隨著地質(zhì)鉆井技術(shù)的不斷進(jìn)步，鉆井井深逐步增大。由于井深的不斷增加，在地層壓力梯度及溫度梯度的影響下，使得深井和超深井處于一個(gè)高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境中。然而由于地層溫度梯度及循環(huán)鉆井液兩者的雙重作用下，使得深部地層的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生了一定的變化。
由于溫差的作用，使得井壁及圍巖之間產(chǎn)生了一定的附加熱應(yīng)力，同時(shí)井壁及圍巖的溫度也處于不斷的變化之中，從而使井壁處的巖石易發(fā)生疲勞破壞，使井眼更易發(fā)生剪切或坍塌破壞。井壁的失穩(wěn)不僅會(huì)引起井眼擴(kuò)大、卡鉆、拖延工期等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)䦟?dǎo)致井眼報(bào)廢等事故。這些事故不僅延長了鉆井周期，而且使得鉆井成本也逐漸增加。據(jù)估計(jì)，每年由于井壁失穩(wěn)事故所帶來的損失達(dá)5～6億美元的資金，從而使得井壁穩(wěn)定性問題成為世界的題。在地質(zhì)深井及超深井鉆探過程中，其深部罔巖主要為結(jié)晶巖類地層，為了進(jìn)一步了解溫度對地質(zhì)深井、超深井井壁穩(wěn)定性的相關(guān)影響，本文選取了結(jié)晶巖類中的花崗巖地層作為研究對象，其主要是由于花崗巖的分布范圍較廣，且其巖體規(guī)模較大等特點(diǎn)。
總結(jié)國外的研究可以看出，關(guān)于井壁穩(wěn)定性問題進(jìn)行的研究主要針對的是泥頁巖地層。然而對于深井、超深井的結(jié)晶巖類圍巖地層的井壁穩(wěn)定性還沒有太多的關(guān)注。如Chenevert M E¨通過對泥頁巖水化問題的研究，得出了泥頁巖的水化膨脹壓與內(nèi)水活度的相關(guān)函數(shù)關(guān)系；YewCH，etal_2通過熱擴(kuò)散模型模擬了泥頁巖的吸附水?dāng)U散，同時(shí)將泥頁巖的力學(xué)數(shù)與其總含水量相結(jié)合，從而得到力學(xué)與化學(xué)耦合作用后，柱坐標(biāo)下的應(yīng)力、應(yīng)變及位移等關(guān)結(jié)論；李榮等通過對泥頁巖進(jìn)行的巖石三軸試驗(yàn)，得出了泊松比、內(nèi)聚力等力學(xué)參數(shù)，并通過對泥頁巖井壁的力學(xué)分析，進(jìn)而求出井壁穩(wěn)定時(shí)所需要的鉆井液密度安全窗口；王興隆等通過研究溫度因素對泥頁巖近井地帶孔隙壓力影響的相關(guān)研究，建立了溫度場與地層孔隙壓力耦合的多孔彈性模型，應(yīng)用差分法求解得出冷卻鉆井液更有益于井壁的穩(wěn)定的結(jié)論；王京印通過對泥頁巖力學(xué)一化學(xué)耦合井壁穩(wěn)定性的理論分析和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，研發(fā)了泥頁巖力學(xué)一化學(xué)耦合壓力傳遞實(shí)驗(yàn)儀，該儀器的功能和穩(wěn)定性等方面都已達(dá)到國際水平，同時(shí)開發(fā)了相關(guān)的坍塌壓力數(shù)值模擬軟件。
其次，關(guān)于結(jié)晶巖類地層的研究目前仍處于室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)研究階段，并沒有將巖石力學(xué)試驗(yàn)與井壁穩(wěn)定性相結(jié)合。例如，許錫昌和劉泉聲主要針對花崗巖在單軸壓縮(20～600 oC)狀態(tài)下的主要力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了初步研究，并分別指出花崗巖彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度的門檻溫度值為75、200℃；杜守繼等”針對溫度變化范圍為常溫一8000(=時(shí)，加溫后花崗巖的應(yīng)力一應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量及泊松比的變化情況得出，當(dāng)加熱溫度<400℃時(shí)，高溫后花崗巖巖樣的力學(xué)性能沒有明顯的變化。當(dāng)加熱溫度>400后，隨著加熱溫度的升高，其高溫后的力學(xué)性能迅速劣化，主要表現(xiàn)為巖樣的峰值應(yīng)力、彈性模量急劇降低，而峰值應(yīng)變迅速增長。高溫后的花崗巖泊松比隨著溫度的升高呈遞減趨勢。
為了進(jìn)一步針對地質(zhì)深井、超深井井壁穩(wěn)定性問題進(jìn)行研究，本文主要采用深井、超深井鉆遇的花崗巖地層進(jìn)行相關(guān)的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，并將其得到的研究結(jié)果與井壁穩(wěn)定性的研究相結(jié)合，從而為深井、超深井的井壁穩(wěn)定做出一定的借鑒。由于實(shí)際鉆井過程中，為了達(dá)到攜帶巖屑、冷卻鉆頭等相關(guān)的鉆探目的，鉆井液處于不斷的循環(huán)流動(dòng)中，進(jìn)而使得井壁巖石的溫度處于不斷的變化之中。因此，為了模擬實(shí)際鉆井過程中，由于溫度的變化對地質(zhì)深井、超深井井壁穩(wěn)定性所帶來的影響作用，本文將試驗(yàn)選取的花崗巖巖樣進(jìn)行了相關(guān)的加熱和冷卻。最后，通過利用超聲波儀器實(shí)驗(yàn)和巖石常規(guī)三軸力學(xué)試驗(yàn)得到溫度對花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響，從而進(jìn)一步充分的理解溫度與井壁穩(wěn)定性的相互關(guān)系。
為了將深井、超深井鉆遇的花崗巖地層井壁穩(wěn)定性問題與室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)更充分地結(jié)合起來，本文通過將花崗巖巖樣進(jìn)行了一定的加溫、降溫處理，從而模擬實(shí)際鉆井過程中鉆井液對花崗巖地層的溫度影響。同時(shí)，利用室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)將宏觀的試驗(yàn)現(xiàn)象與井壁的力學(xué)模型和失穩(wěn)現(xiàn)象加以聯(lián)系。
一、試驗(yàn)制作
試樣采自于北京～昌平八達(dá)嶺巖體，呈肉紅色，主要成分為石英、長石、角閃石及少量膠結(jié)物，其密度為2．254 g／er a。。試樣采用直徑為50 m m的巖心。后經(jīng)切割、磨削等工藝，制成為直徑50 m m、長度100 m m的圓柱形花崗巖巖樣。該巖樣經(jīng)檢驗(yàn)符合國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)關(guān)于巖樣高徑比2～2．5倍的要求，其加工精度符合我國《巖石試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(G B50128—94)。
二、加溫設(shè)備及加溫過程
實(shí)驗(yàn)中的加熱儀器選用SX一4—10型箱式電阻爐。該電阻爐的工作溫度為1000 oC，采用K SW一5—12型溫度控制器進(jìn)行控溫，爐膛尺寸為深300m m，寬200 m m，高120 m m。實(shí)驗(yàn)步驟：將巖樣放置于電阻爐的中心部分，分別距爐膛前后壁3 cm左右；將巖樣加熱至設(shè)計(jì)溫度后，保溫2 h，水冷至室溫。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，加熱至300、400℃后的巖樣較原始巖樣顏色偏暗紅色(圖1)，其原因可能是由于巖樣中含有的Fe元素氧化為Fe。
三、試驗(yàn)設(shè)備及方法
巖石的縱波波速測量采用SY C一2型聲波巖石參數(shù)測試儀。該儀器包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、電源凈化器及ST換能器等裝置。
換能器對巖樣進(jìn)行縱波波速測試。該實(shí)驗(yàn)重復(fù)2次，分別測量加溫前后巖樣的縱波波速。采用中國石油大學(xué)(北京)石油與天然氣學(xué)院的TA W一1000型深水孔隙壓力伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對巖石試樣進(jìn)行的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)。其中，變形速度為0.05mnv'min，負(fù)荷移動(dòng)速度為100 N／s。實(shí)驗(yàn)中所使用的軸向和徑向位移傳感器的限值分別為4和2 m m。為了防止液壓油對試驗(yàn)巖樣的浸染，在巖樣外面加裹一層厚度為3mm熱縮管進(jìn)行保護(hù)。通過對常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)中巖樣的軸向和徑向位移做出監(jiān)測，并以此為依據(jù)確定巖石力學(xué)參數(shù)及破壞情況等。試驗(yàn)內(nèi)容：取加熱完成的巖樣20塊，分為5組。每組巖樣分別都進(jìn)行圍壓為5、10、15、20MPa時(shí)的三軸壓縮。http://www.hyh7.cn
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