气体钻井动态低温条件下岩石破坏机理研究

Gas drilling can be used to reduce formation damage while significantly increase rate of penetration. However, because the mechanism of rock failure in gas drilling is not fully inderstood, it is difficult to optimize drilling parameter, resulting in hole enlargement, hole deviation, and ice-balling of drill bit. These problems hinder the application of the gas drilling technology. Due to the Joule-Thomson cooling effect, the gas expansion at the drill bit causes temperature to drop. This cooling effect has double effects on drilling operations. Its positive effect is that the cooling causes the contraction of rock which release rock stress and failure rock under the mechanical action of bit teeth. Its negative effects inlcude condensation and freezing of water vapour around the bit, which can significantly reduce the rate of penetration. In order to promote the positive effect and depress the negative effects of the cooling phenomenon, this project will experimentally and numerically investigate the effects of dynamic temperature on rock failure, analyze the effects of the temperature differential between the drilling fluid and rock and cooling rate on the drillability of rock. This project will study the failure mechanism and failure condition of rock under complex drilling conditions. It will fgurther study cutting refragmentation and particle size distribution during the process of drill cuttings returning to surface. The results of the project will provide a scientific base for optimizing gas drilling design.

气体钻井可以显著降低地层污染并大幅度提高机械钻速。但由于钻头破岩机理尚不十分清楚，难以优化钻井参数，导致钻井过程中经常出现扩径、井斜和钻头冰包等问题，严重影响该技术的推广应用。根据焦耳-汤姆森效应，流体通过钻头喷嘴后由于压力骤降体积膨胀而吸收热量，导致井底温度下降。该致冷效应有双重影响。一是正面效应：冷却造成井底岩石收缩，加速岩石应力卸载，并在钻头牙齿的作用下破碎。二是负面效应：低温导致注入气中的水汽凝析及地层水凝结，形成钻头冰包，降低钻速。为了兴利抑弊，本项目拟在对动态低温作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究的基础上，分析钻井流体与井底岩石的温度差及冷却速度对岩石可钻性的影响，并进行变温度条件下的岩石可钻性试验。研究气体钻井复杂多物理场条件下的岩石破碎机理及破坏条件，进而研究岩屑上返过程中破碎规律及岩屑粒度分布，为气体钻井优化设计提供科学依据。

气体钻井过程由于焦耳—汤姆逊效应的存在，使得井底岩石温度低于地层岩石温度，由此产生的温度梯度和热应力，改变了井底岩石应力状态，使井底岩石强度发生变化，进而影响气体钻井井底岩石破碎机理。本文在详细分析气体钻井井底附近岩石温度分布的基础上，首先分析了井筒中的温度、压力分布，然后建立了气体钻井低温井底岩石温度分布模型，之后建立了井底低温热应力分布模型，最后建立井底岩石应力分布模型，从力学角度解释气体钻井井底岩石破碎机理。，采用室内试验方法研究低温对机械钻速的影响。 .计算了焦耳—汤姆逊效应影响下的井底气体温度，分析喷嘴上下游压力和温度之间的关系。考虑井筒传热、钻柱和环空等因素的影响，计算了气体钻井井筒温度和压力分布规律。基于热传导理论、弹塑性力学、岩石工程热物理等理论，建立了气体钻井井底岩石温度分布模型，给出模型的解析解。依据井底岩石温度分布模型建立井底岩石热应力模型，给出模型的解析解，分析热应力对井底岩石的影响。通过摩尔库伦准则，对岩石的内聚力变化进行了分析，得出随着冷却时间的加长，岩石强度迅速降低，有利于岩石的破坏。通过引入井底岩石裂纹尖端应力强度因子，对钻头载荷和热应力共同作用下的井底岩石裂纹扩展失稳进行了分析，在热应力的作用下岩石，裂纹的抗扩展阻力存在一个极小值，同时解释了气体钻井岩屑粒度较小的原因。最后，对砂岩岩样进行液氮冷却试验，并对其进行声波实时测量，得出随着温度的降低，波速呈线性衰减，声波的首波波幅也有明显的延迟，说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。.采用室内试验的方法，在模拟井底温度、压力等钻进条件下，进行低温对气体钻井机械钻速影响实验。模拟常温恒定注气速度、变温恒定注气速度和常温不同注气速度条件下的钻头破岩机械钻速。对实验结果进行了分析，得出了不同温度条件下，气体钻井的机械钻速影响规律，可为钻井现场施工参数设计提供理论指导。