岩体各向异性和温度对深孔应力解除法测试的影响_秦雨樵.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-27 基金项目 国家科技重大专项 （2016ZX05034） ， 大型油气田及煤层气开发。 第一作者简介 秦雨樵1993-， 男 （汉族） ， 湖北武汉人， 特别研究助理， 现从事地应力测量及工程岩体稳定性分析方面的研究工作。 岩体各向异性和温度对深孔应力解除法测试的影响 秦雨樵*， 汤华， 吴振君 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071 摘要 地应力状态是评价深部岩石工程问题的先决条件， 包括页岩气储层的可采性评价、 深部洞室 和大埋深隧道工程的开挖建设等。作为一种重要的地应力实测方法， 局部壁面应力解除法设备 （BWSRM） 的测试精度和岩体各向异性和温度条件密切相关。基于局部壁面应力解除法的基本原 理， 采用统计抽样以及蒙特卡洛方法考虑岩体各向异性以及应变片温度漂移的不确定性， 通过计算 模型得到地应力分量， 并与预设值进行对比， 评价各因素所产生的不确定性及其对地应力测试结果 的影响。结果表明 当岩体各向异性系数在0.9～1.1范围之内时， 可以视为各向同性体进行计算,否则 应考虑其各向异性特征； 应变片温度漂移造成的应变误差与最终应力计算的误差基本一致。 关键词 地应力测量； 不确定性； 局部壁面应力解除法； 各向异性； 温度 中图分类号 TE14 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0075-04 1概述 地应力状态是评价深部岩石工程问题的先决条 件， 包括页岩气储层的可采性评价、 深部洞室和大埋深 隧道工程的开挖建设等。在页岩气的勘查开发中， 研 究区域内的地应力信息不仅是评价页岩气储层的可采 性的重要指标[1]， 还是确定水平孔方向的决定性参数之 一[2]。一般认为， 较小的水平差应力系数 （DHSR） 以及 与最小主应力方向较一致的水平钻孔布置方向， 能在 水压致裂的过程中形成各个方向延展的网状裂隙， 从 而更易释放出贮藏在页岩孔隙中的页岩气。 目前常用的地应力测试方法包括 ①应力解除 法[3]； ②水压致裂法[4]； ③钻孔崩落法[5]等。其中应力解 除法是一种测量将岩石样本与其围岩分离过程中应变 变化， 从而反算得到远场地应力的方法。应力解除法 的精度主要取决于准确的应力应变关系， 岩体变形 参数的求取以及测量手段三个方面。目前， 针对应力 解除法测试过程中的误差以及不确定分析较为少 见。其中， Herget等[6]提出地应力测试方法的误差普 遍在10～15之间。即使是在深部花岗岩这种完整 性较好的岩层中进行测量， Pine等[7]的结果也表明， 最 大水平主应力的量值误差达到15。可以看出， 这些 研究忽略了岩体本身各向异性以及温度漂移误差对地 应力测试的影响。 葛修润院士在2004年提出了一种新型应力解除方 法局部壁面应力解除法[8]， 以期克服传统应力解除 法受到孔深限制的问题。基于该方法研制出的地应力 测试机器人已经成功在锦屏水电站等大型水电项目进 行了实地测试[9]。在此基础上， 要将局部壁面应力解除 法推广应用于页岩气垂直深部钻孔中， 还需要克服高 温高压等一系列测试难题[10]。本文通过分析深钻孔局 部壁面应力解除法原理以及其应用环境， 分别研究了 岩体各向异性、 应变测量不确定性对地应力计算结果 的影响， 并给出相应的控制指标与方法， 以提高该方法 在深钻孔地应力测试中的精确性， 满足实际工程以及 科学研究要求。 2应力解除法原理简介 2.1传统应力解除法 传统的应力解除法一般在地下巷道、 隧道等具有 较大工作面的场地实施。首先钻一孔径范围在60～ 220mm之间的大孔， 钻孔深度要大于洞室直径的1.5 倍， 以避开开挖扰动区域。如果采用测量岩芯内部变 形的套芯解除装置， 则需要继续在孔底钻一同心先导 孔， 直径一般为 38mm， 先导孔孔深范围为 300～ 500mm。清孔后， 可以将探头通过专门的安装机具推 75 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 送到指定位置， 并固定在先导孔中。如果采用的是门 塞式套管取芯装置， 则直接对大孔孔底进行清孔以及 打磨处理后， 将探头直接粘贴在孔底。再下入大直径 取芯钻头， 对孔底进行环形切割， 形成中空的圆柱体。 在此过程中， 记录岩芯内部或者岩芯顶部 （视采用的方 法不同） 的变形情况。最后取出带有探头的空心圆柱 体， 再送回实验室进行试验， 测量得到变形参数， 即能 反算得到远场地应力分量。 传统应力解除法的主要不足在于需要在孔底进行 套钻取芯作业， 测试深度受到孔深限制， 并且大部分探 头不适用于充满泥浆的环境。此外， 为了保证测试结 果的准确性， 要求完整岩芯的解除长度超过300mm， 不 适用于节理发育、 岩体完整性较差的环境。同时由于 探头通过胶水固定在岩芯的内部或者表面， 不能回收 利用， 成本较高。 2.2深钻孔局部壁面应力解除法 由于页岩气储层的平均埋深较大， 普通的页岩气勘 探或者开发钻孔的孔深一般超过2000m， 这种情况下， 孔内往往存在较大的液柱压力以及较高的温度， 会显著 影响孔壁附近的应力分布规律。同时页岩由于其层理 以及细粒组成， 具有较强的各向异性特征， 一般将其视 为横观各向同性体。根据作者研究成果[10]， 适用于深部 钻孔条件的任意方向应变与远场地应力之间的关系为 εφC1SxC2SyC3SzC4SxyC5SyzC6SzxTp （1） C1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 Eh 2■ ■ ■■ ■ ■ ■■ v2 v Ev - 1 Eh cos2θ cos2φ- vv Ev sin2φ（2） C2 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 Eh -2■ ■ ■■ ■ ■ ■■ v2 v Ev - vh Eh cos2θ cos2φ- vv Ev sin2φ（3） C3- vv Ev cos2φ 1 Ev sin2φ（4） C44■ ■ ■■ ■ ■ ■■ - 1 Eh vv2 Ev sin2θcos2φ（5） C5 1 Gv cosθsin2φ（6） C6- 1 Gv sinθsin2φ（7） 式中εφ孔壁上任意方向的应变； Sx、Sy、Sz、Sxy、Syz、Szx远场地应力； T、p由孔壁温度以及液柱压力引起的应变变化； Eh、 Ev横观各向性面和垂直于该面的弹性模量； vh、 v横观各向同性面和垂直于该面的泊松比； Gv垂直于横观各向同性面的剪切模量。 由于液柱压力不确定性小， 从式 （ 1 ） ～ （ 7 ） 中可以看出， 求解地应力的不确定性主要取决于 ①岩体各向异性程度 （Eh/Ev，Eh/Ev1为各向同性 ） ； ②应变测量中温度的影响。 3应力解除法中的不确定性 3.1岩体各向异性的影响 基于横观各向同性假设， 探究岩体各向异性到何种 程度时会对地应力计算产生较大的影响。首先建立计算 模型， 预设远场地应力分量为Sx60MPa，Sy50MPa， Sz70MPa， 横 观 各 向 同 性 面 上 的 弹 性 模 量Eh为 24910MPa， 泊松比Vh为0.324。垂直于横观各向同性面 的弹性模量Ev为横观各向同性面上的弹性模量Eh大小的 0.5～1.5倍， 带入横观各向同性体模型中计算应测得的应 变[式 （1～7） ]中， 将其结果与预设地应力值进行对比。 图1不同各向异性系数下的地应力计算结果 从图1可以看出， 岩体各向异性对垂直主应力影响 较大， 并呈现出较强的非线性。当Ev小于Eh时， 所计算 得到的垂直应力Sv偏大。若两者偏差达到50时， 结 果的误差超过100。当Ev大于Eh时， 所计算得到的垂 直应力 Sv偏小， 极端条件下地应力的计算误差超过 50。岩体各向异性对水平方向上的主应力影响较 小。如果以地应力误差限为15， 各向异性系数在 0.9～1.3的范围内， 可以视为各向同性体进行计算； 如 果各向异性系数在此范围以外， 必须考虑岩体的各向 异性特征进行计算， 保证地应力测试精度。 3.2应变片温度测量的影响 当钻孔孔壁温度变化时， 应变片中的电阻也会随 之发生变化， 从而产生温度漂移， 使得应变测量失真。 为了消除这一漂移， 可以采用连接温度补偿片进行修 正。但是在深孔测试中， 很难在同一测试点再粘贴温 度补偿片， 所以有必要研究高温条件下应变片的测试 76 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 误差对地应力计算结果的影响。假设应变片由于温度 导致的误差是均布分布的， 范围分为20以及5两 种情况， 分别进行1000次抽样模拟试验， 根据式 （1～ 7） 计算地应力， 统计结果见图2。 图2温度应变误差为20以及5时 地应力计算结果频数分布图 当应变片的温度测量误差达到20时， 最大水平 主应力Sx的误差为16， 最小水平主应力Sy的误差为 18， 垂直主应力Sz的误差为13， 可以发现地应力计 算误差基本与应变片温度测量误差保持一致。当应变 片的温度测量误差降低至5时， 最大水平主应力Sx的 误差仅为3， 最小水平主应力Sy的误差为4， 垂直主 应力Sz的误差为3。基于局部壁面应力解除法研发 出的地应力机器人中， 采用日本共和生产的高温防水 应变片， 在100℃的范围内其受温度影响导致的应变片 系数误差范围为0.80.5, 可认为应变测试结果不 受温度影响。传统地应力测试设备中如果不进行温度 补偿会造成较大的误差。 4讨论 在垂直深钻孔条件下， 要提高地应力测试的精度， 除 了上文提到的采用合适的地应力计算模型以及选用受温 度影响小的高精度应变片以外， 还可以采取以下措施 首先， 可以建立应力大小方向已知的室内测试平 台， 模拟深钻孔测试环境。在此基础上， 通过局部壁面 应力解除对测试设备进行测试、 校正以及标定， 确定测 试设备在不同地质环境下的局限性、 实际情况以及准 确性， 特别是在线弹性体、 粘弹性体或者其他非线性假 设条件下的测试效果。 其次， 在处理试验数据时， 应当通过适当的统计处 理方法， 将预测随机误差之外的异常数据点剔除， 这就 要求整个数据处理是无偏差且一致的。比如在壁面应 力解除过程中， 如果应变片出现部分或者完全脱开岩体 表面、 导线损坏、 敏感性极低或者岩芯断裂的情况， 记录 得到的应变变化曲线就会出现异常或者不规则现象。 这种曲线就能作为之后测试过程中的特征曲线， 来诊断 可能出现的意外情况。同时， 比较同一或者相邻应变花 中不同应变片的应变测量曲线也能确定异常数据。 再次， 对于同一钻孔或者相近区域钻孔， 应当综合 分析多种不同方法的测试结果， 这样才能保证地应力 测量具有一致性。若条件受限， 可以在同一孔或者临 近孔进行重复多次试验， 并交叉比对， 以减少结果的离 散性， 提高测试精度。 最后， 在原理上， 要研究测试数据的离散性与岩体 各向异性、 不均匀性等因素之间的关系， 并结合数值模 拟手段进行分析， 以提高地应力计算结果的准确性。 5结论 为了探究垂直深钻孔中应力解除法测试过程中的 不确定性， 本文从岩体各向异性、 应变片温度漂移二个 方面， 采用统计抽样原理以及蒙特卡洛方法得到了各 因素可能导致的地应力误差范围， 得到如下结论 （1） 从传统应力解除法与局部壁面应力解除法的 原理上来看， 地应力测试精度主要由岩体变形参数以 及应变测量精度确定。 （2） 岩体各向异性对地应力测试的精度影响较大， 当各向异性系数在0.9～1.1范围之内时， 可以视为各向 同性体进行计算； 在此范围之外， 必须采用各向异性模 77 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 型进行计算。 （3） 应变片温度漂移造成的误差与最终计算得到的 地应力误差基本一致， 建议选用受温度影响较小的较高 等级的高温应变片， 以保证地应力测试结果准确性。 （4） 讨论了垂直深钻孔条件下提高地应力测试精 度的几种措施。 参考文献 [1]GRAY D, ANDERSON P, LOGEL J, et al. 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[10]秦雨樵, 汤华, 吴振君, 等. 基于钻孔局部壁面应力解除法 的深部页岩三维地应力计算方法 [J]. 岩石力学与工程学 报, 2018, 376. （上接第74页） 案例3 C20-59X井水力振荡器入井39.5h之后， 泵压突然下降2.6MPa， 定向井仪器信号正常， 定向效 果瞬间变差， 起钻检查钻具后， 发现水力振荡器定阀盘 碎裂， 无法产生压力脉冲， 导至泵压瞬间下降， 最终导 致定向无效果。 案例4 Z55-10H井水力振荡器入井76.8h之后， 泵压突然升高2MPa， 定向井仪器信号先变差， 后消失， 定向效果正常。起钻检查后， 发现定子顶端局部出现 脱胶， 最终卡在定向井仪器顶端的蘑菇头处， 造成泵压 突然升高。并且由于定子橡胶是局部脱落， 水力振荡 器工作仍能正常工作， 所以定向效果正常。 4结论及建议 （1） 水力振荡器是缓解定向托压最有效的技术之 一， 主要是依靠自身产生的蠕动， 使钻柱与井壁间的静 摩阻变为动摩阻， 提高滑动钻进钻压传递效率， 进而提 高机械钻速。 （2） 水力振荡器芯轴锈蚀、 转子损坏、 盘阀碎裂和 定子脱胶多为人为因素导致， 碟簧碎裂或变形、 密封失 效多为超过极限寿命。 （3） 泵压、 定向井仪器信号和定向效果是水力振荡 器井下工作最直接的判断方法， 需要综合三方面的参 数变化判断工具失效位置。 参考文献 [1]石崇东， 党克军， 等.水力振荡器在苏36～8～18H井的应用[J]. 石油机械， 2012,40 （3） 35-38. [2]李博.水力振荡器的研制与现场试验[J].石油钻探技术， 2014， 42 （1） 111-113. [3]易先中， 宋顺平， 王立宏.复杂结构井中钻柱托压效应的研 究进展[J].石油机械， 2013， 32 （5） 100-105,110. [4]刘华洁， 高文金， 等.一种能有效提高机械钻速的水力振荡 器[J].石油机械， 2013,41 （7） 46-48. [5]胥豪， 牛洪波， 等.水力振荡器在新场气田新沙21～28H井的 应用[J].天然气工业， 2013,33 （3） 64-67. [6]许京国， 尤军， 陶瑞东， 等.自激振荡式冲击钻井工具在大港 油田的应用[J].石油钻探技术， 2013,41 （4） 116-119. 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