随着我国石油钻井技术不断发展，目前我国的钻井需求已逐步转向深层、复杂难钻地层^[1-3]。然而钻井速度严重制约了深层、超深层和硬地层油气藏的勘探开发速度和效率^[4-6]。笔者认为研制设计效率高、成本低的钻井工具，深入揭示岩石的破碎机理至关重要。目前油气钻探领域使用最多的是PDC（polycry-stalline diamond compact）钻头，其在钻压作用下压入地层，依靠旋转刮削方式破碎岩石，主要利用了岩石的剪切强度低于抗压强度的特点^[7]，在软到中硬的均质地层中破岩效率较牙轮钻头有较大提高^[8]。PDC钻头在钻遇复杂难钻地层时，切削齿断裂、磨损严重、起下钻频繁导致其钻井效率低^[9-10]，在很大程度上影响了整个油气开采过程的成本与效率。PDC齿作为PDC钻头的基本切削单元影响着PDC钻头的破岩效率^[11]，其对目标地层施加大钻压以及剪切载荷破碎岩石，因此研究PDC切削齿的破岩机理成为PDC钻头高效破岩的基础。

许多科研工作者们针对PDC齿进行了单齿试验^[12–15]和数值模拟^[16–21]，分别研究了压入过程和刮削过程，缺乏PDC齿压入岩石能力方面的研究，少数研究者虽然进行了压入岩石方面的研究^[12]，但其研究对象主要是PDC齿，几乎没有PDC齿压入岩石对岩石造成的宏观与细观裂纹特征方面的研究。岩石受载内部形成微裂纹，微裂纹的形成势必会降低岩石的强度，改善岩石的可钻性^[22]。因此，研究PDC齿压入破岩过程中岩石裂纹的演化规律，将为PDC钻头设计和钻压施加提供理论依据。

笔者以岩石为研究对象，采用电子式万能试验机进行了不同前倾角PDC齿压入岩石的破岩试验，采用岩石破碎无损显微检测系统进行实时动态的无损检测，实时采集数据^[23]，分析了PDC齿压入岩石破岩过程中岩石中裂纹的宏观与细观特征。研究结果对于揭示岩石的损伤机理、揭示PDC钻头压入岩石过程中的破岩机理、建立PDC钻头破岩的评价方法、优化PDC钻头的设计参数及工作参数等具有一定意义。

1.   PDC齿压入破岩试验

1.1   试验原理

PDC齿压入破岩试验在西南石油大学钻头研究所研制的微机控制电子万能试验机上进行，PDC齿经夹具（以下简称齿座）连接在压力传感器上，压力经过传感器传递到PDC齿，使其作用在岩石上。试验过程中采用高速摄像系统和岩石破碎无损显微检测系统进行实时的动态无损检测。该试验方案的优势在于不需要在岩石上取样，直接观测岩石，可以有效避免取样过程中对岩石造成的二次损伤。试验原理如图1所示。

图  1  PDC齿压入试验原理

Figure  1.  Principle of PDC cutter indentation test

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1.2   试验方法

试验目的是研究PDC齿压入岩石形成破碎坑过程中裂纹损伤演化的规律。试验采用倒角0.2 mm、表面抛光的ϕ19 mm PDC齿，分别以5°，10°，15°，20°，25°和30°前倾角切削岩样。之所以选用ϕ19 mmPDC齿，是因为油气井钻井所用PDC钻头常采用这种PDC齿。

试验采用天然青砂岩（重庆）、花岗岩（河南）岩样，岩样的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。按照行业标准DZ/T 0276^[24–26]进行岩石力学试验。试验所用岩样的物理力学性质参数如表1所示。

表  1  试验岩样主要的物理力学性质参数

Table  1.  Main property parameters of rocks

岩性	抗压强度/MPa	弹性模量/GPa	泊松比	抗拉强度/MPa	黏聚力/MPa	内摩擦角/（°）	密度/（g·cm−3）
青砂岩	25.54	4.05	0.30	1.63	18.64	40.69	2.23
花岗岩	148.45	11.81	0.25	3.34	26.28	56.68	2.66

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试验采用压力增大的方式，加载速度固定为0.05 kN/s；每次试验开始前都进行参数标定，预压入0.1 mm时进行参数清零标定，加载至表面开裂时该次试验结束。试验过程中环境温度为20 ℃，且忽略温度对试验的影响；以同一前倾角切削同一岩性岩样，并至少重复3次。

2.   试验结果分析

2.1   钻压特征

取3次试验的中间值，即去掉钻压最大和钻压最小的试验结果，绘制不同前倾角PDC齿压入青砂岩和花岗岩的钻压–压入深度曲线，如图2所示。由图2（a）可以看出，PDC齿压入青砂岩岩样的过程中，随着压入深度增加，钻压基本呈现直线上升的趋势，当达到某深度后，又呈现直线下降的趋势。青砂岩岩样缓慢受压而钻压直线上升并未见钻压波动，而岩石破碎时压入钻压会产生波动变化^[27]，说明PDC齿压入青砂岩岩样时其内部较为稳定地形成微裂纹，且还没达到出现大块岩屑的程度，但可能会产生很小的岩屑，而其不足以对钻压产生影响。当PDC齿压入青砂岩岩样一定深度时，钻压突然急剧降低，且青砂岩岩样表面产生宏观可见的大裂纹，说明当压入深度达到某特定深度后，青砂岩岩样的开裂在很短时间内就完成了，且裂纹在很短时间内就扩展成形了。产生这一现象的主要原因是由于青砂岩内部岩石晶体的间隙较大，在刚开始加压压入时，晶体之间的间隙被不断压缩，从而钻压直线上升，当间隙被压缩到足够小时岩石突然开裂，说明在破碎前砂岩内部已形成微裂纹，且微裂纹的形成速率与时间近似呈线性递增的关系^[7]。

图  2  青砂岩和花岗岩的中值钻压–压入深度曲线

Figure  2.  Curve of median weight-on-bit(WOB) with indentation depth for blue sandstone and granite

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由图2（b）图可以看出：PDC齿压入花岗岩的过程与青砂岩不同，在钻压升高过程中，钻压上下波动，钻压–压入深度曲线呈现一个个小山峰；在整个过程中，随着压入深度增深，钻压逐渐升高，呈现直线上升趋势；当压入深度达到某一特定值时，钻压突然降低，呈现直线下降；随着压入深度继续增大，钻压继续升高，又呈现升高趋势，随后又呈现降低趋势，如此往复循环。在刚开始加载时，钻压升高又降低，主要是由于花岗岩的晶体间隙较小，晶体较脆，受压导致晶体颗粒破碎，破碎的小颗粒飞溅，且内部伴随有小裂纹产生。另一方面，在PDC齿压入作用下，岩石未达到完全破碎前，在PDC齿压入前端已经出现被粉碎或显著塑性变形的物体，称为密实核。随着钻压继续升高和降低，直至达到某一特定值后产生宏观可见的大裂纹。由于花岗岩硬度较大、脆性较大，导致PDC齿压入较难，其破碎过程中的破碎速率为非线性。

由图2还可以看出：PDC齿压入破碎砂岩过程中，砂岩的损伤随着钻压持续输入逐步发展，直至最终产生肉眼可见的体积破碎，随后钻压迅速降低，并且随着前倾角增大，破坏的持续过程呈先增长后缩短的趋势；PDC齿压入破碎花岗岩过程中，随着前倾角增大，破坏的持续过程呈先缩短后增长的趋势。

对图2中的钻压–压入深度曲线归纳总结，可以将钻压–压入深度曲线曲线可分为8个区段（见图3），各个区段分别显示了PDC齿与岩石的不同作用特征。

图  3  PDC齿压入岩石的钻压–压入深度曲线

Figure  3.  Curve of WOB with indentation depth for PDC cutter

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1）OA段，孔隙空穴压密阶段。该区段的钻压–压入深度曲线向上凹弯曲，其形成原因主要是PDC齿与岩石接触区域岩石内部的微小裂隙被逐渐压密所形成，曲线的斜率随着压入深度增深而逐渐增大，表明微裂隙的压密闭合开始时较快，随后逐渐减慢。对于砂岩，该区段的变化较易发现，而对于花岗岩，不易发现；对于同一岩性岩样，PDC齿前倾角越小，该区段越明显。

2）AB段，稳定压密阶段。该区段钻压–压入深度曲线接近于直线，其形成原因主要是PDC齿与岩石接触区域岩石内部微小裂隙进一步闭合及压密，孔隙被压缩，且伴随着微裂纹萌生扩展。钻压–压入深度曲线的斜率保持不变，表明该区段微裂隙的压密闭合速率保持稳定。该区段的变化对于任何岩性岩样、任何前倾角PDC齿都可以看到，但其斜率有所不同，主要受岩性、PDC齿前倾角的影响。

3）BC段，不稳定破碎阶段。该区段钻压–压入深度曲线向上凸弯曲，其形成原因主要是PDC齿压入岩石导致接触区域岩石应力集中效应显著，使某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，从而又引起次要薄弱部位被破坏。钻压–压入深度曲线的斜率随着压入深度增深而逐渐减小直至为零，表明该区段岩石内部微裂纹萌生、扩展、连贯即将到达极限。该区段的变化在砂岩中且PDC齿前倾角小的情况下可以看到，当PDC齿前倾角增大或在花岗岩中难以看到。

4）CD段，宏观破碎阶段。该区段钻压–压入深度曲线为下降曲线，其形成原因主要是在PDC齿压入作用下，岩石内部的微裂纹快速连贯、交织而形成宏观裂纹，从而形成岩屑飞溅，该区段的变化时间短、速度快，可以很容易观测到。

5）DE段，再接触后的孔隙空穴压密阶段，与OA段一样。

6）EF段，再接触后的稳定压密阶段，与AB段一样。

7）FG段，再接触后的不稳定破碎阶段，与BC段一样。

8）GH段，再接触后的宏观破碎阶段，与CD段一样。

试验结果表明，PDC齿压入岩石过程中，钻压–压入深度曲线并非只有上述2个循环过程，而是有无数个循环过程，且各个区段的长短受岩性、PDC齿前倾角的影响。

归纳分析可得，不同前倾角PDC齿压入青砂岩、花岗岩过程的钻压–压入深度方程为：

式中：Y为钻压矩阵；X为关于压入深度的矩阵；A为系数矩阵。

利用式（1）对图2中的钻压–压入深度曲线进行拟合，结果如图4所示。由图4可以看出：对于青砂岩，PDC齿前倾角为20°时，压入青砂岩的能力最强；对于花岗岩，PDC齿前倾角为25°时，压入花岗岩的能力最强；PDC齿以不同前倾角压入一定深度所需的钻压有较大差异，压入深度小于4 mm、前倾角为5°时，PDC齿压入岩石的能力最差；相同钻压条件下，PDC齿压入青砂岩较深，压入花岗岩较浅。

图  4  不同前倾角的钻压–压入深度拟合曲线

Figure  4.  Fitting curve of WOB with indentation depth under different rake angles

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2.2   岩石宏观裂纹特征

图5为砂岩和花岗岩宏观表面裂纹。由图5可以看出：主裂纹都沿着PDC齿的尖角和圆柱侧面的圆弧尖角开裂，且穿过PDC齿的受压区域，弯曲成一定角度，主要是接触区域的齿尖处为应力集中区。对于砂岩，PDC齿前倾角较小时，主裂纹沿着齿圆面与岩石形成的尖角和圆柱侧面挤压岩石形成的尖角开裂；随着前倾角增大，主裂纹只沿着齿圆面与岩石形成的尖角开裂。由于砂岩裂纹内有砂粒脱离，而花岗岩破碎是晶体开裂造成的，导致砂岩的裂纹内有岩屑脱落造成两侧较为弯曲，而花岗岩裂纹两侧较为规整，砂岩的主裂纹附近伴随有宏观可见的支裂纹，而花岗岩没有。

图  5  岩石的宏观裂纹

Figure  5.  Macroscopic cracks in rock

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图6为砂岩和花岗岩在不同状态下的表面宏观裂纹分布。由图6可以看出：岩石受PDC齿作用，薄弱地方的砂粒率先脱落松动张开，然后向前扩展，之前形成裂纹之间的张开距离则越来越大，且已经形成裂纹的附近区域会成为薄弱的地方；花岗岩的晶体开裂形成裂纹，是晶体之间的破碎，类似于玻璃、冰的破碎，主要是其脆性较大。

图  6  岩石的宏观裂纹分布

Figure  6.  Macroscopic crack distribution in rock

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2.3   岩石细观裂纹特征

图7为砂岩细观裂纹。由图7可以看出：砂岩为细小砂粒和黏结物黏结而成，内部包含很多孔隙空穴（图7中f区和l区）；受PDC齿作用，砂岩内部黏结不牢的地方和孔隙区域会产生单独的微裂纹（图7中g区和h区），微裂纹的边角处会演变成为薄弱地方，随着砂岩持续受压，微裂纹扩展（图7中d区和e区）和交叉连贯（图7中k区和j区），直至形成宏观可见的主裂纹；压实区与非压实区的交界处会产生层状的剥离破碎（图7中b区和c区），主裂纹附近会成为薄弱区域，其内部包含很多尚未成形的微裂纹（图7中g区、h区、i区、j区和k区）。砂岩的破碎是由细小砂粒和黏结物脱落导致。

图  7  砂岩细观裂纹

Figure  7.  Mesoscopic crack in sandstone

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图8为花岗岩细观裂纹。由图8可以看出：花岗岩由透明晶体黏结而成，内部较为紧密、孔隙空穴较少（图8中a区）；受PDC齿作用，花岗岩内部的透明晶体会产生晶体破碎从而萌生出微裂纹（图8中e区、g区、h区和j区），微裂纹在晶体内部扩展交叉连贯导致透明晶体颜色变成乳白色（图8中h区），随着花岗岩持续受压，乳白色晶体内部薄弱区域的位移增大导致裂缝产生，从而导致破碎产生大块的岩屑（图8中k区），直至形成宏观可见的主裂纹；压实区内和主裂纹附近区域受损较为严重，表现为晶体由透明转变为乳白色（图8中b区、f区、h区和k区），主裂纹附近会成为薄弱区域，其内部包含尚未产生体积破碎的微裂纹（图8中k区）。花岗岩的破碎方式为晶体的脆性破碎

图  8  花岗岩细观裂纹

Figure  8.  Mesoscopic crack in granite

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3.   结论及建议

1）岩石的损伤随着钻压持续输入逐步发展，直至最终产生体积破碎，随后钻压迅速降低。随着前倾角增大，砂岩的破坏持续过程呈先增长后缩短的趋势；PDC齿压入破碎花岗岩过程中，随着前倾角增大，破坏的持续过程呈先缩短后增长的趋势。

2）对于青砂岩，前倾角为20°时，PDC齿压入岩石的能力最强；对于花岗岩，前倾角为25°时，PDC齿压入岩石的能力最强；在压入深度小于4 mm时，前倾角为5°时，PDC齿压入岩石的能力最差。

3）砂岩内部包含很多孔隙空穴，受PDC齿的作用砂岩内部黏结不牢的地方和孔隙区域会产生单独的微裂纹，微裂纹的边角处会演变成为薄弱地方，微裂纹产生、扩展和交叉连贯，直至形成宏观可见的主裂纹。主裂纹附近岩石会成为薄弱区域，其内部包含很多尚未成形的微裂纹。

4）接触区域的齿尖处为应力集中区，主裂纹沿此开裂。花岗岩受PDC齿的作用，其内部的透明晶体会产生晶体破碎，从而萌生出微裂纹。随着花岗岩持续受压，乳白色晶体内部薄弱地方的位移增大导致裂缝产生，从而导致大块的岩屑体积破碎，直至形成宏观可见的主裂纹。压实区内和主裂纹附近区域花岗岩受损较为严重，表现为晶体转变为乳白色。主裂纹附近会成为薄弱区域，其内部包含尚未产生体积破碎的微裂纹（称之为密实核）。砂岩的破碎方式为细小砂粒和黏结物的脱落，花岗岩的破碎方式为晶体脆性破碎。

5）笔者利用无损检测手段研究分析了PDC齿压入岩石过程中的宏观、微观裂纹，但受限于试装置与条件的限制，有关影响岩石损伤的其余参数（如围压、齿型等）的研究仍在进行过程中。因此，笔者的研究只适用于常规PDC齿压入过程岩石的损伤规律分析。