沖擊鉆進(jìn)后花崗巖井周裂紋分布研究

孫永興，范黎明

（樂山師范學(xué)院 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，四川 樂山 614000）

0 引言

能源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)和提高人民生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的化石能源已日益枯竭，并伴有嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。而清潔可再生、儲(chǔ)量巨大、分布廣泛的地?zé)豳Y源將成為能源開發(fā)新聚集區(qū)。太陽能和風(fēng)能雖屬于清潔型可持續(xù)利用的能源，受自然條件因素影響較大；地?zé)崮苁窍鄬?duì)比較持續(xù)、穩(wěn)定、清潔、可靠的可再生能源，國內(nèi)外研究學(xué)者也一直致力于研究、開發(fā)、利用地?zé)崮?，以減輕傳統(tǒng)的化石能源的依賴[1-3]。地?zé)豳Y源潛力最大的是深部儲(chǔ)層中的花崗巖[4-6]，但由于其高密度、低滲透、低孔隙度、高溫等特點(diǎn)[7]，在沒有輔助技術(shù)的情況下難以開發(fā)利用。

沖擊鉆井技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是能提高鉆速和縮短非生產(chǎn)時(shí)間，因而得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在堅(jiān)硬地層中[8-9]，沖擊引發(fā)的應(yīng)力波迫使鉆頭球齒穿透巖石，導(dǎo)致徑向裂紋、中位裂紋和側(cè)裂紋等各種類型的裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致球齒下方的巖石被去除[10]。巖石的破碎是通過微裂紋的萌生、生長和聚結(jié)，以及單個(gè)顆粒與微裂紋表面之間的滑動(dòng)而發(fā)生的[11]。目前，沖擊鉆井的研究大多集中在如何提高巖石破碎效率上，只有少數(shù)學(xué)者關(guān)注沖擊鉆井過程中產(chǎn)生的裂縫[12-13]，尤其對(duì)于鉆孔周圍的沖擊裂紋的分布研究甚少。而鉆孔周圍巖石中的裂紋可對(duì)劃眼、射孔、水力壓裂等鉆井的后續(xù)工作產(chǎn)生積極作用[14-17]。除了眾所周知的沖擊鉆井的優(yōu)點(diǎn)外，沖擊鉆井方法還可以在不增加成本的情況下，減少劃眼時(shí)間、增加射孔深度、促進(jìn)干熱巖儲(chǔ)層的水力增產(chǎn)。

本文從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬角度對(duì)井周裂紋的分布情況進(jìn)行了研究，對(duì)沖擊鉆井開發(fā)地?zé)崮茌o助技術(shù)的可行性進(jìn)行了分析研究，旨為深層地?zé)衢_發(fā)提供新的技術(shù)支持、數(shù)據(jù)支持及理論支持。

1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

本文所采用的樣品為花崗巖，長、寬、高分別為300 mm、300 mm、300 mm，力學(xué)性能如表1 所示。沖擊鉆進(jìn)試驗(yàn)裝置如圖1 所示，由水箱、柱塞泵、變頻系統(tǒng)、鉆機(jī)、液動(dòng)錘和花崗巖樣品六部分組成，其中鉆頭直徑為95 mm。本實(shí)驗(yàn)中沖擊鉆進(jìn)的具體參數(shù)如表2 所示。與此同時(shí)，常規(guī)傳統(tǒng)鉆進(jìn)方式金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式也被應(yīng)用到樣品制備中，與沖擊鉆進(jìn)后的樣品進(jìn)行對(duì)比。金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的參數(shù)與沖擊鉆進(jìn)參數(shù)保持一致。

表1 花崗巖樣品物理及力學(xué)性能

圖1 沖擊鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表2 沖擊鉆進(jìn)參數(shù)

1.2 井周裂紋觀測(cè)

為了更加直觀的觀測(cè)兩種不同鉆進(jìn)方式后的花崗巖井周的裂紋分布，采用染色滲透法對(duì)花崗巖試樣進(jìn)行處理[17]。用無毒、不溶于水的清洗劑仔細(xì)清洗井筒表面的雜質(zhì)后，將花崗巖放置一段時(shí)間進(jìn)行自然烘干，再用滲透劑對(duì)清洗過后的井筒進(jìn)行均勻染色，確保檢測(cè)區(qū)域被滲透劑完全覆蓋，在整個(gè)滲透過程中保持整個(gè)井筒表面處于潤濕狀態(tài)，滲透時(shí)長為2 天。最后，對(duì)花崗巖進(jìn)行切割，觀察切割斷面上的滲透劑分布，進(jìn)而確定裂紋的分布情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 井周裂紋分布分析

為消除裸眼觀測(cè)造成的誤差，對(duì)巖石切割面進(jìn)行拍攝，并對(duì)圖像的對(duì)比度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使裂紋觀測(cè)更加清晰。井圍的裂縫分布如圖2 所示。染色劑在巖石切割面上的分布可以表征井圍裂縫的分布。染色劑顏色越深，裂紋分布越多。裂縫分布具有明顯的區(qū)域化特征。確定了巖石撞擊產(chǎn)生的不同區(qū)域，即撞擊附近的粉碎區(qū)(或破碎區(qū))、致密微破裂的損傷區(qū)、長裂縫的區(qū)域。根據(jù)裂縫的分布密度，將花崗巖井筒周圍巖石劃分為A、B、C、D 四個(gè)區(qū)域。A 區(qū)為井筒內(nèi)壁。B 區(qū)為高度發(fā)育的裂紋區(qū)，此區(qū)域存在大量的沖擊裂縫，裂縫的連接及貫通性極高。C 區(qū)為裂縫擴(kuò)展區(qū)域，此區(qū)域裂縫較多，但裂縫密度和裂縫連通性均小于B 區(qū)。D 區(qū)為沖擊裂縫影響區(qū)，此區(qū)域相對(duì)而小于B，C 區(qū)，但該區(qū)域存在明顯的沖擊裂縫擴(kuò)展路徑。主要是離井筒越遠(yuǎn)，沖擊波的能量就越低。B 區(qū)和C 區(qū)的沖擊波能量較大，導(dǎo)致裂紋密度非常大、井筒周圍裂紋的連通性較好。D 區(qū)的沖擊波能量較弱，不能形成類似于B 區(qū)和C 區(qū)連通性較好的裂縫；雖然D 區(qū)域沒有更多的裂縫，但D 區(qū)域的裂縫擴(kuò)展路徑有一定的規(guī)律可循。在D 區(qū)，染色劑的染色路徑基本位于石英礦物以外的礦物中。這主要是因?yàn)槌⑼猓涢L石、斜長石、角閃石、黑云母等礦物都具有一定的節(jié)理或晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)沖擊波能量不夠大時(shí)，這些具有一定節(jié)理的礦物會(huì)優(yōu)先被破壞。因此，在石英與這些礦物的交界處(晶間裂紋)或在這些礦物的內(nèi)部(穿晶裂紋)會(huì)出現(xiàn)裂縫。相比而言，常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對(duì)井周巖石造成的裂紋就少之又少了，僅在井壁附近有一些裂紋存在，其他遠(yuǎn)井筒端幾乎看不到裂紋分布。

圖2 染色劑在花崗巖樣品上的分布:(a)沖擊鉆進(jìn)，(b)金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)

圖3 顯示了花崗巖樣品中沖擊裂縫的全局分布。各區(qū)域與井筒之間的距離如圖4 所示。其中B 區(qū)、C 區(qū)、D 區(qū)到井筒的平均距離分別為0～11.5 mm、11.5～27.75 mm、27.75～74 mm。距離井筒最遠(yuǎn)可達(dá)82 毫米。常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆井產(chǎn)生的裂縫區(qū)域與井筒壁面的距離僅為12mm。與傳統(tǒng)的金剛石旋轉(zhuǎn)鉆井相比，沖擊鉆井對(duì)井筒周圍巖體的破壞約為金剛石回轉(zhuǎn)鉆井的5-7 倍。由于花崗巖巖體的各向異性，導(dǎo)致各區(qū)域與井筒的距離不均勻。但各區(qū)域與井筒之間的距離波動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，巖石損傷與裂縫分布基本一致。

圖3 花崗巖剖面裂紋全局分布

圖4 各裂縫區(qū)域與井筒之間距離的堆疊柱狀圖

3 沖擊應(yīng)力分布的數(shù)值模擬

該數(shù)值模擬對(duì)短期沖擊荷載作用下巖體中應(yīng)力波傳播進(jìn)行了瞬態(tài)分析。目的是為了更好的揭示井周裂紋分布規(guī)律?；◢弾r的幾何模型和實(shí)驗(yàn)所用花崗巖樣品一致，均為塊體，如圖5 所示。為了減少計(jì)算時(shí)間，采用1/4 對(duì)稱體進(jìn)行計(jì)算。其中，底部、左側(cè)和后方的壁面受到固定約束。上表面是自由的，上表面巖石在鉆頭沖擊作用區(qū)域以有限持續(xù)壓力脈沖的形式受到載荷。荷載大小為 P0=1.2×105N,作用時(shí)間為t0=3×10-5s?；◢弾r模型材料所使用的數(shù)據(jù)從表1 獲取。本數(shù)值模擬采用低反射邊界條件從鄰域獲取材料數(shù)據(jù)，為壓力波和剪切波建立一個(gè)完美的阻抗匹配[18]，因此有

圖5 花崗巖幾何模型

其中，n 和t 分別為邊界處的單位法向量和切向量。cp表示沖擊壓力波的速度，cs為橫波速度。

數(shù)值模擬結(jié)果如圖6、圖7 所示。通過瞬態(tài)研究，建立了花崗巖體中應(yīng)力、位移、彈性應(yīng)變隨時(shí)間變化的模型。在沖擊過程中，產(chǎn)生的應(yīng)力波在很短的時(shí)間內(nèi)以近似球面波的形式擴(kuò)散到花崗巖巖體中，從模擬結(jié)果中可以看出，擊應(yīng)力導(dǎo)致巖體表面發(fā)生一定程度的變形。在實(shí)際沖擊過程中，由于上表面存在上覆巖層壓力。這部分巖體無法發(fā)生較大位移，這樣，沖擊應(yīng)力就會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)部破壞，并產(chǎn)生裂縫。模擬結(jié)果表明，隨著時(shí)間的變化，沖擊應(yīng)力隨距離原點(diǎn)的距離而減小，巖體的破壞和變性也表現(xiàn)出一定的區(qū)域化規(guī)律。模擬結(jié)果中應(yīng)力分布區(qū)域、巖體變性區(qū)域與實(shí)驗(yàn)中裂縫分布區(qū)域吻合較好。此外，沖擊位置的對(duì)角線方向也產(chǎn)生了變形，這與我們實(shí)驗(yàn)中觀察到的遠(yuǎn)離井筒的對(duì)角線方向存在裂縫的事實(shí)相吻合。

圖6 應(yīng)力隨時(shí)間變化的分布云圖

圖7 位移和彈性應(yīng)變張量隨時(shí)間變化的分布云圖

4 結(jié)論

a）通過沖擊鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)，采用染色法觀測(cè)了井周裂紋的分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊鉆進(jìn)后井周裂紋分布呈現(xiàn)區(qū)域化，各區(qū)域裂紋分布密度不同，有高度發(fā)育的裂紋區(qū)、裂縫擴(kuò)展區(qū)域、沖擊裂縫影響區(qū)。

b）相比于常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，沖擊鉆進(jìn)對(duì)井筒周圍巖體的破壞約為金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的5-7 倍。

c）通過實(shí)驗(yàn)分析與數(shù)值模擬研究，對(duì)沖擊應(yīng)力、巖體變性等指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比評(píng)價(jià)，證明了實(shí)驗(yàn)中裂縫分區(qū)分布的合理性，為地?zé)衢_發(fā)中劃眼、射孔、水力壓裂等鉆井的后續(xù)工作提供了重要的依據(jù)。