解決深部硬地層提速降本鑽進難題：鑽井岩石破碎學
石油與天然氣的安全供給是國家的重大戰略需求，國內油氣資源勘探開發是保障油氣安全的重要途徑。在我國剩餘油氣資源中，深層（超深層）油氣資源豐富，據全國第三次資源評價成果統計，深層石油資源量爲304億噸，佔石油總資源量的40%；深層天然氣資源量爲29.12萬億立方米，佔天然氣總資源量的60%，深層（超深層）油氣將成爲我國油氣勘探的重大接替領域。但是，我國深層（超深層）油氣藏鑽井的難度世界罕見：井底岩石高強度、高研磨性、非均質等導致鑽頭壽命短、鑽速慢、鑽井成本高的問題異常突出。深部硬地層的高效低成本鑽進是深井超深井鑽井中的首要技術問題，是制約我國向陸上油田深部地層及深海邁進的技術關鍵。因此，開展針對深部硬地層的高效破巖方法和破巖機理研究，提高鑽頭破巖效率是解決深部硬地層提速降本難題的關鍵。
▲ 鑽齒破巖過程岩石塑-脆性臨界破碎轉變及評價指標
爲了解決深部難鑽地層岩石的高效破碎問題，西南石油大學“鑽井提速”研究團隊基於岩石力學、斷裂力學、能量耗散相關理論，通過理論分析、數值模擬與室內實驗相結合的研究方法系統地揭示硬巖在鑽齒作用下的裂紋萌生和擴展、損傷演化、岩屑形成、塑-脆性破碎轉變、機械比功、塑性耗能比、岩石破碎效率、異形齒破巖機理及選齒方法等問題。從破巖比功角度出發建立了岩石塑-脆性破碎轉變臨界切削深度計算模型，確定了岩石塑-脆性破碎轉變臨界切削深度，提出利用塑性耗能比來評價鑽齒破巖效率的新方法，構建了以塑性耗能比和塑-脆性破碎轉變臨界切削深度爲核心的鑽齒高效破巖方法；建立了綜合考慮鑽齒破巖效率、幾何形狀、壽命及磨損條件下的異形PDC齒綜合選齒理論模型，從根本上揭示了異形齒的破巖機理差異，爲深部難鑽地層鑽齒優選提供了理論依據。
《》特色突出，集理論研究、實驗驗證、系統仿真於一體，兼具理論深度和實用價值，是一部不可多得的解決深部難鑽地層岩石高效破碎的專著。
楊春和
中國工程院院士
中國科學院武漢岩土力學研究所
二〇二二年一月十五日
《》（祝效華，劉偉吉著. 北京：科學出版社，2022.10）針對深部硬地層破巖效率低和鑽進速度慢的問題，以兩種典型硬巖（淺紅色花崗岩和灰白色花崗岩）爲研究對象，開展了鑽齒切削/侵入破巖室內實驗，分析了鑽齒侵入/切削花崗岩的破巖比功、岩屑形成及塑-脆性破碎轉變臨界機理等，並從破巖比功角度出發確定了塑-脆性破碎轉變的臨界切削深度，提出利用塑性耗能比來評價鑽齒作用下岩石破碎效率的新方法，並結合顆粒流軟件發展了基於圖像處理的Grain-based Model（GBM），形成了非連續巖體裂隙精細化表徵方法，揭示了花崗岩在鑽齒作用下的細觀破碎機制；基於有限-離散元方法建立了花崗岩的三維非均質模型，分析了異形齒的破巖機理，建立了異形齒的綜合選齒模型，對13種異形PDC齒的破巖性能進行了評價，並優選了針對花崗岩的最佳齒形；針對研磨性地層設計了個性化鑽頭，基於流-固-熱三場耦合理論對鑽頭進行優化，鑽頭應用取得了較好的提速效果。
▲ 鑽頭現場使用圖
本書的具體內容如下：
第1章爲緒論。主要介紹我國現階段深部油氣開採鑽井提速所面臨的挑戰，全面介紹國內外鑽頭的發展情況，最後引出岩石塑-脆性破碎轉變臨界現象和以塑性耗能比爲指標的岩石破碎效率評價的新方法。
第2章爲硬巖物理力學特性及可鑽性。主要介紹岩石力學及實驗中涉及的一些基本概念，並以兩種花崗岩爲研究對象，開展相關的物理力學實驗及不同圍壓下的可鑽性實驗。
第3章爲鑽齒侵入破碎硬巖機理研究—以非均質花崗岩爲例。主要通過室內實驗的方法，研究不同齒形侵入岩石過程中的侵入力與侵入深度、微觀破碎、裂紋擴展、塑-脆性破碎轉變及塑性耗能比的變化規律；提出塑性耗能比概念，並提出利用塑性耗能比來評價岩石破碎效率的方法，討論塑性耗能比和岩石破碎效率的關係；建立花崗岩的非連續裂隙精細化表徵方法，並開展大量數值模擬分析，從微宏觀多尺度再現了花崗岩的破裂過程。
第4章爲鑽齒切削破碎硬巖機理研究—以非均質花崗岩爲例。主要通過理論推導和室內實驗相結合的方法研究鑽齒切削作用下岩石的裂紋擴展、岩屑形成、破巖比功、塑-脆性破碎轉變以及塑性耗能比等問題，提出以破巖比功作爲參量研究岩石塑-脆性破碎轉變的方法，並建立塑性耗能比的計算模型。
第5章爲異形齒破巖機理及綜合選齒理論。利用有限-離散元方法建立花崗岩的非均質模型，分析異形齒的破巖機理；建立異形齒的綜合選齒模型，對13種異形PDC齒的破巖性能進行了評價，並優選針對花崗岩的最佳齒形。
第6章爲高效破巖鑽頭設計及優化。根據具體地層設計15種相關類型的PDC鑽頭，通過全尺寸鑽頭破巖及全井鑽柱動力學特性仿真優選最佳PDC鑽頭，並建立PDC鑽頭破巖過程的流-固-熱三場耦合流場模型，對PDC鑽頭的噴嘴進行了優化。
第7 章爲高效破巖鑽頭現場應用。根據優化得到的最優鑽頭模型，進行鑽頭實物加工，並在XXX-05BX1井進行現場應用。
《第一作者祝效華教授長期從事鑽井提速的研究工作，並取得了可喜的進展。他開展的鑽井提速研究主要涉及三個方面：研究全井鑽柱動力學主要用於提高地面動力的傳遞效率、減少沿程消耗；研製系列提速鑽具主要是通過增加額外的井下動力以及施加衝擊實現提速；研究的岩石破碎則是用於優化鑽頭和鑽井參數以實現提速。他承擔了多項國家自然科學基金項目、國家重點研發計劃課題、國家油氣重大專項子課題、國際合作項目。他的研究工作對促進我國鑽井提速理論與方法的發展起到了較爲重要的作用。以往在鑽井破巖研究中通常假定岩石是塑性連續體，十年前他提出要從裂紋擴展和能量有效利用率兩個角度研究鑽井破巖，並把使用了幾十年的“破巖比功”這一核心鑽井破碎效率評價指標深化爲彈性功消耗、塑性功消耗、脆性功消耗，提出提速評價要重點關注脆性功消耗，提速也應該側重於提高脆性功消耗佔比這一思想。
他們的研究工作將有力推動“精細化”和“低成本”鑽井，該研究可以用於針對不同井下工況，優化最適宜的鑽井參數和定製設計鑽頭。此外還能進一步充實岩石破碎學的內容，促進岩石破碎學的深入研究，完善岩石破碎的理論體系。
孫金聲
中國工程院院士
二〇二二年一月十六日
本文摘編自《鑽井岩石破碎學》（祝效華，劉偉吉著. 北京：科學出版社，2022.10）一書“前言”“序一”“序二”，有刪減修改，標題爲編者所加。
ISBN 978-7-03-071834-1
責任編輯：羅 莉
本書針對深部硬地層鑽頭破巖效率低和鑽井成本高的問題，以典型硬脆性花崗岩爲研究對象，通過理論分析、計算機數值模擬與室內實驗相結合的方法系統研究了非均質花崗岩在鑽齒作用下的宏細觀破碎機理；建立了岩石塑-脆性破碎轉變臨界切削深度計算模型，提出利用脆性耗能比來評價鑽齒作用下岩石破碎效率的新方法，將傳統塑性切削破巖理論拓展到塑-脆性破碎轉變臨界理論；此外，分析了異形PDC 齒切削破巖機理，建立了綜合考慮破巖效率、鑽齒形狀及磨損條件下的異形PDC齒綜合選齒模型，爲鑽頭個性化選齒及布齒設計提供了理論依據。本書可供石油工程、鑽井工程、岩土工程等專業領域的研究生和技術人員參考使用。
（本文編輯：劉四旦）
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