摘要
准噶尔盆地深层地质构造承受显著的地应力作用，针对传统基于常温常压条件的可钻性评估体系难以精确表征该区域岩体的力学响应特性的难点，本研究通过选取典型钻井岩心样本开展高温高压环境下的可钻性模拟实验的方法，揭示了特定温压耦合作用下围压与岩石破碎效率的正相关性机制。为深入探究该现象本质，本研究创新性地构建了融合温度-围压双重因素的岩石单齿切削数值模型，依托ABAQUS有限元平台进行多物理场耦合分析。结果表明：围压作用下岩石破碎程度降低，切向力波动幅值减小；岩体内部微裂纹生成增加但主裂纹扩展受限；PDC刀具前缘剪切裂纹与底部拉伸裂纹数量显著减少，导致破岩难度增大。当围压达到30 MPa时，切向力增长40%，破岩比功提升45%。研究揭示了围压环境下应力场呈前缘集中分布特征，为深层钻井参数优化提供了理论支撑。
Abstract
The deep geological structure of Junggar Basin is subjected to significant in-situ stress. It is difficult to accurately characterize the mechanical response characteristics of rock mass in this area by the traditional drillability evaluation system based on normal temperature and pressure conditions. Based on this, this study reveals the positive correlation mechanism between confining pressure and rock crushing efficiency under specific temperature and pressure coupling by selecting typical drilling core samples to carry out drillability simulation ex‐periments under high temperature and high pressure environment. In order to further explore the essence of this phenomenon, this study innovatively constructs a numerical model of rock single-tooth cutting with temperatureconfining pressure dual factors, and carries out multi-physical field coupling analysis based on ABAQUS finite element platform. The results show that under the action of confining pressure, the degree of rock fragmentation decreases and the amplitude of tangential force fluctuation decreases. The micro-crack generation in the rock mass increases but the main crack propagation is limited. The number of shear cracks at the leading edge and tensile cracks at the bottom of the PDC tool is significantly reduced, resulting in increased difficulty in rock breaking. When the confining pressure reaches 30 MPa, the tangential force increases by 40%, and the specific work of rock breaking increases by 45%. The study reveals that the stress field under the confining pressure environment is concentrated in the front edge, which provides theoretical support for the optimization of deep drilling parameters.
Keywords
0 引言
岩石可钻性是评价地层抗钻特性、表征地层抗钻能力的关键指标，直接决定钻头在井底破碎岩体的作业效率，同时也是描述岩石破坏难度、衡量破岩过程中岩体破碎难易程度的综合表征值（陈庭根， 2000；陈锋，2015；李春山等，2018；Han et al.，2020；韩栋材等，2021；Yue et al.，2025）。Miranda and Mendes （1983）开展了岩石钻孔能力的实验，确定了可钻性的概念。国家石油和化学工业局（2016）依照其概念编写了钻井工程可钻性测试标准。赵向阳等（2020）发现仅在常温常压条件下进行试验，无法反应深部地层的真实条件，不能准确评价深部岩石特征。于是国内外学者开展了高温高压的地层研究，王亚飞等 （2023）、Cheng et al（.2024）通过实验探究温压情况下花岗岩的可钻性影响，揭示花岗岩性质对干热岩开发意义重大。魏山栋等（2016）、熊虎林和徐龙生 （2019）结合实验与有限元模型，在围压变化的条件下验证模型在岩石可钻性级值与实验的差异，未考虑温度对可钻性的影响。闫吉曾（2018）、Chen et al. （2022）结合高温高压对井筒应力影响的软件，研究得出可钻性受温度与压力双重影响。Prasad et al. （2016）、高美奔等（2018）将实验与统计法结合，指出花岗岩在温度和围压耦合作用下的岩石特征分析更为准确，并指出不同温压区域内的岩石破碎机理。周波等（2020）、王翔和冯永超（2024）通过室内实验法探究花岗岩在深层、超深层的破岩情况，分析可钻性； 指出深层岩石可钻特性受地质环境与不同岩性的影响。Howarth and Rowlands（1987）、陈小波等（2017）与 Hoseinie et al（.2019）、国家石油和化学工业局（2000） 认为，微裂纹会影响岩石的力学性能和可钻性。
新疆石油、天然气资源储量排在全国前三位，是需要重点开发的地区（矿业汇，2020），准噶尔盆地东部的吉木萨尔凹陷等重点探区，地质构造复杂，油气层开采转向深部。深层含砂泥岩压实程度高，伴有高应力、高温度，致使钻井过程中可钻性差、机械钻速低。高地应力环境与复杂地质构造耦合作用诱发钻头非均匀磨损加剧，钻井周期长，同时增加了钻井成本，严重制约了深层油气的有效开发（邵阳， 2021）。有学者认为准噶尔盆地地层深处是处于高温高应力环境下（瞿建华等，2014），在实际钻进过程中，机械钻速有较大的波动，以及钻速下降。为提高油田整体勘探开发水平，近年来已陆续实施多口深井钻探作业。根据已完钻井数据显示，全井整体机械钻速虽有所提升，但在深部复杂地层钻进过程中，钻井技术指标仍有较大提升空间。
因此研究岩石中 PDC 刀具周围裂纹的演化过程可以揭示裂纹扩展的机制，岩石破坏的行为模式和对岩石可钻性的影响。本研究可以为岩石切削的优化和刀具设计的改进提供指导，旨在提高可钻性和刀具寿命。因此，在高应力条件下全面探索 PDC 刀具周围岩石的断裂演变，在岩石工程领域具有至关重要的意义。
1 实验设备及岩样
1.1 高温高围压可钻性测定综合实验设备
高温高压岩石可钻性综合测试系统主要由全自动实验装置构成（图1），该实验平台包含4个核心模块：高压流体注入系统、智能钻效分析仪、三轴环境模拟舱以及数字化测控中心。其中，三轴环境模拟舱作为系统的核心组件，采用密闭式压力容器设计，可精确模拟地下深层岩层的温压耦合环境。该环境模拟舱具备以下技术特征，温度调控范围：0~200℃（精度±0.5℃）；围压加载能力：0~100 MPa（分辨率 0.1 MPa）；试样规格标准：Φ100 mm×80 mm 圆柱体岩心；环境控制模式：恒温恒压/梯度加载双模式，系统通过计算机测控中心实现实验参数的数字设定、过程数据的实时采集及三维力学响应的可视化分析，配合伺服电机驱动的液压加载系统，可完成复杂地层条件下岩石可钻性的动态评价。
1.2 实验岩样
本研究选取准噶尔盆地三叠系主要目的层段的12块岩心作为实验样品，该研究区域地层埋深为 2300~3500 m。实验前，将岩心加工为直径100 mm、高 80 mm 的标准圆柱形试样，并保证试样两端面保持水平。基于上述岩样条件与研究区域地层背景，系统考察温压变化对岩石可钻性的影响规律。
1.3 实验操作
为了系统分析该地层岩石在高压高温环境下的可钻性特性，分别采取24组进行试验。实验采用高温高压可钻性测定综合仪器设备开展测试。为真实模拟钻井过程中高压条件下的岩石可钻性特性，岩心可钻性测试实验中重点考察了围压单因素对岩石可钻性的影响规律。实验操作流程包括以下步骤：首先加装岩心并升温至设定温度，随后通过自动泵操作建立围压，最后进行钻进操作。实验具体实施时，在计算机中启动可钻性测定程序，进入参数设置界面后选择钻头类型、设置钻压、围压和温度等关键参数，确认无误后开始实验。待实验完成后，系统会自动进入数据处理界面，此时需记录包括围压值、可钻性级值在内的各项实验数据。本研究选择了12块岩心样本，在不同围压和温度下进行试验，共计完成24次实验测试。
图1全自动岩石可钻性测定设备（a）与岩心夹持器剖面（b）
围压条件下（图2），随着围压的增加岩石可钻性级值随之增加，当围压达到 30 MPa 时，岩石可钻性实验时间最长，由于岩石在地层固有条件，导致岩石径向压实程度增强，致使可钻性级值增加。当围压超过 30 MPa 后，随着围压持续升高，岩石内部原有加压形成的宏观裂纹逐渐闭合，但微观裂隙网络仍然存在。这种结构特征导致岩石可钻性级值呈现降低趋势。
仅考虑温度变化情况（图3），随着温度的升高，可钻性级值呈减小趋势。有学者研究表明（范利丹等，2022；纪慧等，2022；Cheng et al.，2024），砂泥岩由于存在使岩石发生热裂纹的临界温度，砂泥岩的临界温度在180℃左右，当低于该温度时，岩石性质随温度变化较小；当高于该温度时，岩石产生热裂纹，杨氏模量明显降低，岩石强度降低，可钻性级值降低。
图2围压单因素条件下钻深与钻时曲线
图3温度单因素条件下钻深与钻时曲线
本研究探究温度与围压共同作用对岩石可钻性级值的影响，结果如表1所示：相同温度条件下，岩石可钻性级值随围压升高呈逐步增大的变化特征；相同围压条件下，当温度升高至 180℃时，岩石可钻性级值出现明显的降低趋势。
表1准噶尔盆地三叠系Q区温压条件下岩石可钻性实验结果
实验后选取部分岩样进行薄片分析，在分辨率为300 μm（图4，红色线条表示有裂纹的情况），证明随着温度与围压的升高，岩石内部会产生裂纹。当岩石中脆性矿物受到挤压应力时，易于形成高角度相交的剪切缝（许鹏等，2022）。
图4实验岩样薄片显微裂纹观测结果
2 温压条件下基于牵引分离准则有限元仿真及分析
2.1 提出模拟方向
基于上述研究问题，本研究采用多尺度数值模拟方法进行机理探究。当前岩石力学仿真普遍存在细观表征缺失问题，其根源在于传统本构模型将岩体简化为连续均质介质。事实上，天然岩石具有典型异质性结构特征，主要表现为：（1）矿物组分空间分布的离散性；（2）晶粒尺寸与胶结形态的随机性；（3）微观缺陷（孔隙、裂隙）的非均匀分布，在外荷载的作用下，内部的均质度不同导致应力场分布不均匀，进而对岩石的力学特性及受荷载作用后的力学行为有很大影响，从而影响岩石破裂及损伤演化过程（张艳博等，2019）。
为实现更精细化的分析，直观揭示切削过程中 PDC 齿的受力特征与裂纹扩展规律，并深入探究该现象的内在成因，本研究采用 ABAQUS软件开展数值建模分析。
2.2 有限元离散模型设计
在有限离散元模型中，岩层被设想为由弹性实体组成的组件，采用 CPE4R 单元（四节点双线性平面应变单元，缩减积分，沙漏控制）类型。该弹性实体通过嵌入COH2D4型零厚度粘聚单元的零厚度粘性单元相互连接，从而促进了力和位移的传递。图5a说明了在没有插入黏性单元的情况下，两个弹性固体单元通过表示为 c-d 的共享表面之间的连接。为实现零厚度黏性单元的引入，相关操作借助 MATLAB 程序予以完成。在这个程序序列中，零厚度的粘性单元最初入到两个弹性实体之间，从而提高了仿真和计算的精度。在此插入过程中，初始共享表面节点 c-d被两个不同的子节点 c'-d'替换，共享表面本身被零厚度的黏性单元替换。这些黏性单元被描绘为淡棕色调区域（图5b），真实地增强了模型框架内岩层之间的交互动力学。有限离散元模型通过引入黏性单元得到增强，展示了描述岩层对外力和合成位移的响应的能力增强。这些黏性单元的加入有助于更真实的地模拟受外力作用的岩层中的变形和破坏过程。
图5单元连接情况（a）和加入黏性单元的连接情况（b）
2.3 建立有限元模型
基于数值仿真需求，本研究构建了 PDC单齿切削系统的仿真架构（图6）。根据圣维南原理优化模型尺度：岩体模拟域设定为 50 mm×30 mm 矩形截面，切削刀具采用国际标准 PDC复合片规格（Φ13.4 mm×8 mm）。数值模型采用显式动力学算法求解，设置自适应网格细化策略（h-adaptivity）重点加密切削接触区域，通过接触力时程曲线与裂纹扩展形貌的双重验证确保计算精度。针对裂纹动态扩展模拟，重点对比了扩展有限元法（XFEM）与黏聚力单元法（CZM）的技术特性。最终选用 CZM 方法建立损伤演化模型，因其具备以下优势：由于需要模拟其在动力学过程中的裂纹扩展情况。内聚力模型可以适用于任意载荷下的所有材料阶段（包括完整材料初始阶段、损伤起始阶段、损伤累积阶段直到材料完全失效）的模拟，整个材料行为都是通过局部的本构关系实现的（Yang，2001）。
基于断裂力学研究进展，本研究采用内聚力模型构建裂纹演化数值分析体系。相较于传统断裂力学参数（如应力强度因子 K），CZM 通过引入裂纹闭合效应缓解应力奇异性问题，其核心优势在于，物理机制革新：将裂纹扩展转化为界面本构方程求解，无需预设断裂判据，计算普适性：构建基于能量耗散的本构框架，适用于弹塑性/大变形耦合分析，多场适应性：通过损伤变量实现材料刚度退化过程的可控表达（孙家啟等，2016）。岩石发生形变越严重，裂缝影响着杨氏模量的大小，有裂缝岩石的杨氏模量低于无裂缝岩石的杨氏模量（黄梦婷等， 2024）。针对 PDC 切削动力学特性，建立多尺度建模策略，定义法向硬接触与切向库伦摩擦（μ=0.25） 耦合边界条件，计算方案通过 Abaqus/Explicit实现，设置质量缩放因子 0.85 平衡计算效率与精度。仿真验证表明，系统总能量误差<2%，接触力振荡幅度控制在5%以内，满足动态切削过程的精度要求。
图6PDC单齿切削岩石模型
数值模型构建，选取仿真模拟切削效率最高的后倾角 25°减小模拟误差的影响，提高模拟精度（纪慧等，2022），在 120℃地层温度条件下建立仿真架构。模型底部实施全约束边界条件，顶部施加静水压力并施加侧向约束耦合。将钻头旋转运动转化为等效线性位移边界条件，施加轴向钻压 800 N。采用变密度网格划分策略：齿-岩接触区加密至 0.1 mm 单元尺寸，外围区域扩展至 1 mm。岩体本构参数及工况设置数据如表2所示。
表2数值模拟基本参数
损伤和断裂开始的标准可以根据第二名义应力理论进行描述，该准则综合考虑了法向和切向应变的交互作用，是多轴耦合效应，避免了单一方向应变主导的问题。损伤起始条件：当法向和切向应变的组合达到阈值时，材料开始损伤（裂纹萌生）。
(1)
式（1）中，符号〈〉代表麦考林括号，用于表示纯抗压的变形或应力状态不会造成损害，当 tn大于 0， 〈tn 〉等于 tn；否则，它等于 0。tn 表示型号 I 中的标称牵引力（MPa）。ts 和 tn 参阅模型 II 中两个方向的剪切牵引力表示损伤开始时的标称峰值牵引力（MPa）。和表示模型 II 中两个方向的峰值切向牵引力（MPa）。
实验结果分析损伤的演变过程基于 Benzeggagh-Kenane 损伤准则。当沿第一和第二剪切方向的临界断裂能量相似时，损伤准则可以表示如下：
(2)
在这种情况下，混合模式的裂隙能量表示为（N/mm）；Gn，Gs和 Gt分别表示牵引力在法向、第一次剪切和第二次剪切方向上所做的功（N·mm），以及它们的共轭相对位移。和分别表示在正剪切方向、第一剪切方向和第二剪切方向上失效所需的临界断裂能量（N/mm）。
2.3.1 围压条件下岩石裂纹扩展情况
多工况数值模拟研究表明，通过分析应力场显著改变岩石破裂形态学特征（图7），相较于自由边界条件，围压加载诱发岩石内部产生更高的能量耗散阈值，促使岩石内微裂纹的产生。
围压的存在有利于岩石内微裂纹的产生，因为围压会增加岩石的应变状态，导致岩石内形成更多的微裂纹。这在一定程度上有助于释放应力并减轻岩石内的应力集中。尽管如此，围压也抑制了初级裂纹的扩展。由于围压的压缩作用，初级裂缝的扩展受到一定程度的抑制，导致整体岩石破坏过程相对稳定。此外，在围压条件下，刀尖和槽底处的裂纹明显减少。这归因于围压对裂纹扩展的约束性影响，从而降低了这些区域的裂纹密度。PDC 刀具在围压条件下的切岩过程类似于在无围压条件下的切岩过程。然而，围压的存在会影响内部岩石裂缝的形成和扩展，限制了初级裂纹的扩展并降低了刀尖和槽底处的裂纹密度。
图70 MPa（a）和30 MPa（b）的裂纹扩展情况
2.3.2 围压条件下的应力分布
通过分析（图8），当岩石接近其最终破坏阶段时，岩石处于严重破坏的边缘，应力主要集中在 PDC 刀具之前。此时，岩石发生碎裂，应力沿 PDC 刀具的前进方向逐渐传播。分析切削过程中的应力分布，在整个切削过程中，米塞斯应力（MPa）更集中在PDC齿前方。并沿着PDC齿的前进方向延伸。这突出表明，切割过程中的应力集中在切削点周围。与失效阶段的应力分布不同。通过比较刀具周围周向裂纹的特性，可以观察到米塞斯应力的发展方向与裂纹扩展的方向一致。这意味着米塞斯应力的分布可以提供有关岩石破坏机制和裂纹扩展方向的重要信息，有助于更全面地理解和控制岩石切割过程中的碎裂行为。
图80 MPa（a）和20 MPa（b）PDC齿接触地层的应力分布
通过以上的多次模拟试验表明，围压的增加增强了岩石的抗压强度，使岩石内的颗粒承受更高的压力，间接也提高了岩石可钻性级值，PDC 单齿与岩石接触时，它们必须克服其中围压的压缩效应才能启动初始岩石压裂。围压的作用会在岩石表面产生额外的压应力，因此需要PDC齿施加更大的力才能引发岩石破裂。在整个切削过程中，由于围压的存在，岩石的体积收缩和压裂过程中形成的裂缝遇到来自围岩的阻力，导致PDC齿所承受的力发生波动。
图9比较了不同围压条件下PDC刀具切削过程中切向力的变化。通过分析，可以观察得出，在围压条件下，在岩石完全失效之前，需要更大的力来使PDC齿对岩石破坏。此外，在岩石破坏的整个过程中，PDC齿的力会经历波动。当围压达到30 MPa 时，平均切向力约为 1612 N。在无侧限压力条件下，PDC 齿在切割和断裂过程中所承受的力波动相对较小，平均切向力约为 916 N，平均切向力降低约 40%。为了便于观察切向力和围压变化之间的关系，从图中可以看出（图10），随着围压的增加，作用在 PDC 刀具上的力呈指数增长趋势与可钻性试验的正相关对应。围压显著增强了 PDC 齿在破岩过程中所承受的力，有效增强了岩石的强度。这种现象是导致深井破岩作业效率低下的关键因素。
图9不同围压下切向力与时间曲线
图10平均切向力与围压的关系曲线
2.3.3 切削深度对切向力的影响
增加切割深度会导致切割面积扩大，从而去除更大的岩石体积。因此，需要更大的力来完成切割过程。在切削的初始阶段，工具和岩石之间的接触区域可能会表现出不稳定，导致岩石出现不规则的断裂和碎裂，从而导致切向力的波动。然而，随着切割的进行，岩石内预先存在的裂缝迅速向自由表面传播，从而产生更规则的岩石碎裂模式。这种现象导致切向力逐渐减小，从而提高稳定性。如图11所示，切削深度为 2 mm 时的平均切向力约为 0.5 mm时的两倍。
图11平均切向力与切削深度的关系曲线
2.3.4 计算破岩比功
将破岩过程中的作用力及破岩比功作为衡量 PDC 齿破岩效率的标准（王新锐等，2022；程伟等， 2024），刮切破岩时，将破岩比功 m 定义为刮切破碎单位体积岩石消耗的能量：
(3)
式（3）中，wa 为刮切破碎岩石消耗的总功（J）；l 为沿刮切方向的位移（m）；Va 为刮切破碎岩石的体积（m3）。
通过模拟参数，计算出破岩比功，发现随着围压的升高，破岩比功也有一致的正相关趋势（图12）。从围压条件为0 MPa到围压体升到30 MPa，岩石破岩比功提高了 45%。岩石的破岩比功可以反映岩石的可钻性趋势，基于在钻头钻进中，对多种类型岩石进行试验得出，破岩比功与可钻性指标呈负相关，即破岩比功越低，岩石可钻性级值越小，钻进效率越高，相同条件下破岩比功越大，岩石的可钻性级值越大（罗超等，1996）。因此从侧面反映岩石在相同温度下，岩石可钻性级值与围压成正相关，与实验得出的现象相互验证一致。
图12破岩比功和切向力与围压关系曲线
3 结论
PDC 钻头在硬岩地层的钻进效率受钻压、切削齿倾角等参数影响显著。岩石在切削过程中产生的裂纹扩展行为是影响破岩效率的核心机制。
（1）无围压条件下岩石破裂程度降低，破碎产物以大尺寸碎块为主。
（2）在围压条件下岩石破坏可以出现裂纹萌生，裂纹扩展以及岩石碎片位移。围压通过抑制裂纹自由扩展，使其沿切削齿角度定向延伸，该规律与围压可钻性试验结果吻合。
（3）主要应力集中在 PDC刀具的前面和切割路径的下方，并沿切削方向延伸。围压强度与切削阻力呈正相关性，其作用机制表现为：通过提高裂缝启裂能阈值，抑制裂缝扩展，导致切向力随围压升高而增大。
高围压工况建议减小 PDC 齿切削深度以降低载荷并维持刀具完整性，同时在一定程度上改变附近岩层的应力状态。因此，这种调整会导致PDC刀具前预剪切裂纹的发生率增加，以及PDC刀具下方的拉伸断裂。该应力调控机制有助于提升破岩效率。
致谢 本文在成文过程中得到项目组人员的大力帮助，修改过程中得到导师的指导与帮助，同时评审专家针对初稿架构及学理逻辑提出的建设性意见为研究质量提升提供了重要保障。谨此向所有学术共同体成员致以诚挚谢意。