高温高压岩体三轴试验大试样设计与试验研究

高温高压岩体三轴试验大试样设计与试验研究

1高温、高压下人工高效钻头的研制地热资源是一种清洁的绿色能源。利用该材料可以提高人们的生活质量和品味，减少污染，具有显著的经济和环境效应。世界许多国家都在积极开发地热能源,早在20世纪70年代,美国就开始在新墨西哥州的芬登山(FentonHill)实施了高温岩体地热开发试验基地;日本在1966年建立了第一座地热站,到2000年共建成16个地热发电厂,总装机容量为500×104kW。我国是世界能源消耗大国之一,面对常规能源供给日趋紧张的形势,适时调整我国的能源战略,努力开发新型能源,已经迫在眉睫。地热开采过程中首先遇到的就是钻探问题,普通温度及压力下的破岩技术已经基本成熟。随着钻探深度的增加,地应力越来越大,岩石温度也会逐渐升高,在高温高压状态下,岩石的性质会发生很大变化,如塑性增强、强度降低等。万志军等研究得出,在三轴应力条件下,花岗岩弹性模量在200℃以下随温度升高缓慢减小,超过200℃后减小速率大大增加,但超过400℃后,弹性模量几乎保持不变。王靖涛等提出在花岗岩断裂韧度随温度升高的变化过程中,存在一门槛温度Tc=200℃;当温度超过200℃后,花岗岩的弹性模量、单轴抗压强度随温度升高迅速单调下降(该研究中最高温度为300℃)。PDC钻头一般用来钻进中等硬度以下的岩石。魏昕等[3~5]通过研究发现,浸水条件下切削花岗岩的切削力较干切削状态明显减小,并研究了切削花岗岩的过程中微裂纹的产生与扩展机制。张晓东等研究了切削参数与切削效果的关系:钻速与钻压成正比,且与转速成正比,而与井底接触面积成反比。但这些只是在室温无围压状态下的研究结果。北京、山东等地区的地热开采钻井一般是在100℃左右,深度2000m以内进行的,属于低温低压状态。日本科研人员在20世纪90年代研制了PDC取芯钻头用于高温地热开采,在温度250℃、深度1900m的岩层中钻孔取得了较好的效果。但这也仅是在一种温度状态下固定钻进参数进行的现场试验,得出的数据是比较粗略的,其重点是钻头的研制,对高温下花岗岩的切削破碎规律研究较少。为了深入、系统地研究花岗岩在高温高压状态下的切削破碎规律,为高温地热井高效钻头的研制和新型钻探方法的改进提供理论依据,笔者利用中国矿业大学“20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”及自主研制的钻进系统,采用大尺寸鲁灰花岗岩试样(尺寸为φ200mm×400mm,密度为2.71g/cm3)深入系统地研究了高温及三轴应力条件下花岗岩的切削规律。整个试验历时约40d,耗费了大量人力物力,初步揭示了围压100MPa(约相当于地下4000m深度)条件下花岗岩在不同温度时的切削破碎规律。2试验介绍2.1试样尺寸、参数控制和钻机安装试验主要依托中国矿业大学的“20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”。该试验机主要参数如下:(1)轴压公称力10000kN;(2)侧压公称力10000kN;(3)试样最大轴向压力318MPa,最大侧向固体传压压力250MPa,最大孔隙压力250MPa;(4)试样尺寸φ200mm×400mm;(5)钻机最大行程450mm,施加静压200kN,回转扭矩500N·m;(6)试样最高加热稳定温度600℃;(7)应力、变形、进出水口孔隙水压力、温度、钻机扭矩等参数全自动采集。为了进行本次试验,笔者等在主试验机上研制、安装了钻进控制系统,钻杆旋转系统由电机的竖向齿轮带动水平齿轮旋转,从而带动钻杆旋转。由电机的转速(主控制台有电机转速显示,可以自由调节),根据竖向和水平齿轮的齿数比来计算钻杆的转速;钻压利用连接在钻杆顶上的液压缸来获得,通过控制液压缸的流量来控制钻压的大小;扭矩通过主控台的扭矩仪测得。钻进控制系统如图1所示。2.2岗岩试样加工切削钻头采用φ30mm的普通PDC钻头(见图2),与六棱杆连接(螺纹连接),花岗岩试样采自山东平邑(鲁灰花岗岩),灰白色、致密,主要成分为石英、长石、角闪石、黑云母、白云母及少量胶结物。花岗岩试样加工成直径为200mm,高410mm的圆柱体,为天然含水状态,试样基本尺寸和加工精度符合岩石试验标准。排渣使用水流排渣。2.3试样温度设置因为岩石性质同时受温度和围压的影响,这两个因素若都考虑,问题会变得更加复杂。在本试验温压范围内,影响花岗岩脆塑性转化的首要因素是温度,其次是围压。所以本次试验在保持围压不变(100MPa,约相当于4000m深度)的情况下对不同温度的岩石试样进行测试。试验共用3个试样,温度状态设定为3个档次:第一个试块为室温状态(约20℃);第二个试样加热至150℃;第三个试样加热至300℃(加热速率约为10℃/h,加到预定温度后保温7~10h,保证试样加热均匀)。在每个试样上采用不同的钻压和转速进行正交试验,测定每种破岩参数下钻进速度和扭矩,计算不同钻进参数下的单位破岩能耗,得出高温高压环境下的切削破岩规律。3试验结果及分析(1)热裂化+旋转围压为100MPa时,在相同转速条件下,钻压与温度对切削速度的影响见图3。转速为15r/min,温度从20℃升高到150℃时,切削速度增大较明显,平均增幅约为24%。说明在150℃时花岗岩的断裂韧度明显降低。其原因是:因为花岗岩是非均匀的混合结晶体,在150℃时,由于各种矿物颗粒的不同热膨胀率以及各向异性颗粒的不同结晶方位具有不同的热弹性性质,引起跨颗粒边界的热膨胀不协调,从而造成颗粒间或颗粒内部的拉或压应力,足以产生微小裂纹,或使原生微裂纹进一步增大,产生了热裂化,再加上使用冷水排渣,对高温花岗岩起到了进一步热破裂的作用;温度从150℃变化到300℃时,钻压为755N时切削速度增幅约为17%,而钻压为566和377N时的切削速度增幅几乎为0。分析原因认为:切削速度为0.3mm/s时,PDC刮刀每转一周吃入深度为1.2mm,据魏昕等的研究,刀面的挤压作用在岩石中形成的应力场对花岗岩破碎过程中裂纹产生与扩展起主要作用,即切削区的裂纹主要是在切削应力作用下产生与扩展的。当花岗岩试样温度从150℃升高到300℃时,其断裂韧度继续下降,单轴抗压强度继续降低,但仍属脆性破裂,这种脆性坚硬岩石几乎不存在弹塑性变形区,而且一次破碎后的下部岩石并无残余变形。在温度达到300℃时,377,566N的钻压仍然不足以克服此时花岗岩的单轴抗压强度,不能增加PDC刮刀刃的吃入深度,所以这两种钻压下的切削速度增幅几乎为0。755N钻压则能有效地增加PDC刮刀刃的吃入深度,切削速度增幅较大。由此可以看出,花岗岩在300℃时虽然强度降低,但必须超过一定的钻压值才能有效地提高切削速度。低于此钻压值时温度对切削速度的影响就很微弱。在相同的温度与转速情况下,切削速度随着钻压的增加而明显增大。在温度为300℃时,钻压为377N时的切削速度为0.4000mm/s,钻压为755N时切削速度为0.7647mm/s,增幅约为91%,与刘泉声等研究得到的室温条件下的切削规律一致。(2)相同温度与钻压下各地层的热效应围压为100MPa时,在相同钻压条件下,转速与温度对切削速度的影响见图4。由图4可以看出,钻压为377N,温度从20℃变化到150℃时,3种转速下切削速度增幅平均为18%,温度从150℃变化到300℃时切削速度增幅则很小。这是由于钻压太小,PDC刮刀刃吃入深度几乎没有增加。在相同温度与钻压情况下,切削速度随着转速增加而明显增大。在温度为300℃,转速为15r/min时,切削速度为0.4000mm/s,转速为50r/min时,切削速度为0.8667mm/s,增幅约为116%。这与室温条件下机械转速与切削速度成正比的规律基本一致。为了验证以上钻压对转速的影响规律,图5给出了钻压为755N时,转速与温度对切削速度的影响。钻压为755N时,温度从150℃变化到300℃时,3种转速下切削速度平均增幅约为17%。因为随着温度升高,花岗岩的断裂韧度和单轴抗压强度逐渐减小,在755N钻压下,PDC刮刀刃吃入深度增加明显,所以切削速度明显增大。由以上分析可知:花岗岩在温度从20℃升高到150℃时,单轴抗压强度和断裂韧度明显下降;温度从150℃升高到300℃时,其单轴抗压强度继续降低。在这期间花岗岩属于渐进破坏,必须超过一定的钻压值,PDC刮刀刃吃入深度才能有效增大,切削速度才能明显提高。(3)破岩能耗及温度由于该钻机系统不容易准确地收集渣粉,所以本文利用“单位破岩能耗a=钻机做功W/破岩体积V”来计算单位破岩能耗。其中钻机做功W可表示为式中:M为扭矩(N·m),t为钻进时间(s),n为钻头转速(r/min)。因为推力做功约为扭矩做功的1/100,故忽略不计。破岩体积V可表示为式中:s为钻进进尺(mm)。因此单位破岩能耗a可表示为对图3各点计算得出单位破岩能耗数据如图6所示。转速为15r/min,温度从20℃变化到150℃时,不同钻压下单位破岩能耗降幅平均为15%;温度从150℃升高到300℃,钻压为566和755N时其单位破岩能耗降幅平均为15%,而钻压为377N时,其单位破岩能耗增幅约为22%。这说明花岗岩随着温度升高可切削性逐渐增强,粒间或粒内应力逐渐增大,产生了微小裂纹,使岩石由主要受剪切力破碎逐渐转化为受拉应力破坏,在超过一定的钻压下单位破岩能耗会随着温度升高逐渐降低;如果钻压太低则破岩效率受温度影响很小。在相同温度与转速情况下,单位破岩能耗随着钻压值的增加而明显减小。温度为300℃,钻压为377N时a=0.4219J/mm3,钻压为755N时a=0.2533J/mm3,降幅约为40%。对图5各点计算得出单位破岩能耗数据如图7所示。钻压为755N,温度从20℃变化到150℃时,不同转速对应的单位破岩能耗平均降幅约为15%;温度从150℃升高到300℃时,单位破岩能耗平均降幅约为10%。这说明,在超过一定的钻压后,单位破岩能耗会随着温度升高逐渐降低。钻压为755N时,3个温度点的单位破岩能耗都是随着转速的增大而明显增大。其中300℃时,转速为50r/min时的单位破岩能耗比转速为15r/min时增大约30%。(4)转速和钻压对破岩能耗的影响在围压为100MPa,温度为300℃时,切削参数与切削速度、单位破岩能耗的关系分别如图8,9所示。在围压为100MPa,温度为300℃状态下,PDC钻头在花岗岩试样中的切削速度与钻头转速和钻压有密切关系,如果钻压为固定值,切削速度随着转速的增大而增大;如果转速为固定值,切削速度则随着钻压的增大而增大。在围压为100MPa,温度300℃状态下,如果钻压不变,单位破岩能耗随着转速的增加而增大;如果转速不变,单位破岩能耗随着钻压的增大而减小。以上高温高压条件下花岗岩的切削破碎规律与室温无围压状态下的规律相同。4高温下钻头强度试验在高温时,PDC钻头上的金刚石片会有轻微的碳化,影响钻头的强度,这种情况在试验中是应该避免的。本试验所使用的钻头最高工作环境温度为500℃,但是在300℃高温时钻头强度会略有降低,这从试验后的钻头磨损情况对比可以看出来(如图10所示)。可以看出,300℃试验后的钻头要比20℃试验后的钻头磨损稍微严重一些,说明高温下钻头强度降低了。如果钻头的强度完全不受工作环境影响,那么高温下的切削速度还会大一些,单位破岩能耗还会小一些,因为比较复杂,这里只作定性的讨论。5转速和钻压的关系本文利用“20MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”,通过试验系统地研究了φ200mm×400mm的大尺寸花岗岩试样在高温及三轴应力(100MPa)条件下的切削破碎规律,得到以下结论:(1)本次试验研制安装的钻进控制系统功能齐全,采集数据准确方便,完全能满足试验需要。该系统可以通过调节钻杆驱动电机的转速(主控台可以控制和显示电机转速),根据竖向和水平齿轮的齿数比来计算钻头的转速;可以通过控制液压缸输出端的压强来控制钻压的大小;测量扭矩时因为钻机转速小于600r/min,所以需要打开补偿电机即可测得准确的扭矩值。(2)在高围压状态下,随着温度升高,花岗岩的可切削性逐渐增强,在超过一定的钻压时,钻进速度随着温度的升高而明显增大。例如本试验中,在755N钻压下,300℃时比20℃(室温)时的钻进速度增大30%~50%。可以看出,随着温度升高,花岗岩逐步由脆性变形向韧性变形和塑性变形转化。(3)在高围压状态下,随着温度升高,花岗岩切削破碎的单位破岩能耗逐渐降低,破岩效率逐渐提高。这是由于随着温度升高,花岗岩颗