高溫高壓巖體三軸試驗大試樣設(shè)計與試驗研究

1高溫、高壓下人工高效鉆頭的研制地?zé)豳Y源是一種清潔的綠色能源。利用該材料可以提高人們的生活質(zhì)量和品味，減少污染，具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效應(yīng)。世界許多國家都在積極開發(fā)地?zé)崮茉?早在20世紀(jì)70年代,美國就開始在新墨西哥州的芬登山(FentonHill)實施了高溫巖體地?zé)衢_發(fā)試驗基地;日本在1966年建立了第一座地?zé)嵴?到2000年共建成16個地?zé)岚l(fā)電廠,總裝機容量為500×104kW。我國是世界能源消耗大國之一,面對常規(guī)能源供給日趨緊張的形勢,適時調(diào)整我國的能源戰(zhàn)略,努力開發(fā)新型能源,已經(jīng)迫在眉睫。地?zé)衢_采過程中首先遇到的就是鉆探問題,普通溫度及壓力下的破巖技術(shù)已經(jīng)基本成熟。隨著鉆探深度的增加,地應(yīng)力越來越大,巖石溫度也會逐漸升高,在高溫高壓狀態(tài)下,巖石的性質(zhì)會發(fā)生很大變化,如塑性增強、強度降低等。萬志軍等研究得出,在三軸應(yīng)力條件下,花崗巖彈性模量在200℃以下隨溫度升高緩慢減小,超過200℃后減小速率大大增加,但超過400℃后,彈性模量幾乎保持不變。王靖濤等提出在花崗巖斷裂韌度隨溫度升高的變化過程中,存在一門檻溫度Tc=200℃;當(dāng)溫度超過200℃后,花崗巖的彈性模量、單軸抗壓強度隨溫度升高迅速單調(diào)下降(該研究中最高溫度為300℃)。PDC鉆頭一般用來鉆進中等硬度以下的巖石。魏昕等[3~5]通過研究發(fā)現(xiàn),浸水條件下切削花崗巖的切削力較干切削狀態(tài)明顯減小,并研究了切削花崗巖的過程中微裂紋的產(chǎn)生與擴展機制。張曉東等研究了切削參數(shù)與切削效果的關(guān)系:鉆速與鉆壓成正比,且與轉(zhuǎn)速成正比,而與井底接觸面積成反比。但這些只是在室溫?zé)o圍壓狀態(tài)下的研究結(jié)果。北京、山東等地區(qū)的地?zé)衢_采鉆井一般是在100℃左右,深度2000m以內(nèi)進行的,屬于低溫低壓狀態(tài)。日本科研人員在20世紀(jì)90年代研制了PDC取芯鉆頭用于高溫地?zé)衢_采,在溫度250℃、深度1900m的巖層中鉆孔取得了較好的效果。但這也僅是在一種溫度狀態(tài)下固定鉆進參數(shù)進行的現(xiàn)場試驗,得出的數(shù)據(jù)是比較粗略的,其重點是鉆頭的研制,對高溫下花崗巖的切削破碎規(guī)律研究較少。為了深入、系統(tǒng)地研究花崗巖在高溫高壓狀態(tài)下的切削破碎規(guī)律,為高溫地?zé)峋咝с@頭的研制和新型鉆探方法的改進提供理論依據(jù),筆者利用中國礦業(yè)大學(xué)“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機”及自主研制的鉆進系統(tǒng),采用大尺寸魯灰花崗巖試樣(尺寸為φ200mm×400mm,密度為2.71g/cm3)深入系統(tǒng)地研究了高溫及三軸應(yīng)力條件下花崗巖的切削規(guī)律。整個試驗歷時約40d,耗費了大量人力物力,初步揭示了圍壓100MPa(約相當(dāng)于地下4000m深度)條件下花崗巖在不同溫度時的切削破碎規(guī)律。2試驗介紹2.1試樣尺寸、參數(shù)控制和鉆機安裝試驗主要依托中國礦業(yè)大學(xué)的“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機”。該試驗機主要參數(shù)如下:(1)軸壓公稱力10000kN;(2)側(cè)壓公稱力10000kN;(3)試樣最大軸向壓力318MPa,最大側(cè)向固體傳壓壓力250MPa,最大孔隙壓力250MPa;(4)試樣尺寸φ200mm×400mm;(5)鉆機最大行程450mm,施加靜壓200kN,回轉(zhuǎn)扭矩500N·m;(6)試樣最高加熱穩(wěn)定溫度600℃;(7)應(yīng)力、變形、進出水口孔隙水壓力、溫度、鉆機扭矩等參數(shù)全自動采集。為了進行本次試驗,筆者等在主試驗機上研制、安裝了鉆進控制系統(tǒng),鉆桿旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由電機的豎向齒輪帶動水平齒輪旋轉(zhuǎn),從而帶動鉆桿旋轉(zhuǎn)。由電機的轉(zhuǎn)速(主控制臺有電機轉(zhuǎn)速顯示,可以自由調(diào)節(jié)),根據(jù)豎向和水平齒輪的齒數(shù)比來計算鉆桿的轉(zhuǎn)速;鉆壓利用連接在鉆桿頂上的液壓缸來獲得,通過控制液壓缸的流量來控制鉆壓的大小;扭矩通過主控臺的扭矩儀測得。鉆進控制系統(tǒng)如圖1所示。2.2崗巖試樣加工切削鉆頭采用φ30mm的普通PDC鉆頭(見圖2),與六棱桿連接(螺紋連接),花崗巖試樣采自山東平邑(魯灰花崗巖),灰白色、致密,主要成分為石英、長石、角閃石、黑云母、白云母及少量膠結(jié)物。花崗巖試樣加工成直徑為200mm,高410mm的圓柱體,為天然含水狀態(tài),試樣基本尺寸和加工精度符合巖石試驗標(biāo)準(zhǔn)。排渣使用水流排渣。2.3試樣溫度設(shè)置因為巖石性質(zhì)同時受溫度和圍壓的影響,這兩個因素若都考慮,問題會變得更加復(fù)雜。在本試驗溫壓范圍內(nèi),影響花崗巖脆塑性轉(zhuǎn)化的首要因素是溫度,其次是圍壓。所以本次試驗在保持圍壓不變(100MPa,約相當(dāng)于4000m深度)的情況下對不同溫度的巖石試樣進行測試。試驗共用3個試樣,溫度狀態(tài)設(shè)定為3個檔次:第一個試塊為室溫狀態(tài)(約20℃);第二個試樣加熱至150℃;第三個試樣加熱至300℃(加熱速率約為10℃/h,加到預(yù)定溫度后保溫7~10h,保證試樣加熱均勻)。在每個試樣上采用不同的鉆壓和轉(zhuǎn)速進行正交試驗,測定每種破巖參數(shù)下鉆進速度和扭矩,計算不同鉆進參數(shù)下的單位破巖能耗,得出高溫高壓環(huán)境下的切削破巖規(guī)律。3試驗結(jié)果及分析(1)熱裂化+旋轉(zhuǎn)圍壓為100MPa時,在相同轉(zhuǎn)速條件下,鉆壓與溫度對切削速度的影響見圖3。轉(zhuǎn)速為15r/min,溫度從20℃升高到150℃時,切削速度增大較明顯,平均增幅約為24%。說明在150℃時花崗巖的斷裂韌度明顯降低。其原因是:因為花崗巖是非均勻的混合結(jié)晶體,在150℃時,由于各種礦物顆粒的不同熱膨脹率以及各向異性顆粒的不同結(jié)晶方位具有不同的熱彈性性質(zhì),引起跨顆粒邊界的熱膨脹不協(xié)調(diào),從而造成顆粒間或顆粒內(nèi)部的拉或壓應(yīng)力,足以產(chǎn)生微小裂紋,或使原生微裂紋進一步增大,產(chǎn)生了熱裂化,再加上使用冷水排渣,對高溫花崗巖起到了進一步熱破裂的作用;溫度從150℃變化到300℃時,鉆壓為755N時切削速度增幅約為17%,而鉆壓為566和377N時的切削速度增幅幾乎為0。分析原因認(rèn)為:切削速度為0.3mm/s時,PDC刮刀每轉(zhuǎn)一周吃入深度為1.2mm,據(jù)魏昕等的研究,刀面的擠壓作用在巖石中形成的應(yīng)力場對花崗巖破碎過程中裂紋產(chǎn)生與擴展起主要作用,即切削區(qū)的裂紋主要是在切削應(yīng)力作用下產(chǎn)生與擴展的。當(dāng)花崗巖試樣溫度從150℃升高到300℃時,其斷裂韌度繼續(xù)下降,單軸抗壓強度繼續(xù)降低,但仍屬脆性破裂,這種脆性堅硬巖石幾乎不存在彈塑性變形區(qū),而且一次破碎后的下部巖石并無殘余變形。在溫度達到300℃時,377,566N的鉆壓仍然不足以克服此時花崗巖的單軸抗壓強度,不能增加PDC刮刀刃的吃入深度,所以這兩種鉆壓下的切削速度增幅幾乎為0。755N鉆壓則能有效地增加PDC刮刀刃的吃入深度,切削速度增幅較大。由此可以看出,花崗巖在300℃時雖然強度降低,但必須超過一定的鉆壓值才能有效地提高切削速度。低于此鉆壓值時溫度對切削速度的影響就很微弱。在相同的溫度與轉(zhuǎn)速情況下,切削速度隨著鉆壓的增加而明顯增大。在溫度為300℃時,鉆壓為377N時的切削速度為0.4000mm/s,鉆壓為755N時切削速度為0.7647mm/s,增幅約為91%,與劉泉聲等研究得到的室溫條件下的切削規(guī)律一致。(2)相同溫度與鉆壓下各地層的熱效應(yīng)圍壓為100MPa時,在相同鉆壓條件下,轉(zhuǎn)速與溫度對切削速度的影響見圖4。由圖4可以看出,鉆壓為377N,溫度從20℃變化到150℃時,3種轉(zhuǎn)速下切削速度增幅平均為18%,溫度從150℃變化到300℃時切削速度增幅則很小。這是由于鉆壓太小,PDC刮刀刃吃入深度幾乎沒有增加。在相同溫度與鉆壓情況下,切削速度隨著轉(zhuǎn)速增加而明顯增大。在溫度為300℃,轉(zhuǎn)速為15r/min時,切削速度為0.4000mm/s,轉(zhuǎn)速為50r/min時,切削速度為0.8667mm/s,增幅約為116%。這與室溫條件下機械轉(zhuǎn)速與切削速度成正比的規(guī)律基本一致。為了驗證以上鉆壓對轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律,圖5給出了鉆壓為755N時,轉(zhuǎn)速與溫度對切削速度的影響。鉆壓為755N時,溫度從150℃變化到300℃時,3種轉(zhuǎn)速下切削速度平均增幅約為17%。因為隨著溫度升高,花崗巖的斷裂韌度和單軸抗壓強度逐漸減小,在755N鉆壓下,PDC刮刀刃吃入深度增加明顯,所以切削速度明顯增大。由以上分析可知:花崗巖在溫度從20℃升高到150℃時,單軸抗壓強度和斷裂韌度明顯下降;溫度從150℃升高到300℃時,其單軸抗壓強度繼續(xù)降低。在這期間花崗巖屬于漸進破壞,必須超過一定的鉆壓值,PDC刮刀刃吃入深度才能有效增大,切削速度才能明顯提高。(3)破巖能耗及溫度由于該鉆機系統(tǒng)不容易準(zhǔn)確地收集渣粉,所以本文利用“單位破巖能耗a=鉆機做功W/破巖體積V”來計算單位破巖能耗。其中鉆機做功W可表示為式中:M為扭矩(N·m),t為鉆進時間(s),n為鉆頭轉(zhuǎn)速(r/min)。因為推力做功約為扭矩做功的1/100,故忽略不計。破巖體積V可表示為式中:s為鉆進進尺(mm)。因此單位破巖能耗a可表示為對圖3各點計算得出單位破巖能耗數(shù)據(jù)如圖6所示。轉(zhuǎn)速為15r/min,溫度從20℃變化到150℃時,不同鉆壓下單位破巖能耗降幅平均為15%;溫度從150℃升高到300℃,鉆壓為566和755N時其單位破巖能耗降幅平均為15%,而鉆壓為377N時,其單位破巖能耗增幅約為22%。這說明花崗巖隨著溫度升高可切削性逐漸增強,粒間或粒內(nèi)應(yīng)力逐漸增大,產(chǎn)生了微小裂紋,使巖石由主要受剪切力破碎逐漸轉(zhuǎn)化為受拉應(yīng)力破壞,在超過一定的鉆壓下單位破巖能耗會隨著溫度升高逐漸降低;如果鉆壓太低則破巖效率受溫度影響很小。在相同溫度與轉(zhuǎn)速情況下,單位破巖能耗隨著鉆壓值的增加而明顯減小。溫度為300℃,鉆壓為377N時a=0.4219J/mm3,鉆壓為755N時a=0.2533J/mm3,降幅約為40%。對圖5各點計算得出單位破巖能耗數(shù)據(jù)如圖7所示。鉆壓為755N,溫度從20℃變化到150℃時,不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的單位破巖能耗平均降幅約為15%;溫度從150℃升高到300℃時,單位破巖能耗平均降幅約為10%。這說明,在超過一定的鉆壓后,單位破巖能耗會隨著溫度升高逐漸降低。鉆壓為755N時,3個溫度點的單位破巖能耗都是隨著轉(zhuǎn)速的增大而明顯增大。其中300℃時,轉(zhuǎn)速為50r/min時的單位破巖能耗比轉(zhuǎn)速為15r/min時增大約30%。(4)轉(zhuǎn)速和鉆壓對破巖能耗的影響在圍壓為100MPa,溫度為300℃時,切削參數(shù)與切削速度、單位破巖能耗的關(guān)系分別如圖8,9所示。在圍壓為100MPa,溫度為300℃狀態(tài)下,PDC鉆頭在花崗巖試樣中的切削速度與鉆頭轉(zhuǎn)速和鉆壓有密切關(guān)系,如果鉆壓為固定值,切削速度隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大;如果轉(zhuǎn)速為固定值,切削速度則隨著鉆壓的增大而增大。在圍壓為100MPa,溫度300℃狀態(tài)下,如果鉆壓不變,單位破巖能耗隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大;如果轉(zhuǎn)速不變,單位破巖能耗隨著鉆壓的增大而減小。以上高溫高壓條件下花崗巖的切削破碎規(guī)律與室溫?zé)o圍壓狀態(tài)下的規(guī)律相同。4高溫下鉆頭強度試驗在高溫時,PDC鉆頭上的金剛石片會有輕微的碳化,影響鉆頭的強度,這種情況在試驗中是應(yīng)該避免的。本試驗所使用的鉆頭最高工作環(huán)境溫度為500℃,但是在300℃高溫時鉆頭強度會略有降低,這從試驗后的鉆頭磨損情況對比可以看出來(如圖10所示)?？梢钥闯?300℃試驗后的鉆頭要比20℃試驗后的鉆頭磨損稍微嚴(yán)重一些,說明高溫下鉆頭強度降低了。如果鉆頭的強度完全不受工作環(huán)境影響,那么高溫下的切削速度還會大一些,單位破巖能耗還會小一些,因為比較復(fù)雜,這里只作定性的討論。5轉(zhuǎn)速和鉆壓的關(guān)系本文利用“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗機”,通過試驗系統(tǒng)地研究了φ200mm×400mm的大尺寸花崗巖試樣在高溫及三軸應(yīng)力(100MPa)條件下的切削破碎規(guī)律,得到以下結(jié)論:(1)本次試驗研制安裝的鉆進控制系統(tǒng)功能齊全,采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確方便,完全能滿足試驗需要。該系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)鉆桿驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速(主控臺可以控制和顯示電機轉(zhuǎn)速),根據(jù)豎向和水平齒輪的齒數(shù)比來計算鉆頭的轉(zhuǎn)速;可以通過控制液壓缸輸出端的壓強來控制鉆壓的大小;測量扭矩時因為鉆機轉(zhuǎn)速小于600r/min,所以需要打開補償電機即可測得準(zhǔn)確的扭矩值。(2)在高圍壓狀態(tài)下,隨著溫度升高,花崗巖的可切削性逐漸增強,在超過一定的鉆壓時,鉆進速度隨著溫度的升高而明顯增大。例如本試驗中,在755N鉆壓下,300℃時比20℃(室溫)時的鉆進速度增大30%~50%?？梢钥闯?隨著溫度升高,花崗巖逐步由脆性變形向韌性變形和塑性變形轉(zhuǎn)化。(3)在高圍壓狀態(tài)下,隨著溫度升高,花崗巖切削破碎的單位破巖能耗逐漸降低,破巖效率逐漸提高。這是由于隨著溫度升高,花崗巖顆