温度对旋转钻进破岩功耗的影响研究.pdf

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1、路基工程·66·SubgradeEngineering2014年第4期(总第175期)DOI：10．13379／j．issn．1003—8825．2014．04．14温度对旋转钻进破岩功耗的影响研究徐术庆，谭卓英(北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083)摘要：岩石在常温、常压下的变形破坏理论已非常成熟，但随着钻探深度不断的增加，岩石将要面临高地温、高围压的环境，这些因素将直接影响钻进过程。通过研究旋转钻进过程中能量的传递转移，建立岩石破碎的简化模型，利用单位体积破岩能耗来探究温度对钻进过程的影响。研究结果表明：随着钻进深度的增加，在一定的围压作用下，温度升高而

2、岩石的弹性模量却逐渐减小，压入深度随温度升高呈抛物线形上升，破岩功耗随温度呈曲线上升，并在经过阀值温度400oC后趋于平缓。关键词：高温；旋转钻进；弹性模量；单位破岩功耗中图分类号：P634．56文献标志码：A文章编号：1003—8825(2014)04—0066—050引言力学性质的影响。因按一般地热增温来看，每增加旋转钻井技术普遍应用在钻井工程与地球科学100m深度，温度升高仅3℃左右，而目前大多数人深井钻探领域。理论分析认为，在几秒钟内施类工程活动的最大深度在3000m内，岩石的温度约为加的载荷不会在岩石中产生与静载荷根本不同的应90℃，这一温度不会对岩石的力学性

3、质产生影响。力分布。对于深井、超深井钻孑L而言，地球科学钻探最在不考虑水力等因素影响的情况下，旋转钻孔大孔深已达14000余米，石油钻井孑L深已超过6000是以静载(钻压)和剪切方式连续进行破岩，钻压的m。此时，岩石处于高温、高压的地质环境中，岩作用是保证钻头可以压入岩石，然后通过钻头的旋石的物理力学性质将发生转变。转剪切压入区域的岩石，最终形成破碎穴。而旋冲研究表明-，，花岗岩体在高温下破坏时是典型钻进是在旋转钻井的基础上，增加一脉冲动载的方的剪切破坏，在有围压条件下，花岗岩体的弹性模式进行破岩。量随温度升高而减小。由于围压的作用，岩体侧向对脆性的坚硬岩石来说，旋冲钻

4、进的方式可以受到限制，在轴压的作用下，花岗岩先表现出体积提高效率，但对塑性岩石来说，旋冲钻进方式则不膨胀，然后表现为体积压缩，与常温下的结果不同。明显，冲击功大部分转化为塑性能，因而应采用旋衡量岩石可钻性，一般用单位时间破碎一定体积岩转钻进的方式增大回转力，可增加能量的利用率。石所消耗的能量来表示，但在实际的钻进过程中，在普通旋转钻进中，在岩土地层强度变化的界面处，计算破碎岩石能量的参数很难测得，而钻机系统的旋转钻进过程中亦会产生冲击效应，在界面处达输出能量又比较容易计算，因此应用破碎单位体积到旋冲钻进的效果。岩石所需钻进系统提供的能量来反映破岩效率等指岩石破坏涉及到三

5、方面的因素：岩石本身性质、标，通过系统的分析研究，获得了相关结论，为超使岩石破碎的荷载或者能量、破坏时所处的地质环深井钻探、勘察中动力和破碎方式的选择提供参考。境。温度是影响岩石力学特性的重要因素之一l5J，但从工程建设角度来看，一般不需研究温度对岩石1旋转钻进的能量转化1．1破碎岩石能量的分析收稿日期：2013—10—09基金项目：国家自然科学基金(51174013)；国家重点基础研究发岩石的变形破坏过程始终伴随着物质与能量的展计划(973计划)：岩土lT程智能钻进关键技术研究相互转化。钻机系统的动能通过钻头与钻杆传递(2010CB731501)到岩石上，将外部的机械

6、能转变为应变能、热能及作者简介：徐术庆(1989一)，男，河北保定人。硕士，从事表面能等，并以电磁辐射、声发射、动能等形式向智能钻井及动态岩土力学方面的研究工作。E-mail：xushuqingl68@sina．eom。外界释放能量。徐术庆，等：温度对旋转钻进破岩功耗的影响研究·67·机械能主要来自钻机的轴压与扭转力。研究表P明’mJ：破岩过程中，轴压的作用主要是使钻头压入岩石，而破碎岩石98％的能量来自于钻机系统的动能即钻头旋转过程中钻具扭矩所做的功。为了便于分析，将钻进系统看作质点，钻机系统的输出能量表达式为⋯P=P+Pd+P，(1)式中：P为钻机系统输出的总能量；

7、P为钻具旋转产图1裂纹的发生生的动能；P为轴力功，包括钻具本身的重力与调(2)体积破碎阶段：随着P继续增加，达到岩压力所做的功；Pr为钻具在旋转过程中由摩擦引起石的压人硬度，钻头与岩石接触面产生压碎变形；的能量损耗。Ⅱ，b裂纹继续向下延伸，并向自由面A，扩展，直接用于破碎岩石的能量来自P，P，计算裂隙间相互串通，钻头正下方被压碎，其他区域发式为生崩离破坏，最终形成AoB类似锥形的破碎坑，完P：÷(∑m)V=寺(∑m)("rrRn)(2)成体积破碎阶段，见图2。PP=FSsinct=(F+∑mg—Fa)(∑d)sina(3)式中：∑m为钻进