【NGIB】宋东东等：高温环境下岩石力学性质与单齿压入实验研究

文摘 2024-11-19 09:33 四川

研究背景

岩石力学性质与钻头钻进过程施加载荷有直接关联,尤其在高温环境下,井底高温将大大影响岩石的力学性质,进而影响切削齿的破岩效率。为掌握高温对岩石力学性质变化规律及破岩效率的影响，来自中国石油川庆钻探工程公司的研究团队针对钻井过程中常遇的花岗岩、灰岩及砂岩进行了不同温度下的岩石力学性质研究，并在高温环境下开展了单齿压入实验，得出了加热后的岩样破碎规律。本研究丰富了岩石破碎的理论基础，同时为工程实践中的岩石破碎、钻头设计提供了科学依据，尤其对高温环境下的钻头设计具有重要参考价值。

研究思路、方法

本研究深入探讨了不同温度环境下单齿压入岩石的破岩效率，揭示了高温环境下单齿压入破岩机理。通过在液压式万能试验机上对不同岩样进行高温破碎实验，系统研究了岩石在高温作用下的破碎规律，明确了在静压作用下不同岩性的密实核挤压效果随齿形的变化而变化，进一步揭示了高温条件下岩石破碎的内在机制。研究还分析了不同齿形在高温岩样下的静压效果，总结出高温环境对齿形选择的影响规律。

研究结果

1. 在液压式万能试验机上开展高温下岩石力学性质测试，在岩样中间位置沿岩样横向、纵向位置贴高温应变片进行力学性质研究（图1）。高温下，花岗岩、灰岩和砂岩的力学性能变化显著，花岗岩在200℃时各项力学指标达到峰值，主要原因为内部颗粒因热膨胀而增强了结合力强度，一旦超过该温度，颗粒膨胀将超过岩石的屈服强度，致使内部热应力增加，结合强度降低，岩石内部膨胀趋于稳定（图2）。灰岩在100℃时达到力学性能峰值，之后因颗粒热膨胀效应超过其屈服强度，内部热应力引发微裂纹，岩石内部强度被削弱（图3）。随着温度的升高，砂岩的抗压和抗剪强度降低，弹性模量增加，这是由于其内部物质的不均匀膨胀引起的热应力所致（图4）。这些变化对高温环境下的岩石破碎和钻头设计具有重要的指导意义。

图1 高温片试样图

图2 不同温度下花岗岩力学性质关系曲线图

图3 不同温度下灰岩力学性质关系曲线图

图4 不同温度下砂岩力学性质关系曲线图

2.选取锥形齿、楔形齿、勺形齿开展实验研究。锥形齿以前倾角度犁削岩石，形成沟槽，并从切向上剥离岩石，破岩效率高；楔形齿具有切削和挖掘的双重作用；勺形齿通过向内凹的勺形面进行挖掘和刮削作用破岩。在压入过程中,三种牙齿的作用区域岩石在载荷作用下被挤压成粉末,进而逐渐被压实，成为压实区。随着载荷的持续加压,更深处岩石在载荷压力向下传递过程中形成新的粉末。在不断积累的过程中，随着载荷的增加，牙齿压入的两侧受挤压产生张应力,当达到岩石拉应力极值时，岩石将开裂，如图5、6、7所示。

图5 花岗岩下静压破碎坑图

（a）锥形齿（b）楔形齿（c）勺形齿

图6 灰岩下静压破碎坑图

（a）锥形齿（b）楔形齿（c）勺形齿

图7 砂岩下静压破碎坑图

（a）锥形齿（b）楔形齿（c）勺形齿

作者简介

宋东东，中国石油川庆钻探工程公司博士，主要从事钻井破岩与钻头、提速工具、流体力学、钻井工艺方面的研究。以第一/通讯作者发表论文20余篇（SCI 8篇），授权专利20余件，主持及参与科研项目10余项，参与川渝地区多口气井钻井工作，并创多项钻井纪录。

编校：江蕊希

排版：张敏

审核：罗强黄东

《NGIB》

Natural Gas Industry B 创刊于2014年，是天然气工业杂志社与KeAi公司合作出版的一本开放获取型国际期刊，在爱思唯尔旗下的ScienceDirect平台上双月出版。创刊至今，Natural Gas Industry B 始终秉承“报道天然气领域前沿学术研究，展示工程技术发展趋势，以理论研究成果推动工程技术进步”的办刊宗旨，服务全球天然气产业，并积极推动能源行业碳减排和低碳转型的发展。近年来，期刊逐渐获得了国际学术界的广泛认可，论文下载量超20万次/年，读者来自于全球85个国家和地区，论文被71个国家和地区的1310个机构引用。2024年6月Web of Science影响因子4.2，在ENERGY & FUELS学科类的Q2区。2023年12月入选《2023年中国科学院文献情报中心期刊分区表》。根据谷歌最新学术指标排行榜显示，期刊位居全球石油、天然气工程类学术期刊第10名。

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天然气工业

创刊于1981年，是由中国石油西南油气田公司、川庆钻探工程有限公司联合主办的学术期刊。关注地质勘探、开发工程、钻井工程、集输加工、安全环保、经济管理等多个领域。Ei检索、CSCD核心、中文核心、中国科技核心、入选中国科技期刊卓越行动计划。

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