泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)協(xié)同作用研究與應(yīng)用
【摘要】 井壁失穩(wěn)問(wèn)題,從廣義上講不僅包括脆性泥頁(yè)巖井壁的坍塌剝落、塑性泥頁(yè)巖井壁的縮徑和粘彈塑性變形,還包括地層在鉆井液壓力作用下的水壓破裂以及鉆完井過(guò)程中,經(jīng)常出現(xiàn)的井壁坍塌、地層破裂、擴(kuò)徑縮徑等工況。井壁失穩(wěn)問(wèn)題是世界各大油氣田長(zhǎng)期勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中,最常遇到的井下復(fù)雜情況之一,其嚴(yán)重影響油氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)程,甚至?xí)䦟?duì)現(xiàn)場(chǎng)施工人員造成人身傷害。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示,全世界的石油鉆采公司,每年僅用于保護(hù)井壁穩(wěn)定性的費(fèi)用就多達(dá)10億美元,并且對(duì)井壁穩(wěn)定性問(wèn)題的處理,使總體的鉆井時(shí)間增加了5%-6%之多。由于在所鉆遇的地層中,近75%為泥頁(yè)巖,且由泥頁(yè)巖引起的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象高達(dá)90%以上,因此,目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)井壁穩(wěn)定性問(wèn)題的研究均圍繞泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定展開(kāi),所取得的成果不僅能夠加快鉆井速度同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本鉆井,還能夠提高我國(guó)鉆井技術(shù)在世界上的核心競(jìng)爭(zhēng)力。本文從根本上分析了發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的原因,包括力學(xué)作用和鉆井液物理-化學(xué)作用兩個(gè)方面,這兩方面作用是相互影響、相互制約、密不可分的。通過(guò)前人的實(shí)踐證實(shí),僅從力學(xué)作用或鉆井液物理化學(xué)作用的單一方面井壁失穩(wěn)問(wèn)題進(jìn)行研究是行不通的,必須綜合考慮這兩方面因素的影響,才能有效的解決井壁失穩(wěn)問(wèn)題。因此,這也是今后泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定問(wèn)題研究的發(fā)展方向。泥頁(yè)巖中的主要成分粘土礦物的特性是對(duì)泥頁(yè)巖性質(zhì)起決定性作用的因素,因此本文對(duì)粘土礦物特性進(jìn)行了深入的研究,總結(jié)出與井壁穩(wěn)定聯(lián)系緊密的幾種特性對(duì)井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律,包括比表面積、陽(yáng)離子交換量、水化作用、孔隙水活度等。并且根據(jù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在大量總結(jié)前人的研究進(jìn)展和充分吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合對(duì)泥頁(yè)巖本身的組分特征和理化性能的研究,對(duì)原地應(yīng)力狀態(tài)、地層孔隙壓力、地質(zhì)構(gòu)造特征等巖石所固有性質(zhì)和參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定方法和計(jì)算方法的總結(jié)、推導(dǎo)；綜合研究鉆井液的性質(zhì)與組成,以及其對(duì)井壁應(yīng)力分布狀態(tài)的影響,主要是對(duì)p塌的影響；進(jìn)行了井壁穩(wěn)定性的巖石力學(xué)和鉆井液物理化學(xué)協(xié)同作用機(jī)理的研究。在搞清楚了泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的根本原因以及基本建立起來(lái)了泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性研究理論體系的基礎(chǔ)上,總結(jié)了現(xiàn)有井壁穩(wěn)定性研究實(shí)驗(yàn)方法以及這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)。由于造成井壁失穩(wěn)的原因的復(fù)雜性,導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際有一定的誤差,目前仍然沒(méi)有一種裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的觀測(cè)到鉆井液對(duì)井壁作動(dòng)態(tài)過(guò)程的目的,因此迫切需要一種能夠幫助研究人員實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的了解井壁失穩(wěn)過(guò)程的裝置,這已經(jīng)成為當(dāng)前泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性研究取得重大突破的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。結(jié)合理論研究成果,為評(píng)價(jià)鉆井液對(duì)泥頁(yè)巖井壁失穩(wěn)的影響,制定出了高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置的研制思路,利用獲取的泥頁(yè)巖的組分和理化性能資料壓制人工井壁,繼而模擬井內(nèi)壓力、溫度和鉆井液的動(dòng)態(tài)循環(huán)狀態(tài),以真實(shí)地形成鉆井液對(duì)井壁的沖刷損害。根據(jù)這一思路和國(guó)內(nèi)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定室內(nèi)評(píng)價(jià)裝置的發(fā)展現(xiàn)狀,利用超聲波成像技術(shù)、水力壓力傳遞與化學(xué)滲透作用機(jī)理,研制了高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置,并制訂了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法,為評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性提供了一種新方法。該評(píng)價(jià)裝置包括人工井壁模擬裝置、高溫高壓三軸壓力室、溫度、壓力和圍壓控制系統(tǒng)、鉆井液動(dòng)態(tài)循環(huán)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn),對(duì)儀器設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化,并且提出了改進(jìn)裝置的意見(jiàn)和深入開(kāi)發(fā)裝置其他功能的實(shí)驗(yàn)思路,包括減小人工井壁厚度、實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的自動(dòng)化、完善軟件的可操作性等方面。增加裝置的單因素實(shí)驗(yàn),通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析井內(nèi)環(huán)境、巖心組成、鉆井液濾液組成、鉆井液返速等因素對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。通過(guò)前期的壓力傳遞實(shí)驗(yàn)證明,水力壓差和鉆井液與地層水之間的化學(xué)勢(shì)差是流體侵入井壁地層的驅(qū)動(dòng)力,要控制泥頁(yè)巖壓力傳遞和阻止鉆井液濾液進(jìn)入晶層,需增加鉆井液的抑制、封堵、成膜等作用,從而達(dá)到保持泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性的目的。這些裝置改進(jìn)意見(jiàn)和擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)思路,使得所研制的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置能夠進(jìn)行有關(guān)井壁穩(wěn)定的多種實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)裝置利用的最大化,也為有針對(duì)性的改善鉆井液性能、提高泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性提供了更多、更有效的依據(jù)。本文還利用線性膨脹法進(jìn)行了新型泥頁(yè)巖水化作用抑制劑的篩選,篩選出了代號(hào)為JHSZ和JHGX的高效抑制劑,通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),確定出了這兩種抑制劑在鉆井液體系中添加的最佳濃度分別為0.5%和3%。應(yīng)用研制出的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置,進(jìn)行人工井壁模擬實(shí)驗(yàn),對(duì)篩選出的抑制劑的抑制效果進(jìn)行評(píng)價(jià),證實(shí)其穩(wěn)定井壁的效果優(yōu)良。利用對(duì)泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)協(xié)同作用研究結(jié)果,對(duì)潿洲11-2油田的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差在工程允許范圍內(nèi),確定出了能夠維持井壁穩(wěn)定的鉆井液“安全”密度窗口,進(jìn)一步證實(shí)了泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)-化學(xué)耦合作用機(jī)理對(duì)穩(wěn)定井壁所起的積極有效的作用。本文的研究結(jié)果不僅能夠?qū)?1-2油田相鄰油田的開(kāi)發(fā)利用提供理論指導(dǎo),所篩選出的新型抑制劑加量少、成本低、性能優(yōu),所研制的高溫高壓泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定評(píng)價(jià)裝置填補(bǔ)了我國(guó)在井壁穩(wěn)定動(dòng)態(tài)模擬研究實(shí)驗(yàn)方法上的空白,并且實(shí)現(xiàn)了裝置功能的最大化,有望得到大面積的推廣和使用,應(yīng)用于更加廣泛的油氣開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。
第1章緒論
1.1研究的目的及意義
我國(guó)煤層氣資源極其豐富，是僅次于俄羅斯和加拿大的第三大儲(chǔ)量國(guó)。根據(jù)最新一次的資源評(píng)估報(bào)告(2006)，我國(guó)埋深2000m之內(nèi)的煤層氣儲(chǔ)量達(dá)到36.81萬(wàn)億立方米，與陸地常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)煤層氣資源的加速幵采，不僅能夠有效緩解我國(guó)對(duì)能源的不斷需求(圖1-1,1-2)，同時(shí)有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，因此，加大煤層氣開(kāi)發(fā)力度是明智而又現(xiàn)實(shí)的選擇。
煤巖是古代地表腐爛植物沉積演化的一種有機(jī)礦物，顯微組分主要由鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組及少量礦物組成，礦物成分主要為粘土。煤巖在煤化過(guò)程中產(chǎn)生大量的割理、微孔隙和微裂縫，根據(jù)成因可分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙12]，這些裂隙的存在使得煤巖產(chǎn)生較強(qiáng)的不連續(xù)性、各向異性及非均質(zhì)性，從而在力學(xué)性質(zhì)上同常規(guī)儲(chǔ)層相比差異較大，通常表現(xiàn)出低彈性模量、易碎、高泊松比、低機(jī)械強(qiáng)度等力學(xué)特點(diǎn)。在鉆井過(guò)程中極易發(fā)生井眼卡鉆、井漏、井壁坊塌等嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問(wèn)題，給煤層氣井造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]，目前我國(guó)煤層氣行業(yè)面臨的最重要的問(wèn)題就是節(jié)約成本，而保證煤巖井壁穩(wěn)定是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。
關(guān)于井壁穩(wěn)定性問(wèn)題的研究，早在9世紀(jì)中期就逐漸幵始。由于泥頁(yè)巖井段井壁失穩(wěn)問(wèn)題占到整個(gè)井壁失穩(wěn)的90%以上[7]，因此專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，經(jīng)歷了從井壁力學(xué)研究、化學(xué)研究，到目前力-化-熱等多場(chǎng)糊合研究。力學(xué)研究主要研究巖石力學(xué)性質(zhì)、井周應(yīng)力分布及強(qiáng)度準(zhǔn)則；化學(xué)方面主要研究泥頁(yè)巖微觀組分、水化作用及抑制水化作用的各種方法。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，在泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定性問(wèn)題上取得了豐碩的成果。然而對(duì)于煤巖的井壁穩(wěn)定性問(wèn)題，由于煤巖本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著近乎于相互垂直的割理面，具有連續(xù)性較差，非均質(zhì)程度高等特點(diǎn)造成了在研究過(guò)程中，原有的基于連續(xù)性介質(zhì)的研究思路和方法并不適合，需要從全新的角度去研究煤巖的井周應(yīng)力分布，修正強(qiáng)度準(zhǔn)則。另外，研究煤巖井壁穩(wěn)定性問(wèn)題，就無(wú)法避免要涉及到煤巖的強(qiáng)度及力學(xué)特性，然而由于煤層氣井在我國(guó)起步較晚，煤巖強(qiáng)度、變形、破壞機(jī)理等力學(xué)性質(zhì)研究較少，無(wú)法獲取準(zhǔn)確的煤巖巖石力學(xué)參數(shù)。同時(shí)在研究煤巖的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，實(shí)驗(yàn)方法盡管同其它巖石類(lèi)似，但區(qū)別在于，對(duì)于砂巖、泥頁(yè)巖、碳酸鹽巖等相對(duì)致密的巖石來(lái)講，巖心的獲取相對(duì)容易，在力學(xué)性質(zhì)上差異性也較小，然而煤巖由于割理發(fā)育，被切割成了若干塊體，獲取完整巖心極其困難，同時(shí)其強(qiáng)度參數(shù)離散性較強(qiáng)，可靠度低，造成煤巖力學(xué)性質(zhì)研究成果較少，在進(jìn)行煤巖井壁穩(wěn)定性數(shù)值計(jì)算及理論研究時(shí)，缺乏科學(xué)性和合理性。
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1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，掃描電鏡系統(tǒng)的普及應(yīng)用，使得研究人員得以從微觀角度準(zhǔn)確觀察煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)；巖石力學(xué)伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以得到煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并進(jìn)而研究圍壓、工作液等對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響；基于非均質(zhì)力學(xué)模型的數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展則為煤巖破壞的更加系統(tǒng)的理論分析提供了重要技術(shù)手段支撐。這些研究成果都為本文的研究奠定了重要基礎(chǔ)。
1.2.1煤巖力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀
1.2.1.1巖石抗壓強(qiáng)度特性
煤巖力學(xué)特性對(duì)煤層氣安全有效幵發(fā)具有較大影響，是煤層氣鉆井及開(kāi)發(fā)過(guò)程中多個(gè)工程環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)所需的重要基礎(chǔ)參數(shù)。近年來(lái)，學(xué)者們圍繞煤巖抗壓強(qiáng)度特性及其影響因素開(kāi)展了一系列的研究工作，取得了不少的研究成果。
王生維等（1996）通過(guò)分析煤巖裂隙、節(jié)理發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)煤巖具有極其明顯的各向異性，加載方向垂直于層理面同平行于層理面時(shí)相比，力學(xué)參數(shù)明顯增大，破壞時(shí)產(chǎn)生明顯的脆性特征，幾乎不存在殘余強(qiáng)度。
楊永杰[11]等（2011）通過(guò)掃描電鏡分析觀察了兩個(gè)不同煤巖的微細(xì)觀損傷變量，發(fā)現(xiàn)原生損傷變量與煤巖宏觀力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，原生損傷變量越小，單軸抗壓強(qiáng)度越大，并且隨著原生損傷變量減小，煤巖破壞方式由塑性向脆性改變。Huk提出損傷參數(shù)為巖心截面實(shí)際面積Aef與表觀面積A的比值：
蔣長(zhǎng)寶[12]等（2011）通過(guò)三軸伺服實(shí)驗(yàn)裝置，研究了含瓦斯煤巖卸圍壓下的破壞形式是以剪切破壞為主的剪張復(fù)合破壞。
朱寶存等（2009）通過(guò)研究煤巖與頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)煤巖及頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)差別較大，通過(guò)取其平均值表明煤巖的抗壓強(qiáng)度與頂?shù)装鍘r石相比大幅降低，彈性模量相比更是相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，而泊松比明顯偏高。同時(shí)發(fā)現(xiàn)煤巖頂?shù)装蹇箟簭?qiáng)度和彈性模量與孔隙度成反比關(guān)系，而煤巖的力學(xué)性質(zhì)與孔隙度間關(guān)系不明顯。
孟召平[14]等（1996）通過(guò)煤巖力學(xué)試驗(yàn)，總結(jié)出煤巖的破壞形式主要包括：?jiǎn)屋S試驗(yàn)條件下主要出現(xiàn)脆性破壞；三軸試驗(yàn)條件下主要呈現(xiàn)塑性破壞；具有明顯節(jié)理、夾層、層理等弱面結(jié)構(gòu)的煤巖主要沿著弱面結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞。
李永明等（2006）研究了加載方式不同對(duì)煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響，指出煤巖力學(xué)性質(zhì)與煤巖結(jié)構(gòu)和加載方式密切相關(guān)，在較高圍壓進(jìn)行加卸載試驗(yàn)時(shí)，抗壓強(qiáng)度基本相同；低圍壓下加載試驗(yàn)破壞的極限強(qiáng)度高于卸載破壞試驗(yàn)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)加載時(shí)多是呈現(xiàn)剪切破壞，卸載時(shí)主要呈現(xiàn)張剪復(fù)合破壞，表明煤巖卸載時(shí)更容易發(fā)生破壞。
劉主琛[I6]等（1998）研究了七種巖石抗壓強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)（包括煤巖），并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了計(jì)算巖石標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。
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第2章煤巖強(qiáng)度特性研究
煤巖物性參數(shù)及力學(xué)性質(zhì)是開(kāi)展煤巖井壁穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。本文共制取24塊煤巖巖心幵展了煤巖強(qiáng)度特性測(cè)試研究（根據(jù)后面煤巖組分分析可分為2組）。既為煤巖力學(xué)性質(zhì)研究提供了直接測(cè)試資料，也為下一步數(shù)值計(jì)算提供了基礎(chǔ)參數(shù)。
2.1煤巖抗壓強(qiáng)度特性研究
2.1.1實(shí)驗(yàn)原理及方法
煤巖抗壓強(qiáng)度特性測(cè)試在西南石油大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室GCTS-1000型高溫高壓巖石力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行。該系統(tǒng)圍壓MOMPa，軸壓1000KN。
GCTS-1000型電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)主要特點(diǎn)：（1）由系統(tǒng)配套的計(jì)算機(jī)全程控制，具有自動(dòng)采集和處理數(shù)據(jù)的能力；（2）具有三個(gè)獨(dú)立的伺服控制系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)圍壓、軸向壓力和孔隙壓力的控制；（3）伺服控制實(shí)驗(yàn)精度高，可以在高溫（15）高壓（MOMPa）環(huán)境下正常工作；（4）可以對(duì)加載速度和加載方式進(jìn)行任意選擇。根據(jù)煤巖特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用了軸向應(yīng)變控制方法完成測(cè)試。
2.1.2煤巖巖心制備
本次試驗(yàn)中煤巖來(lái)自泌水盆地二疊系下統(tǒng)山西組（3"煤層），這個(gè)層位是目前煤層氣勘探開(kāi)發(fā)的主要區(qū)域，該區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，煤層埋深大概400-900m，厚度為5-6m，煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量平均為87. 1%,鏡質(zhì)體發(fā)射率基本分布在2. 63%-3. 69%,煤巖密度1.49g/cm3左右，含氣飽和度較好。由于煤巖微裂隙、層理、節(jié)理極其發(fā)育，微孔隙、微孔洞較多，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性及各向異性，同時(shí)煤巖機(jī)械強(qiáng)度低，易破碎。在進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)前，煤巖取樣十分困難，且受人為干擾影響較大。在取樣制樣過(guò)程中，為盡可能地減少人為干擾的影響，采取以下措施：
(1)在取樣的時(shí)候，大塊煤樣被底座加持固定，避免引起鉆取的時(shí)候晃動(dòng)，手動(dòng)加載時(shí)均勻用力，速度適中。
(2)鉆取巖心時(shí)，利用液氮降溫處理，防ih鉆頭因溫度過(guò)高，造成煤巖性質(zhì)發(fā)生改變，且不可用水。
(3)鉆好的巖心立即包裝好，貼好標(biāo)簽，并且盡快進(jìn)行恐心斷面切割。
(4)加工好的巖心及時(shí)進(jìn)行不同頻率探頭的聲波時(shí)差測(cè)定，并做好共鉆取告心24塊，其中垂直于層理面鉆取8塊，平行于層現(xiàn)面8塊，均質(zhì)較好8塊。
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2.2煤巖抗張強(qiáng)度特性研究
巖石抗張強(qiáng)度也被稱(chēng)為抗拉強(qiáng)度，是巖石在單軸拉力作用下達(dá)到破壞時(shí)的極限強(qiáng)度，數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大拉應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)室獲取抗張強(qiáng)度參數(shù)的方法分為直接法和間接法。直接法由于夾持等問(wèn)題，不便操作，而且容易損傷巖石表面,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定誤差，因此很少采用。單軸抗張?jiān)囼?yàn)實(shí)驗(yàn)室常采用間接方法一巴西試驗(yàn)法來(lái)測(cè)定巖石的抗拉強(qiáng)度。其中計(jì)算表達(dá)式為：
式中：σ1為巖石的抗張強(qiáng)度（MPa);
P——為巖石破裂時(shí)的最大載荷（KN);
d、t 為試樣的直徑和厚度（mm)。
共測(cè)試了8塊煤巖巖心的抗張強(qiáng)度。測(cè)試結(jié)果如表2-3所示。
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第3章煤巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)及對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響研究........................................20
3.1煤巖體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征........................................20
3.1.1掃描電鏡下煤巖體微孔隙類(lèi)型及特征........................................20
3.1.2煤巖微裂隙發(fā)育特征........................................22
3.2煤巖體的原生損傷變量及對(duì)強(qiáng)度的影響........................................25
3.2.1損傷變量........................................25
3.3煤巖體各向異性對(duì)其強(qiáng)度影響........................................28
3.4煤巖體組分對(duì)其力學(xué)性質(zhì)的影響........................................29
3.4.1煤巖有機(jī)組分對(duì)強(qiáng)度的影響........................................29
3.4.2鉆井液對(duì)煤巖強(qiáng)度的影響........................................30
3.5本章小結(jié)........................................32
第4章煤巖井壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究
煤巖井壁穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究是利用數(shù)值模擬軟件通過(guò)建立模型、輸入?yún)?shù)、經(jīng)過(guò)計(jì)算分析井壁是否穩(wěn)定。目前數(shù)值模擬計(jì)算主要是通過(guò)RFPA、ANSYS、FLAC3D、UDEC及3DEC等軟件完成。每個(gè)模擬軟件都有自己的優(yōu)勢(shì)，但煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、割理發(fā)育（如圖4-1所示），造成在以往的數(shù)值模擬研究中沒(méi)有充分考慮影響煤巖井壁穩(wěn)定性的因素，而有的軟件則是本身就不適合研究非均質(zhì)性強(qiáng)的材料[6]。屈平等通過(guò)對(duì)比不同巖石井壁失穩(wěn)機(jī)理發(fā)現(xiàn)：煤巖井壁失穩(wěn)過(guò)程與其它巖石存在明顯區(qū)別，常規(guī)砂巖的失穩(wěn)過(guò)程一般分為（1）應(yīng)力下局部產(chǎn)生微裂紋；（2）裂紋持續(xù)擴(kuò)展；（3）微裂紋相互溝通，產(chǎn)生大裂紋；（4）井壁坊塌。節(jié)理性地層由于己含有微裂紋，第一個(gè)階段并不明顯，失穩(wěn)過(guò)程主要是后三個(gè)環(huán)節(jié)。相對(duì)于前兩種巖石，煤巖由于割理發(fā)育，尤其是面割理平行發(fā)育，連續(xù)性較好，裂紋之間己經(jīng)相互溝通。因此盡管煤巖井壁失穩(wěn)過(guò)程同樣經(jīng)歷四個(gè)階段，但前兩個(gè)階段會(huì)迅速產(chǎn)生，快速過(guò)渡到大裂紋形成和井壁坊塌的階段，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象更快也更明顯。在以往的研究中盡管也采用了諸如虛擬節(jié)理技術(shù)、內(nèi)外建模技術(shù)等方法，但始終未能全面準(zhǔn)確建立煤巖井壁穩(wěn)定性模型，主要面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：
(1)沒(méi)有充分考慮煤巖非均質(zhì)性、各向異性，以及割理面等弱面結(jié)構(gòu)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響。
(2)建模過(guò)程中對(duì)煤巖割理結(jié)構(gòu)建模方式不完全符合實(shí)際情況。
(3)沒(méi)有從孔隙壓力、滲流邊界等流固稱(chēng)合角度研究煤巖并壁穩(wěn)定性。
(4)模型中的力學(xué)參數(shù)及煤巖基礎(chǔ)參數(shù)，大都來(lái)自國(guó)內(nèi)外參考文獻(xiàn)，數(shù)值準(zhǔn)確性有待考量。
鑒于以往研究中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文利用RFPA-Flow滲流版數(shù)值模擬軟件及實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)煤巖力學(xué)參數(shù)、物性參數(shù)研究了煤巖的井壁穩(wěn)定性，主要包括以下研究?jī)?nèi)容：
(1)建立煤巖井眼的非均質(zhì)模型，從實(shí)際情況出發(fā)，充分考慮了微裂隙、割理面等弱面結(jié)構(gòu)的影響；
(2)井眼軌跡對(duì)坊塌、誘導(dǎo)縫形成擴(kuò)展影響；
(3)割理面密度、產(chǎn)狀對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響；
(4)半徑大小、地層孔隙壓力對(duì)井壁穩(wěn)定性影響；
(5)煤巖井壁坊塌及誘導(dǎo)縫形成影響因素分析。
4.1 RFPA軟件分析原理
論文中所使用的RFPA-Flow軟件是基于巖石破壞過(guò)程滲流與應(yīng)力稱(chēng)合分析而開(kāi)發(fā)的，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和損傷介質(zhì)力學(xué)原理，具有應(yīng)力分析、滲流分析、稱(chēng)合分析、破壞分析4個(gè)方面的功能。應(yīng)力分析釆用有限單元法，而破壞分析則根據(jù)修正后的摩爾庫(kù)倉(cāng)準(zhǔn)則，來(lái)檢查材料中是否有破壞單元，對(duì)破壞單元?jiǎng)t采用剛度特性退化（處理分離）和剛度重建（處理接觸）的辦法進(jìn)行處理。RFPA分析系統(tǒng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)，就是將巖石類(lèi)材料的不均勻性參數(shù)引入到計(jì)算單元，假定參數(shù)服從韋伯分布，以概率統(tǒng)計(jì)方法描述其離散性，充分考慮了巖石介質(zhì)的非均質(zhì)特性[62]。
除了巖石材料的非均質(zhì)性特征，如何研究巖石破裂過(guò)程中的應(yīng)力-損傷-滲流等稱(chēng)合特征也是在數(shù)模及數(shù)值方法計(jì)算中所面臨的重要問(wèn)題。巖石的滲流率是巖石中孔隙與裂紋所組成結(jié)構(gòu)體的滲透率。天然狀態(tài)下，可以看做常數(shù)，但在工程進(jìn)行的過(guò)程中，應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，滲透率也會(huì)發(fā)生改變，尤其在巖石破壞的時(shí)候，滲透率的改變勢(shì)必會(huì)影響到應(yīng)力場(chǎng)變化，從而直接影響巖石破壞方式，由此可以看出考慮巖體流固稱(chēng)合作用的應(yīng)力分析及破壞分析具有更普遍的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。RFPA-Flow是在之前RFPA基礎(chǔ)上，為研究巖石破壞過(guò)程中應(yīng)力-滲流耦合分析而開(kāi)發(fā)的，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)α鸭y萌生、擴(kuò)展過(guò)程中滲透率演化規(guī)律進(jìn)行模擬分析。在煤巖井壁穩(wěn)定性研究工程中，充分考慮了煤巖的非均質(zhì)性，同時(shí)考慮流固鍋合作用，可以真實(shí)再現(xiàn)井眼周?chē)鸭y萌生、擴(kuò)展及應(yīng)力遷移、釋放、最終造成煤巖坊塌的全過(guò)程。
4.2煤巖流固鍋合模型
4.2.1煤巖非均質(zhì)性描述
煤巖作為一種天然材料，由于組分、結(jié)構(gòu)及膠結(jié)方式的不同，強(qiáng)度上體現(xiàn)出極強(qiáng)的非均質(zhì)性，從圖4-3可以看出煤巖介質(zhì)構(gòu)成極其復(fù)雜，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性分布，因此煤巖的力學(xué)參數(shù)不可能用同一特征值所描述，但是可以從微細(xì)觀角度對(duì)其力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行離散，用數(shù)學(xué)上統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行不均質(zhì)微觀破壞進(jìn)行描述。weibull在1939年首次提出了用統(tǒng)計(jì)性方法描述非均質(zhì)性的方法，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，weibull建議利用具有門(mén)濫值的釋函數(shù)來(lái)描述這種極值分布，weibull分布對(duì)于研究巖石強(qiáng)度理論及尺寸效應(yīng)起到了重要作用。weibull分布基本思想是：把一個(gè)巖石劃分為若干個(gè)基元體，其力學(xué)性質(zhì)可以用統(tǒng)計(jì)性方法描述�；w相對(duì)于宏觀介質(zhì)相比足夠小，可以忽略不計(jì)。但與微觀尺度相比，要大很多，內(nèi)部包含足夠多的礦物晶體、膠結(jié)晶體及微缺陷，基元力學(xué)性質(zhì)是其內(nèi)部材料的平均值，因此基元體內(nèi)部可以看做是均質(zhì)的。但由于基元體內(nèi)部包含材料的差別，其力學(xué)性質(zhì)（強(qiáng)度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、泊松比）并不一致，有強(qiáng)有弱，這就保證了基元體力學(xué)性質(zhì)的不均質(zhì)性,從而實(shí)現(xiàn)了巖石材料的非均質(zhì)性描述。
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第5章結(jié)論及建議
5.1結(jié)論
本文通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研和室內(nèi)試驗(yàn)，研究了煤巖力學(xué)性質(zhì)和破壞特點(diǎn)，并且從微細(xì)觀組分和原生損傷機(jī)理方面分析了煤巖力學(xué)性質(zhì)的各向異性和非均質(zhì)性，確定了準(zhǔn)確合理的煤巖力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用RFPA-Flow滲流與應(yīng)力耦合作用分析系統(tǒng)建立了煤巖井壁穩(wěn)定的數(shù)值模型，該模型不僅研究了煤巖中割理面等弱面結(jié)構(gòu)對(duì)井壁穩(wěn)定性的影響，而且充分考慮了流體流動(dòng)及地層壓力變化�；谠撃Ｐ头治隽司圮壽E、割理面、井眼半徑、地層孔隙壓力變化對(duì)煤巖井壁穩(wěn)定性的影響。得到主要研究結(jié)果如下：
一、室內(nèi)試驗(yàn)部分
(1)煤巖密度較低，主要分布在1.5g/cm3左右；力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為彈性模量較小，泊松比離散性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度低，破壞方式主要以脆性劈裂破壞為主。
(2)通過(guò)掃描電鏡、CT圖像法觀察到煤巖含有大量的微孔隙、微孔洞等原生損傷結(jié)構(gòu)，微裂紋極其發(fā)育，使得煤巖具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性、各向異性等特征。結(jié)合煤巖力學(xué)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，煤巖原生損傷變量、裂紋發(fā)育方向的不同對(duì)強(qiáng)度和變形影響很大。
(3)常溫常濕條件下，煤巖強(qiáng)度主要同有機(jī)組分類(lèi)型有關(guān)，無(wú)機(jī)組分與煤巖強(qiáng)度之間并不存在明顯的關(guān)系，但煤巖浸泡在不同鉆井液后將會(huì)發(fā)生膨脹作用，同時(shí)造成強(qiáng)度的降低，而且膨脹程度直接受煤巖中粘土礦物含量的影響。
二、數(shù)值模擬部分
(1)相同的地應(yīng)力環(huán)境下，相對(duì)于直井和沿最小水平主應(yīng)力方向鉆的水平井，沿著最大水平主應(yīng)力方向鉆的井眼最容易發(fā)生失穩(wěn)，直井最不容易發(fā)生剪切破壞，坍塌壓力最低。沿著最小水平主應(yīng)力方向鉆的井眼破裂壓力最高，最不容易發(fā)生拉伸破壞。
(2)裂紋擴(kuò)展、延伸與井眼周?chē)罾戆l(fā)育情況密切相關(guān)，裂紋主要沿著連通性較好的面割理方向擴(kuò)展，延伸的過(guò)程中會(huì)逐漸貫通端割理。割理密度越大，井眼周?chē)潭仍礁�，井眼變形越明顯。割理面與水平向角度越大，井眼失穩(wěn)越嚴(yán)重。
(3)井徑越大，穿過(guò)井眼面割理?xiàng)l數(shù)越多，滲流效應(yīng)越明顯，所需維持鉆井液最小液柱壓力也越高。
(4)地層孔隙壓力越高，巖石所受的有效應(yīng)力越小，井眼巖石越容易發(fā)生破裂，井壁穩(wěn)定性變差。
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