本發(fā)明屬于深部巖石與鉆探工程領(lǐng)域,是一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，具體涉及一種可實現(xiàn)深部地層鉆進過程與井壁圍巖裂隙發(fā)育研究室內(nèi)試驗方法。

背景技術(shù)：

干熱巖等深部地熱資源的開采與開發(fā)離不開鉆井工程，高溫高壓是深部地層顯著的環(huán)境特征。具有開發(fā)價值的干熱巖溫度不低于200℃，但該溫度下的干熱巖地層深度往往超過3000m，地層的地應(yīng)力和豎向自重應(yīng)力一般超過50mpa，硬脆性的花崗巖是典型的干熱巖儲能巖種，大量花崗巖高溫與應(yīng)力-應(yīng)變試驗證明，花崗巖在200℃以上的高溫下其力學強度、物理力學參數(shù)往朝著不利于井壁穩(wěn)定方向有不同程度的變化。此外，溫度對花崗巖結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生顯著影響，花崗巖在高溫作用下其內(nèi)部的微裂隙得到充分發(fā)育，巖石結(jié)構(gòu)劣化，不利于深部井壁穩(wěn)定。

現(xiàn)階段深部巖土試驗研究重點以礦井、巷道、隧洞為主，服務(wù)于采礦行業(yè)，其研究的深度比干熱巖等深井深度低，且采礦行業(yè)的巖土環(huán)境溫度相對不高，巖土條件也以沉積巖為主。目前對深部干熱巖等硬脆性花崗巖的研究停留在室內(nèi)的高溫高壓試驗為主，缺乏對高溫后高壓條件下花崗巖地層鉆進的試驗研究。深部干熱巖的鉆進是一個動態(tài)的過程，鉆進過程破碎巖石，形成井壁，在鉆井液液柱壓力協(xié)調(diào)下井壁存在應(yīng)力平衡問題，井壁裂紋的發(fā)育對井壁穩(wěn)定有重要影響。鉆進過程是井壁圍巖應(yīng)力狀態(tài)是一個突然變化的過程，目前針對真實的深地鉆探動態(tài)過程研究較少，研究深部高壓環(huán)境下的結(jié)晶巖等硬脆性巖石破碎試驗與井壁圍巖裂紋變化在鉆頭破碎切削的發(fā)育特征不多，缺乏相對應(yīng)的研究思路和研究方法。借助于鉆探手段獲取深部高溫高壓硬脆性地層情況與地熱資源是研究的重要目標，因此，需要一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法。

因此，研究出一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法尤為重要，通過該方法來研究不同應(yīng)力條件下、不同高溫熱處理后硬脆性巖層在鉆掘過程中的井壁裂紋發(fā)育、鉆進進尺速率、井壁圍巖的破裂響應(yīng)規(guī)律，為深部地層鉆進和深部地層井壁穩(wěn)定提供實質(zhì)性的工程指導建議。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述存在的問題和需求，本發(fā)明旨在研究深部巖層在鉆掘開挖過程中的鉆進效率、井壁圍巖應(yīng)力變形和失穩(wěn)規(guī)律、井壁裂紋發(fā)育特征，為模擬實際深井鉆進提供一種方法研究可能。試驗過程中可實現(xiàn)高應(yīng)力作用下硬脆性巖石鉆進效率、井壁圍巖在卸荷應(yīng)力場下的裂紋發(fā)育、井壁穩(wěn)定、井壁圍巖應(yīng)力變形、聲發(fā)射信息特征的實時監(jiān)控。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，該方法包括：

(1)選取質(zhì)地均勻無裂紋的深部地層常見巖石種類，將其加工成合適尺寸、形狀(如100mm×100mm×100mm)的巖石試件。

(2)設(shè)計巖石試樣的熱處理目標溫度與模擬深部地層應(yīng)力條件，對加工好的巖石試樣進行熱處理，巖石試樣熱處理冷卻至常溫后，先采用ct掃描觀測巖石內(nèi)部裂隙裂紋發(fā)育情況，再采用應(yīng)力加載設(shè)備進行應(yīng)力裝配。

(3)設(shè)計鉆機鉆壓、轉(zhuǎn)速、方向、鉆孔直徑、鉆頭種類鉆進參數(shù)和鉆進方法，鉆孔孔徑為20mm，鉆壓為1000n、1500n、2000n，轉(zhuǎn)速為10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。鉆進過程中保持恒定的目標鉆壓與轉(zhuǎn)速，孔口排除的巖屑用專有吸收裝置回收處理，待鉆孔形成后對巖樣緩慢勻速卸載。同時，每鉆進50mm則停鉆進行孔壁裂隙發(fā)育聲發(fā)射數(shù)據(jù)的監(jiān)測記錄，以此避免鉆頭工作對聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集的影響，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。

(4)利用高精度三維ct對鉆孔試驗開展前與鉆孔試驗開展后巖樣沿鉆孔中心線切面掃描成像，對比高溫高壓作用下鉆進誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育情況。

(5)用掃描電鏡和高倍顯微鏡首先觀測鉆孔周圍及巖樣外表面的微、細、宏觀裂隙分布，后對巖樣沿鉆孔中心線切面對稱無創(chuàng)切割為兩半，再觀測孔壁裂隙分布特征。

(6)使用ipp圖像軟件與matlab數(shù)據(jù)分析軟件從掃描電鏡、ct和高倍顯微鏡的微、細、宏觀圖中獲取裂隙發(fā)育的數(shù)據(jù)，研究高溫高壓作用下鉆進成孔誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育機理。

與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于為研究深部地層鉆進與影響井壁穩(wěn)定的裂紋發(fā)育提供了一種研究方法，可以在室內(nèi)試驗室條件下開展對高應(yīng)力地層深部巖石鉆進過程和裂紋發(fā)育進行監(jiān)測，對井壁圍壓的宏觀裂紋、細觀裂紋、微觀裂紋展開監(jiān)測、觀測、分析、研究，結(jié)合裂紋圖像處理獲得裂紋發(fā)育的具體參數(shù)數(shù)據(jù)，為深部鉆進提供技術(shù)指導，為深部井壁穩(wěn)定提供理論依據(jù)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的研究方法流程圖；

圖2為本發(fā)明的實施例巖石細觀裂紋觀測示意圖；

圖3為本發(fā)明的實施例巖石微觀裂紋掃描電鏡觀測示意圖；

圖4為本發(fā)明的實施例含鉆孔巖石ct掃描示意圖；

圖5為本發(fā)明的實施例巖石在雙軸應(yīng)力作用下裂紋活動聲發(fā)射信息示意圖。

具體實施方案

下面結(jié)合附圖和試驗過程對本發(fā)明一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法進行詳細的描述。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施方案僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發(fā)明保護范圍。

本發(fā)明提出了一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，結(jié)合附圖1進行描述，其具體實施過程如下：

(1)選取質(zhì)地均勻無裂紋的深部地層常見巖石種類花崗巖，將其加工成合適尺寸、形狀(如100mm×100mm×100mm)的巖石試件。

(2)設(shè)計巖石試樣的熱處理目標溫度與模擬深部地層應(yīng)力條件，對加工好的巖石試樣進行熱處理，巖石試樣熱處理冷卻至常溫后，先采用ct掃描觀測巖石內(nèi)部裂隙裂紋發(fā)育情況。

(3)將冷卻后的花崗巖試樣放入應(yīng)力加載試驗平臺，以1n·s-1的應(yīng)力加載速率加壓至目標圍壓(mpa/25、50、75、100、125)后恒壓保持48小時

(4)設(shè)計鉆機鉆壓、轉(zhuǎn)速、方向、鉆孔直徑、鉆頭種類鉆進參數(shù)和鉆進方法，鉆孔孔徑為20mm，鉆壓為1000n、1500n、2000n，轉(zhuǎn)速為10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。鉆進過程中保持恒定的目標鉆壓與轉(zhuǎn)速，孔口排除的巖屑用專有吸收裝置回收處理，待鉆孔形成后對巖樣緩慢勻速卸載。同時，每鉆進50mm則停鉆進行孔壁裂隙發(fā)育聲發(fā)射數(shù)據(jù)的監(jiān)測記錄，以此避免鉆頭工作對聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集的影響，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度，關(guān)于巖石內(nèi)裂紋活動的聲發(fā)射監(jiān)測分析如圖5所示。

(5)利用高精度三維ct對鉆孔試驗開展前與鉆孔試驗開展后巖樣沿鉆孔中心線切面掃描成像，對比高溫高壓作用下鉆進誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育情況，關(guān)于巖石ct掃描成像如圖4所示。

(6)用掃描電鏡和高倍顯微鏡首先觀測鉆孔周圍及巖樣外表面的微、細、宏觀裂隙分布，后對巖樣沿鉆孔中心線切面對稱無創(chuàng)切割為兩半，再觀測孔壁裂隙分布特征，關(guān)于巖石裂紋細觀觀測如圖2所示、巖石微觀裂紋觀測如圖3所示。

(7)使用ipp圖像軟件與matlab數(shù)據(jù)分析軟件從掃描電鏡、ct和高倍顯微鏡的微、細、宏觀圖中獲取裂隙發(fā)育的數(shù)據(jù)，研究高溫高壓作用下鉆進成孔誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育機理。

技術(shù)特征：

1.一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，其特征在于：包括如下具體步驟：

步驟一：將巖石加工成多個尺寸、形狀相同的試件，為后續(xù)步驟做試驗材料準備；

步驟二：將尺寸、形狀加工好的巖石試樣放入到電阻爐內(nèi)進行加溫，溫度上升速率控制在2℃·min-1內(nèi)，避免升溫速率過快對巖樣產(chǎn)生熱沖擊作用，溫度上升至目標溫度后，在電阻爐內(nèi)繼續(xù)恒溫加熱120min，確保巖石試樣受熱均勻。加熱作業(yè)完成后將電阻爐電源關(guān)閉使高溫巖樣在電阻爐內(nèi)緩慢冷卻。

步驟三：將冷卻后的巖石試樣放入應(yīng)力加載試驗平臺，以1n·s-1的應(yīng)力加載速率加壓至目標圍壓(mpa/25、50、75、100、125)后恒壓保持48小時，再開展鉆進成孔孔壁裂隙發(fā)育試驗。

步驟四：鉆機鉆進使用水鉆法，可避免鉆頭對井壁的熱沖擊作用。鉆孔孔徑為20mm，鉆壓為1000n、1500n、2000n，轉(zhuǎn)速為10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。鉆進過程中保持恒定的目標鉆壓與轉(zhuǎn)速，孔口排除的巖屑用專有吸收裝置回收處理，待鉆孔形成后對巖樣緩慢勻速卸載。同時，每鉆進50mm則停鉆進行孔壁裂隙發(fā)育聲發(fā)射數(shù)據(jù)的監(jiān)測記錄，以此避免鉆頭工作對聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集的影響，保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，其特征在于：試驗采用正交設(shè)計方案設(shè)計，溫度、壓力、鉆壓、轉(zhuǎn)速為四因素，試驗中因素順序分為：加溫、加壓、鉆進，用聲發(fā)射裝置實時監(jiān)測記錄試驗過程中巖樣裂隙發(fā)育。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，其特征在于：利用高精度三維ct對鉆孔試驗開展前與鉆孔試驗開展后巖樣沿鉆孔中心線切面掃描成像，對比高溫高壓作用下鉆進誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育情況。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，其特征在于：用掃描電鏡和高倍顯微鏡首先觀測鉆孔周圍及巖樣外表面的微、細、宏觀裂隙分布，后對巖樣沿鉆孔中心線切面對稱無創(chuàng)切割為兩半，再觀測孔壁裂隙分布特征。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，其特征在于：使用ipp圖像軟件與matlab數(shù)據(jù)分析軟件從掃描電鏡、ct和高倍顯微鏡的微、細、宏觀圖中獲取裂隙發(fā)育的數(shù)據(jù)，研究高溫高壓作用下鉆進成孔誘發(fā)孔壁裂隙發(fā)育機理。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開一種研究深部高溫高壓地層鉆進過程與孔壁圍巖裂隙發(fā)育方法，屬于深部巖石與鉆探工程領(lǐng)域。將受目標高溫冷處理后的巖石放入到應(yīng)力加載設(shè)備中，進行目標應(yīng)力條件加載，模擬深部高溫環(huán)境作用下的巖石在深部地應(yīng)力環(huán)境，對其展開鉆孔作業(yè)，模擬深部地層鉆進過程，依靠聲發(fā)射監(jiān)測鉆進過程中的巖石裂隙發(fā)育活動。結(jié)合各類觀測技術(shù)，觀測和研究高溫冷處理后巖石在深部應(yīng)力環(huán)境下成孔作業(yè)過程的宏觀、細觀、微觀裂紋發(fā)育情況，得出深部環(huán)境下地層鉆進參數(shù)與效率一般規(guī)律，獲得深部地層鉆進過程中孔壁圍巖裂隙發(fā)育的規(guī)律，指導深部高溫高壓地層鉆進參數(shù)設(shè)計與孔壁穩(wěn)定方案設(shè)計。本發(fā)明提供了模擬深部高溫高壓地層鉆進與孔壁圍巖裂隙發(fā)育的研究辦法，試驗方案貼近深部鉆探的實際過程，也重點研究了影響孔壁圍巖結(jié)構(gòu)強度的關(guān)鍵?孔壁圍巖裂紋。

技術(shù)研發(fā)人員：肖敏杰;王李昌;高士娟;隆威;徐蒙;莫天宇;王璐

受保護的技術(shù)使用者：中南大學

技術(shù)研發(fā)日：2021.05.17

技術(shù)公布日：2021.07.23