解决深部硬地层提速降本钻进难题：钻井岩石破碎学
石油与天然气的安全供给是国家的重大战略需求，国内油气资源勘探开发是保障油气安全的重要途径。在我国剩余油气资源中，深层（超深层）油气资源丰富，据全国第三次资源评价成果统计，深层石油资源量为304亿吨，占石油总资源量的40%；深层天然气资源量为29.12万亿立方米，占天然气总资源量的60%，深层（超深层）油气将成为我国油气勘探的重大接替领域。但是，我国深层（超深层）油气藏钻井的难度世界罕见：井底岩石高强度、高研磨性、非均质等导致钻头寿命短、钻速慢、钻井成本高的问题异常突出。深部硬地层的高效低成本钻进是深井超深井钻井中的首要技术问题，是制约我国向陆上油田深部地层及深海迈进的技术关键。因此，开展针对深部硬地层的高效破岩方法和破岩机理研究，提高钻头破岩效率是解决深部硬地层提速降本难题的关键。
▲ 钻齿破岩过程岩石塑-脆性临界破碎转变及评价指标
为了解决深部难钻地层岩石的高效破碎问题，西南石油大学“钻井提速”研究团队基于岩石力学、断裂力学、能量耗散相关理论，通过理论分析、数值模拟与室内实验相结合的研究方法系统地揭示硬岩在钻齿作用下的裂纹萌生和扩展、损伤演化、岩屑形成、塑-脆性破碎转变、机械比功、塑性耗能比、岩石破碎效率、异形齿破岩机理及选齿方法等问题。从破岩比功角度出发建立了岩石塑-脆性破碎转变临界切削深度计算模型，确定了岩石塑-脆性破碎转变临界切削深度，提出利用塑性耗能比来评价钻齿破岩效率的新方法，构建了以塑性耗能比和塑-脆性破碎转变临界切削深度为核心的钻齿高效破岩方法；建立了综合考虑钻齿破岩效率、几何形状、寿命及磨损条件下的异形PDC齿综合选齿理论模型，从根本上揭示了异形齿的破岩机理差异，为深部难钻地层钻齿优选提供了理论依据。
《》特色突出，集理论研究、实验验证、系统仿真于一体，兼具理论深度和实用价值，是一部不可多得的解决深部难钻地层岩石高效破碎的专著。
杨春和
中国工程院院士
中国科学院武汉岩土力学研究所
二〇二二年一月十五日
《》（祝效华，刘伟吉著. 北京：科学出版社，2022.10）针对深部硬地层破岩效率低和钻进速度慢的问题，以两种典型硬岩（浅红色花岗岩和灰白色花岗岩）为研究对象，开展了钻齿切削/侵入破岩室内实验，分析了钻齿侵入/切削花岗岩的破岩比功、岩屑形成及塑-脆性破碎转变临界机理等，并从破岩比功角度出发确定了塑-脆性破碎转变的临界切削深度，提出利用塑性耗能比来评价钻齿作用下岩石破碎效率的新方法，并结合颗粒流软件发展了基于图像处理的Grain-based Model（GBM），形成了非连续岩体裂隙精细化表征方法，揭示了花岗岩在钻齿作用下的细观破碎机制；基于有限-离散元方法建立了花岗岩的三维非均质模型，分析了异形齿的破岩机理，建立了异形齿的综合选齿模型，对13种异形PDC齿的破岩性能进行了评价，并优选了针对花岗岩的最佳齿形；针对研磨性地层设计了个性化钻头，基于流-固-热三场耦合理论对钻头进行优化，钻头应用取得了较好的提速效果。
▲ 钻头现场使用图
本书的具体内容如下：
第1章为绪论。主要介绍我国现阶段深部油气开采钻井提速所面临的挑战，全面介绍国内外钻头的发展情况，最后引出岩石塑-脆性破碎转变临界现象和以塑性耗能比为指标的岩石破碎效率评价的新方法。
第2章为硬岩物理力学特性及可钻性。主要介绍岩石力学及实验中涉及的一些基本概念，并以两种花岗岩为研究对象，开展相关的物理力学实验及不同围压下的可钻性实验。
第3章为钻齿侵入破碎硬岩机理研究—以非均质花岗岩为例。主要通过室内实验的方法，研究不同齿形侵入岩石过程中的侵入力与侵入深度、微观破碎、裂纹扩展、塑-脆性破碎转变及塑性耗能比的变化规律；提出塑性耗能比概念，并提出利用塑性耗能比来评价岩石破碎效率的方法，讨论塑性耗能比和岩石破碎效率的关系；建立花岗岩的非连续裂隙精细化表征方法，并开展大量数值模拟分析，从微宏观多尺度再现了花岗岩的破裂过程。
第4章为钻齿切削破碎硬岩机理研究—以非均质花岗岩为例。主要通过理论推导和室内实验相结合的方法研究钻齿切削作用下岩石的裂纹扩展、岩屑形成、破岩比功、塑-脆性破碎转变以及塑性耗能比等问题，提出以破岩比功作为参量研究岩石塑-脆性破碎转变的方法，并建立塑性耗能比的计算模型。
第5章为异形齿破岩机理及综合选齿理论。利用有限-离散元方法建立花岗岩的非均质模型，分析异形齿的破岩机理；建立异形齿的综合选齿模型，对13种异形PDC齿的破岩性能进行了评价，并优选针对花岗岩的最佳齿形。
第6章为高效破岩钻头设计及优化。根据具体地层设计15种相关类型的PDC钻头，通过全尺寸钻头破岩及全井钻柱动力学特性仿真优选最佳PDC钻头，并建立PDC钻头破岩过程的流-固-热三场耦合流场模型，对PDC钻头的喷嘴进行了优化。
第7 章为高效破岩钻头现场应用。根据优化得到的最优钻头模型，进行钻头实物加工，并在XXX-05BX1井进行现场应用。
《第一作者祝效华教授长期从事钻井提速的研究工作，并取得了可喜的进展。他开展的钻井提速研究主要涉及三个方面：研究全井钻柱动力学主要用于提高地面动力的传递效率、减少沿程消耗；研制系列提速钻具主要是通过增加额外的井下动力以及施加冲击实现提速；研究的岩石破碎则是用于优化钻头和钻井参数以实现提速。他承担了多项国家自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、国家油气重大专项子课题、国际合作项目。他的研究工作对促进我国钻井提速理论与方法的发展起到了较为重要的作用。以往在钻井破岩研究中通常假定岩石是塑性连续体，十年前他提出要从裂纹扩展和能量有效利用率两个角度研究钻井破岩，并把使用了几十年的“破岩比功”这一核心钻井破碎效率评价指标深化为弹性功消耗、塑性功消耗、脆性功消耗，提出提速评价要重点关注脆性功消耗，提速也应该侧重于提高脆性功消耗占比这一思想。
他们的研究工作将有力推动“精细化”和“低成本”钻井，该研究可以用于针对不同井下工况，优化最适宜的钻井参数和定制设计钻头。此外还能进一步充实岩石破碎学的内容，促进岩石破碎学的深入研究，完善岩石破碎的理论体系。
孙金声
中国工程院院士
二〇二二年一月十六日
本文摘编自《钻井岩石破碎学》（祝效华，刘伟吉著. 北京：科学出版社，2022.10）一书“前言”“序一”“序二”，有删减修改，标题为编者所加。
ISBN 978-7-03-071834-1
责任编辑：罗 莉
本书针对深部硬地层钻头破岩效率低和钻井成本高的问题，以典型硬脆性花岗岩为研究对象，通过理论分析、计算机数值模拟与室内实验相结合的方法系统研究了非均质花岗岩在钻齿作用下的宏细观破碎机理；建立了岩石塑-脆性破碎转变临界切削深度计算模型，提出利用脆性耗能比来评价钻齿作用下岩石破碎效率的新方法，将传统塑性切削破岩理论拓展到塑-脆性破碎转变临界理论；此外，分析了异形PDC 齿切削破岩机理，建立了综合考虑破岩效率、钻齿形状及磨损条件下的异形PDC齿综合选齿模型，为钻头个性化选齿及布齿设计提供了理论依据。本书可供石油工程、钻井工程、岩土工程等专业领域的研究生和技术人员参考使用。
（本文编辑：刘四旦）
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