高压液氮射流提高深井钻速机理

2019-09-06黄中伟武晓光李冉张世昆杨睿月

石油勘探与开发 2019年4期

黄中伟，武晓光，李冉，张世昆，杨睿月

（中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

0 引言

中国深部化石能源及干热岩地热能储量丰富，实现深地资源的高效开发利用，对于夯实中国能源自我供给基础，保障国家能源战略安全具有重大意义[1-2]。然而，现有钻井技术尚难以充分满足深地资源高效勘探开发的需求。深地储集层具有埋深大、岩石硬度高、研磨性强、可钻性差、温度高、裂缝发育等特点，相较于浅部地层环境更加复杂、施工难度更大，钻井钻速低、周期长、成本高等问题突出[3]。因此，亟需探索一种适用于深井硬地层的高效破岩手段，以大幅提高机械钻速，实现深层油气、地热等资源的高效开发利用。

20世纪70年代国外学者率先提出低温钻井技术概念，随后针对不同井型和地层，该技术方法和设备不断演化发展[4-5]。前人提出的低温钻井概念中钻井流体为低温气体，由于气体导热性能较差，其冷冲击（指材料受到急剧冷却时，在较短的时间内形成很大的温度梯度，从而引起极强的热应力，对材料造成损坏）破岩作用有限。为提升流体冷冲击破岩效果，有学者提出应用液氮致裂岩石的方法[6-7]，并于20世纪90年代成功应用低温液氮对非常规油气储集层进行增产改造作业。近年来，在美国能源部的资助下，对液氮致裂进行了更为深入的研究[8-9]。液氮作为一种超低温的流体（-196 ℃），与深层热岩温差巨大，在与高温岩石接触过程中，液氮对岩石产生强烈的冷冲击作用，诱导形成诸多微裂缝并促使裂缝扩展，从而劣化岩石力学性质，降低岩石破碎门限压力。

基于此，本文提出一种利用高压液氮射流辅助深钻提速的新思路。该方法优异的破岩特性表现为3个方面：①冲击射流作为一种高效的强化传热方式，可大幅提高岩石与液氮之间对流换热系数，提升岩石内热应力尺度及冷冲击致裂效果[10-11]；②液氮冷冲击致裂效应可大幅弱化井底硬岩力学性质[12-13]，降低射流冲击的破岩门限压力；③在射流高速冲击作用下，冷冲击裂缝扩展延伸，进一步加剧岩石的损伤破坏。该方法耦合了高压射流冲击和液氮低温致裂的双重作用机制，有望大幅降低深井硬岩破碎门限，提高机械钻速，为实现深地资源高效开发利用提供助力。

为探索液氮射流提升高温硬地层破岩效率的可行性，本文针对不同岩样开展多项实验，获取液氮冷冲击作用下岩石基本物理力学性质的响应规律，同时结合扫描电镜观察和热应力演化特征分析，探索高压射流冲击和液氮冷冲击耦合作用下的破岩机理。

1 液氮冷冲击对岩石物理力学性质的影响

1.1 冷冲击对比实验

采用砂岩、页岩和花岗岩3种岩样，钻取直径25 mm、长度50 mm的圆柱形岩心，利用鼓风干燥箱将岩心干燥至恒定质量，测定声波速度并据此按岩石类型分别选取12个波速相近的岩心。声波测试是一项无损测试技术，可以反映岩石内部结构及损伤状况，具有相同波速的岩心，其初始损伤状态相似；选取波速相近的岩心，有助于削弱岩心间非均质性的影响，增加岩心的可对比性。

将每种岩石的12个岩心分为液氮冷却组L和自然冷却组A，L组和A组分别下分3个亚组，即L-1#—L-3#和A-1#—A-3#，每个亚组分配2个岩心开展实验：①液氮冷却组，使用马弗炉将L-1#—L-3#亚组的岩心分别缓慢加热至25，150，260 ℃，达到预定温度后恒温10 h，随后将岩心迅速浸入液氮杜瓦瓶中进行冷冲击处理，充分冷却后取出恢复至室温；②空气冷却组，将A-1#—A-3#亚组的岩心分别缓慢加热至上述3个温度，恒温相同时间后取出，自然冷却至室温。处理结束后，分别对液氮冷却组和自然冷却组的岩心进行声波及力学强度测试。

1.2 声波波速及力学性质响应

采用超声脉冲测试仪测量岩样处理前后的纵波波速，每个岩心测量3次。测量过程中岩心两端均匀涂抹凡士林，以确保岩心与测试传感器之间有效接触。采用TAW1000型深水孔隙压力伺服实验机对岩心进行单轴压缩力学测试，实验机最大轴向载荷可达1 000 kN，测试采用恒定位移控制方式，位移速率恒定为0.05 mm/min。

声波速度反映了岩石内部损伤及孔隙空间变化，对于同一岩样，其声波速度越低，内部损伤程度越高。页岩、砂岩和花岗岩3种岩样不同冷却方式处理前后的纵波波速测试结果（见图1）表明：①25 ℃条件下，页岩、砂岩和花岗岩岩样在液氮冷却后纵波波速分别降低了-5.5、110.3和189.2 m/s；②260℃条件下，页岩、砂岩和花岗岩岩样液氮冷却后降低值分别为35.8、421.8和823.7 m/s；较25 ℃条件下分别增长了41.3、311.5和634.5 m/s。可以看出，在经历加热和液氮冷却之后，岩样声波速度显著降低，说明经加热及液氮冷却处理，岩石内部孔隙空间增加，可能产生了新的微裂缝或造成了原始微裂缝的进一步扩展延伸。对比3种岩样纵波波速测试结果，页岩纵波波速变化幅度显著低于砂岩和花岗岩。经液氮冷却的岩心，纵波波速降幅随岩样温度升高而显著增加。

图1 3种岩样不同冷却方式下纵波波速变化

实验过程中岩石经历加热和冷却两个过程，因此声波速度降低存在两个可能的诱因：①加热过程孔隙内自由水挥发，造成孔隙空间增加；②岩石内部出现损伤，发生开裂。对于自然冷却，由于其对流传热速率很低，无法对岩石产生显著的冷冲击作用。因此，自然冷却下部分高温岩样的波速降低主要为加热过程中孔隙失水所致。而液氮在与岩石接触过程中会发生剧烈的沸腾气化，沸腾传热作为一种高效的强化传热方式，可使岩石在短时间内发生大幅温降，进而对岩石产生强烈的冷冲击致裂作用。对于液氮冷却和自然冷却的岩心，均经历了相同的加热过程，因此通过将两种处理方式下的岩样波速对比，可消除加热过程孔隙失水等因素的影响。液氮冷却与自然冷却的岩心纵波波速降幅的差异，即反映了液氮冷冲击对岩石的损伤致裂作用。对比2种冷却方式处理后岩心的纵波波速降幅，可以看出，对于经历相同加热温度的岩样，液氮冷却后纵波波速降幅显著高于自然冷却。岩样温度为25～260 ℃时，页岩、砂岩和花岗岩液氮冷却后纵波波速降幅分别为-0.12%～0.81%、3.2%～3.3%和4.1%～18.4%，较自然冷却方式分别高出-0.12%～1.1%、3.2%～4.8%和4.1%～7.7%。可见液氮冷冲击对岩石造成了明显的内部损伤，且岩石温度越高，液氮冷冲击致裂效果越显著。

图2为自然冷却和液氮冷却后岩石的单轴压缩应力-轴向应变曲线，曲线峰值表征了岩石的单轴压缩强度。自然冷却后岩石单轴压缩强度随加热温度增加呈上升趋势（见图2a），说明加热和自然冷却对岩石造成一定程度的强化。这一现象在文献[14]中也有发现，认为在一定温度范围内，加热可造成岩石内部矿物发生不可逆的塑性变形，提高岩石矿物颗粒间的摩擦力，从而强化岩石力学性能。自然冷却过程中，由于冷冲击作用效果很弱，岩石未形成显著损伤。因此，岩石在经历加热和自然冷却两个过程后表现出力学性质的强化。然而，在液氮冷却组中，虽然岩样经历了同样的加热过程，但冷却后岩石的强度并未随初始温度升高而强化，而是呈现出明显的弱化趋势。这是因为液氮冷冲击作用显著，冷却过程引起的损伤幅度高于加热过程中引起的强化幅度。因此，岩石在经历加热和液氮冷却过程后呈现出明显的力学性能劣化。单轴压缩应力-轴向应变曲线的直线段斜率表征了岩石的弹性模量，岩石的弹性模量随温度的变化趋势与强度相似。自然冷却方式下，岩石弹性模量随温度增加而升高；液氮冷却方式下，岩石弹性模量则随温度增加而降低。

图2 不同冷却方式下岩样轴向应力-应变曲线

图3为岩石液氮冷却和自然冷却后的单轴抗压强度对比，3种岩样中页岩强度最高，花岗岩次之，砂岩最低。液氮冷冲击对砂岩的作用效果较弱，液氮冷却后的强度与自然冷却后的强度差异不大。而液氮冷冲击对页岩和花岗岩的作用效果较强，在150 ℃及260 ℃条件下液氮冷却后的强度明显低于自然冷却，且随岩样温度的升高，2种冷却方式对岩石强度影响的差异越显著。上述结果表明，液氮冷冲击效应随岩石温度升高而增强，对岩石的局部破坏更大，力学弱化作用更强。

2 液氮射流破岩宏观特征及微观机理

为获得射流冲击和冷冲击联合作用下的岩石破碎特征，开展了液氮喷射破岩实验，分析温度对岩石液氮射流破岩特性的影响规律。通过扫描电镜观察，揭示了液氮喷射作用下岩石的微观损伤机制。

图3 液氮冷却和自然冷却后的岩石强度对比

2.1 实验设备与装置

图4所示为高压液氮射流实验系统，系统主要包括液氮罐车、低温液氮泵、射流喷嘴、岩心室、温压数据采集系统及耐低温管汇等。液氮泵为本系统的核心装置，最高排量4 000 L/h，最高承压35 MPa。液氮泵与中央电控装置相连，通过调节电机转速实现对射流喷射压力的调控。液氮管汇采用耐低温不锈钢材质，并在其外部缠绕保温绝热材料，避免液氮在流动过程中升温气化。实验开始前，需在系统内低速循环液氮，以使整个实验装置充分预冷。

2.2 宏观破岩特征

实验研究对象为边长13 cm的方形花岗岩，将10块花岗岩岩样分为5组，每组2块岩样，分别记为1#和2#。采用高温烘箱分别将各组花岗岩加热至25，150，260，370，480 ℃，恒温4 h后迅速转移至岩心室内进行喷射破岩实验。实验采用锥-直型喷嘴，出口直径1.5 mm，喷距设置为2倍喷嘴直径。喷射压力恒定为25 MPa，环境围压为大气压，岩石围岩应力为零。

图4 高压液氮射流破岩实验系统

图5为不同温度下花岗岩液氮射流破岩实验结果。花岗岩作为一种典型的脆性材料，在液氮射流冲击作用下呈现出明显的拉伸破坏特征。花岗岩本身强度很高，在25 MPa喷射压力下液氮射流无法对低于150 ℃的岩样造成显著的体积破碎。而在260 ℃条件下，液氮射流冲击后岩样出现了大块的体积剥落，并在冲击坑周围可发现诸多肉眼可见的宏观裂缝。可以推断，在25 MPa液氮喷射压力条件下，花岗岩的临界体积破碎温度在150～260 ℃。当岩样温度升高至370 ℃时，岩样在液氮射流冲击下发生“炸裂”，岩样出现更大的宏观破碎；并且随着岩样温度继续升高至480 ℃，液氮射流冲击下岩样的整体破碎及损伤程度进一步加剧，岩样发生了整体的宏观劈裂。

图6为各花岗岩岩样冲击中心的破岩深度。在相同喷射压力条件下，液氮射流破岩深度随岩样温度升高呈指数增长，说明岩样温度越高液氮射流破岩效果越显著。图7所示为480 ℃的花岗岩经25 MPa液氮射流冲击后形成的破碎岩屑，喷距为3 mm。可以发现，在液氮射流冲击作用下，花岗岩以大块体积破碎为主，破岩岩屑尺寸高达厘米级。前人研究表明，射流冲击形成的岩屑尺寸越大，射流破岩所需的比能越低[15]。这说明液氮射流除具有破岩效率高的优势外，还具有破岩能耗低的优点。

图5 不同温度条件下液氮射流冲击对花岗岩岩样的破岩效果

图6 花岗岩岩样液氮射流破岩深度与温度的关系

图7 液氮射流破碎的花岗岩岩屑

除花岗岩外，还针对高温页岩和砂岩开展了液氮喷射破岩实验，实验设置与花岗岩实验保持一致。实验发现：①在25 MPa的喷射压力下，液氮射流无法对150 ℃以下的页岩造成明显损伤；当温度升高至260 ℃时，液氮射流在页岩冲击面上形成了如图8a所示的宏观裂纹，但仍无法造成宏观的体积破碎。②当温度为260 ℃时，液氮射流冲击砂岩岩样后表面未出现任何的宏观开裂现象；当温度升高至480 ℃，液氮射流才在砂岩冲击表面上形成如图8b所示的交错裂纹。对比3种岩样的破岩结果不难发现，在相同喷射压力条件下，花岗岩的临界破碎温度最低，液氮射流对花岗岩的破岩效果明显优于另外2种岩样。

图8 液氮喷射冲击对高温页岩和砂岩的宏观开裂效果

2.3 微观结构变化

为揭示液氮喷射下岩样的微观损伤机制，采用扫描电镜对冲击区的微观结构进行观察（见图9），可见在低温液氮射流冲击作用下，花岗岩内部形成了大量的微裂缝。根据微裂缝的开裂模式，可将岩石微观损伤大致分为2类，即晶间开裂和晶内开裂。岩石为不同矿物颗粒组成的混合体，其内部不同矿物颗粒之间的热胀系数存在较大差异。在液氮冷冲击作用下，相邻矿物颗粒之间收缩变形不匹配，使得岩石矿物颗粒边界位置形成较强的热应力。该热应力随岩石温度降低而持续增强，最终超过颗粒间的胶结强度，形成如图9a所示的晶间裂缝。此外，即使对于同一种矿物颗粒，其不同结晶轴方向上的热胀系数也会存在较大差异。以石英矿物为例[16]，其平行c结晶轴方向的热胀系数为7.7×10-6K-1，而垂直c结晶轴方向的热胀系数达14.0×10-6K-1，约为平行c轴方向热胀系数的2倍。因此，在液氮冷却过程中，岩石内矿物颗粒本身也存在着变形不协调，并最终导致颗粒内部开裂，形成如图9b所示的晶内裂缝。相对于晶间裂缝，晶内裂缝尺度更小、数量更少，因此晶间开裂为液氮射流冲击下岩石的主要微观开裂模式。

图9 花岗岩冲击破坏区微观开裂模式

3 传热及热应力演化分析

为得到液氮与岩石接触过程中岩石内部温度场及热应力的时序演变特征，采用如图10所示实验装置开展岩石液氮冷却条件下的温度变化曲线测量实验。装置主要包括双层不锈钢容器、引流装置、岩样、测温热电偶和真空泵等。实验中通过真空泵对不锈钢容器的夹层进行抽真空，以减少环境热损失。选用砂岩、页岩和花岗岩3种岩样，加工成直径8 cm、厚3 cm的圆饼状岩心。采用T型热电偶测量岩石内部距离表面2 mm位置处的温度变化。

图10 液氮与岩石接触传热实验装置

3.1 典型温度及应力演化曲线

钻井过程中井底岩石被围岩完全束缚，此时岩石表面热应力计算公式如下[17]：

对实验所用3种岩样的力学参数及热胀系数进行测试分析（见表1），并根据实验测量和理论计算得到温度及热应力的时序演化曲线（见图11）：测量时间为200 s时为温度变化拐点，测量时间小于200 s，岩石温度下降较为缓慢；测量时间大于200 s，温度快速下降，约400 s后趋于平缓，此时岩石表面温度已接近液氮温度。与温度变化相对应，岩石表面热应力增长速率同样呈现出先减慢后加快，之后再次减慢的变化规律。

表1 不同岩样热物性及力学参数

图11 典型传热及应力演化曲线

岩石温度及应力变化的这一特点主要与液氮沸腾模式的转变有关。初始时岩石的温度（20 ℃）显著高于液氮的沸点（-196 ℃），此时液氮处于膜态沸腾阶段，即在液氮与岩石之间存在一层蒸气层，阻隔了热量的传递；随温度下降，上述蒸气层在某一点开始崩塌，进而液氮直接与岩石接触，导致传热速率显著上升，温度下降加快。液氮先后经历过渡沸腾和核态沸腾，膜态沸腾与过渡沸腾的连接点称为“莱顿佛罗斯特点（LFP点）”，图11中岩石在液氮中的淬火曲线特征与文献[18]中高温金属球/圆柱在水中的淬火曲线一致，均表现为从膜态沸腾、过渡沸腾到核态沸腾的转变。

3.2 不同岩样传热及应力演化对比

图12为页岩、砂岩和花岗岩3种岩样的液氮沸腾传热与热应力演化曲线。相对于页岩，砂岩和花岗岩传热曲线的膜态沸腾持续时间更短，表现为温度曲线提前变陡，LFP点对应的温度值更高。砂岩和花岗岩膜态沸腾持续时间较为接近，但花岗岩对应的LFP点温度略高于砂岩。3种岩石的热应力均随时间的延长而增加，且增加速率均表现为先降低后升高、最后再降低。尽管3种岩石热应力变化趋势相似，但三者对应的热应力值却存在较大差异：在膜态沸腾阶段，花岗岩和页岩的热应力值相近，但由于花岗岩对应的膜态沸腾持续时间短于页岩，其热应力曲线更早加速变陡，使得在后续沸腾阶段中花岗岩的热应力值显著高于页岩；相对而言，砂岩的热应力值则相对较低。

图12 岩石沸腾传热与热应力演化对比曲线

不同岩石间热应力值差异的原因主要归结于两个层面：①岩石间微观结构差异；②岩石间宏观力学特性差异。砂岩内部孔隙结构发育，对温度变化引起的岩石颗粒变形具有更强的容纳能力，从而弱化了岩石颗粒间变形产生的约束作用，因此造成砂岩内热应力值显著低于其余2种岩石。另外，岩石热应力与其本身弹性模量呈正相关，3种岩样中花岗岩的弹性模量最高，砂岩的弹性模量则显著低于另外2种岩石。因此，具有较高弹性模量的花岗岩，液氮冷却时内部热应力也必然更高。

4 讨论与分析

4.1 液氮射流破岩机理分析

液氮喷射破岩实质为冷冲击和高速射流冲击的耦合作用结果。在液氮冷冲击作用下，岩石内部产生热应力，破坏岩石颗粒间的胶结结构，从而形成微裂缝。这些微裂缝的形成，引起岩石力学强度的大幅弱化，因此降低了射流的破岩门限压力。在射流高速冲击形成的应力波以及水楔效应的持续作用下，这些微裂缝扩展延伸，相互之间交叉汇合，最终形成宏观的体积破碎。此外，液氮在受限裂缝空间内的膨胀增压效应，可对裂缝壁面产生侧向的推力，促使微裂缝扩展，进一步加剧岩石损伤。

喷射破岩实验结果表明，花岗岩的破碎效果最为显著，其次为页岩，砂岩的破碎效果最差。液氮射流对不同岩石破碎效果的差异，与液氮冷冲击下岩石力学性能劣化差异有关。为定量表征不同岩石在冷冲击作用下的力学性能劣化程度，定义岩石冷冲击劣化因子如下：

根据上述岩石力学测试结果，采用（2）式计算不同温度下岩石弹性模量劣化因子及单轴压缩强度劣化因子（见表2）。可以发现，冷冲击条件下，弹性模量与单轴压缩强度劣化因子均以花岗岩最高，页岩次之，砂岩最低，可见3种岩石中花岗岩对液氮冷冲击的响应最为敏感，其力学性质劣化程度最为显著；砂岩对液氮冷冲击作用的响应最弱，其弹性模量及单轴压缩强度劣化因子最小，冷冲击引起的力学性能劣化程度最低。砂岩对液氮冷冲击的弱力学敏感性，是其液氮射流冲击下破碎效果差的主要原因。

表2 岩石弹性模量、单轴压缩强度劣化因子计算结果

4.2 技术实施与前景

高压液氮射流辅助钻井提速新方法，以低温液氮作为钻井流体，通过井底增压装置调节形成高压液氮射流，对井底岩石进行冲击破碎，该技术的具体实施方案如图13所示。采用双层隔热钻柱内管将低温液氮输送至井底，液氮经过井底高压射流发生装置增压后，高速喷射破碎岩石；钻柱内管与外管间环空中注入空气，增加钻柱绝热能力，防止内管液氮急剧升温气化；空气通过井底钻柱侧向出口流出，对返流的氮及井壁进行回温，防止井壁岩石过冷引起失稳坍塌；与气体钻井类似，液氮在与井底高温岩石接触后迅速升温气化，利用高速氮气流将井底岩屑携至地面。

图13 液氮射流辅助钻井工艺示意图

高压液氮射流技术结合了液氮低温冷冲击与高速射流冲击的双重作用，可显著降低岩石的破碎难度，提高岩石的破碎效率。因此，液氮射流在提高深井硬地层钻速方面具有广泛的应用前景，尤其对于深部干热岩地热井。由于井底岩石温度较高，液氮冷冲击作用效果将会被大幅增强。深部干热岩储集层岩石温度可达150～500 ℃，而液氮大气压下沸点仅为-196 ℃，液氮与干热岩之间温差可达约350～700 ℃。在如此大的温差作用下，井底硬岩将承受巨大的冷冲击作用，力学强度将被显著劣化，从而有助于提高井底硬岩的钻井速率，降低干热岩地热井的建井周期和成本。此外，将液氮射流与空化、欠平衡等技术相结合，还可消除井底的压持效应，避免岩屑重复破碎，从而有望进一步提高机械钻速[19]。与氮气钻井类似，液氮射流辅助钻井通过高速氮气流携带岩屑至地面，因此可有效解决地层的恶性漏失问题，对裂缝性地层具有良好的适用性。同时，氮作为一种无污染、惰性强、化学性能稳定的介质，可有效解决黏土遇水膨胀所引起的储集层伤害等难题，适用于水敏性地层。