不同巖性的巖石特性研究

佟蔓蔓

【摘 要】 清楚了解和掌握不同巖性巖石在高溫高壓條件下變形特征和破壞形式，對(duì)于深井超深井中改善井壁穩(wěn)定和儲(chǔ)層改造具有重要意義。本文從研究高溫高壓條件下巖石力學(xué)性質(zhì)入手，充分調(diào)研國內(nèi)外高溫高壓巖石特性研究狀況，討論了高溫高壓條件對(duì)深井超深井開采過程的影響。

【關(guān)鍵詞】 巖石力學(xué) 高溫高壓 圍壓 抗壓強(qiáng)度

在深井超深井中，隨著鉆井深度的不斷增加，井下地質(zhì)情況會(huì)逐漸復(fù)雜化，例如高溫高壓、構(gòu)造復(fù)雜、地層難鉆、互層壓力系統(tǒng)以及井壁不穩(wěn)定等給深井超深井鉆井帶來很高的難度。從而導(dǎo)致出現(xiàn)井下事故頻繁、建井周期長、費(fèi)用高等不利特點(diǎn)。因此，深井超深井的一些關(guān)鍵技術(shù)難題急需研究解決，其中主要包括：井壁穩(wěn)定技術(shù)、控制井斜技術(shù)以及高效破巖技術(shù)。

1 深井超深井主流技術(shù)分析及優(yōu)化

1.1 井壁穩(wěn)定技術(shù)

防塌、防卡和防縮徑是鉆井安全保障技術(shù)中的關(guān)鍵，主要解決鉆井過程中的井塌、卡鉆和井漏等技術(shù)難題，其中包括鉆遇地層的孔隙、破裂和坍塌壓力的預(yù)測(cè)，井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)和鉆井液的化學(xué)穩(wěn)定技術(shù)。而在深井超深井鉆井過程中重點(diǎn)需要解決的難題主要是：軟泥巖的縮徑問題；高溫高壓地層的井眼穩(wěn)定；較大范圍的泥頁巖的井壁坍塌問題。

在井壁穩(wěn)定技術(shù)中，作為該技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作，井壁圍巖的應(yīng)力分析是確定地層破裂壓力、優(yōu)選鉆井液以及保證井壁穩(wěn)定的前提條件。

1.2 控制井斜技術(shù)

控制井斜技術(shù)主要包括對(duì)地層巖石各向異性的分析、底部鉆具組合的分析技術(shù)、合理控制鉆壓等。而在深井超深井鉆井過程中，重點(diǎn)需要解決的問題是：深部復(fù)雜構(gòu)造等易斜地層的防斜快打技術(shù)；深層硬地層的井眼控制技術(shù)。

在控制井斜技術(shù)中，地層巖石的各向異性分析以及地層自然構(gòu)造的評(píng)估是該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵。

1.3 高效破巖技術(shù)

在石油的勘探開發(fā)過程中，盡早發(fā)現(xiàn)油氣資源，加快油氣資源的勘探，提高鉆井速度一直是市場(chǎng)環(huán)境的主要要求。在高效破巖技術(shù)中，雖然地層巖性是不確定因素，但是通過實(shí)驗(yàn)研究，我們必須掌握其變化規(guī)律，并且要合理地利用這種變化規(guī)律，充分研究深井超深井中所鉆遇地層的可鉆性，實(shí)現(xiàn)高效破巖，提高鉆井質(zhì)量。

深井超深井鉆井關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和突破在很大程度上取決于深部巖石特性的研究水平。弄清楚深部地層巖石的強(qiáng)度、變形破壞特征、可鉆性以及硬度等的變化規(guī)律，將對(duì)提高深井超深井的機(jī)械鉆速、降低鉆井成本和提高鉆井水平具有十分重要的意義。因此，深部地層高溫高壓條件下巖石特性的研究是整個(gè)石油行業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容。

2 高溫高壓條件下的巖石力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置是由美國GCTS公司生產(chǎn)的一套巖石地應(yīng)力綜合測(cè)試系統(tǒng)，該測(cè)試系統(tǒng)能夠模擬地層在高溫高壓條件下測(cè)試巖芯的位移、聲發(fā)射、聲波傳播速率和滲透率參數(shù)并進(jìn)行分析；能夠進(jìn)行差應(yīng)變測(cè)試和分析；能夠進(jìn)行熱傳導(dǎo)測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備包括：

2.1 巖樣的制備

對(duì)巖心軸向鉆取直徑為25mm的圓柱形巖樣，并且使巖樣的長徑比保持為2：1～2.5：1，為了消除端部效應(yīng)。我們要求將巖樣的周邊加工光滑。圓柱表面必須具有較高的光滑度，消除巖樣表面的剝落和凹凸不平之處。實(shí)驗(yàn)過程中將底座從壓力室中拉出，接著將巖石和上壓頭放置到位，保持下壓頭、巖樣以及上壓頭均處于垂直于底座，將準(zhǔn)備好的適當(dāng)長度的熱縮管套上并且用熱吹風(fēng)加熱熱縮管使其收縮將巖樣充分密封以免實(shí)驗(yàn)過程中巖樣受到液壓油的損害。通過上下壓頭上的小孔可以注入孔隙流體和進(jìn)行孔隙壓力控制。壓頭也有嵌入聲波發(fā)射裝置的，可以在測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行縱、橫聲波速度的測(cè)定。

2.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

（1）接通液壓站電源；（2）通用數(shù)字信號(hào)調(diào)節(jié)控制器CSON開機(jī)，同時(shí)電腦開機(jī)進(jìn)入Windows操作系統(tǒng)，但不運(yùn)行CATS軟件；等SCON開機(jī)并自檢完成后，運(yùn)行CATS軟件；（3）啟動(dòng)液壓站；（4）提升壓力室、裝樣并密封壓力室；（5）傳感器清零；（6）開啟軸壓作動(dòng)器；（7）接觸試樣；（8）壓力室注油；（9）溫度控制；（10）開啟圍壓作動(dòng)器；（11）啟動(dòng)孔壓作動(dòng)器；（12）設(shè)置實(shí)驗(yàn)步驟、執(zhí)行測(cè)試；（13）結(jié)束測(cè)試。

2.3 實(shí)驗(yàn)的基本方法

單軸壓縮實(shí)驗(yàn)：這類實(shí)驗(yàn)是在不施加圍壓和孔隙壓力的情況下直接對(duì)巖樣在其軸向上施加軸向載荷所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，巖樣只在一個(gè)方向上受力，即為單向應(yīng)力狀態(tài)，并假定作用在巖樣上的壓應(yīng)力均勻分布，以應(yīng)力或應(yīng)變速率作為控制反饋信號(hào)加載直到巖樣破壞。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果主要包括應(yīng)力和應(yīng)變曲線以及巖樣的抗壓強(qiáng)度。

靜水加壓實(shí)驗(yàn)：給巖樣施加三個(gè)方向相同的壓力，加載過程中采用應(yīng)力速率作為反饋控制信號(hào)。在該應(yīng)力狀況下巖樣受壓縮。該實(shí)驗(yàn)結(jié)合巖樣孔隙壓力加載實(shí)驗(yàn)可以求取巖石的顆粒壓縮系數(shù)、孔隙彈性系數(shù)和體積壓縮系數(shù)等。

三軸壓縮實(shí)驗(yàn)：該實(shí)驗(yàn)可以模擬地層條件進(jìn)行水平應(yīng)力、孔隙壓力和溫度的測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法：根據(jù)計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)最終經(jīng)過回歸處理，從而繪制出各巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

本文所進(jìn)行的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要研究深井超深井中高溫高壓條件下各種巖石的強(qiáng)度、變形破壞特征以及硬度等的變化規(guī)律。高溫高壓巖石特性實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)砂巖。

經(jīng)過對(duì)高溫高壓條件下的巖石力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明：巖石的力學(xué)特性參數(shù)與巖石所處環(huán)境的圍壓條件有著密切的關(guān)系，并且經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到了溫度和圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。

3 結(jié)語

在深井超深井鉆進(jìn)過程中，井下地質(zhì)情況會(huì)逐漸復(fù)雜化，例如高溫高壓、構(gòu)造復(fù)雜、地層難鉆、互層壓力系統(tǒng)以及井壁不穩(wěn)定等給深井超深井鉆井帶來很高的難度。從而導(dǎo)致出現(xiàn)井下事故頻繁、建井周期長、費(fèi)用高等不利特點(diǎn)。明確掌握不同巖石在高溫高壓環(huán)境中的力學(xué)特性參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)于解決井壁穩(wěn)定、控制井斜等一系列技術(shù)性難題顯得極為重要。

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