Mechanism of drilling rate improvement using high-pressure liquid nitrogen jet

To address the high rock strength and low drilling rate issues in deep oil/gas and geothermal exploitation, we performed mechanical property tests on three kinds of rock samples(granite, shale and sandstone) subjected to liquid nitrogen(LN2) cooling and conducted rock-breaking experiments using LN2 jet. Rock-breaking characteristics and mechanisms of LN2 jet, heat transfer features between LN2 and rock and thermal stress evolution in rock were analyzed. A novel high-pressure LN2 jet assisted drilling method was proposed accordingly. The study results show that LN2 thermal shock can significantly reduce uniaxial compression strength and elastic modulus of rock. Rock damage and corresponding mechanical deterioration become more pronounced with increasing rock temperature. The LN2 jet has merits of high rock-breaking efficiency and low threshold rock-breaking pressure. Rock failure under LN2 jet impact is characterized by large volume breakage and the rock-breaking performance becomes more significant with increase of rock temperature. Under the impact of LN2 jet, the damage of granite is the most remarkable among the three rock samples. Thus, this method works better for high temperature granite formations. It has a good application prospect in speeding up drilling rate in deep hot dry rock geothermal reservoirs.

高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩声发射演化特征及损伤本构模型

通过液氮(LN_2)压裂在储层中形成大规模裂隙网络,可以有效提高干热岩储层的热能提取效率。为研究液氮冷冲击作用对不同温度储层的压裂机理和致裂效果的影响,对经过高温加热(25℃~400℃)和液氮冷冲击处理后的花岗岩试样进行单轴压缩试验,分析了花岗岩力学强度及声发射等多项参数的演化特征,并进一步构建了考虑声发射参数的损伤本构模型,用于评价和预测高温加热-液氮冷冲击处理后花岗岩的变形和强度特征。结果表明:高温和液氮冷冲击的联合作用显著劣化了花岗岩力学性能,峰值强度逐渐降低,最大降幅达到32.8%。同时随着加热温度的升高,不同矿物颗粒之间的热膨胀变形存在差异,导致矿物颗粒之间变形不协调。随着初始加热温度的升高,声发射最大b值平均值显著上升,最大增幅达到32.2%,且声发射振铃计数的初始静默阶段对应的应变量大幅度降低,最大降幅达到54.3%。随着加热温度的升高,液氮冷冲击作用使得微裂纹的生长更为密集,花岗岩在外部荷载作用下,微裂隙不断扩展贯通,更容易形成剪切变形,发生剪切破坏的起始应力水平逐渐下降,最大降幅达到62.3%,同时RA-AF散点值在剪切区域占比增加,最大增幅达到29.5%。此外,本文以声发射振铃累计计数为变量构建了考虑声发射参数的损伤本构模型,能够描述不同高温和液氮冷冲击处理后花岗岩各力学参量在变形破坏过程中的演化特征。

液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理

低温流体液氮对煤冷冲击的作用范围、煤内部因温差形成的热应力变化规律及其对煤形成损伤的力学作用机理,均是液氮在煤岩增透领域应用中亟待研究的关键问题。利用非接触式全场应变测量装置、红外温度场测量装置和热电偶温度测量装置,测得开放环境下液氮冷冲击煤样钻孔后,钻孔周边煤体温度场及应变场随冷冲击时间的变化规律。通过建立包含弹性模量、泊松比、热膨胀系数、测点温差及测点所在半径参数的热应力模型,设计实验测得模型各参数并代入其中求解,计算得到煤岩内部不同位置处的热应力及其随冷冲击距离和时间的变化规律,并针对3类不同变质程度煤的上述规律进行对比。研究结果表明,在液氮冷冲击过程中,3类煤样内部各测点处的温度均呈现出快速降低—缓慢降低—稳定的变化规律,各测点处的热应力均经历了快速增长—缓慢增长—无增长3个阶段。距离冷冲击钻孔越近,相邻测点间的温度相差越大,所产生的热应力越大。液氮冷冲击1 800 s后,3类煤样各测点处的热应力均基本达到稳定阶段,距离冷冲击钻孔1 cm处所产生的热应力均≥1.84 MPa。液氮冷冲击能够使煤内部产生4类变形进而对煤造成损伤,其中“因压致拉”所产生的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类变形及3者相互组合的复合型变形,是煤体形成损伤产生复杂裂缝的根本原因。然而,液氮冷冲击对不同煤的降温及变形范围虽存在差异,但总体作用范围有限,仅能够在钻孔周边产生损伤,因此,液氮冷冲击技术建议结合压裂工艺进行应用,冷冲击所产生的损伤可用于降低起裂压力,并使压裂裂缝更为复杂。

循环冷浸致煤样结构损伤的力学性质演化规律

孔隙、裂隙结构是影响煤体力学性质的重要因素,直接关系到煤层气等能源的安全生产。为了研究在液氮作用下,结构损伤引起煤体力学性质的变化规律,选取辽宁省阜新市新邱煤矿长焰煤作为实验试样,通过循环冷浸的实验方法,采用岩石压缩实验机和声波反馈结构损伤检测实验装置观测不同循环冷浸周期煤样在单轴压缩过程中,孔隙量和单轴抗压强度的耦合变化关系,并建立损伤力学模型,揭示循环冷浸致煤样结构损伤的力学性质演化规律和作用机理。结果表明:(1)煤样的孔隙、裂隙在单轴压缩过程中存在3个阶段:孔隙闭合阶段、孔隙扩展阶段、破坏及其发展阶段,在孔隙闭合阶段时,随着循环冷浸周期的增加,煤样的压缩形变量逐渐增大;(2)通过与未冷浸煤样的应力-应变曲线比较,循环冷浸处理后煤样的单轴抗压强度和脆性程度降低,循环冷浸周期与单轴抗压强度和脆性程度呈负相关;(3)利用ABAQUS软件进行数值模拟,建立煤样冷浸损伤力学模型,发现在液氮冷浸环境下,煤基质收缩,煤的裂隙尖端出现了应力集中现象,当裂隙尖端的应力强度因子超过煤的断裂韧性时,裂隙就会扩展。液氮循环冷浸可以使煤样孔隙、裂隙结构发生损伤变化,促使煤体的力学性质劣化,这将对煤层气抽采和冲击地压防治提供重要的理论参考。

高压液氮射流提高深井钻速机理

针对深部油气及地热钻探中岩石温度及强度高、钻速普遍偏低等问题,采用花岗岩、页岩和砂岩3种岩样,开展了高温岩石液氮冷却后的力学特性测量实验与液氮射流破岩实验,解析了液氮喷射破岩的宏观特征与微观机理、液氮-岩石的传热特征、岩石内热应力的演化规律,进而提出了高压液氮射流辅助钻井的新方法。研究表明,液氮冷冲击可显著降低岩石的单轴压缩强度及弹性模量,岩石温度越高,力学弱化程度越高,冷冲击对岩石的损伤程度越强;液氮射流破岩以大块体积破碎为主要破岩特征,具有破岩效率高、破岩门限低的特点,岩石温度越高,液氮射流破岩效果越强;液氮喷射作用下花岗岩的损伤程度最高,该方法对高温花岗岩地层具有更好的适用性,应用于深层干热岩储集层钻井提速,具有良好的前景。

液氮循环致裂技术强化煤层气抽采的研究与应用展望

水力压裂技术在强化煤层致裂、提高煤层气抽采效率方面广泛应用,但存在耗水量大、压裂液易污染环境等问题,难以在富含煤层气的缺水地区应用。基于常规液氮压裂技术,通过改变液氮单次注入方式,提出了液氮循环致裂技术,并对该技术用于强化煤层气抽采进行了展望。该技术采用液氮循环注入方式,使得液氮持续充填不断扩展的裂隙空间,形成复杂的裂隙网络。其致裂煤岩机理为循环累积损伤、低温致裂及气体致裂三者耦合作用机制:①在液氮循环注入过程中,不同类型组配颗粒间出现不同程度的变形响应,不断累积的颗粒间损伤在一定程度上劣化煤体局部区域的抗压强度,导致新生裂隙的衍生及原生孔隙扩容。②液氮对煤岩的冷冲击导致煤岩内部结构发生断裂,产生大量微裂隙,并使其随着液氮循环注入不断扩展和导通,同时液氮的低温作用导致的水冰相变过程能进一步破坏煤岩内部结构。③液氮汽化产生的高压气体使得煤岩体积重复性地扩展-收缩,进一步促使裂隙发育和导通。液氮循环致裂技术以液氮为压裂介质,极大缓解了对水资源的依赖,对环境无污染,可用于煤层气抽采等领域。

液氮循环冷冲击作用下煤体受拉破坏特征

为了研究液氮循环冷冲击作用后煤体受拉破坏特征,分别针对0,2,4,6,8,10次液氮冷冲击煤样开展超声测试与巴西劈裂试验,对煤样的纵波波速、抗拉强度、破坏形态、裂隙密度、分形维数等相关物理参数进行分析,同时研究了液氮冷冲击次数对煤样受拉破坏应力场和声发射时域参数特征的影响.研究结果表明:随着冷冲击次数的增加,煤样的纵波波速及抗拉强度逐渐降低,经10次冷冲击后分别降为初始值的37%和30.72%;冷冲击后煤样出现分次破坏且呈现出较明显的屈服阶段.随着冷冲击次数的增加,煤样表面最大应变值逐渐增大,破坏形态从“直线型”逐渐向“网络型”演化,裂隙密度从32.11 m^(-1)逐渐增大至经10次冷冲击后的113.75 m^(-1),同时分形维数从1.15增大至1.49.液氮冷冲击后煤样缓增期内振铃计数出现突变点,且突变点数量随冷冲击次数的增加先升高后降低,第6次冷冲击时达到最大值,之后振铃计数峰值逐渐降低.冷冲击后煤样累计能量曲线呈现阶跃式增长,累计能量峰值随冷冲击次数的增加先升高后降低.弱结构区的存在可能是煤样产生分次破坏、破坏形态向网络型演化以及振铃计数出现突变点的根本原因.

低渗透煤层液氮冷冲击致裂研究新进展

针对我国低渗透煤层瓦斯抽采困难的问题,提出了液氮冷冲击致裂增透方法。该方法将高压液氮注入煤层钻孔,结合低温液氮的冷冲击作用、水冰相变的冻胀作用和液氮气化的膨胀作用,在煤体内部构造发育的孔裂隙网络,从而提高瓦斯的抽采效率。本文分别从热应力、冻胀力和气化膨胀力角度阐释了液氮冷冲击多重效应致裂煤体的机理。关于液氮致裂煤体的基础机理与技术应用方面的研究,需考虑含瓦斯煤体及原位地层条件,同时脉动液氮压裂值得引起进一步关注。当前存在液氮高效致裂增透的技术环节有待优化完善和液氮多重致裂作用下裂隙扩展机制认识不清的问题。未来可将液氮压裂与水力射流等技术相结合,降低煤层起裂压力,实现裂隙的定向、大范围扩展。

液氮冷冲击时长对煤体致裂效果的影响

注氮参量的设置与煤体致裂效果密切相关,为研究液氮冷冲击循环过程中不同冷冲击时长对致裂效果的影响,开展不同冷冲击时长(5,10,15,20 min)液氮溶浸试验,利用低场核磁共振设备对比分析各组煤样孔径分布、孔隙数量、孔隙度及吸附/渗流孔变化规律,进而表征煤样在不同冷冲击时长下的孔隙发育程度.研究表明:不同冷冲击时长下煤体孔隙特征演化过程具有明显的差异性.不同冷冲击时长下中大孔的变化率表现出前期快速增长、后期缓慢增长的现象;冷冲击时长与孔隙度参数变化率、吸附孔和渗流孔占比变化率均呈现指数相关关系,具有“前期增长快速,后期增长平缓”的特点.不同冷冲击时长下的液氮循环溶浸处理本质上是温度在不同时间尺度上的循环.对冷冲击时长的控制是基于煤体内部温度降的变化,以期实现更好的热应力致裂作用效果,提高瓦斯抽采效率.该研究对现场循环注氮致裂的冷冲击时长选择具有一定的指导意义.

低温气体辅助煤层气压裂中的冷冲击机理

液N_2等气体辅助煤层气压裂的常规机理已较为清楚,但其低温特征对煤层物性的影响以及对压裂效果的改善机理尚未引起重视,缺乏理论认识.归纳总结了低温气体对煤岩的冷冲击作用机制,评价了地层水的结冰条件和低温气体的热物性,通过室内实验和数值模拟等手段验证和预测了液N_2对煤岩及近井煤层的冷冲击效果,并进行了冷冲击机理应用潜力分析.研究结果表明,煤层气压裂过程中注入N_2等低温气体对煤层进行冷冲击,可引起煤岩基质收缩和地层水结冰膨胀,使煤岩产生大量微裂缝和力学强度降低(10%~30%),有利于实现冰晶暂堵和改善煤层气压裂效果.以沁水盆地樊庄区块3#煤层为例,当液N_2注入总量为30~120m^3时,可在近井周围3~5m内形成低温区(<-20℃),煤层孔隙度将平均增大约1.5倍,渗透率增大4倍,还可造成煤岩的拉伸和挤压破坏.利用低温气体的冷冲击机理及其产生的冰晶暂堵可以作为改进煤层气和页岩气压裂工艺的新方向.