不同岩性的岩石特性研究

佟蔓蔓

【摘 要】 清楚了解和掌握不同岩性岩石在高温高压条件下变形特征和破坏形式，对于深井超深井中改善井壁稳定和储层改造具有重要意义。本文从研究高温高压条件下岩石力学性质入手，充分调研国内外高温高压岩石特性研究状况，讨论了高温高压条件对深井超深井开采过程的影响。

【关键词】 岩石力学 高温高压 围压 抗压强度

在深井超深井中，随着钻井深度的不断增加，井下地质情况会逐渐复杂化，例如高温高压、构造复杂、地层难钻、互层压力系统以及井壁不稳定等给深井超深井钻井带来很高的难度。从而导致出现井下事故频繁、建井周期长、费用高等不利特点。因此，深井超深井的一些关键技术难题急需研究解决，其中主要包括：井壁稳定技术、控制井斜技术以及高效破岩技术。

1 深井超深井主流技术分析及优化

1.1 井壁稳定技术

防塌、防卡和防缩径是钻井安全保障技术中的关键，主要解决钻井过程中的井塌、卡钻和井漏等技术难题，其中包括钻遇地层的孔隙、破裂和坍塌压力的预测，井身结构优化技术和钻井液的化学稳定技术。而在深井超深井钻井过程中重点需要解决的难题主要是：软泥岩的缩径问题；高温高压地层的井眼稳定；较大范围的泥页岩的井壁坍塌问题。

在井壁稳定技术中，作为该技术的关键基础工作，井壁围岩的应力分析是确定地层破裂压力、优选钻井液以及保证井壁稳定的前提条件。

1.2 控制井斜技术

控制井斜技术主要包括对地层岩石各向异性的分析、底部钻具组合的分析技术、合理控制钻压等。而在深井超深井钻井过程中，重点需要解决的问题是：深部复杂构造等易斜地层的防斜快打技术；深层硬地层的井眼控制技术。

在控制井斜技术中，地层岩石的各向异性分析以及地层自然构造的评估是该项技术的关键。

1.3 高效破岩技术

在石油的勘探开发过程中，尽早发现油气资源，加快油气资源的勘探，提高钻井速度一直是市场环境的主要要求。在高效破岩技术中，虽然地层岩性是不确定因素，但是通过实验研究，我们必须掌握其变化规律，并且要合理地利用这种变化规律，充分研究深井超深井中所钻遇地层的可钻性，实现高效破岩，提高钻井质量。

深井超深井钻井关键技术的发展和突破在很大程度上取决于深部岩石特性的研究水平。弄清楚深部地层岩石的强度、变形破坏特征、可钻性以及硬度等的变化规律，将对提高深井超深井的机械钻速、降低钻井成本和提高钻井水平具有十分重要的意义。因此，深部地层高温高压条件下岩石特性的研究是整个石油行业发展的重要内容。

2 高温高压条件下的岩石力学特性的实验研究

实验装置是由美国GCTS公司生产的一套岩石地应力综合测试系统，该测试系统能够模拟地层在高温高压条件下测试岩芯的位移、声发射、声波传播速率和渗透率参数并进行分析；能够进行差应变测试和分析；能够进行热传导测试。

实验准备包括：

2.1 岩样的制备

对岩心轴向钻取直径为25mm的圆柱形岩样，并且使岩样的长径比保持为2：1～2.5：1，为了消除端部效应。我们要求将岩样的周边加工光滑。圆柱表面必须具有较高的光滑度，消除岩样表面的剥落和凹凸不平之处。实验过程中将底座从压力室中拉出，接着将岩石和上压头放置到位，保持下压头、岩样以及上压头均处于垂直于底座，将准备好的适当长度的热缩管套上并且用热吹风加热热缩管使其收缩将岩样充分密封以免实验过程中岩样受到液压油的损害。通过上下压头上的小孔可以注入孔隙流体和进行孔隙压力控制。压头也有嵌入声波发射装置的，可以在测试的同时进行纵、横声波速度的测定。

2.2 实验操作步骤

（1）接通液压站电源；（2）通用数字信号调节控制器CSON开机，同时电脑开机进入Windows操作系统，但不运行CATS软件；等SCON开机并自检完成后，运行CATS软件；（3）启动液压站；（4）提升压力室、装样并密封压力室；（5）传感器清零；（6）开启轴压作动器；（7）接触试样；（8）压力室注油；（9）温度控制；（10）开启围压作动器；（11）启动孔压作动器；（12）设置实验步骤、执行测试；（13）结束测试。

2.3 实验的基本方法

单轴压缩实验：这类实验是在不施加围压和孔隙压力的情况下直接对岩样在其轴向上施加轴向载荷所进行的实验，实验时，岩样只在一个方向上受力，即为单向应力状态，并假定作用在岩样上的压应力均匀分布，以应力或应变速率作为控制反馈信号加载直到岩样破坏。实验测得的结果主要包括应力和应变曲线以及岩样的抗压强度。

静水加压实验：给岩样施加三个方向相同的压力，加载过程中采用应力速率作为反馈控制信号。在该应力状况下岩样受压缩。该实验结合岩样孔隙压力加载实验可以求取岩石的颗粒压缩系数、孔隙弹性系数和体积压缩系数等。

三轴压缩实验：该实验可以模拟地层条件进行水平应力、孔隙压力和温度的测试。

实验数据的处理方法：根据计算机记录的数据最终经过回归处理，从而绘制出各岩样的应力-应变曲线。

本文所进行的室内实验主要研究深井超深井中高温高压条件下各种岩石的强度、变形破坏特征以及硬度等的变化规律。高温高压岩石特性实验主要是针对砂岩。

经过对高温高压条件下的岩石力学特性参数进行相应的室内实验研究，根据实验结果说明：岩石的力学特性参数与岩石所处环境的围压条件有着密切的关系，并且经过对实验数据的回归分析得到了温度和围压对岩石力学性质的影响规律。

3 结语

在深井超深井钻进过程中，井下地质情况会逐渐复杂化，例如高温高压、构造复杂、地层难钻、互层压力系统以及井壁不稳定等给深井超深井钻井带来很高的难度。从而导致出现井下事故频繁、建井周期长、费用高等不利特点。明确掌握不同岩石在高温高压环境中的力学特性参数的变化规律，对于解决井壁稳定、控制井斜等一系列技术性难题显得极为重要。

参考文献：

[1]金振民.我国高温高压实验研究进展和展望[J].地球物理学报，1997，40（1）：71-77.

[2]王绳祖.高温高压岩石力学—历史，现状，展望[J].地球物理学进展，1995，10（4）：1-31.endprint