【摘 要】
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干热岩是重要的可再生清洁能源,资源储量丰富,开发潜力巨大。花岗岩是干热岩的主要岩石类型,具有硬度高、破碎难等问题,导致机械钻速低、成本高,亟需探索高效破岩新方法。高温射流是近年来提出的一种新型破岩方法,通过井下调制产生高温流体,从喷嘴喷出形成高速射流,在射流冲击力和高温热应力共同作用下破碎岩石,有望提高花岗岩硬地层的破碎效率。高温射流作用下井底冲击流场特征、热力耦合破岩机制、门限参数影响规律是关键
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干热岩是重要的可再生清洁能源,资源储量丰富,开发潜力巨大。花岗岩是干热岩的主要岩石类型,具有硬度高、破碎难等问题,导致机械钻速低、成本高,亟需探索高效破岩新方法。高温射流是近年来提出的一种新型破岩方法,通过井下调制产生高温流体,从喷嘴喷出形成高速射流,在射流冲击力和高温热应力共同作用下破碎岩石,有望提高花岗岩硬地层的破碎效率。高温射流作用下井底冲击流场特征、热力耦合破岩机制、门限参数影响规律是关键问题。本论文采用数值模拟和实验的方法,围绕高温射流作用下花岗岩破碎机制与参数影响规律开展深入研究。高温射流主要流体介质是超临界水(T≥374.3℃,P≥22.1 MPa),考虑其热物理特性变化,建立了高温射流井底冲击流场数值模型,结果表明,高温射流冲击速度沿轴向衰减缓慢、等速核长;漫流速度在井底平面为M型分布;冲击压力在井底中心处最大,向两侧逐渐减小。漫流速度随着入口压力和温度增大而增大。冲击压力随入口压力增大而增大,随温度升高而减小。考虑热应力和冲击力的共同作用,建立了高温射流冲击下岩石损伤与破碎模型,揭示了高温射流作用下花岗岩破碎机制。高温热应力导致花岗岩拉伸变形,而射流冲击力导致压缩变形,二者耦合作用下花岗岩变形复杂,应力分布不均匀,内部同时发生拉伸和压剪破坏。射流冲击力、非均匀热应力、射流水楔效应是高温射流破岩的关键因素。实验研究揭示了高温射流作用下花岗岩损伤与破碎特征。在超临界水作用下花岗岩内部损伤剧烈:宏观上纵波波速、抗拉抗压强度降低;微观上内部形成了大量相互交联的裂缝,同时由于溶蚀或反应形成凹坑。高温冲击作用下花岗岩破碎形成不规则孔,随着孔深的增加,孔眼形态趋于规则;花岗岩破碎后形成片状岩屑,面率主要分布在3.3到4.8之间,形状系数主要分布在0.6到0.7之间。建立了高温射流作用下花岗岩起裂门限温度预测模型,结果表明花岗岩起裂门限温度随射流冲击力增加而降低。建立了高温射流持续钻进时门限温度和热流密度预测模型,揭示了影响钻进门限温度和热流密度的关键参数为杨氏模量、热膨胀系数、岩石强度、岩石比热容、岩石密度、射流冲击系数。本论文研究揭示了高温射流作用下花岗岩破碎机制与关键参数影响规律,有望为高温射流钻井技术发展及现场应用提供理论支撑。
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