從而導致巖屑幾何尺寸呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。

表3 不同溫度下砂巖巖屑的最大幾何尺寸Table 3 Maximum geometric dimension of the cuttings of sandstone with different temperatures

2.3 切削時切削齒溫度變化分析

受熱紅外成像儀分辨率和切削齒前端巖屑的影響，試驗中切削齒刃部溫度一般觀察不到，本文僅取切削過程中切削齒上可視區(qū)域溫度的最高值進行分析。

2.3.1 花崗巖

圖8為切削不同溫度花崗巖過程中切削齒溫升曲線圖。由圖8可知：初期切削時溫升達到了20 ℃以上，且升溫時間很短，后期隨著散熱影響，溫升值逐步下降；相較于常溫花崗巖，100和200 ℃花崗巖在切削過程中溫度變化并不明顯；當溫度上升到300 ℃時，花崗巖切削溫度升高較為明顯。圖9為高溫花崗巖切削時切削齒溫升值與常溫花崗巖切削溫升值的相對溫差(以下簡稱溫差)圖。由圖9可知，僅當溫度超過200 ℃時，花崗巖切削時的溫差變化才開始變得顯著。上述結(jié)果表明，當加熱溫度達到300 ℃時，花崗巖的力學特性會發(fā)生明顯變化，對切削齒破巖效率具有顯著影響，這與前面2.2節(jié)巖屑分析結(jié)論較為一致。通過對比不同溫度花崗巖切削時的溫升值可以發(fā)現(xiàn)，存在一個介于200～300 ℃的臨界溫度，使花崗巖的切削效率和切削生熱發(fā)生明顯變化。一般認為花崗巖加熱至200 ℃以上后，力學性能顯著下降，該臨界溫度范圍與花崗巖力學強度轉(zhuǎn)變溫度(200 ℃)劣化具有較強關聯(lián)性。

圖8 切削不同溫度花崗巖過程中切削齒溫升曲線圖Fig.8 Temperature rise curve of cutter in the cutting process of granite with different temperatures

圖9 不同溫度花崗巖切削時的切削溫差曲線Fig.9 Cutting temperature difference in the cutting process of granite with different temperatures

2.3.2 砂巖

圖10為切削不同溫度砂巖過程中切削齒溫升曲線圖。由圖10可知，相比常溫砂巖，100～300 ℃高溫砂巖切削齒溫升隨著切削時間的延長而逐步升高，隨后由于切削齒減速至停止，切削齒散熱溫度略有下降。這說明加熱后砂巖的力學特性已發(fā)生變化，并對切削齒破巖效率產(chǎn)生顯著影響。圖11為高溫砂巖切削溫升值與常溫砂巖切削溫升值的相對溫差圖。由圖11可知，在切削初期，相對溫差上升十分迅速，比較100、200和300 ℃高溫砂巖的切削溫度和切削溫差變化可以看出，三者的溫升和溫差區(qū)別并不顯著。通過對比發(fā)現(xiàn)，隨著砂巖加熱溫度的升高，存在一個介于常溫至100 ℃的臨界溫度，使砂巖的切削效率和切削生熱發(fā)生顯著變化。該臨界溫度范圍顯著低于花崗巖，說明該臨界溫度與巖石巖性和力學特性存在密切關聯(lián)。

圖10 切削不同溫度砂巖過程中切削齒溫升曲線圖Fig.10 Temperature rise curve of cutter in the cutting process of sandstone with different temperatures

圖11 不同溫度砂巖切削時的切削溫差曲線Fig.11 Cutting temperature difference in the cutting process of sandstone with different temperatures

2.4 切削時切削齒三向力分析

為了保證數(shù)據(jù)的有效性，取切削過程中的前0.25 s進行切削力分析，在信號分析時為了避免噪聲信號的干擾，對所有切削力信號進行傅里葉濾波處理。在測試的三向力中，切削力指測試中的切向力。

2.4.1 花崗巖

切削不同溫度花崗巖時切削齒的三向力變化曲線如圖12所示?；◢弾r三向力均呈震蕩變化，切削開始時的較大峰值與PDC切削齒沖擊巖樣有關。隨著溫度的升高，花崗巖平均徑向力由常溫時的-413.246 N減小至100 ℃時的-370.071 N和200 ℃時的-357.643 N，當溫度升高到300 ℃時，平均徑向力則增大至-457.899 N(見圖12d)；花崗巖平均切向力的變化趨勢和平均軸向力相近，隨著溫度的升高，平均切向力和平均軸向力由常溫時的1 555.696和1 866.660 N逐漸減小，100 ℃(平均切向力為525.023 N，平均軸向力為686.812 N)和200 ℃時(平均切向力為492.770 N，平均軸向力為622.916 N)受力約為常溫花崗巖的33%；當溫度升高至300 ℃時(平均切向力為744.404 N，平均軸向力為954.048 N)，受力則增大至常溫花崗巖的50%左右(見圖12d)。

圖12 切削不同溫度花崗巖時切削齒的三向力變化曲線Fig.12 Three-axis force diagram of cutter in the cutting process of granite with different temperatures

上述結(jié)果表明：在溫度200 ℃以下，溫度的升高會顯著減小花崗巖的切削力；但是當溫度升高到一定值(大于200 ℃)后，切削力反而略有增大，這說明超過200 ℃后花崗巖力學特性改變可能增加鉆頭的破巖難度。上述結(jié)果驗證了2.3.1節(jié)中的現(xiàn)象，即高溫花崗巖力學特性變化對切削齒切削破巖效率具有顯著影響的結(jié)論，該溫度介于200～300 ℃之間。

2.4.2 砂巖

切削不同溫度砂巖時切削齒的三向力變化曲線如圖13所示。與花崗巖類似，砂巖三向力均呈震蕩變化。隨著溫度的升高，砂巖平均徑向力由常溫時的-69.298 N減小到100 ℃時的-59.412 N和200 ℃時的-54.444 N；當溫度升高到300 ℃時，平均徑向力則增大至-61.868 N(見圖13d)；平均切向力的變化趨勢和平均軸向力變化趨勢相近，隨著溫度的升高，平均切向力由常溫時的157.725 N增大至100 ℃時的222.236 N，約為常溫下的141%，然后減小到跟初始值相近的200 ℃時的158.384 N和300 ℃的151.156 N，分別約為常溫下的100%和96%；平均軸向力則由常溫時的152.630 N增大至100 ℃時的224.537 N，然后減小到200 ℃時的171.812 N和300 ℃時的107.752 N(見圖13d)。

圖13 切削不同溫度砂巖時切削齒的三向力變化曲線Fig.13 Three-axis force diagram of cutter in the cutting process of sandstone with different temperatures

上述結(jié)果表明，溫度的升高會顯著提高砂巖的切削力，但是當溫度升高到一定值(超過100 ℃)時切削力會減小，進而有利于破巖。上述結(jié)果驗證了2.3.2節(jié)中的現(xiàn)象，即高溫砂巖力學特性變化對切削齒切削破巖效率具有顯著影響的結(jié)論。

對比砂巖和花崗巖平均切削力可以看出，常溫下花崗巖平均切削力約為砂巖的10倍，而高溫下(300 ℃)花崗巖平均切削力約為砂巖的5倍。由此可見，高溫對干熱巖的切削力劣化影響大于砂巖。上述結(jié)果表明，不同巖石受溫度影響力學特性變化不同，而同一種巖石在不同溫度下巖石的力學特性也存在差異，特別是突破臨界值后會產(chǎn)生較大的變化。

3 結(jié) 論

(1)隨著巖樣加熱溫度從100 ℃升高至300 ℃，PDC切削齒切削高溫花崗巖和高溫砂巖形成的塊狀巖屑更多，且?guī)r屑大小更加均勻，花崗巖最大巖屑尺寸受溫度的影響較小，砂巖最大巖屑尺寸則受高溫影響較大，這與高溫作用后巖石力學特性的改變以及內(nèi)部損傷密切相關。一定程度上，高溫有利于PDC切削齒切削產(chǎn)生更多且更大的塊狀巖屑，進而提高高溫地層鉆進效率。

(2)試驗結(jié)果表明，花崗巖和砂巖均存在使自身力學特性發(fā)生較大變化的臨界溫度，超過該臨界溫度切削效率和切削生熱將發(fā)生突變，當花崗巖溫度低于其臨界溫度、砂巖溫度高于其臨界溫度可大大提高PDC鉆頭的破巖效率。

(3)在200 ℃以下，花崗巖隨著溫度的升高會顯著減小切削力，但是當溫度升高到一定值(超過200 ℃)后切削力反而略有增大。砂巖切削力隨著溫度的升高先增大后減小，并在300 ℃時達到最小值?？梢娨欢ǚ秶鷥?nèi)的高溫對PDC鉆頭鉆進花崗巖和砂巖中切削齒受力是有利的。

(4)100和200 ℃花崗巖的平均切削力約為常溫花崗巖的33%；當溫度升高至300 ℃時約為常溫花崗巖的50%。砂巖在100 ℃時平均切削力約為常溫下的141%，300 ℃時約為常溫下的96%。對比砂巖和花崗巖平均切削力可以看出，隨著溫度的升高，高溫花崗巖的切削力減小程度顯著大于高溫砂巖。

(5)花崗巖和砂巖受溫度影響力學特性的變化規(guī)律不同，而在不同溫度條件下它們自身的力學特性也存在差異，特別是突破臨界溫度值后會產(chǎn)生較大的變化。鉆井作業(yè)時可根據(jù)不同巖石及它們在不同溫度環(huán)境下呈現(xiàn)出的力學特性，科學制定鉆井方案，降低破巖難度，提高鉆井效率。