深钻孔地应力测试设备封隔对孔周应力场影响研究_吴振君.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-22 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 吴振君 （1977-） ， 男 （汉族） ， 黑龙江克山人， 副研究员， 现从事岩土力学研究工作。 深钻孔地应力测试设备封隔对孔周应力场影响研究 吴振君*1， 袁晖 1， 秦雨樵1， 2， 汤 华 1 1. 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； 2. 中国科学院大学， 北京 100000 摘要 地应力作为页岩气运移、 聚集的动力， 地应力实测对我国页岩气开采有十分重要的现实意义 和经济意义。深钻孔地应力测试设备通过上下封隔器对设备进行封隔定位并排空封隔段环空泥 浆。通过数值模拟手段研究了1000m深钻孔和一般的页岩强度条件下， 封隔压力和封隔段长度对钻 孔周围地应力场的具体影响， 结果表明 不同的封隔压力和封隔段长度条件下， 封隔后孔壁环向应力 增大3～25、 径向应力减小36～100， 对孔壁稳定不利， 但孔壁岩石不会发生剪切、 拉破坏或压破 坏， 满足地应力测试需要； 封隔段附近围岩应力场发生明显偏转， 应力偏转的长度范围两侧合计 280～300mm， 设计的应力解除段在封隔后应力场未发生偏转， 进行地应力测试是可行的， 不会对地应 力测试结果造成影响。 关键词 深钻孔； 地应力； 页岩； 测试设备； 封隔器； 数值模拟 中图分类号 O319.56 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0046-03 1概述 我国页岩气储量丰富， 据2012年的统计结果， 可采 资源超过251012m3， 位居世界第一[1]。地应力作为页岩 气运移、 聚集的动力， 影响和控制着页岩气开发过程中 气、 水的动态变化， 地应力测量结果可为页岩气开发方 案提供基础依据。地应力的实测对我国页岩气开采有 十分重要的现实意义和经济意义。 目前页岩气勘探开采通常通过测井方法来间接判 断地应力方向， 但无法获取地应力量值， 地应力测试结 果准确性不高[2]。岩石力学研究中常用的地应力测量 方法很难直接用于深钻孔条件[3]。钻孔局部壁面应力 解除法 （Borehole wall stress relief ， BWSRM） 是 葛修润提出的一种地应力测试新方法， 通过在钻孔侧 壁钻取小孔进行应力解除并通过自动化测试手段进行 孔壁应变测试， 适用于深钻孔条件[3-4]。BWSRM深钻 孔地应力测试设备通过上下封隔器对设备进行封隔定 位， 由于封隔器的封隔压力会对钻孔周围一定范围内 的地应力场产生影响， 为评估封隔段长度和封隔压力 对孔周应力场的具体影响， 本文通过数值模拟手段对 其进行了研究， 以便为BWSRM深钻孔地应力测试设 备设计提供依据。 2BWSRM地应力测试设备 BWSRM地应力测试设备由上设备仓、 上封隔器、 主工作部、 下封隔器、 下设备仓组成， 详细的设计方案 已经另文报道， 本文仅作简要叙述。地应力测试设备 主工作部通过应力解除机构 （长度250mm） 在钻孔侧壁 钻取一个孔径28mm、 深度40～50mm的小孔， 实现小 孔岩芯应力解除， 通过测量岩芯表面三个不同方向的应 变， 根据BWSRM原理可计算得到岩石三维地应力[3]。 其中上、 下封隔器采用膨胀式封隔器设计， 封隔器长度 均为1m， 选定测试孔段后， 通过封隔器膨胀实现地应 力测试主工作部的定位功能， 并排空封隔段环空泥浆， 为地应力测试提供干燥环境。由于封隔器封隔后， 封 隔压力会对孔周一定范围的地应力场产生影响， 为避 免封隔压力造成的应力重分布对孔壁稳定和地应力测 试结果解析的不利影响， 所选择的应力解除孔段必须 避开其影响范围， 根据深孔地应力环境和页岩的强度 参数， 采用数值模拟手段可有效评估其影响。 3深部地应力条件和页岩强度参数 以1000m埋深页岩钻孔为例， 根据大量的深部地 46 2020年第12期西部探矿工程 应力统计数据[4]， 可知随着埋深增加， 水平向地应力和 垂直向地应力比值逐渐减少， 并趋向于1。新汶矿区 1000m埋深地应力统计结果表明[5] 1000m埋深处水平 和垂直地应力接近1 ∶1， 垂直向地应力和岩体自重相 当， 水平向地应力略大。 埋深2000多米的页岩强度试验结果表明[6] 页岩 基质体抗压强度为118MPa， 内聚力为28.54MPa， 内摩 擦角为35.67o， 层理的内聚力为8.98MPa， 内摩擦角为 33.86o， 抗拉强度为0.3～2MPa。重庆彭水页岩气区块 储层自然延伸的炭质页岩试验结果表明[7] 黑深黑色 炭质页岩的强度参数为 内聚力8.98～17.32MPa， 内摩 擦角33.8o～36.2o。下寒武统牛蹄塘组黑色页岩试验结 果表明[8] 不同层理角度的黑色页岩单轴抗压强度范围 为 107～164MPa， 其抗压强度随围压增加， 最大达 230MPa， 表现出各向异性。工程地质手册 中关于页 岩强度的试验数据如下[9] 炭质页岩抗压强度为25～ 80MPa， 抗拉强度 1.8～5.6MPa； 黑页岩抗压强度为 66～130MPa， 抗拉强度4.7～9.1MPa； 砂质页岩、 云母 页岩抗压强度为60～120MPa， 抗拉强度4.3～8.6MPa； 页 岩 的 抗 压 强 度 为 20～40MPa， 抗 拉 强 度 1.4～ 2.8MPa。此外， 随着地温升高， 岩石强度也会下降， 根 据大量试验结果， 对于页岩来说， 100oC条件下页岩强 度和20oC下的强度相差不大。 综合以上深部岩石地应力测试数据和页岩强度试 验数据， 取1000m埋深的页岩地应力为25MPa， 水平和 垂直地应力为1 ∶ 1， 页岩的强度参数为 内聚力15MPa， 内摩擦角35o， 抗拉强度1MPa， 抗压强度100MPa。 4深钻孔地应力测试设备封隔对孔周应力场影响的 数值模拟 建立深部页岩钻孔的轴对称数值模型， 钻孔直径 取130mm、 为消除边界影响， 模型计算范围取19倍钻 孔半径， 建立的数值计算模型见图1。根据页岩钻孔的 实际条件， 孔壁的泥浆压力取14MPa， 考虑几种不同的 封隔器膨胀压力 15MPa、 18MPa、 20MPa、 25MPa， 考 虑两个不同的封隔段长度 1.3m、 0.3m， 研究封隔压力 和封隔段长度对钻孔周围应力场的影响。 数值模型中页岩采用理想弹塑性模型、 摩尔库 伦强度准则、 非关联流动准则， 根据文献中的不同层理 方向的页岩试验结果， 不考虑强度各向异性， 这是偏于 安全的。 数值模拟结果表明 当封隔段长度为0.3m时， 封 隔器膨胀后， 排走封隔段泥浆， 孔壁附近围岩环向应力 增大9～25， 径向应力减小36～100， 孔壁处最大 环向应力50MPa， 最小径向应力0MPa； 当封隔段长度 为1.3m时， 封隔器膨胀后， 排走封隔段泥浆， 孔壁附近 围岩环向应力增大3～22 （图2） ， 径向应力减少39～ 100 （图3） ， 孔壁处最大环向应力50MPa， 最小径向应 力0MPa。这表明， 围岩应力状态摩尔圆向强度包络线 方向移动， 对孔壁稳定不利。在一般的页岩强度条件 下， 应力条件最不利的孔壁在不同封隔长度条件下 （0.3m和1.3m） 和不同封隔压力下均无剪切破坏或拉 破坏， 孔壁最大环向应力为50MPa， 小于一般页岩的抗 压强度， 不会发生压破坏， 不同的封隔压力也不足以令 围岩产生拉应力， 不会发生拉破坏。因此， 选择整体性 较好的页岩段进行地应力测试， 封隔排水后孔壁能够 保持稳定， 满足地应力测试需要。 在不同的封隔压力条件下， 封隔段附近围岩应力 场发生明显偏转， 随着封隔压力增大， 应力偏转范围略 有增大， 应力偏转的长度范围为两侧影响范围合计 280～300mm， 其中封隔段内部的影响范围为 140～ 150mm。设计的应力解除机构位于封隔段中部， 为确 保应力解除部位在围岩应力偏转影响范围之外， 最小 封隔段长度应为300mm （封隔段上部和下部的应力偏 转段长度） 250mm （应力解除机构长度） 550mm。目 前设计的封隔段长度为800mm， 应力解除段在封隔排 空泥浆后孔周应力场未发生偏转， 进行地应力测试是 可行的， 不会对地应力测试结果造成影响。 5结论 BWSRM深钻孔地应力测试设备通过上下封隔器 对设备进行封隔定位， 排空封隔段泥浆， 为地应力测试 提供干燥环境。通过数值模拟研究了1000m埋深和一 图1深部页岩钻孔数值计算模型 47 2020年第12期西部探矿工程 般页岩强度条件下， 地应力测试设备封隔对孔周应力 场的影响。结果表明 孔壁在不同封隔段长度和不同 封隔压力下， 环向应力增大3～25、 径向应力减小 36～100， 但无剪切破坏、 拉破坏或压破坏， 封隔排 空泥浆后孔壁可保持稳定， 满足地应力测试需要； 封隔 段附近孔周应力场发生明显偏转， 应力偏转段长度范 围两侧合计280～300mm， 设计封隔段长度为800mm， 应力解除部位在封隔排空泥浆后孔周应力场未发生偏 转， 进行地应力测试是可行的， 不会对地应力测试结果 造成影响。 参考文献 [1]肖钢， 唐颖.页岩气及其勘探开发[M].高等教育出版社， 2012. [2]闫萍.利用测井资料计算地应力及其在山前构造带的应用 研究[D].中国石油大学， 2007. [3]葛修润， 侯明勋.一种测定深部岩体地应力的新方法钻 孔局部壁面应力全解除法[J].岩石力学与工程学报， 2004， 23 （23） 3923-3927. [4]赵德安， 陈志敏， 蔡小林， 李双洋.中国地应力场分布规律统 计分析[J].岩石力学与工程学报， 2007 （6） 1265-1271. [5]康红普， 林健， 张晓.深部矿井地应力测量方法研究与应用 [J].岩石力学与工程学报， 2007 （5） 929-933. [6]汪虎， 郭印同， 张萍， 王磊， 侯振坤.四川盆地焦石坝区块深 部页岩力学特性试验研究[J].工程地质学报， 2016， 24 （5） 871-880. [7]衡帅， 杨春和， 曾义金， 张保平， 郭印同， 王磊， 魏元龙.基于 直剪试验的页岩强度各向异性研究[J].岩石力学与工程学 报， 2014， 33 （5） 874-883. [8]陈天宇， 冯夏庭， 张希巍， 曹卫东， 付长剑.黑色页岩力学特 性及各向异性特性试验研究[J].岩石力学与工程学报， 2014， 33 （9） 1772-1779. [9] 工程地质手册 编委会.工程地质手册[M].中国建筑工业出 版社， 2018. 图2封隔对孔周环向应力影响 （封隔段长度1.3m） 图3封隔对钻周径向应力影响 （封隔段长度1.3m） 48