沖擊鉆進后花崗巖井周裂紋分布研究

孫永興，范黎明

（樂山師范學院 旅游與地理科學學院，四川 樂山 614000）

0 引言

能源是發展國民經濟和提高人民生活水平的重要物質基礎，傳統的化石能源已日益枯竭，并伴有嚴重的環境污染問題。而清潔可再生、儲量巨大、分布廣泛的地熱資源將成為能源開發新聚集區。太陽能和風能雖屬于清潔型可持續利用的能源，受自然條件因素影響較大；地熱能是相對比較持續、穩定、清潔、可靠的可再生能源，國內外研究學者也一直致力于研究、開發、利用地熱能，以減輕傳統的化石能源的依賴[1-3]。地熱資源潛力最大的是深部儲層中的花崗巖[4-6]，但由于其高密度、低滲透、低孔隙度、高溫等特點[7]，在沒有輔助技術的情況下難以開發利用。

沖擊鉆井技術優點是能提高鉆速和縮短非生產時間，因而得到了廣泛的應用，特別是在堅硬地層中[8-9]，沖擊引發的應力波迫使鉆頭球齒穿透巖石，導致徑向裂紋、中位裂紋和側裂紋等各種類型的裂紋，進而導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，以及單個顆粒與微裂紋表面之間的滑動而發生的[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，只有少數學者關注沖擊鉆井過程中產生的裂縫[12-13]，尤其對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劃眼、射孔、水力壓裂等鉆井的后續工作產生積極作用[14-17]。除了眾所周知的沖擊鉆井的優點外，沖擊鉆井方法還可以在不增加成本的情況下，減少劃眼時間、增加射孔深度、促進干熱巖儲層的水力增產。

本文從實驗和數值模擬角度對井周裂紋的分布情況進行了研究，對沖擊鉆井開發地熱能輔助技術的可行性進行了分析研究，旨為深層地熱開發提供新的技術支持、數據支持及理論支持。

1 室內實驗

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，力學性能如表1 所示。沖擊鉆進試驗裝置如圖1 所示，由水箱、柱塞泵、變頻系統、鉆機、液動錘和花崗巖樣品六部分組成，其中鉆頭直徑為95 mm。本實驗中沖擊鉆進的具體參數如表2 所示。與此同時，常規傳統鉆進方式金剛石回轉鉆進方式也被應用到樣品制備中，與沖擊鉆進后的樣品進行對比。金剛石回轉鉆進的參數與沖擊鉆進參數保持一致。

表1 花崗巖樣品物理及力學性能

圖1 沖擊鉆進實驗裝置示意圖

表2 沖擊鉆進參數

1.2 井周裂紋觀測

為了更加直觀的觀測兩種不同鉆進方式后的花崗巖井周的裂紋分布，采用染色滲透法對花崗巖試樣進行處理[17]。用無毒、不溶于水的清洗劑仔細清洗井筒表面的雜質后，將花崗巖放置一段時間進行自然烘干，再用滲透劑對清洗過后的井筒進行均勻染色，確保檢測區域被滲透劑完全覆蓋，在整個滲透過程中保持整個井筒表面處于潤濕狀態，滲透時長為2 天。最后，對花崗巖進行切割，觀察切割斷面上的滲透劑分布，進而確定裂紋的分布情況。

2 實驗結果分析

2.1 井周裂紋分布分析

為消除裸眼觀測造成的誤差，對巖石切割面進行拍攝，并對圖像的對比度進行調節，使裂紋觀測更加清晰。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域化特征。確定了巖石撞擊產生的不同區域，即撞擊附近的粉碎區(或破碎區)、致密微破裂的損傷區、長裂縫的區域。根據裂縫的分布密度，將花崗巖井筒周圍巖石劃分為A、B、C、D 四個區域。A 區為井筒內壁。B 區為高度發育的裂紋區，此區域存在大量的沖擊裂縫，裂縫的連接及貫通性極高。C 區為裂縫擴展區域，此區域裂縫較多，但裂縫密度和裂縫連通性均小于B 區。D 區為沖擊裂縫影響區，此區域相對而小于B，C 區，但該區域存在明顯的沖擊裂縫擴展路徑。主要是離井筒越遠，沖擊波的能量就越低。B 區和C 區的沖擊波能量較大，導致裂紋密度非常大、井筒周圍裂紋的連通性較好。D 區的沖擊波能量較弱，不能形成類似于B 區和C 區連通性較好的裂縫；雖然D 區域沒有更多的裂縫，但D 區域的裂縫擴展路徑有一定的規律可循。在D 區，染色劑的染色路徑基本位于石英礦物以外的礦物中。這主要是因為除石英外，鉀長石、斜長石、角閃石、黑云母等礦物都具有一定的節理或晶體結構，當沖擊波能量不夠大時，這些具有一定節理的礦物會優先被破壞。因此，在石英與這些礦物的交界處(晶間裂紋)或在這些礦物的內部(穿晶裂紋)會出現裂縫。相比而言，常規回轉鉆進對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，(b)金剛石回轉鉆進

圖3 顯示了花崗巖樣品中沖擊裂縫的全局分布。各區域與井筒之間的距離如圖4 所示。其中B 區、C 區、D 區到井筒的平均距離分別為0～11.5 mm、11.5～27.75 mm、27.75～74 mm。距離井筒最遠可達82 毫米。常規回轉鉆井產生的裂縫區域與井筒壁面的距離僅為12mm。與傳統的金剛石旋轉鉆井相比，沖擊鉆井對井筒周圍巖體的破壞約為金剛石回轉鉆井的5-7 倍。由于花崗巖巖體的各向異性，導致各區域與井筒的距離不均勻。但各區域與井筒之間的距離波動相對穩定，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 各裂縫區域與井筒之間距離的堆疊柱狀圖

3 沖擊應力分布的數值模擬

該數值模擬對短期沖擊荷載作用下巖體中應力波傳播進行了瞬態分析。目的是為了更好的揭示井周裂紋分布規律。花崗巖的幾何模型和實驗所用花崗巖樣品一致，均為塊體，如圖5 所示。為了減少計算時間，采用1/4 對稱體進行計算。其中，底部、左側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域以有限持續壓力脈沖的形式受到載荷。荷載大小為 P0=1.2×105N,作用時間為t0=3×10-5s。花崗巖模型材料所使用的數據從表1 獲取。本數值模擬采用低反射邊界條件從鄰域獲取材料數據，為壓力波和剪切波建立一個完美的阻抗匹配[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。

數值模擬結果如圖6、圖7 所示。通過瞬態研究，建立了花崗巖體中應力、位移、彈性應變隨時間變化的模型。在沖擊過程中，產生的應力波在很短的時間內以近似球面波的形式擴散到花崗巖巖體中，從模擬結果中可以看出，擊應力導致巖體表面發生一定程度的變形。在實際沖擊過程中，由于上表面存在上覆巖層壓力。這部分巖體無法發生較大位移，這樣，沖擊應力就會導致巖體內部破壞，并產生裂縫。模擬結果表明，隨著時間的變化，沖擊應力隨距離原點的距離而減小，巖體的破壞和變性也表現出一定的區域化規律。模擬結果中應力分布區域、巖體變性區域與實驗中裂縫分布區域吻合較好。此外，沖擊位置的對角線方向也產生了變形，這與我們實驗中觀察到的遠離井筒的對角線方向存在裂縫的事實相吻合。

圖6 應力隨時間變化的分布云圖

圖7 位移和彈性應變張量隨時間變化的分布云圖

4 結論

a）通過沖擊鉆進實驗，采用染色法觀測了井周裂紋的分布。實驗結果表明，沖擊鉆進后井周裂紋分布呈現區域化，各區域裂紋分布密度不同，有高度發育的裂紋區、裂縫擴展區域、沖擊裂縫影響區。

b）相比于常規回轉鉆進，沖擊鉆進對井筒周圍巖體的破壞約為金剛石回轉鉆進的5-7 倍。

c）通過實驗分析與數值模擬研究，對沖擊應力、巖體變性等指標進行了對比評價，證明了實驗中裂縫分區分布的合理性，為地熱開發中劃眼、射孔、水力壓裂等鉆井的后續工作提供了重要的依據。