《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Dynamic fragmentation analysis of multi-dimensional percussion drilling into hot dry rock
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本刊推荐：针对干热岩( HDR )地层钻井成本高、效率低的问题，研究人员开展了多维冲击钻井(MDPD)破碎机理研究。通过自主研发的真三轴多维冲击可视化钻井装置，结合高速成像与力学信号分析，揭示了MDPD模式下以拉-剪复合应力为主导的岩体体积破碎机制。结果表明：MDPD方法使平均钻速提升1.09倍，机械比能(MSE)降低42.31%，在共和盆地1600-4000米深度展现最优适应性，为增强型地热系统(EGS)高效开发提供了新技术路径。
随着全球能源转型加速，深层地热资源开发成为各国关注的焦点。其中，干热岩(Hot Dry Rock, HDR)作为一种蕴藏在3-10公里深处、温度超过150℃的结晶岩体，其热能储量相当于全球能源消费量的数万倍。然而，要实现干热岩的商业化开发，必须通过增强型地热系统(Enhanced Geothermal System, EGS)人工建造地下热储，而钻井成本往往占到项目总投资的50%-70%。当前干热岩钻井主要依赖传统旋转钻井(Rotary Drilling, RD)技术，但在高温高压(High-Temperature and High-Pressure, HTHP)环境下，硬质花岗岩地层钻速慢、钻头磨损快、机械比能(Mechanical Specific Energy, MSE)高等问题突出，严重制约了EGS项目的经济可行性。
为解决这一难题，中国石油大学(北京)深层地热资源开发研究团队创新性提出多维冲击钻井(Multi-Dimensional Percussion Drilling, MDPD)方法，并自主研发了真三轴多维冲击可视化钻井实验系统。该研究通过模拟共和盆地1600-4000米深度的温度-应力条件，系统揭示了MDPD模式下干热岩的动态破碎机理，为高效地热钻井技术提供了重要理论支撑。相关成果发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。
研究人员采用四项关键技术方法：首先研制了真三轴多维冲击可视化钻井装置，可实现50-1000℃温度范围和0-100MPa应力条件下的长时保温与三轴加载；其次选用共和盆地龙羊峡上游天然花岗岩露头样本，通过岩芯力学性能测试确认其与实地样本平均偏差仅0.49%-7.62%；第三采用高速摄像技术(最高12800帧/秒)捕捉PDC钻头切削过程中的岩屑形成动态；最后结合激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)进行多尺度观测，定量分析岩屑表面形貌与断裂特征。
3.1 岩石钻井过程可视化
通过高速成像技术观察到：传统RD模式下钻屑主要呈现塑性流动带特征，而MDPD模式同时发育大尺寸岩屑、塑性流动带和韧性切削簇。定量筛分显示MDPD模式产生的>4mm岩屑质量是RD模式的1.18倍，<0.18mm粉末质量达4.59倍，证实多维冲击能促进脆-韧混合破坏模式。
3.2 岩石侵入与切削力演化
基于力学信号波动特征分析，建立以斜率SPRa=0(韧性区)、10.00(过渡区)、≥11.11(脆性区)的破坏模式识别标准。MDPD模式在侵入阶段的脆性区比例较RD模式提升6.11%-13.5%，表明轴向冲击能增强岩石脆性破坏强度。
3.3 岩屑形成机制分析
LSCM三维形貌显示MDPD模式产生独特的山形屑体，表面粗糙度分布呈现拉-剪复合应力特征。SEM微观观测发现同时存在解理台阶(拉伸特征)和擦痕条纹(剪切特征)，证实多维冲击能激发复合应力主导的裂纹系统。
3.4 岩石钻井性能评估
在200℃/53.28MPa条件下，MDPD模式平均钻速达RD模式的1.09倍，MSE降低42.31%。沿深度梯度分析表明，在1600-4000米范围内，MDPD始终保持最优钻速和MSE表现，其中2400米深度钻速可达1.065mm/s，较RD模式提升44.3%。
研究讨论指出，MDPD技术通过平衡轴向冲击能(促进塑性流动)和扭转冲击能(增强脆性破碎)，实现了能量分配优化。与井下锤击(Down-The-Hole, DTH)技术相比，MDPD在保持高钻速的同时，将钻头磨损率降低21.05%-32.32%，更适用于复杂结构井的长期作业。虽然当前研究存在尺度效应和参数优化等局限，但为EGS项目提供了一种兼具高效性与工程可行性的钻井解决方案。
该研究的突破性在于首次通过可视化实验揭示了PDC钻头在多维冲击下的岩屑演化规律，建立了基于力学信号波动特征的破坏模式定量识别方法，证实了MDPD技术在深部地热开发中的显著优势。未来通过机器学习优化冲击参数组合，将进一步推动干热岩经济高效开发的技术革新。
