冲击钻进后花岗岩井周裂纹分布研究

孙永兴，范黎明

（乐山师范学院 旅游与地理科学学院，四川 乐山 614000）

0 引言

能源是发展国民经济和提高人民生活水平的重要物质基础，传统的化石能源已日益枯竭，并伴有严重的环境污染问题。而清洁可再生、储量巨大、分布广泛的地热资源将成为能源开发新聚集区。太阳能和风能虽属于清洁型可持续利用的能源，受自然条件因素影响较大；地热能是相对比较持续、稳定、清洁、可靠的可再生能源，国内外研究学者也一直致力于研究、开发、利用地热能，以减轻传统的化石能源的依赖[1-3]。地热资源潜力最大的是深部储层中的花岗岩[4-6]，但由于其高密度、低渗透、低孔隙度、高温等特点[7]，在没有辅助技术的情况下难以开发利用。

冲击钻井技术优点是能提高钻速和缩短非生产时间，因而得到了广泛的应用，特别是在坚硬地层中[8-9]，冲击引发的应力波迫使钻头球齿穿透岩石，导致径向裂纹、中位裂纹和侧裂纹等各种类型的裂纹，进而导致球齿下方的岩石被去除[10]。岩石的破碎是通过微裂纹的萌生、生长和聚结，以及单个颗粒与微裂纹表面之间的滑动而发生的[11]。目前，冲击钻井的研究大多集中在如何提高岩石破碎效率上，只有少数学者关注冲击钻井过程中产生的裂缝[12-13]，尤其对于钻孔周围的冲击裂纹的分布研究甚少。而钻孔周围岩石中的裂纹可对划眼、射孔、水力压裂等钻井的后续工作产生积极作用[14-17]。除了众所周知的冲击钻井的优点外，冲击钻井方法还可以在不增加成本的情况下，减少划眼时间、增加射孔深度、促进干热岩储层的水力增产。

本文从实验和数值模拟角度对井周裂纹的分布情况进行了研究，对冲击钻井开发地热能辅助技术的可行性进行了分析研究，旨为深层地热开发提供新的技术支持、数据支持及理论支持。

1 室内实验

1.1 样品制备

本文所采用的样品为花岗岩，长、宽、高分别为300 mm、300 mm、300 mm，力学性能如表1 所示。冲击钻进试验装置如图1 所示，由水箱、柱塞泵、变频系统、钻机、液动锤和花岗岩样品六部分组成，其中钻头直径为95 mm。本实验中冲击钻进的具体参数如表2 所示。与此同时，常规传统钻进方式金刚石回转钻进方式也被应用到样品制备中，与冲击钻进后的样品进行对比。金刚石回转钻进的参数与冲击钻进参数保持一致。

表1 花岗岩样品物理及力学性能

图1 冲击钻进实验装置示意图

表2 冲击钻进参数

1.2 井周裂纹观测

为了更加直观的观测两种不同钻进方式后的花岗岩井周的裂纹分布，采用染色渗透法对花岗岩试样进行处理[17]。用无毒、不溶于水的清洗剂仔细清洗井筒表面的杂质后，将花岗岩放置一段时间进行自然烘干，再用渗透剂对清洗过后的井筒进行均匀染色，确保检测区域被渗透剂完全覆盖，在整个渗透过程中保持整个井筒表面处于润湿状态，渗透时长为2 天。最后，对花岗岩进行切割，观察切割断面上的渗透剂分布，进而确定裂纹的分布情况。

2 实验结果分析

2.1 井周裂纹分布分析

为消除裸眼观测造成的误差，对岩石切割面进行拍摄，并对图像的对比度进行调节，使裂纹观测更加清晰。井围的裂缝分布如图2 所示。染色剂在岩石切割面上的分布可以表征井围裂缝的分布。染色剂颜色越深，裂纹分布越多。裂缝分布具有明显的区域化特征。确定了岩石撞击产生的不同区域，即撞击附近的粉碎区(或破碎区)、致密微破裂的损伤区、长裂缝的区域。根据裂缝的分布密度，将花岗岩井筒周围岩石划分为A、B、C、D 四个区域。A 区为井筒内壁。B 区为高度发育的裂纹区，此区域存在大量的冲击裂缝，裂缝的连接及贯通性极高。C 区为裂缝扩展区域，此区域裂缝较多，但裂缝密度和裂缝连通性均小于B 区。D 区为冲击裂缝影响区，此区域相对而小于B，C 区，但该区域存在明显的冲击裂缝扩展路径。主要是离井筒越远，冲击波的能量就越低。B 区和C 区的冲击波能量较大，导致裂纹密度非常大、井筒周围裂纹的连通性较好。D 区的冲击波能量较弱，不能形成类似于B 区和C 区连通性较好的裂缝；虽然D 区域没有更多的裂缝，但D 区域的裂缝扩展路径有一定的规律可循。在D 区，染色剂的染色路径基本位于石英矿物以外的矿物中。这主要是因为除石英外，钾长石、斜长石、角闪石、黑云母等矿物都具有一定的节理或晶体结构，当冲击波能量不够大时，这些具有一定节理的矿物会优先被破坏。因此，在石英与这些矿物的交界处(晶间裂纹)或在这些矿物的内部(穿晶裂纹)会出现裂缝。相比而言，常规回转钻进对井周岩石造成的裂纹就少之又少了，仅在井壁附近有一些裂纹存在，其他远井筒端几乎看不到裂纹分布。

图2 染色剂在花岗岩样品上的分布:(a)冲击钻进，(b)金刚石回转钻进

图3 显示了花岗岩样品中冲击裂缝的全局分布。各区域与井筒之间的距离如图4 所示。其中B 区、C 区、D 区到井筒的平均距离分别为0～11.5 mm、11.5～27.75 mm、27.75～74 mm。距离井筒最远可达82 毫米。常规回转钻井产生的裂缝区域与井筒壁面的距离仅为12mm。与传统的金刚石旋转钻井相比，冲击钻井对井筒周围岩体的破坏约为金刚石回转钻井的5-7 倍。由于花岗岩岩体的各向异性，导致各区域与井筒的距离不均匀。但各区域与井筒之间的距离波动相对稳定，岩石损伤与裂缝分布基本一致。

图3 花岗岩剖面裂纹全局分布

图4 各裂缝区域与井筒之间距离的堆叠柱状图

3 冲击应力分布的数值模拟

该数值模拟对短期冲击荷载作用下岩体中应力波传播进行了瞬态分析。目的是为了更好的揭示井周裂纹分布规律。花岗岩的几何模型和实验所用花岗岩样品一致，均为块体，如图5 所示。为了减少计算时间，采用1/4 对称体进行计算。其中，底部、左侧和后方的壁面受到固定约束。上表面是自由的，上表面岩石在钻头冲击作用区域以有限持续压力脉冲的形式受到载荷。荷载大小为 P0=1.2×105N,作用时间为t0=3×10-5s。花岗岩模型材料所使用的数据从表1 获取。本数值模拟采用低反射边界条件从邻域获取材料数据，为压力波和剪切波建立一个完美的阻抗匹配[18]，因此有

图5 花岗岩几何模型

其中，n 和t 分别为边界处的单位法向量和切向量。cp表示冲击压力波的速度，cs为横波速度。

数值模拟结果如图6、图7 所示。通过瞬态研究，建立了花岗岩体中应力、位移、弹性应变随时间变化的模型。在冲击过程中，产生的应力波在很短的时间内以近似球面波的形式扩散到花岗岩岩体中，从模拟结果中可以看出，击应力导致岩体表面发生一定程度的变形。在实际冲击过程中，由于上表面存在上覆岩层压力。这部分岩体无法发生较大位移，这样，冲击应力就会导致岩体内部破坏，并产生裂缝。模拟结果表明，随着时间的变化，冲击应力随距离原点的距离而减小，岩体的破坏和变性也表现出一定的区域化规律。模拟结果中应力分布区域、岩体变性区域与实验中裂缝分布区域吻合较好。此外，冲击位置的对角线方向也产生了变形，这与我们实验中观察到的远离井筒的对角线方向存在裂缝的事实相吻合。

图6 应力随时间变化的分布云图

图7 位移和弹性应变张量随时间变化的分布云图

4 结论

a）通过冲击钻进实验，采用染色法观测了井周裂纹的分布。实验结果表明，冲击钻进后井周裂纹分布呈现区域化，各区域裂纹分布密度不同，有高度发育的裂纹区、裂缝扩展区域、冲击裂缝影响区。

b）相比于常规回转钻进，冲击钻进对井筒周围岩体的破坏约为金刚石回转钻进的5-7 倍。

c）通过实验分析与数值模拟研究，对冲击应力、岩体变性等指标进行了对比评价，证明了实验中裂缝分区分布的合理性，为地热开发中划眼、射孔、水力压裂等钻井的后续工作提供了重要的依据。