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高温高压条件下冲击—切削钻孔破岩实验研究

赵金昌  
【摘要】: 地热开发被越来越多的国家关注并采取实质性的开发行动。中国有极丰富的高温岩体地热资源,仅云南腾冲和西藏羊八井两地可开发的资源量就超过1.56×1011Kw.a,它的开发利用对改善我国能源结构,保证我国能源安全具有重大战略意义。高温岩体地热主要蕴藏在花岗岩体中,从其中提取地热能,就需要在花岗岩中施工钻孔,进行以水压致裂技术为主的人工储留层建造。钻孔施工的机械方式主要有三种:冲击破岩、切削破岩、冲击-切削复合破岩。在常温下,冲击破岩一般用于钻进坚硬岩石;切削破岩一般用于钻进较软的岩层。 对钻井工程而言,破岩效率的实质是提高机械钻速,而影响机械钻速的首要因素是地层岩石性质。地热钻井中随着钻井深度的增加,岩石温度逐渐升高,岩石内部发生了热破裂,导致岩石的性质发生变化:强度降低、塑性增强等。研究高温高压条件下以上几种破岩方式的破岩效率随着温度升高如何变化,在不同的温度下哪种破岩方式能取得更佳效果具有重要的工程意义。 在高温岩体地热开发钻井施工中,钻孔围岩的稳定性受到温度应力、钻井液特性及原岩应力等多种因素的影响,钻井围岩在温度场、渗流场、应力场的多场耦合作用下,在钻井施工中会发生缩颈、变形失稳、井壁坍塌等事故。致使钻井费用及井壁维护费用大幅增加,工程计划难以实现。 为此,本文对高温高压条件下(4000m埋深、500℃以内)大尺寸(φ200mm×400mm)花岗岩试件的破碎规律进行实验研究,通过理论分析得出三种破岩方式的破岩效果随温度变化的趋势,总结出高温下钻进速度、破岩能耗与钻进参数的关系,给出了不同温度下的最佳破岩方式。对高温岩石钻进中的井壁稳定机理进行分析,得出钻进中井壁失稳的条件。钻井液的密度和滤失性对井壁稳定具有重要影响,本文对高温钻井液的特性及配制也做了初步研究。 主要研究内容及结论如下: (1)在高围压状态下,温度升高时破岩速度的变化趋势研究。在4000m埋深静水压力,不同的温度状态下,三种破岩方式采用不同的参数组合进行正交试验,通过分析得出:在高温下花岗岩内部发生热破裂,强度降低,三种破岩方式的钻进速度随着温度的升高而增大,但冲击凿岩速度在150℃以上时增幅较小。 (2)在高围压状态下,温度升高时单位破岩能耗的变化趋势研究。利用破碎单位体积岩石所做功来衡量岩石破碎的难易程度,通过计算分析得出:在4000m埋深静水压力下,三种破岩方式的单位破岩能耗随着温度的升高而减小。 (3)在高温高压状态下,钻进参数与钻进速度的关系研究。通过分析实验数据得出:在4000m埋深静水压力、高温状态下,在一定的钻压范围内,三种破岩方式的钻进速度随着钻压、冲击功率、钻头转速的增大而增大,冲击凿岩时,单纯靠增大钻压或冲击功率不能有效提高凿岩速度。 (4)在高温高压状态下,钻进参数与单位破岩能耗的关系研究。通过分析实验数据得出:在4000m埋深静水压力、高温状态下,三种破岩方式的单位破岩能耗随着钻压的增大而减小;切削破岩、冲击-切削复合破岩单位破岩能耗随着转速的增大而增大;冲击-切削复合破岩单位破岩能耗随着冲击功率的增大而减小。 (5)冲击凿岩方式适用于不超过150℃左右的低温坚硬岩石地层的钻进中,不适合高温条件下的钻井;切削破岩可以应用在高温(约300℃以上)岩层钻进中,建议使用耐高温的钻头和保证钻井液排量;冲击-切削复合破岩方式在温度不太高(约150℃~300℃)的岩层钻进中可以取得较好的钻进效果。 (6)钻进中的钻孔围岩稳定机理研究。通过试验得出在花岗岩钻进中,4000m埋深静水压力、300℃条件下,花岗岩体具有明显的加速蠕变现象,500℃时产生明显的破坏。 (7)高温钻井液配方初步研究。通过试验研制了高密度无极欠饱和盐水聚磺钻井液在220℃高温下能达到良好的流动性和较小的滤失量。


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