油氣鉆井組合載荷破巖數(shù)值試驗研究?

王宏宇，魏軍才，趙建光，傅群和，趙伏軍

(1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院， 湖南長沙 410007；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙 410007；3.湖南科技大學(xué)， 湖南湘潭市 411201)

油氣鉆井組合載荷破巖數(shù)值試驗研究?

王宏宇1，2，魏軍才1，2，趙建光1，2，傅群和1，2，趙伏軍3

(1.湖南省地質(zhì)科學(xué)研究院， 湖南長沙 410007；2.湖南省國土資源規(guī)劃院，湖南長沙 410007；3.湖南科技大學(xué)， 湖南湘潭市 411201)

機械破巖是各類油氣井鉆進(jìn)工程中重要的基礎(chǔ)技術(shù)。運用巖石破裂分析系統(tǒng)RFPA，對不同組合載荷加載條件下壓頭侵入破碎硬巖(花崗巖)和軟巖(頁巖)情況進(jìn)行了數(shù)值試驗，采用聲發(fā)射能量作為表征巖石破碎效果的指標(biāo)。結(jié)果表明:較小的單一靜載荷或動載荷破碎軟巖可取得良好的破巖效果，但對硬巖則效果不佳；不論軟巖還是硬巖，靜、動組合載荷破碎巖石單元數(shù)量和聲發(fā)射能量均大于單一靜載荷或動載荷；聲發(fā)射能量可以作為衡量最終破巖效果的指標(biāo)。

鉆井；巖石破碎；數(shù)值試驗；聲發(fā)射能量

0 引 言

機械破巖技術(shù)作為一種安全、高效的技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各類油氣井鉆進(jìn)工程中，且相對于超聲波法、水射流法、激光法、化學(xué)法等新型破巖方法仍占據(jù)主要地位[1-6]。各種巖石受力破碎理論及技術(shù)也取得了長足發(fā)展。巖石破碎過程中巖石內(nèi)礦物顆粒的破裂、裂紋的萌生和擴展時，由于儲存于其內(nèi)的能量釋放并以彈性波的形式表現(xiàn)出來，即巖石破碎過程中聲發(fā)射現(xiàn)象[7-12]。而油氣鉆井施工中往往要穿透幾套地質(zhì)年代不同的巖層，這就意味著鉆進(jìn)過程中會遇到各種不同巖性(如抗壓強度等)的巖層。因此，開展針對不同巖性巖石的高效破碎技術(shù)研究，對油氣井高效快速施工具有重要意義，而巖石破碎過程中聲發(fā)射能量則可用來表征巖石破碎效果。

1 數(shù)值模型建立

為了研究不同巖性巖石在不同組合載荷作用下破碎效果，選取具有代表性的硬巖(微風(fēng)化花崗巖)和軟巖(炭質(zhì)頁巖)，其力學(xué)參數(shù)見表1。運用巖石破裂分析軟件RFPA建立模型進(jìn)行不同組合加載條件下巖石破裂數(shù)值試驗。組合載荷包括3種:

(1)靜載荷＋零動載荷(單一靜載)；

(2)動載荷＋零靜載荷(單一動載)；

(3)靜動組合載荷(先施加一個靜載荷，然后在靜載荷的基礎(chǔ)上再加一個沖擊載荷)。

巖石尺寸為100mm×250mm，共劃分為100× 250＝25000個等面積單元。巖石為由一種或多種礦物組合成的集合體，組成巖石的礦物顆粒力學(xué)參數(shù)各不相同。因此，建立模型時均質(zhì)度取3(均質(zhì)度值越大表明巖石越均勻，100代表模型為純種材料，各單元參數(shù)相同)，各單元參數(shù)按照韋布爾(Weibull)分布進(jìn)行賦值。

壓頭形狀簡化為倒梯形，壓頭與巖石接觸寬度為6mm，壓頭高10mm。巖石尺寸及加載邊界條件如圖1所示，圖中FD為動載荷，F(xiàn)S為靜載荷，F(xiàn)D＋FS為靜組合載荷。為簡化計算，巖石左右兩端自由。靜載荷每步加5 MPa，加載10步共50 MPa。動載荷應(yīng)力波被假設(shè)成如圖2所示的梯形脈沖應(yīng)力，應(yīng)力波幅值為100 MPa，動載荷加載步數(shù)為800步。

表1 巖石力學(xué)參數(shù)

RFPA巖石破裂數(shù)值分析程序中，模型內(nèi)單元破碎時聲發(fā)射能量大小由聲發(fā)射圖(見圖3和圖4)中圓圈大小來表示，圓圈大小與該破碎單元強度呈正相關(guān)關(guān)系，黑色部分即破碎單元，圓圈的多少表示聲發(fā)射事件的數(shù)量。由于模型中各單元力學(xué)性質(zhì)按照韋布爾分布賦值，單元強度大小不一，故聲發(fā)射圖中圓圈大小各不相同。

圖1 計算模型

圖2 動裁應(yīng)力波

2 試驗結(jié)果

圖3 花崗巖組合載荷破碎聲發(fā)射圖

由圖3和圖4兩種巖石在不同加載條件下聲發(fā)射圖可以直觀地看出，在破碎花崗巖靜載荷或沖擊動載荷應(yīng)力波幅值較小時，巖石內(nèi)只有個別力學(xué)參數(shù)較弱的單元破碎并發(fā)生少量聲發(fā)射事件，但由于靜載荷作用主要集中在壓頭下方較小巖石范圍，動載荷沖擊應(yīng)力波在巖石內(nèi)的持續(xù)傳播，仍在較大范圍內(nèi)能破碎巖石內(nèi)力學(xué)性質(zhì)較弱單元，故動載荷破碎單元比靜載荷多，影響范圍大。而較小的靜載荷加動載荷組合起來則可使壓頭下方大量單元發(fā)生破碎，形成單元集中破碎區(qū)(破碎坑)。在破碎炭質(zhì)頁巖時，較小的靜載荷或動載荷即可使壓頭下方較多單元發(fā)生破碎，形成明顯破碎坑。動載荷作用下壓頭下方破碎坑和破碎坑外圍破碎單元均大于靜載荷。靜動組合載荷加載條件下破碎坑比單一靜載或動載大。上述結(jié)果說明，無論是破碎硬巖還是軟巖，靜動組合載荷較之單一靜載或動載能大幅提高破巖效果，在破碎硬巖時尤為明顯。

圖4 炭質(zhì)頁巖組合載荷破碎聲發(fā)射圖

從實驗結(jié)果中調(diào)出巖石破碎過程中聲發(fā)射能量數(shù)據(jù)，根據(jù)該數(shù)據(jù)制成花崗巖和炭質(zhì)頁巖在不同加載條件下聲發(fā)射總能量對比(見圖5)。由圖5可以看出，在破碎硬巖時，較小的靜載或動載均無法取得良好的破巖效果，聲發(fā)射能量極小，而破碎軟弱巖石時效果明顯，聲發(fā)射能量較大。無論是硬巖還是軟巖，靜動組合載荷破巖均能使巖石內(nèi)大量單元破碎，釋放出比單一靜載或動載多得多的聲發(fā)射能量。

圖5 不同巖石在不同載荷作用下聲發(fā)射能量對比圖

3 結(jié) 論

(1)較小的靜載或動載破碎硬巖時效果不佳，破碎軟巖時則較為理想，而無論是破碎硬巖還是軟巖，較小的靜、動組合載荷較之單一靜載或動載能大幅提高破巖效果，這一點在破碎硬巖時尤為明顯。

(2)巖石受外部載荷作用時聲發(fā)射事件與其破碎情況密切相關(guān)，巖石單元破碎越多，釋放的聲發(fā)射能量越大。聲發(fā)射能量大小可以作為表征巖石破碎程度的參數(shù)。

(3)研制針對油氣井施工過程中面對不同性質(zhì)巖石鉆進(jìn)具有多種加載模式(單一靜載或動載荷、靜動組合載荷)的破巖機具對于提高破巖效果，加快施工進(jìn)度有重要意義。

[1]賴海輝.機械巖石破碎學(xué)[M].長沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[2]徐小荷，余 靜.巖石破碎學(xué)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1984:159-172.

[3]閆 鐵，杜婕妤，李 瑋，等.高效破巖前沿鉆井技術(shù)綜述[J].石油礦場機械，2012，41(1)50-55.

[4]宋嘉寧，李 琴，譚 力，等.潛孔鉆頭破巖機理仿真研究[J].西南石油大學(xué)學(xué)報，2007，29:113-116.

[5]張曉東，章 靖，徐 銚.帶空氣錘的空氣鉆井破巖機理[J].天然氣工業(yè)，2009，29(1):55-59.

[6]況雨春，朱志鐠，蔣海軍，等.單粒子沖擊破巖實驗與數(shù)值模擬[J].石油學(xué)報，2012，33(6):1059-1064.

[7]Tham L G，Liu H，Tang C A，et al.On tension failure of 2－D rock specimens and associated Acoustic Emission[J].Rock Mech Rock Engn，2005，38(1):1-19.

[8]王學(xué)濱.不同強度巖石的破壞過程及聲發(fā)射數(shù)值模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2008，30(8):837-843.

[9]萬國香.應(yīng)力波作用下巖石電磁輻射與聲發(fā)射特性研究[D].長沙:中南大學(xué).2008.

[10]王學(xué)濱.不同強度巖石的破壞過程及聲發(fā)射數(shù)值模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2008，30(8):837-843.

[11]趙伏軍，王宏宇，彭 云，等.動靜組合載荷破巖聲發(fā)射能量與破巖效果試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31 (7):1363-1368.

[12]Tang C A，Chen Z H，Xu X H.et al.A theoreticalmodel for kaiser effect in rock[J].Pure and Applied Geophysics，1997，150 (2):203-215.

2015-07-15)

王宏宇(1986－)，男，工程師，碩士，Email:why949 ＠126.com。

國家自然科學(xué)基金項目(51474103)；湖南省國土資源廳2014－09號科技資助項目.