CN105952445A - 一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，该试验方法通过合理的设计制作岩石样本、承样槽及承压钢板，模拟钻孔过程，成功的实现对钻进时岩体内部轴向应力以及深部钻孔孔径的变化规律进行定性和定量的分析；通过对测试的结果进行比较分析，探讨高地应力条件下，在钻孔形成过程中钻孔周边岩层的受力及变形与钻孔形成后孔壁周边的岩石稳定特性。利用该试验方法对改进高地应力条件下的钻井工艺与提高高地应力条件下的钻探水平具有深刻的指导意义。

Description

一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法

技术领域

本发明属于岩土钻探技术设计领域，特别涉及一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法。

背景技术

地应力是指存在于地层中未受工程扰动的天然应力，也称为岩体初始应力或原岩应力。地应力是引起各种地下工程变形和破坏的根本作用力，地应力的大小相差很大。早期的地应力界定主要依据的是地应力测值大小，如第1主应力大于20MPa为高地应力，大于30MPa或40MPa为极高地应力；由于地应力的主要组成是重力和构造应力，所以也有人认为构造应力占实测地应力的50％以上即为高地应力。

我国有不少地区属于高地应力地区，而深部地层高地应力更是广泛存在。国内外已有许多和探矿工程相关的高地应力的研究，主要有：①高地应力条件下岩体的力学性能研究，如陈景涛等人通过三轴试验研究了岩体在高地应力条件下的本构方程、薛琳等人则根据岩体力学位移理论建立了广义地应力的强度理论、符文熹等人研究了高地应力作用下软弱岩层的工程特性；②地应力的分布规律研究，例如王永才等人对金川矿区的地应力分布特征做了比较详细的研究、W.Standifird等人建立了地应力预测模型；③地应力的测量方法研究，如龙海涛等人对传统的地层压力测量方法提出了修正；④地应力对石油勘探影响的研究，例如李军、殷有泉以及曾德智等人都进行了地应力对套管的变形及磨损方面的研究、殷黎明等人研究了地应力对岩体渗流的影响等等。近年来关于地应力对探矿工程影响方面的研究也为本发明提供了大量可参考的背景技术，主要有：Donovan G.G.等人对在地应力岩体中钻探施工进行了研究；韩昌瑞等人根据正交各项异性材料的弹性理论，推导出偏轴坐标系下的三维、二维本构方程并得出孔壁径向位移的计算公式；梁何生等人研究了地层压力在钻探中的应用等等。

高地应力的存在给矿产资源的勘探，尤其是钻探施工增加了不少难度。一般来说在高地应力条件下进行钻探施工一般会出现以下三个问题：

(1)孔壁发生猛烈破坏。这是由于岩体在高应力条件下储备了较高的能量，一旦施工钻孔，岩体中积聚的能量将在较短的时间中释放出来，加速孔壁岩层的破坏。

(2)孔壁失稳。随深度增加，水平最大主应力与最小主应力的差值有增大趋势，这对孔壁稳定性极为不利。

(3)流变。由于地应力的作用，孔壁岩石往往会向孔内慢慢地移动收敛，形成钻孔缩颈或者弯曲；而且这个过程是随着时间的推移慢慢地发展的，这些现象均是明显的流变特征。

这些问题的存在，给深部科学钻井以及矿产资源的勘探增加了不少难度。要很好地解决这些问题，首先必须系统、深入地从理论上研究高地应力给钻进带来的各种影响，例如对岩石力学性能的影响、钻进变形的影响等等，然后在此基础上，结合钻探施工的特点，研究、制定适应高地应力地层的钻进施工工艺，以提高高地应力条件下钻进施工的效率。到目前为止，所有这些跟探矿工程相关的涉及高地应力的研究都是从其它层面出发进行的，其研究目的并非是改进高地应力条件下的钻井工艺与提高高地应力条件下的钻探水平。因此，很有必要从探矿工程角度，进行以提高高地应力条件下钻井工艺和钻探水平为目的的研究。

发明内容

本发明提供了一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，其目的在于，通过构建岩样，固定应力传感器，设计岩样加载系统，模拟钻孔过程，获取钻孔过程的应力数据，克服现有技术中无法在钻孔前获取应力数据信息进行安全钻孔的指导的问题。

一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，基于已有的钻孔数理模型，进行

钻孔试验，包括以下几个步骤：

步骤1：制作岩石样本、承样槽及承压钢板；

所述岩石样本采用素混凝土制作，且岩石样本为圆台状，上下表面直径范围分别是500-800mm和200-500mm，棱长为500-1000mm，外表侧面均匀设有六条凹槽，同时在岩石样本中设置应力传感器；

所述承样槽采用钢筋混凝土制作的圆台状，上下表面直径以及棱长与岩石样本相同，且承样槽的壁厚为与下表面直径相同，内侧臂环上均匀设置有滚轮，与岩石样本上的凹槽匹配设置；

所述承压钢板直径为1000mm，厚度为50mm，中间设有直径为150mm的中心孔，四周均匀开设有6个直径为30.5mm的圆孔；

步骤2：将一块承压钢板置于最底端，在其中心处从下至上依次放置承样槽、岩石样本及另一块承压钢板，用6根螺杆连接上下两个承压钢板，用以施加拉力；

步骤3：将钻具放置于顶端的承压钢板的中心孔的正上方，对岩石样本施加压力和施钻；

步骤4：观测轴向应力和钻孔孔径；

所述轴向应力通过应力传感器采集的数据观测；

所述钻孔孔径的测量采用如下方法：

停钻后，在钻孔壁贴一层塑料薄膜，将加有定量速凝剂的素混凝土注入钻孔，将速凝的混凝土柱块取出并对其进行测量获得钻孔孔径。

所述应力传感器由两组应变片与两片细铁片组成；细铁片尺寸为1mm×5mm×60mm，在每片细铁片从端部起3/4长度处用硅胶帖两两相对，组成惠斯通电桥，再把贴好应变片的细铁片对贴，使两组应变片对称地位于两片细铁片中间，用硅胶封装并接出引线埋设于岩石样本内部中心处。

所述已有的钻孔数理模型在圆柱坐标中，高地应力状态用径向应力σ_r、环向应力σ_θ、轴向应力σ_Ζ及剪应力τ_θ来表示，具体公式如下：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-\frac{{r_i}^2}{r^2})+\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-4\frac{{r_i}^2}{r^2}+3\frac{{r_i}^4}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+\frac{{r_i}^2}{r^2})-\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_z={\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\μ}\[2({\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2})\frac{{r_i}^2}{r^2}cos2\mathrm{\θ}\]$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+2\frac{{r_i}^2}{r^2}-3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

其中，σ_h1、σ_h2分别为水平向最大与最小主应力，单位为MPa，通过应力传感器的读数获得；r_i为钻孔半径，r为计算点距孔中轴的距离，单位为mm，利用井径仪测量获得；σ_v为上覆层压力，单位为MPa；μ为混凝土的泊松比，根据《混凝土结构设计规范》获得；θ表示钻孔方位角，通过测斜仪测量获得。

有益效果

本发明提供了一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，该试验方法通过合理的设计制作岩石样本、承样槽及承压钢板，模拟钻孔过程，成功的实现对钻进时岩体内部轴向应力以及深部钻孔孔径的变化规律进行定性和定量的分析；通过对测试的结果进行比较分析，探讨高地应力条件下，在钻孔形成过程中钻孔周边岩层的受力及变形与钻孔形成后孔壁周边的岩石稳定特性。基于该方法获取的试验数据与利用已有的数理模型获取的理论应力数据基本吻合，利用该试验方法对改进高地应力条件下的钻井工艺与提高高地应力条件下的钻探水平具有深刻的指导意义。

附图说明

图1为岩石样本示意图；

图2为承样槽示意图；

图3为承压钢板示意图；

图4为应变测量装置示意图；

图5为应用已有的钻孔数理模型获得的钻孔及邻域内应力分布示意图；

标号说明：1—施钻孔，2—承压钢板，3—应变测量仪，4—导轨槽，5—导轮,6—螺杆，7-承压钢板。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，基于已有的钻孔数理模型，进行

钻孔试验，包括以下几个步骤：

步骤1：制作岩石样本、承样槽及承压钢板；

所述岩石样本采用素混凝土制作，且岩石样本为圆台状，上下表面直径范围分别是500-800mm和200-500mm，棱长为500-1000mm，外表侧面均匀设有六条凹槽，同时在岩石样本中设置应力传感器；

所述承样槽采用钢筋混凝土制作的圆台状，上下表面直径以及棱长与岩石样本相同，且承样槽的壁厚为与下表面直径相同，内侧臂环上均匀设置有滚轮，与岩石样本上的凹槽匹配设置；

所述承压钢板直径为1000mm，厚度为50mm，中间设有直径为150mm的中心孔，四周均匀开设有6个直径为30.5mm的圆孔；

步骤2：将一块承压钢板置于最底端，在其中心处从下至上依次放置承样槽、岩石样本及另一块承压钢板，用6根螺杆连接上下两个承压钢板，用以施加拉力；

步骤3：将钻具放置于顶端的承压钢板的中心孔的正上方，对岩石样本施加压力和施钻；

步骤4：观测轴向应力和钻孔孔径；

所述轴向应力通过应力传感器采集的数据观测；

所述钻孔孔径的测量采用如下方法：

停钻后，在钻孔壁贴一层塑料薄膜，将加有定量速凝剂的素混凝土注入钻孔，将速凝的混凝土柱块取出并对其进行测量获得钻孔孔径。

所述应力传感器由两组应变片与两片细铁片组成；细铁片尺寸为1mm×5mm×60mm，在每片细铁片从端部起3/4长度处用硅胶帖两两相对，组成惠斯通电桥，再把贴好应变片的细铁片对贴，使两组应变片对称地位于两片细铁片中间，用硅胶封装并接出引线埋设于岩石样本内部中心处。

岩样加载系统由液压千斤顶与控制系统组成。加载系统由20MN级液压千斤顶提供加载压力，压力由位于岩样两侧的承载钢板传递给岩样。反力由加固后的钻探试验台的承样槽的槽边提供。

已有的岩石钻孔数理模型，在圆柱坐标中，高地应力状态用径向应力σ_r、环向应力σ_θ、轴向应力σ_Ζ及剪应力τ_θ来表示，具体公式如下：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-\frac{{r_i}^2}{r^2})+\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-4\frac{{r_i}^2}{r^2}+3\frac{{r_i}^4}{r^4})\cos 2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+\frac{{r_i}^2}{r^2})-\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_z={\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\μ}\[2({\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2})\frac{{r_i}^2}{r^2}cos2\mathrm{\θ}\]$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+2\frac{{r_i}^2}{r^2}-3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

其中，σ_h1、σ_h2分别为水平向最大与最小主应力，单位为MPa，通过应力传感器的读数获得；r_i为钻孔半径，r为计算点距孔中轴的距离，单位为mm，利用井径仪测量获得；σ_v为上覆层压力，单位为MPa；μ为混凝土的泊松比，根据《混凝土结构设计规范》获得；θ表示钻孔方位角，通过测斜仪测量获得。

模拟钻进试验包括3方面的内容，即：无应力条件下模拟钻进试验，岩样加载条件下钻进试验，钻进过程中和岩体稳定后钻孔孔底和各孔径变形测试。

①无应力条件下模拟钻进试验是把制作好的岩样安放在钻探试验台上进行钻进试验。在钻进试验过程中不断测试岩样内部的应力变化，因为岩体内部应力变化是连续的、不确定性和实时的，依据应力传感器人为读数很难精确，故采用室内计算机数据采集系统，实时对数据进行采集，形象直观反映岩样内部应力变化，其结果将与岩样在加载条件下钻进的测试结果进行对比。

②岩样加载条件下钻进试验是对岩样施加20MPa左右的应力以模拟高地应力条件下的钻进情况。在钻进过程中不断测试岩样内部的应力分布情况，因为岩体内部应力变化是连续的、不确定性和实时的，依据应力传感器人为读数很难精确，故采用室内计算机数据采集系统，实时对数据进行采集，形象直观反映岩样内部应力变化，并将测量结果与无应力条件下模拟钻进试验测试结果进行对比分析。

③钻孔变形测试主要是在钻进过程中和岩样稳定后测量钻孔孔径变化。试验时，每隔约60mm进尺测量一次钻孔孔径。测量时，不但要测量孔底钻孔孔径同时还测量孔底以上各孔段孔径，以分析钻孔形成后在加载(模拟地应力)作用下孔径的变化情况。

通过实验对比结果分析，本试验方法所得的应力数据与利用已有的数理模型计算获得应力数据吻合程度高。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (3)

1.一种基于数理模型的高地应力条件下的钻孔试验方法，其特征在于，基于已有的钻孔数理模型，进行钻孔试验，包括以下几个步骤：

步骤1：制作岩石样本、承样槽及承压钢板；

所述岩石样本采用素混凝土制作，且岩石样本为圆台状，上下表面直径范围分别是500-800mm和200-500mm，棱长为500-1000mm，外表侧面均匀设有六条凹槽，同时在岩石样本中设置应力传感器；

所述承样槽采用钢筋混凝土制作的圆台状，上下表面直径以及棱长与岩石样本相同，且承样槽的壁厚为与下表面直径相同，内侧臂环上均匀设置有滚轮，与岩石样本上的凹槽匹配设置；

所述承压钢板直径为1000mm，厚度为50mm，中间设有直径为150mm的中心孔，四周均匀开设有6个直径为30.5mm的圆孔；

步骤2：将一块承压钢板置于最底端，在其中心处从下至上依次放置承样槽、岩石样本及另一块承压钢板，用6根螺杆连接上下两个承压钢板，用以施加拉力；

步骤3：将钻具放置于顶端的承压钢板的中心孔的正上方，对岩石样本施加压力和施钻；

步骤4：观测轴向应力和钻孔孔径；

所述轴向应力通过应力传感器采集的数据观测；

所述钻孔孔径的测量采用如下方法：

停钻后，在钻孔壁贴一层塑料薄膜，将加有定量速凝剂的素混凝土注入钻孔，将速凝的混凝土柱块取出并对其进行测量获得钻孔孔径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应力传感器由两组应变片与两片细铁片组成；细铁片尺寸为1mm×5mm×60mm，在每片细铁片从端部起3/4长度处用硅胶帖两两相对，组成惠斯通电桥，再把贴好应变片的细铁片对贴，使两组应变片对称地位于两片细铁片中间，用硅胶封装并接出引线埋设于岩石样本内部中心处。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述已有的钻孔数理模型在圆柱坐标中，高地应力状态用径向应力σ_r、环向应力σ_θ、轴向应力σ_Ζ及剪应力τ_θ来表示，具体公式如下：

${\mathrm{\σ}}_r=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-\frac{{r_i}^2}{r^2})+\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1-4\frac{{r_i}^2}{r^2}+3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}+{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+\frac{{r_i}^2}{r^2})-\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

${\mathrm{\σ}}_z={\mathrm{\σ}}_v-\mathrm{\μ}\[2({\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2})\frac{{r_i}^2}{r^2}cos2\mathrm{\θ}\]$

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{h1}-{\mathrm{\σ}}_{h2}}{2}(1+2\frac{{r_i}^2}{r^2}-3\frac{{r_i}^4}{r^4})cos2\mathrm{\θ}$

其中，σ_h1、σ_h2分别为水平向最大与最小主应力，单位为MPa，通过应力传感器的读数获得；r_i为钻孔半径，r为计算点距孔中轴的距离，单位为mm，利用井径仪测量获得；σ_v为上覆层压力，单位为MPa；μ为混凝土的泊松比，根据《混凝土结构设计规范》获得；θ表示钻孔方位角，通过测斜仪测量获得。