本文關(guān)鍵詞：高溫條件下金剛石鉆頭鉆進實驗研究

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【摘要】：地球是人類賴以生存的家園,地球資源是經(jīng)濟社會不斷向前發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。地球深部探索是解決人類資源、能源和環(huán)境問題的必由之路。目前,深部油氣勘探最深已達到10km,深部科學(xué)鉆探最深更是超過12km。而隨著深度的增加,地層溫度不斷上升,按照30℃/km的地殼平均地溫梯度計算,超10km的鉆井井底地層溫度將超過300℃。埋藏于幾千米地下、溫度在150℃以上的干熱巖作為開采潛力巨大的清潔能源,被各國視為解決能源與環(huán)境問題的關(guān)鍵化石燃料替代能源。然而,無論是超深油氣勘探、超深科學(xué)鉆探還是干熱巖的勘探開發(fā),都需要在高溫地層中鉆進。金剛石鉆進是一種先進的回轉(zhuǎn)鉆進技術(shù),在油氣勘探和地質(zhì)勘查工作中應(yīng)用廣泛,也是目前科學(xué)鉆探、深部油氣勘探和干熱巖勘探開發(fā)中所采取的主要鉆進方式。隨著溫度的升高,巖石的性質(zhì)會發(fā)生很大的變化,例如強度降低、塑性增強,可鉆性發(fā)生變化;同時高溫對鉆進技術(shù)也會產(chǎn)生很大影響,例如鉆井液攜粉能力降低、井壁失穩(wěn)、鉆頭磨損加劇等。另一方面,金剛石材料受熱容易產(chǎn)生熱損傷從而導(dǎo)致耐磨性下降。但到目前為止,針對金剛石鉆頭鉆進高溫地層的研究少見報道,金剛石鉆頭在高溫地層中鉆進碎巖的特征與規(guī)律尚未有深入的專門研究。本文以深部油氣勘探、深部科學(xué)鉆探以及干熱巖鉆井中,金剛石鉆頭需要在高溫地層中進行碎巖鉆進為研究的出發(fā)點,立足于金剛石鉆頭材料、巖石、循環(huán)介質(zhì)、鉆進實驗裝置以及實驗方法5個要素,研究了溫度對金剛石鉆進的影響,揭示了不同溫度條件下孕鑲金剛石鉆頭和PDC鉆頭鉆進不同巖石的特征和一般規(guī)律,并對高溫下金剛石鉆頭碎巖與磨損機理進行了分析和探討。論文主要的研究工作和相關(guān)結(jié)論如下:(1)綜合測試和分析了多種金剛石鉆頭材料高溫條件下的性能變化規(guī)律熱重分析結(jié)果表明:單晶金剛石、聚晶金剛石和PDC三種材料在700℃左右開始發(fā)生明顯的熱失重效應(yīng)。實時高溫強度測試結(jié)果表明:在0~350℃實時溫度下,隨著溫度升高,孕鑲材料的抗彎強度先升高后降低,斷裂前變形量先減小后增高,100℃時強度提高約10%,350℃時強度降低約10%。0~1000℃高溫后的強度和耐磨性研究結(jié)果表明:單晶金剛石顆粒靜壓強度隨溫度升高不斷降低,600℃高溫后強度降低接近30%,800℃后降低40%,1000℃時氧化殆盡;孕鑲金剛石材料高溫后強度隨溫度升高不斷上升,800℃后升高20%,1000℃熔融;PDC材料耐高溫能力在800℃以下;孕鑲材料耐磨性隨溫度升高逐減弱,600℃之前趨勢緩慢,600℃之后加速下降,800℃后耐磨性降低30%;PDC材料耐磨性隨溫度上升緩慢降低,600℃時降低了10%左右。(2)研制了可模擬0~300℃高溫地層鉆進的試驗裝置分析和提出了高溫鉆進試驗裝置的功能需求和參數(shù)指標(biāo)要求,并根據(jù)指標(biāo)要求計算了裝置加熱需求功率和液壓傳動需求功率,完成了高溫鉆進試驗裝置各系統(tǒng)的設(shè)計和加工,為后續(xù)的高溫鉆進試驗提供了關(guān)鍵設(shè)備條件,為后續(xù)實驗和研究奠下了基礎(chǔ)。(3)完成了高溫鉆進實驗材料方法以及相關(guān)計算工作選擇花崗巖、玄武巖和砂巖三種巖石樣品,對其常溫和高溫可鉆性進行了測試;設(shè)計制造了φ59mm的孕鑲金剛石鉆頭和PDC鉆頭各兩只;篩選并測試了高溫循環(huán)介質(zhì);運用多相流體力學(xué)的相關(guān)知識,對巖粉凈化方案進行了設(shè)計和計算,得出了巖粉濾網(wǎng)設(shè)置的最佳高度和沉淀靜置時間等重要參數(shù);運用Solidworks Flow Simulation的熱傳導(dǎo)計算功能,對巖石在循環(huán)介質(zhì)的加熱過程進行模擬計算,獲得了將巖石內(nèi)部溫度加熱至穩(wěn)定均勻所需的時間參數(shù)。(4)開展了金剛石鉆頭高溫鉆進實驗孕鑲金剛石鉆進實驗結(jié)果表明:300℃實時高溫下,孕鑲金剛石鉆進花崗巖、玄武巖以及砂巖的鉆進速度有不同程度提高,其中花崗巖提高25%,玄武巖提高7%,砂巖提高50%;從扭矩數(shù)據(jù)分析,花崗巖高溫下扭矩上升25%,玄武巖下降11%,砂巖增加18%;從破碎比功角度分析,花崗巖的破碎比功基本不受高溫影響,而玄武巖高溫下的破碎比功降低了20%,砂巖降低26%;從磨損角度分析,高溫下鉆頭唇面的磨損會加劇。PDC鉆進結(jié)果實驗結(jié)果表明:PDC鉆進實驗結(jié)果表明:與常溫相比,300℃高溫條件下PDC鉆進砂巖的鉆進速度大幅提高,提高幅度達到240%,破巖比功降低超過50%。PDC鉆頭鉆進花崗巖和玄武巖時,鉆進速度較低,隨溫度的升高逐漸下降,300℃下鉆進花崗巖降低了20%,鉆進玄武巖時速度僅為常溫時的1/6。在破碎比功方面,高溫條件下PDC鉆進花崗巖比功為常溫時的4倍以上;高溫鉆進玄武巖時,破碎比功達到為常溫時的10倍以上�？傮w結(jié)果表明,孕鑲金剛石鉆頭適合于在300℃高溫硬巖地層的鉆進。300℃條件下PDC鉆頭依然不適用于鉆進花崗巖和玄武巖等硬巖。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P634.41

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