油氣鉆井組合載荷破巖數值試驗研究?

王宏宇，魏軍才，趙建光，傅群和，趙伏軍

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

油氣鉆井組合載荷破巖數值試驗研究?

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.湖南省地質科學研究院， 湖南長沙 410007；2.湖南省國土資源規劃院，湖南長沙 410007；3.湖南科技大學， 湖南湘潭市 411201)

機械破巖是各類油氣井鉆進工程中重要的基礎技術。運用巖石破裂分析系統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)情況進行了數值試驗，采用聲發射能量作為表征巖石破碎效果的指標。結果表明: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量和聲發射能量均大于單一靜載荷或動載荷；聲發射能量可以作為衡量最終破巖效果的指標。

鉆井；巖石破碎；數值試驗；聲發射能量

0 引 言

機械破巖技術作為一種安全、高效的技術已被廣泛地應用于各類油氣井鉆進工程中，且相對于超聲波法、水射流法、激光法、化學法等新型破巖方法仍占據主要地位[1-6]。各種巖石受力破碎理論及技術也取得了長足發展。巖石破碎過程中巖石內礦物顆粒的破裂、裂紋的萌生和擴展時，由于儲存于其內的能量釋放并以彈性波的形式表現出來，即巖石破碎過程中聲發射現象[7-12]。而油氣鉆井施工中往往要穿透幾套地質年代不同的巖層，這就意味著鉆進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射能量則可用來表征巖石破碎效果。

1 數值模型建立

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(微風化花崗巖)和軟巖(炭質頁巖)，其力學參數見表1。運用巖石破裂分析軟件RFPA建立模型進行不同組合加載條件下巖石破裂數值試驗。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參數各不相同。因此，建立模型時均質度取3(均質度值越大表明巖石越均勻，100代表模型為純種材料，各單元參數相同)，各單元參數按照韋布爾(Weibull)分布進行賦值。

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，FS為靜載荷，FD＋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。動載荷應力波被假設成如圖2所示的梯形脈沖應力，應力波幅值為100 MPa，動載荷加載步數為800步。

表1 巖石力學參數

RFPA巖石破裂數值分析程序中，模型內單元破碎時聲發射能量大小由聲發射圖(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關系，黑色部分即破碎單元，圓圈的多少表示聲發射事件的數量。由于模型中各單元力學性質按照韋布爾分布賦值，單元強度大小不一，故聲發射圖中圓圈大小各不相同。

圖1 計算模型

圖2 動裁應力波

2 試驗結果

圖3 花崗巖組合載荷破碎聲發射圖

由圖3和圖4兩種巖石在不同加載條件下聲發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力波幅值較小時，巖石內只有個別力學參數較弱的單元破碎并發生少量聲發射事件，但由于靜載荷作用主要集中在壓頭下方較小巖石范圍，動載荷沖擊應力波在巖石內的持續傳播，仍在較大范圍內能破碎巖石內力學性質較弱單元，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生破碎，形成單元集中破碎區(破碎坑)。在破碎炭質頁巖時，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 炭質頁巖組合載荷破碎聲發射圖

從實驗結果中調出巖石破碎過程中聲發射能量數據，根據該數據制成花崗巖和炭質頁巖在不同加載條件下聲發射總能量對比(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，聲發射能量極小，而破碎軟弱巖石時效果明顯，聲發射能量較大。無論是硬巖還是軟巖，靜動組合載荷破巖均能使巖石內大量單元破碎，釋放出比單一靜載或動載多得多的聲發射能量。

圖5 不同巖石在不同載荷作用下聲發射能量對比圖

3 結 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射事件與其破碎情況密切相關，巖石單元破碎越多，釋放的聲發射能量越大。聲發射能量大小可以作為表征巖石破碎程度的參數。

(3)研制針對油氣井施工過程中面對不同性質巖石鉆進具有多種加載模式(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，加快施工進度有重要意義。

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2015-07-15)

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

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