摘要
地球是人类赖以生存的家园,地球资源是经济社会不断向前发展的物质基础。地球深部探索是解决人类资源、能源和环境问题的必由之路。目前,深部油气勘探最深已达到10km,深部科学钻探最深更是超过12km。而随着深度的增加,地层温度不断上升,按照30℃/km的地壳平均地温梯度计算,超10km的钻井井底地层温度将超过300℃。埋藏于几千米地下、温度在150℃以上的干热岩作为开采潜力巨大的清洁能源,被各国视为解决能源与环境问题的关键化石燃料替代能源。然而,无论是超深油气勘探、超深科学钻探还是干热岩的勘探开发,都需要在高温地层中钻进。金刚石钻进是一种先进的回转钻进技术,在油气勘探和地质勘查工作中应用广泛,也是目前科学钻探、深部油气勘探和干热岩勘探开发中所采取的主要钻进方式。随着温度的升高,岩石的性质会发生很大的变化,例如强度降低、塑性增强,可钻性发生变化;同时高温对钻进技术也会产生很大影响,例如钻井液携粉能力降低、井壁失稳、钻头磨损加剧等。另一方面,金刚石材料受热容易产生热损伤从而导致耐磨性下降。但到目前为止,针对金刚石钻头钻进高温地层的研究少见报道,金刚石钻头在高温地层中钻进碎岩的特征与规律尚未有深入的专门研究。本文以深部油气勘探、深部科学钻探以及干热岩钻井中,金刚石钻头需要在高温地层中进行碎岩钻进为研究的出发点,立足于金刚石钻头材料、岩石、循环介质、钻进实验装置以及实验方法5个要素,研究了温度对金刚石钻进的影响,揭示了不同温度条件下孕镶金刚石钻头和PDC钻头钻进不同岩石的特征和一般规律,并对高温下金刚石钻头碎岩与磨损机理进行了分析和探讨。论文主要的研究工作和相关结论如下:(1)综合测试和分析了多种金刚石钻头材料高温条件下的性能变化规律热重分析结果表明:单晶金刚石、聚晶金刚石和PDC三种材料在700℃左右开始发生明显的热失重效应。实时高温强度测试结果表明:在0~350℃实时温度下,随着温度升高,孕镶材料的抗弯强度先升高后降低,断裂前变形量先减小后增高,100℃时强度提高约10%,350℃时强度降低约10%。0~1000℃高温后的强度和耐磨性研究结果表明:单晶金刚石颗粒静压强度随温度升高不断降低,600℃高温后强度降低接近30%,800℃后降低40%,1000℃时氧化殆尽;孕镶金刚石材料高温后强度随温度升高不断上升,800℃后升高20%,1000℃熔融;PDC材料耐高温能力在800℃以下;孕镶材料耐磨性随温度升高逐减弱,600℃之前趋势缓慢,600℃之后加速下降,800℃后耐磨性降低30%;PDC材料耐磨性随温度上升缓慢降低,600℃时降低了10%左右。(2)研制了可模拟0~300℃高温地层钻进的试验装置分析和提出了高温钻进试验装置的功能需求和参数指标要求,并根据指标要求计算了装置加热需求功率和液压传动需求功率,完成了高温钻进试验装置各系统的设计和加工,为后续的高温钻进试验提供了关键设备条件,为后续实验和研究奠下了基础。(3)完成了高温钻进实验材料方法以及相关计算工作选择花岗岩、玄武岩和砂岩三种岩石样品,对其常温和高温可钻性进行了测试;设计制造了φ59mm的孕镶金刚石钻头和PDC钻头各两只;筛选并测试了高温循环介质;运用多相流体力学的相关知识,对岩粉净化方案进行了设计和计算,得出了岩粉滤网设置的最佳高度和沉淀静置时间等重要参数;运用Solidworks Flow Simulation的热传导计算功能,对岩石在循环介质的加热过程进行模拟计算,获得了将岩石内部温度加热至稳定均匀所需的时间参数。(4)开展了金刚石钻头高温钻进实验孕镶金刚石钻进实验结果表明:300℃实时高温下,孕镶金刚石钻进花岗岩、玄武岩以及砂岩的钻进速度有不同程度提高,其中花岗岩提高25%,玄武岩提高7%,砂岩提高50%;从扭矩数据分析,花岗岩高温下扭矩上升25%,玄武岩下降11%,砂岩增加18%;从破碎比功角度分析,花岗岩的破碎比功基本不受高温影响,而玄武岩高温下的破碎比功降低了20%,砂岩降低26%;从磨损角度分析,高温下钻头唇面的磨损会加剧。PDC钻进结果实验结果表明:PDC钻进实验结果表明:与常温相比,300℃高温条件下PDC钻进砂岩的钻进速度大幅提高,提高幅度达到240%,破岩比功降低超过50%。PDC钻头钻进花岗岩和玄武岩时,钻进速度较低,随温度的升高逐渐下降,300℃下钻进花岗岩降低了20%,钻进玄武岩时速度仅为常温时的1/6。在破碎比功方面,高温条件下PDC钻进花岗岩比功为常温时的4倍以上;高温钻进玄武岩时,破碎比功达到为常温时的10倍以上。总体结果表明,孕镶金刚石钻头适合于在300℃高温硬岩地层的钻进。300℃条件下PDC钻头依然不适用于钻进花岗岩和玄武岩等硬岩。