高壓液氮射流提高深井鉆速機(jī)理

黃中偉，武曉光，李冉，張世昆，楊睿月

（中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249）

0 引言

中國深部化石能源及干熱巖地?zé)崮軆α控S富，實(shí)現(xiàn)深地資源的高效開發(fā)利用，對于夯實(shí)中國能源自我供給基礎(chǔ)，保障國家能源戰(zhàn)略安全具有重大意義[1-2]。然而，現(xiàn)有鉆井技術(shù)尚難以充分滿足深地資源高效勘探開發(fā)的需求。深地儲集層具有埋深大、巖石硬度高、研磨性強(qiáng)、可鉆性差、溫度高、裂縫發(fā)育等特點(diǎn)，相較于淺部地層環(huán)境更加復(fù)雜、施工難度更大，鉆井鉆速低、周期長、成本高等問題突出[3]。因此，亟需探索一種適用于深井硬地層的高效破巖手段，以大幅提高機(jī)械鉆速，實(shí)現(xiàn)深層油氣、地?zé)岬荣Y源的高效開發(fā)利用。

20世紀(jì)70年代國外學(xué)者率先提出低溫鉆井技術(shù)概念，隨后針對不同井型和地層，該技術(shù)方法和設(shè)備不斷演化發(fā)展[4-5]。前人提出的低溫鉆井概念中鉆井流體為低溫氣體，由于氣體導(dǎo)熱性能較差，其冷沖擊（指材料受到急劇冷卻時(shí)，在較短的時(shí)間內(nèi)形成很大的溫度梯度，從而引起極強(qiáng)的熱應(yīng)力，對材料造成損壞）破巖作用有限。為提升流體冷沖擊破巖效果，有學(xué)者提出應(yīng)用液氮致裂巖石的方法[6-7]，并于20世紀(jì)90年代成功應(yīng)用低溫液氮對非常規(guī)油氣儲集層進(jìn)行增產(chǎn)改造作業(yè)。近年來，在美國能源部的資助下，對液氮致裂進(jìn)行了更為深入的研究[8-9]。液氮作為一種超低溫的流體（-196 ℃），與深層熱巖溫差巨大，在與高溫巖石接觸過程中，液氮對巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷沖擊作用，誘導(dǎo)形成諸多微裂縫并促使裂縫擴(kuò)展，從而劣化巖石力學(xué)性質(zhì)，降低巖石破碎門限壓力。

基于此，本文提出一種利用高壓液氮射流輔助深鉆提速的新思路。該方法優(yōu)異的破巖特性表現(xiàn)為3個(gè)方面：①沖擊射流作為一種高效的強(qiáng)化傳熱方式，可大幅提高巖石與液氮之間對流換熱系數(shù)，提升巖石內(nèi)熱應(yīng)力尺度及冷沖擊致裂效果[10-11]；②液氮冷沖擊致裂效應(yīng)可大幅弱化井底硬巖力學(xué)性質(zhì)[12-13]，降低射流沖擊的破巖門限壓力；③在射流高速沖擊作用下，冷沖擊裂縫擴(kuò)展延伸，進(jìn)一步加劇巖石的損傷破壞。該方法耦合了高壓射流沖擊和液氮低溫致裂的雙重作用機(jī)制，有望大幅降低深井硬巖破碎門限，提高機(jī)械鉆速，為實(shí)現(xiàn)深地資源高效開發(fā)利用提供助力。

為探索液氮射流提升高溫硬地層破巖效率的可行性，本文針對不同巖樣開展多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，獲取液氮冷沖擊作用下巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)規(guī)律，同時(shí)結(jié)合掃描電鏡觀察和熱應(yīng)力演化特征分析，探索高壓射流沖擊和液氮冷沖擊耦合作用下的破巖機(jī)理。

1 液氮冷沖擊對巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響

1.1 冷沖擊對比實(shí)驗(yàn)

采用砂巖、頁巖和花崗巖3種巖樣，鉆取直徑25 mm、長度50 mm的圓柱形巖心，利用鼓風(fēng)干燥箱將巖心干燥至恒定質(zhì)量，測定聲波速度并據(jù)此按巖石類型分別選取12個(gè)波速相近的巖心。聲波測試是一項(xiàng)無損測試技術(shù)，可以反映巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)及損傷狀況，具有相同波速的巖心，其初始損傷狀態(tài)相似；選取波速相近的巖心，有助于削弱巖心間非均質(zhì)性的影響，增加巖心的可對比性。

將每種巖石的12個(gè)巖心分為液氮冷卻組L和自然冷卻組A，L組和A組分別下分3個(gè)亞組，即L-1#—L-3#和A-1#—A-3#，每個(gè)亞組分配2個(gè)巖心開展實(shí)驗(yàn)：①液氮冷卻組，使用馬弗爐將L-1#—L-3#亞組的巖心分別緩慢加熱至25，150，260 ℃，達(dá)到預(yù)定溫度后恒溫10 h，隨后將巖心迅速浸入液氮杜瓦瓶中進(jìn)行冷沖擊處理，充分冷卻后取出恢復(fù)至室溫；②空氣冷卻組，將A-1#—A-3#亞組的巖心分別緩慢加熱至上述3個(gè)溫度，恒溫相同時(shí)間后取出，自然冷卻至室溫。處理結(jié)束后，分別對液氮冷卻組和自然冷卻組的巖心進(jìn)行聲波及力學(xué)強(qiáng)度測試。

1.2 聲波波速及力學(xué)性質(zhì)響應(yīng)

采用超聲脈沖測試儀測量巖樣處理前后的縱波波速，每個(gè)巖心測量3次。測量過程中巖心兩端均勻涂抹凡士林，以確保巖心與測試傳感器之間有效接觸。采用TAW1000型深水孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn)機(jī)對巖心進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)測試，實(shí)驗(yàn)機(jī)最大軸向載荷可達(dá)1 000 kN，測試采用恒定位移控制方式，位移速率恒定為0.05 mm/min。

聲波速度反映了巖石內(nèi)部損傷及孔隙空間變化，對于同一巖樣，其聲波速度越低，內(nèi)部損傷程度越高。頁巖、砂巖和花崗巖3種巖樣不同冷卻方式處理前后的縱波波速測試結(jié)果（見圖1）表明：①25 ℃條件下，頁巖、砂巖和花崗巖巖樣在液氮冷卻后縱波波速分別降低了-5.5、110.3和189.2 m/s；②260℃條件下，頁巖、砂巖和花崗巖巖樣液氮冷卻后降低值分別為35.8、421.8和823.7 m/s；較25 ℃條件下分別增長了41.3、311.5和634.5 m/s?？梢钥闯觯诮?jīng)歷加熱和液氮冷卻之后，巖樣聲波速度顯著降低，說明經(jīng)加熱及液氮冷卻處理，巖石內(nèi)部孔隙空間增加，可能產(chǎn)生了新的微裂縫或造成了原始微裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展延伸。對比3種巖樣縱波波速測試結(jié)果，頁巖縱波波速變化幅度顯著低于砂巖和花崗巖。經(jīng)液氮冷卻的巖心，縱波波速降幅隨巖樣溫度升高而顯著增加。

圖1 3種巖樣不同冷卻方式下縱波波速變化

實(shí)驗(yàn)過程中巖石經(jīng)歷加熱和冷卻兩個(gè)過程，因此聲波速度降低存在兩個(gè)可能的誘因：①加熱過程孔隙內(nèi)自由水揮發(fā)，造成孔隙空間增加；②巖石內(nèi)部出現(xiàn)損傷，發(fā)生開裂。對于自然冷卻，由于其對流傳熱速率很低，無法對巖石產(chǎn)生顯著的冷沖擊作用。因此，自然冷卻下部分高溫巖樣的波速降低主要為加熱過程中孔隙失水所致。而液氮在與巖石接觸過程中會發(fā)生劇烈的沸騰氣化，沸騰傳熱作為一種高效的強(qiáng)化傳熱方式，可使巖石在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅溫降，進(jìn)而對巖石產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷沖擊致裂作用。對于液氮冷卻和自然冷卻的巖心，均經(jīng)歷了相同的加熱過程，因此通過將兩種處理方式下的巖樣波速對比，可消除加熱過程孔隙失水等因素的影響。液氮冷卻與自然冷卻的巖心縱波波速降幅的差異，即反映了液氮冷沖擊對巖石的損傷致裂作用。對比2種冷卻方式處理后巖心的縱波波速降幅，可以看出，對于經(jīng)歷相同加熱溫度的巖樣，液氮冷卻后縱波波速降幅顯著高于自然冷卻。巖樣溫度為25～260 ℃時(shí)，頁巖、砂巖和花崗巖液氮冷卻后縱波波速降幅分別為-0.12%～0.81%、3.2%～3.3%和4.1%～18.4%，較自然冷卻方式分別高出-0.12%～1.1%、3.2%～4.8%和4.1%～7.7%?？梢娨旱錄_擊對巖石造成了明顯的內(nèi)部損傷，且?guī)r石溫度越高，液氮冷沖擊致裂效果越顯著。

圖2為自然冷卻和液氮冷卻后巖石的單軸壓縮應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線，曲線峰值表征了巖石的單軸壓縮強(qiáng)度。自然冷卻后巖石單軸壓縮強(qiáng)度隨加熱溫度增加呈上升趨勢（見圖2a），說明加熱和自然冷卻對巖石造成一定程度的強(qiáng)化。這一現(xiàn)象在文獻(xiàn)[14]中也有發(fā)現(xiàn)，認(rèn)為在一定溫度范圍內(nèi)，加熱可造成巖石內(nèi)部礦物發(fā)生不可逆的塑性變形，提高巖石礦物顆粒間的摩擦力，從而強(qiáng)化巖石力學(xué)性能。自然冷卻過程中，由于冷沖擊作用效果很弱，巖石未形成顯著損傷。因此，巖石在經(jīng)歷加熱和自然冷卻兩個(gè)過程后表現(xiàn)出力學(xué)性質(zhì)的強(qiáng)化。然而，在液氮冷卻組中，雖然巖樣經(jīng)歷了同樣的加熱過程，但冷卻后巖石的強(qiáng)度并未隨初始溫度升高而強(qiáng)化，而是呈現(xiàn)出明顯的弱化趨勢。這是因?yàn)橐旱錄_擊作用顯著，冷卻過程引起的損傷幅度高于加熱過程中引起的強(qiáng)化幅度。因此，巖石在經(jīng)歷加熱和液氮冷卻過程后呈現(xiàn)出明顯的力學(xué)性能劣化。單軸壓縮應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線的直線段斜率表征了巖石的彈性模量，巖石的彈性模量隨溫度的變化趨勢與強(qiáng)度相似。自然冷卻方式下，巖石彈性模量隨溫度增加而升高；液氮冷卻方式下，巖石彈性模量則隨溫度增加而降低。

圖2 不同冷卻方式下巖樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為巖石液氮冷卻和自然冷卻后的單軸抗壓強(qiáng)度對比，3種巖樣中頁巖強(qiáng)度最高，花崗巖次之，砂巖最低。液氮冷沖擊對砂巖的作用效果較弱，液氮冷卻后的強(qiáng)度與自然冷卻后的強(qiáng)度差異不大。而液氮冷沖擊對頁巖和花崗巖的作用效果較強(qiáng)，在150 ℃及260 ℃條件下液氮冷卻后的強(qiáng)度明顯低于自然冷卻，且隨巖樣溫度的升高，2種冷卻方式對巖石強(qiáng)度影響的差異越顯著。上述結(jié)果表明，液氮冷沖擊效應(yīng)隨巖石溫度升高而增強(qiáng)，對巖石的局部破壞更大，力學(xué)弱化作用更強(qiáng)。

2 液氮射流破巖宏觀特征及微觀機(jī)理

為獲得射流沖擊和冷沖擊聯(lián)合作用下的巖石破碎特征，開展了液氮噴射破巖實(shí)驗(yàn)，分析溫度對巖石液氮射流破巖特性的影響規(guī)律。通過掃描電鏡觀察，揭示了液氮噴射作用下巖石的微觀損傷機(jī)制。

圖3 液氮冷卻和自然冷卻后的巖石強(qiáng)度對比

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與裝置

圖4所示為高壓液氮射流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括液氮罐車、低溫液氮泵、射流噴嘴、巖心室、溫壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及耐低溫管匯等。液氮泵為本系統(tǒng)的核心裝置，最高排量4 000 L/h，最高承壓35 MPa。液氮泵與中央電控裝置相連，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對射流噴射壓力的調(diào)控。液氮管匯采用耐低溫不銹鋼材質(zhì)，并在其外部纏繞保溫絕熱材料，避免液氮在流動過程中升溫氣化。實(shí)驗(yàn)開始前，需在系統(tǒng)內(nèi)低速循環(huán)液氮，以使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置充分預(yù)冷。

2.2 宏觀破巖特征

實(shí)驗(yàn)研究對象為邊長13 cm的方形花崗巖，將10塊花崗巖巖樣分為5組，每組2塊巖樣，分別記為1#和2#。采用高溫烘箱分別將各組花崗巖加熱至25，150，260，370，480 ℃，恒溫4 h后迅速轉(zhuǎn)移至巖心室內(nèi)進(jìn)行噴射破巖實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用錐-直型噴嘴，出口直徑1.5 mm，噴距設(shè)置為2倍噴嘴直徑。噴射壓力恒定為25 MPa，環(huán)境圍壓為大氣壓，巖石圍巖應(yīng)力為零。

圖4 高壓液氮射流破巖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖5為不同溫度下花崗巖液氮射流破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；◢弾r作為一種典型的脆性材料，在液氮射流沖擊作用下呈現(xiàn)出明顯的拉伸破壞特征。花崗巖本身強(qiáng)度很高，在25 MPa噴射壓力下液氮射流無法對低于150 ℃的巖樣造成顯著的體積破碎。而在260 ℃條件下，液氮射流沖擊后巖樣出現(xiàn)了大塊的體積剝落，并在沖擊坑周圍可發(fā)現(xiàn)諸多肉眼可見的宏觀裂縫?？梢酝茢啵?5 MPa液氮噴射壓力條件下，花崗巖的臨界體積破碎溫度在150～260 ℃。當(dāng)巖樣溫度升高至370 ℃時(shí)，巖樣在液氮射流沖擊下發(fā)生“炸裂”，巖樣出現(xiàn)更大的宏觀破碎；并且隨著巖樣溫度繼續(xù)升高至480 ℃，液氮射流沖擊下巖樣的整體破碎及損傷程度進(jìn)一步加劇，巖樣發(fā)生了整體的宏觀劈裂。

圖6為各花崗巖巖樣沖擊中心的破巖深度。在相同噴射壓力條件下，液氮射流破巖深度隨巖樣溫度升高呈指數(shù)增長，說明巖樣溫度越高液氮射流破巖效果越顯著。圖7所示為480 ℃的花崗巖經(jīng)25 MPa液氮射流沖擊后形成的破碎巖屑，噴距為3 mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，在液氮射流沖擊作用下，花崗巖以大塊體積破碎為主，破巖巖屑尺寸高達(dá)厘米級。前人研究表明，射流沖擊形成的巖屑尺寸越大，射流破巖所需的比能越低[15]。這說明液氮射流除具有破巖效率高的優(yōu)勢外，還具有破巖能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

圖5 不同溫度條件下液氮射流沖擊對花崗巖巖樣的破巖效果

圖6 花崗巖巖樣液氮射流破巖深度與溫度的關(guān)系

圖7 液氮射流破碎的花崗巖巖屑

除花崗巖外，還針對高溫頁巖和砂巖開展了液氮噴射破巖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置與花崗巖實(shí)驗(yàn)保持一致。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：①在25 MPa的噴射壓力下，液氮射流無法對150 ℃以下的頁巖造成明顯損傷；當(dāng)溫度升高至260 ℃時(shí)，液氮射流在頁巖沖擊面上形成了如圖8a所示的宏觀裂紋，但仍無法造成宏觀的體積破碎。②當(dāng)溫度為260 ℃時(shí)，液氮射流沖擊砂巖巖樣后表面未出現(xiàn)任何的宏觀開裂現(xiàn)象；當(dāng)溫度升高至480 ℃，液氮射流才在砂巖沖擊表面上形成如圖8b所示的交錯(cuò)裂紋。對比3種巖樣的破巖結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，在相同噴射壓力條件下，花崗巖的臨界破碎溫度最低，液氮射流對花崗巖的破巖效果明顯優(yōu)于另外2種巖樣。

圖8 液氮噴射沖擊對高溫頁巖和砂巖的宏觀開裂效果

2.3 微觀結(jié)構(gòu)變化

為揭示液氮噴射下巖樣的微觀損傷機(jī)制，采用掃描電鏡對沖擊區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察（見圖9），可見在低溫液氮射流沖擊作用下，花崗巖內(nèi)部形成了大量的微裂縫。根據(jù)微裂縫的開裂模式，可將巖石微觀損傷大致分為2類，即晶間開裂和晶內(nèi)開裂。巖石為不同礦物顆粒組成的混合體，其內(nèi)部不同礦物顆粒之間的熱脹系數(shù)存在較大差異。在液氮冷沖擊作用下，相鄰礦物顆粒之間收縮變形不匹配，使得巖石礦物顆粒邊界位置形成較強(qiáng)的熱應(yīng)力。該熱應(yīng)力隨巖石溫度降低而持續(xù)增強(qiáng)，最終超過顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度，形成如圖9a所示的晶間裂縫。此外，即使對于同一種礦物顆粒，其不同結(jié)晶軸方向上的熱脹系數(shù)也會存在較大差異。以石英礦物為例[16]，其平行c結(jié)晶軸方向的熱脹系數(shù)為7.7×10-6K-1，而垂直c結(jié)晶軸方向的熱脹系數(shù)達(dá)14.0×10-6K-1，約為平行c軸方向熱脹系數(shù)的2倍。因此，在液氮冷卻過程中，巖石內(nèi)礦物顆粒本身也存在著變形不協(xié)調(diào)，并最終導(dǎo)致顆粒內(nèi)部開裂，形成如圖9b所示的晶內(nèi)裂縫。相對于晶間裂縫，晶內(nèi)裂縫尺度更小、數(shù)量更少，因此晶間開裂為液氮射流沖擊下巖石的主要微觀開裂模式。

圖9 花崗巖沖擊破壞區(qū)微觀開裂模式

3 傳熱及熱應(yīng)力演化分析

為得到液氮與巖石接觸過程中巖石內(nèi)部溫度場及熱應(yīng)力的時(shí)序演變特征，采用如圖10所示實(shí)驗(yàn)裝置開展巖石液氮冷卻條件下的溫度變化曲線測量實(shí)驗(yàn)。裝置主要包括雙層不銹鋼容器、引流裝置、巖樣、測溫?zé)犭娕己驼婵毡玫?。?shí)驗(yàn)中通過真空泵對不銹鋼容器的夾層進(jìn)行抽真空，以減少環(huán)境熱損失。選用砂巖、頁巖和花崗巖3種巖樣，加工成直徑8 cm、厚3 cm的圓餅狀巖心。采用T型熱電偶測量巖石內(nèi)部距離表面2 mm位置處的溫度變化。

圖10 液氮與巖石接觸傳熱實(shí)驗(yàn)裝置

3.1 典型溫度及應(yīng)力演化曲線

鉆井過程中井底巖石被圍巖完全束縛，此時(shí)巖石表面熱應(yīng)力計(jì)算公式如下[17]：

對實(shí)驗(yàn)所用3種巖樣的力學(xué)參數(shù)及熱脹系數(shù)進(jìn)行測試分析（見表1），并根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算得到溫度及熱應(yīng)力的時(shí)序演化曲線（見圖11）：測量時(shí)間為200 s時(shí)為溫度變化拐點(diǎn)，測量時(shí)間小于200 s，巖石溫度下降較為緩慢；測量時(shí)間大于200 s，溫度快速下降，約400 s后趨于平緩，此時(shí)巖石表面溫度已接近液氮溫度。與溫度變化相對應(yīng)，巖石表面熱應(yīng)力增長速率同樣呈現(xiàn)出先減慢后加快，之后再次減慢的變化規(guī)律。

表1 不同巖樣熱物性及力學(xué)參數(shù)

圖11 典型傳熱及應(yīng)力演化曲線

巖石溫度及應(yīng)力變化的這一特點(diǎn)主要與液氮沸騰模式的轉(zhuǎn)變有關(guān)。初始時(shí)巖石的溫度（20 ℃）顯著高于液氮的沸點(diǎn)（-196 ℃），此時(shí)液氮處于膜態(tài)沸騰階段，即在液氮與巖石之間存在一層蒸氣層，阻隔了熱量的傳遞；隨溫度下降，上述蒸氣層在某一點(diǎn)開始崩塌，進(jìn)而液氮直接與巖石接觸，導(dǎo)致傳熱速率顯著上升，溫度下降加快。液氮先后經(jīng)歷過渡沸騰和核態(tài)沸騰，膜態(tài)沸騰與過渡沸騰的連接點(diǎn)稱為“萊頓佛羅斯特點(diǎn)（LFP點(diǎn)）”，圖11中巖石在液氮中的淬火曲線特征與文獻(xiàn)[18]中高溫金屬球/圓柱在水中的淬火曲線一致，均表現(xiàn)為從膜態(tài)沸騰、過渡沸騰到核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)變。

3.2 不同巖樣傳熱及應(yīng)力演化對比

圖12為頁巖、砂巖和花崗巖3種巖樣的液氮沸騰傳熱與熱應(yīng)力演化曲線。相對于頁巖，砂巖和花崗巖傳熱曲線的膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間更短，表現(xiàn)為溫度曲線提前變陡，LFP點(diǎn)對應(yīng)的溫度值更高。砂巖和花崗巖膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間較為接近，但花崗巖對應(yīng)的LFP點(diǎn)溫度略高于砂巖。3種巖石的熱應(yīng)力均隨時(shí)間的延長而增加，且增加速率均表現(xiàn)為先降低后升高、最后再降低。盡管3種巖石熱應(yīng)力變化趨勢相似，但三者對應(yīng)的熱應(yīng)力值卻存在較大差異：在膜態(tài)沸騰階段，花崗巖和頁巖的熱應(yīng)力值相近，但由于花崗巖對應(yīng)的膜態(tài)沸騰持續(xù)時(shí)間短于頁巖，其熱應(yīng)力曲線更早加速變陡，使得在后續(xù)沸騰階段中花崗巖的熱應(yīng)力值顯著高于頁巖；相對而言，砂巖的熱應(yīng)力值則相對較低。

圖12 巖石沸騰傳熱與熱應(yīng)力演化對比曲線

不同巖石間熱應(yīng)力值差異的原因主要?dú)w結(jié)于兩個(gè)層面：①巖石間微觀結(jié)構(gòu)差異；②巖石間宏觀力學(xué)特性差異。砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，對溫度變化引起的巖石顆粒變形具有更強(qiáng)的容納能力，從而弱化了巖石顆粒間變形產(chǎn)生的約束作用，因此造成砂巖內(nèi)熱應(yīng)力值顯著低于其余2種巖石。另外，巖石熱應(yīng)力與其本身彈性模量呈正相關(guān)，3種巖樣中花崗巖的彈性模量最高，砂巖的彈性模量則顯著低于另外2種巖石。因此，具有較高彈性模量的花崗巖，液氮冷卻時(shí)內(nèi)部熱應(yīng)力也必然更高。

4 討論與分析

4.1 液氮射流破巖機(jī)理分析

液氮噴射破巖實(shí)質(zhì)為冷沖擊和高速射流沖擊的耦合作用結(jié)果。在液氮冷沖擊作用下，巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，破壞巖石顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，從而形成微裂縫。這些微裂縫的形成，引起巖石力學(xué)強(qiáng)度的大幅弱化，因此降低了射流的破巖門限壓力。在射流高速沖擊形成的應(yīng)力波以及水楔效應(yīng)的持續(xù)作用下，這些微裂縫擴(kuò)展延伸，相互之間交叉匯合，最終形成宏觀的體積破碎。此外，液氮在受限裂縫空間內(nèi)的膨脹增壓效應(yīng)，可對裂縫壁面產(chǎn)生側(cè)向的推力，促使微裂縫擴(kuò)展，進(jìn)一步加劇巖石損傷。

噴射破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，花崗巖的破碎效果最為顯著，其次為頁巖，砂巖的破碎效果最差。液氮射流對不同巖石破碎效果的差異，與液氮冷沖擊下巖石力學(xué)性能劣化差異有關(guān)。為定量表征不同巖石在冷沖擊作用下的力學(xué)性能劣化程度，定義巖石冷沖擊劣化因子如下：

根據(jù)上述巖石力學(xué)測試結(jié)果，采用（2）式計(jì)算不同溫度下巖石彈性模量劣化因子及單軸壓縮強(qiáng)度劣化因子（見表2）?？梢园l(fā)現(xiàn)，冷沖擊條件下，彈性模量與單軸壓縮強(qiáng)度劣化因子均以花崗巖最高，頁巖次之，砂巖最低，可見3種巖石中花崗巖對液氮冷沖擊的響應(yīng)最為敏感，其力學(xué)性質(zhì)劣化程度最為顯著；砂巖對液氮冷沖擊作用的響應(yīng)最弱，其彈性模量及單軸壓縮強(qiáng)度劣化因子最小，冷沖擊引起的力學(xué)性能劣化程度最低。砂巖對液氮冷沖擊的弱力學(xué)敏感性，是其液氮射流沖擊下破碎效果差的主要原因。

表2 巖石彈性模量、單軸壓縮強(qiáng)度劣化因子計(jì)算結(jié)果

4.2 技術(shù)實(shí)施與前景

高壓液氮射流輔助鉆井提速新方法，以低溫液氮作為鉆井流體，通過井底增壓裝置調(diào)節(jié)形成高壓液氮射流，對井底巖石進(jìn)行沖擊破碎，該技術(shù)的具體實(shí)施方案如圖13所示。采用雙層隔熱鉆柱內(nèi)管將低溫液氮輸送至井底，液氮經(jīng)過井底高壓射流發(fā)生裝置增壓后，高速噴射破碎巖石；鉆柱內(nèi)管與外管間環(huán)空中注入空氣，增加鉆柱絕熱能力，防止內(nèi)管液氮急劇升溫氣化；空氣通過井底鉆柱側(cè)向出口流出，對返流的氮及井壁進(jìn)行回溫，防止井壁巖石過冷引起失穩(wěn)坍塌；與氣體鉆井類似，液氮在與井底高溫巖石接觸后迅速升溫氣化，利用高速氮?dú)饬鲗⒕讕r屑攜至地面。

圖13 液氮射流輔助鉆井工藝示意圖

高壓液氮射流技術(shù)結(jié)合了液氮低溫冷沖擊與高速射流沖擊的雙重作用，可顯著降低巖石的破碎難度，提高巖石的破碎效率。因此，液氮射流在提高深井硬地層鉆速方面具有廣泛的應(yīng)用前景，尤其對于深部干熱巖地?zé)峋?。由于井底巖石溫度較高，液氮冷沖擊作用效果將會被大幅增強(qiáng)。深部干熱巖儲集層巖石溫度可達(dá)150～500 ℃，而液氮大氣壓下沸點(diǎn)僅為-196 ℃，液氮與干熱巖之間溫差可達(dá)約350～700 ℃。在如此大的溫差作用下，井底硬巖將承受巨大的冷沖擊作用，力學(xué)強(qiáng)度將被顯著劣化，從而有助于提高井底硬巖的鉆井速率，降低干熱巖地?zé)峋慕ň芷诤统杀?。此外，將液氮射流與空化、欠平衡等技術(shù)相結(jié)合，還可消除井底的壓持效應(yīng)，避免巖屑重復(fù)破碎，從而有望進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速[19]。與氮?dú)忏@井類似，液氮射流輔助鉆井通過高速氮?dú)饬鲾y帶巖屑至地面，因此可有效解決地層的惡性漏失問題，對裂縫性地層具有良好的適用性。同時(shí)，氮作為一種無污染、惰性強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定的介質(zhì)，可有效解決黏土遇水膨脹所引起的儲集層傷害等難題，適用于水敏性地層。

5 結(jié)論

液氮冷沖擊可顯著弱化巖石單軸壓縮強(qiáng)度及彈性模量等力學(xué)性質(zhì)，巖石溫度越高，力學(xué)性能弱化程度越強(qiáng)。其中花崗巖和頁巖對液氮冷沖擊的響應(yīng)更為敏感，力學(xué)劣化更為顯著。

液氮射流對花崗巖的破碎效率最高，隨巖石溫度升高，液氮射流破巖效果增強(qiáng)，在25 MPa噴射壓力條件下，花崗巖破碎的閾值溫度為150～260 ℃。

液氮冷沖擊在巖石內(nèi)誘導(dǎo)產(chǎn)生熱應(yīng)力，花崗巖內(nèi)熱應(yīng)力顯著高于砂巖和頁巖，且熱應(yīng)力隨時(shí)間不斷增加。隨著液氮沸騰模式從膜態(tài)到核態(tài)的轉(zhuǎn)變，巖石內(nèi)熱應(yīng)力增長率呈先減小后增大再減小的變化趨勢。

液氮射流破巖以大塊體積破碎為主要特征，具有破巖效率高、破巖門限低的優(yōu)勢。該方法對高溫花崗巖的破巖效果尤為突出，在深層干熱巖儲集層鉆井提速方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

符號注釋：

DI——巖石力學(xué)參數(shù)劣化因子；E——巖石彈性模量，——自然冷卻和液氮冷卻后的力學(xué)參數(shù)；vp——巖石縱波波速，m/s；α——熱脹系數(shù)，K-1；μ——泊松比；ΔT——降溫幅度，K；Δvp——巖石縱波波速變化幅度，m/s；Tσ——熱應(yīng)力，MPa。