泥頁巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)協(xié)同作用研究與應(yīng)用
【摘要】 井壁失穩(wěn)問題,從廣義上講不僅包括脆性泥頁巖井壁的坍塌剝落、塑性泥頁巖井壁的縮徑和粘彈塑性變形,還包括地層在鉆井液壓力作用下的水壓破裂以及鉆完井過程中,經(jīng)常出現(xiàn)的井壁坍塌、地層破裂、擴徑縮徑等工況。井壁失穩(wěn)問題是世界各大油氣田長期勘探開發(fā)過程中,最常遇到的井下復(fù)雜情況之一,其嚴(yán)重影響油氣勘探開發(fā)的進程,甚至?xí)䦟ΜF(xiàn)場施工人員造成人身傷害。根據(jù)統(tǒng)計資料顯示,全世界的石油鉆采公司,每年僅用于保護井壁穩(wěn)定性的費用就多達10億美元,并且對井壁穩(wěn)定性問題的處理,使總體的鉆井時間增加了5%-6%之多。由于在所鉆遇的地層中,近75%為泥頁巖,且由泥頁巖引起的井壁失穩(wěn)現(xiàn)象高達90%以上,因此,目前國內(nèi)外針對井壁穩(wěn)定性問題的研究均圍繞泥頁巖井壁穩(wěn)定展開,所取得的成果不僅能夠加快鉆井速度同時實現(xiàn)低成本鉆井,還能夠提高我國鉆井技術(shù)在世界上的核心競爭力。本文從根本上分析了發(fā)生井壁失穩(wěn)現(xiàn)象的原因,包括力學(xué)作用和鉆井液物理-化學(xué)作用兩個方面,這兩方面作用是相互影響、相互制約、密不可分的。通過前人的實踐證實,僅從力學(xué)作用或鉆井液物理化學(xué)作用的單一方面井壁失穩(wěn)問題進行研究是行不通的,必須綜合考慮這兩方面因素的影響,才能有效的解決井壁失穩(wěn)問題。因此,這也是今后泥頁巖井壁穩(wěn)定問題研究的發(fā)展方向。泥頁巖中的主要成分粘土礦物的特性是對泥頁巖性質(zhì)起決定性作用的因素,因此本文對粘土礦物特性進行了深入的研究,總結(jié)出與井壁穩(wěn)定聯(lián)系緊密的幾種特性對井壁穩(wěn)定的影響規(guī)律,包括比表面積、陽離子交換量、水化作用、孔隙水活度等。并且根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,在大量總結(jié)前人的研究進展和充分吸收前人研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合對泥頁巖本身的組分特征和理化性能的研究,對原地應(yīng)力狀態(tài)、地層孔隙壓力、地質(zhì)構(gòu)造特征等巖石所固有性質(zhì)和參數(shù)進行了測定方法和計算方法的總結(jié)、推導(dǎo)；綜合研究鉆井液的性質(zhì)與組成,以及其對井壁應(yīng)力分布狀態(tài)的影響,主要是對p塌的影響；進行了井壁穩(wěn)定性的巖石力學(xué)和鉆井液物理化學(xué)協(xié)同作用機理的研究。在搞清楚了泥頁巖井壁失穩(wěn)的根本原因以及基本建立起來了泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究理論體系的基礎(chǔ)上,總結(jié)了現(xiàn)有井壁穩(wěn)定性研究實驗方法以及這些方法的優(yōu)缺點。由于造成井壁失穩(wěn)的原因的復(fù)雜性,導(dǎo)致理論計算結(jié)果與工程實際有一定的誤差,目前仍然沒有一種裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的觀測到鉆井液對井壁作動態(tài)過程的目的,因此迫切需要一種能夠幫助研究人員實時、動態(tài)的了解井壁失穩(wěn)過程的裝置,這已經(jīng)成為當(dāng)前泥頁巖井壁穩(wěn)定性研究取得重大突破的關(guān)鍵節(jié)點。結(jié)合理論研究成果,為評價鉆井液對泥頁巖井壁失穩(wěn)的影響,制定出了高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價裝置的研制思路,利用獲取的泥頁巖的組分和理化性能資料壓制人工井壁,繼而模擬井內(nèi)壓力、溫度和鉆井液的動態(tài)循環(huán)狀態(tài),以真實地形成鉆井液對井壁的沖刷損害。根據(jù)這一思路和國內(nèi)泥頁巖井壁穩(wěn)定室內(nèi)評價裝置的發(fā)展現(xiàn)狀,利用超聲波成像技術(shù)、水力壓力傳遞與化學(xué)滲透作用機理,研制了高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價裝置,并制訂了相應(yīng)的評價方法,為評價泥頁巖井壁穩(wěn)定性提供了一種新方法。該評價裝置包括人工井壁模擬裝置、高溫高壓三軸壓力室、溫度、壓力和圍壓控制系統(tǒng)、鉆井液動態(tài)循環(huán)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。通過實驗,對儀器設(shè)計和實驗方法進行了優(yōu)化,并且提出了改進裝置的意見和深入開發(fā)裝置其他功能的實驗思路,包括減小人工井壁厚度、實現(xiàn)超聲波測距的自動化、完善軟件的可操作性等方面。增加裝置的單因素實驗,通過實驗結(jié)果分析井內(nèi)環(huán)境、巖心組成、鉆井液濾液組成、鉆井液返速等因素對井壁穩(wěn)定性的影響。通過前期的壓力傳遞實驗證明,水力壓差和鉆井液與地層水之間的化學(xué)勢差是流體侵入井壁地層的驅(qū)動力,要控制泥頁巖壓力傳遞和阻止鉆井液濾液進入晶層,需增加鉆井液的抑制、封堵、成膜等作用,從而達到保持泥頁巖井壁穩(wěn)定性的目的。這些裝置改進意見和擴展實驗思路,使得所研制的高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價裝置能夠進行有關(guān)井壁穩(wěn)定的多種實驗,實現(xiàn)裝置利用的最大化,也為有針對性的改善鉆井液性能、提高泥頁巖井壁穩(wěn)定性提供了更多、更有效的依據(jù)。本文還利用線性膨脹法進行了新型泥頁巖水化作用抑制劑的篩選,篩選出了代號為JHSZ和JHGX的高效抑制劑,通過進一步實驗,確定出了這兩種抑制劑在鉆井液體系中添加的最佳濃度分別為0.5%和3%。應(yīng)用研制出的高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價裝置,進行人工井壁模擬實驗,對篩選出的抑制劑的抑制效果進行評價,證實其穩(wěn)定井壁的效果優(yōu)良。利用對泥頁巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)與化學(xué)協(xié)同作用研究結(jié)果,對潿洲11-2油田的井壁穩(wěn)定性問題進行分析計算,計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的誤差在工程允許范圍內(nèi),確定出了能夠維持井壁穩(wěn)定的鉆井液“安全”密度窗口,進一步證實了泥頁巖井壁穩(wěn)定的力學(xué)-化學(xué)耦合作用機理對穩(wěn)定井壁所起的積極有效的作用。本文的研究結(jié)果不僅能夠?qū)?1-2油田相鄰油田的開發(fā)利用提供理論指導(dǎo),所篩選出的新型抑制劑加量少、成本低、性能優(yōu),所研制的高溫高壓泥頁巖井壁穩(wěn)定評價裝置填補了我國在井壁穩(wěn)定動態(tài)模擬研究實驗方法上的空白,并且實現(xiàn)了裝置功能的最大化,有望得到大面積的推廣和使用,應(yīng)用于更加廣泛的油氣開發(fā)領(lǐng)域。
第1章緒論
1.1研究的目的及意義
我國煤層氣資源極其豐富，是僅次于俄羅斯和加拿大的第三大儲量國。根據(jù)最新一次的資源評估報告(2006)，我國埋深2000m之內(nèi)的煤層氣儲量達到36.81萬億立方米，與陸地常規(guī)天然氣資源量相當(dāng)煤層氣資源的加速幵采，不僅能夠有效緩解我國對能源的不斷需求(圖1-1,1-2)，同時有助于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，因此，加大煤層氣開發(fā)力度是明智而又現(xiàn)實的選擇。
煤巖是古代地表腐爛植物沉積演化的一種有機礦物，顯微組分主要由鏡質(zhì)組、絲質(zhì)組及少量礦物組成，礦物成分主要為粘土。煤巖在煤化過程中產(chǎn)生大量的割理、微孔隙和微裂縫，根據(jù)成因可分為內(nèi)生裂隙和外生裂隙12]，這些裂隙的存在使得煤巖產(chǎn)生較強的不連續(xù)性、各向異性及非均質(zhì)性，從而在力學(xué)性質(zhì)上同常規(guī)儲層相比差異較大，通常表現(xiàn)出低彈性模量、易碎、高泊松比、低機械強度等力學(xué)特點。在鉆井過程中極易發(fā)生井眼卡鉆、井漏、井壁坊塌等嚴(yán)重的井壁失穩(wěn)問題，給煤層氣井造成巨大的經(jīng)濟損失[4-6]，目前我國煤層氣行業(yè)面臨的最重要的問題就是節(jié)約成本，而保證煤巖井壁穩(wěn)定是解決問題的關(guān)鍵。
關(guān)于井壁穩(wěn)定性問題的研究，早在9世紀(jì)中期就逐漸幵始。由于泥頁巖井段井壁失穩(wěn)問題占到整個井壁失穩(wěn)的90%以上[7]，因此專家學(xué)者進行了大量的研究，經(jīng)歷了從井壁力學(xué)研究、化學(xué)研究，到目前力-化-熱等多場糊合研究。力學(xué)研究主要研究巖石力學(xué)性質(zhì)、井周應(yīng)力分布及強度準(zhǔn)則；化學(xué)方面主要研究泥頁巖微觀組分、水化作用及抑制水化作用的各種方法。經(jīng)過幾十年的研究，在泥頁巖井壁穩(wěn)定性問題上取得了豐碩的成果。然而對于煤巖的井壁穩(wěn)定性問題，由于煤巖本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在著近乎于相互垂直的割理面，具有連續(xù)性較差，非均質(zhì)程度高等特點造成了在研究過程中，原有的基于連續(xù)性介質(zhì)的研究思路和方法并不適合，需要從全新的角度去研究煤巖的井周應(yīng)力分布，修正強度準(zhǔn)則。另外，研究煤巖井壁穩(wěn)定性問題，就無法避免要涉及到煤巖的強度及力學(xué)特性，然而由于煤層氣井在我國起步較晚，煤巖強度、變形、破壞機理等力學(xué)性質(zhì)研究較少，無法獲取準(zhǔn)確的煤巖巖石力學(xué)參數(shù)。同時在研究煤巖的力學(xué)性質(zhì)時，實驗方法盡管同其它巖石類似，但區(qū)別在于，對于砂巖、泥頁巖、碳酸鹽巖等相對致密的巖石來講，巖心的獲取相對容易，在力學(xué)性質(zhì)上差異性也較小，然而煤巖由于割理發(fā)育，被切割成了若干塊體，獲取完整巖心極其困難，同時其強度參數(shù)離散性較強，可靠度低，造成煤巖力學(xué)性質(zhì)研究成果較少，在進行煤巖井壁穩(wěn)定性數(shù)值計算及理論研究時，缺乏科學(xué)性和合理性。
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1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，掃描電鏡系統(tǒng)的普及應(yīng)用，使得研究人員得以從微觀角度準(zhǔn)確觀察煤巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)；巖石力學(xué)伺服控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以得到煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并進而研究圍壓、工作液等對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響；基于非均質(zhì)力學(xué)模型的數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展則為煤巖破壞的更加系統(tǒng)的理論分析提供了重要技術(shù)手段支撐。這些研究成果都為本文的研究奠定了重要基礎(chǔ)。
1.2.1煤巖力學(xué)性質(zhì)研究現(xiàn)狀
1.2.1.1巖石抗壓強度特性
煤巖力學(xué)特性對煤層氣安全有效幵發(fā)具有較大影響，是煤層氣鉆井及開發(fā)過程中多個工程環(huán)節(jié)設(shè)計所需的重要基礎(chǔ)參數(shù)。近年來，學(xué)者們圍繞煤巖抗壓強度特性及其影響因素開展了一系列的研究工作，取得了不少的研究成果。
王生維等（1996）通過分析煤巖裂隙、節(jié)理發(fā)育特征，發(fā)現(xiàn)煤巖具有極其明顯的各向異性，加載方向垂直于層理面同平行于層理面時相比，力學(xué)參數(shù)明顯增大，破壞時產(chǎn)生明顯的脆性特征，幾乎不存在殘余強度。
楊永杰[11]等（2011）通過掃描電鏡分析觀察了兩個不同煤巖的微細(xì)觀損傷變量，發(fā)現(xiàn)原生損傷變量與煤巖宏觀力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，原生損傷變量越小，單軸抗壓強度越大，并且隨著原生損傷變量減小，煤巖破壞方式由塑性向脆性改變。Huk提出損傷參數(shù)為巖心截面實際面積Aef與表觀面積A的比值：
蔣長寶[12]等（2011）通過三軸伺服實驗裝置，研究了含瓦斯煤巖卸圍壓下的破壞形式是以剪切破壞為主的剪張復(fù)合破壞。
朱寶存等（2009）通過研究煤巖與頂?shù)装宓膸r石力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)煤巖及頂?shù)装辶W(xué)性質(zhì)差別較大，通過取其平均值表明煤巖的抗壓強度與頂?shù)装鍘r石相比大幅降低，彈性模量相比更是相差一個數(shù)量級，而泊松比明顯偏高。同時發(fā)現(xiàn)煤巖頂?shù)装蹇箟簭姸群蛷椥阅Ａ颗c孔隙度成反比關(guān)系，而煤巖的力學(xué)性質(zhì)與孔隙度間關(guān)系不明顯。
孟召平[14]等（1996）通過煤巖力學(xué)試驗，總結(jié)出煤巖的破壞形式主要包括：單軸試驗條件下主要出現(xiàn)脆性破壞；三軸試驗條件下主要呈現(xiàn)塑性破壞；具有明顯節(jié)理、夾層、層理等弱面結(jié)構(gòu)的煤巖主要沿著弱面結(jié)構(gòu)發(fā)生剪切破壞。
李永明等（2006）研究了加載方式不同對煤巖力學(xué)性質(zhì)的影響，指出煤巖力學(xué)性質(zhì)與煤巖結(jié)構(gòu)和加載方式密切相關(guān)，在較高圍壓進行加卸載試驗時，抗壓強度基本相同；低圍壓下加載試驗破壞的極限強度高于卸載破壞試驗，同時發(fā)現(xiàn)加載時多是呈現(xiàn)剪切破壞，卸載時主要呈現(xiàn)張剪復(fù)合破壞，表明煤巖卸載時更容易發(fā)生破壞。
劉主琛[I6]等（1998）研究了七種巖石抗壓強度的尺寸效應(yīng)（包括煤巖），并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)給出了計算巖石標(biāo)準(zhǔn)強度的經(jīng)驗公式。
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第2章煤巖強度特性研究
煤巖物性參數(shù)及力學(xué)性質(zhì)是開展煤巖井壁穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)。本文共制取24塊煤巖巖心幵展了煤巖強度特性測試研究（根據(jù)后面煤巖組分分析可分為2組）。既為煤巖力學(xué)性質(zhì)研究提供了直接測試資料，也為下一步數(shù)值計算提供了基礎(chǔ)參數(shù)。
2.1煤巖抗壓強度特性研究
2.1.1實驗原理及方法
煤巖抗壓強度特性測試在西南石油大學(xué)國家重點實驗室GCTS-1000型高溫高壓巖石力學(xué)測試系統(tǒng)上進行。該系統(tǒng)圍壓MOMPa，軸壓1000KN。
GCTS-1000型電液伺服巖石試驗系統(tǒng)主要特點：（1）由系統(tǒng)配套的計算機全程控制，具有自動采集和處理數(shù)據(jù)的能力；（2）具有三個獨立的伺服控制系統(tǒng)分別實現(xiàn)圍壓、軸向壓力和孔隙壓力的控制；（3）伺服控制實驗精度高，可以在高溫（15）高壓（MOMPa）環(huán)境下正常工作；（4）可以對加載速度和加載方式進行任意選擇。根據(jù)煤巖特點，實驗過程中采用了軸向應(yīng)變控制方法完成測試。
2.1.2煤巖巖心制備
本次試驗中煤巖來自泌水盆地二疊系下統(tǒng)山西組（3"煤層），這個層位是目前煤層氣勘探開發(fā)的主要區(qū)域，該區(qū)域斷裂構(gòu)造發(fā)育，煤層埋深大概400-900m，厚度為5-6m，煤層顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量平均為87. 1%,鏡質(zhì)體發(fā)射率基本分布在2. 63%-3. 69%,煤巖密度1.49g/cm3左右，含氣飽和度較好。由于煤巖微裂隙、層理、節(jié)理極其發(fā)育，微孔隙、微孔洞較多，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性及各向異性，同時煤巖機械強度低，易破碎。在進行力學(xué)試驗前，煤巖取樣十分困難，且受人為干擾影響較大。在取樣制樣過程中，為盡可能地減少人為干擾的影響，采取以下措施：
(1)在取樣的時候，大塊煤樣被底座加持固定，避免引起鉆取的時候晃動，手動加載時均勻用力，速度適中。
(2)鉆取巖心時，利用液氮降溫處理，防ih鉆頭因溫度過高，造成煤巖性質(zhì)發(fā)生改變，且不可用水。
(3)鉆好的巖心立即包裝好，貼好標(biāo)簽，并且盡快進行恐心斷面切割。
(4)加工好的巖心及時進行不同頻率探頭的聲波時差測定，并做好共鉆取告心24塊，其中垂直于層理面鉆取8塊，平行于層現(xiàn)面8塊，均質(zhì)較好8塊。
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2.2煤巖抗張強度特性研究
巖石抗張強度也被稱為抗拉強度，是巖石在單軸拉力作用下達到破壞時的極限強度，數(shù)值上等于破壞時的最大拉應(yīng)力。實驗室獲取抗張強度參數(shù)的方法分為直接法和間接法。直接法由于夾持等問題，不便操作，而且容易損傷巖石表面,對試驗結(jié)果造成一定誤差，因此很少采用。單軸抗張試驗實驗室常采用間接方法一巴西試驗法來測定巖石的抗拉強度。其中計算表達式為：
式中：σ1為巖石的抗張強度（MPa);
P——為巖石破裂時的最大載荷（KN);
d、t 為試樣的直徑和厚度（mm)。
共測試了8塊煤巖巖心的抗張強度。測試結(jié)果如表2-3所示。
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第3章煤巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)及對力學(xué)性質(zhì)的影響研究........................................20
3.1煤巖體微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征........................................20
3.1.1掃描電鏡下煤巖體微孔隙類型及特征........................................20
3.1.2煤巖微裂隙發(fā)育特征........................................22
3.2煤巖體的原生損傷變量及對強度的影響........................................25
3.2.1損傷變量........................................25
3.3煤巖體各向異性對其強度影響........................................28
3.4煤巖體組分對其力學(xué)性質(zhì)的影響........................................29
3.4.1煤巖有機組分對強度的影響........................................29
3.4.2鉆井液對煤巖強度的影響........................................30
3.5本章小結(jié)........................................32
第4章煤巖井壁穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究
煤巖井壁穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究是利用數(shù)值模擬軟件通過建立模型、輸入?yún)?shù)、經(jīng)過計算分析井壁是否穩(wěn)定。目前數(shù)值模擬計算主要是通過RFPA、ANSYS、FLAC3D、UDEC及3DEC等軟件完成。每個模擬軟件都有自己的優(yōu)勢，但煤巖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、割理發(fā)育（如圖4-1所示），造成在以往的數(shù)值模擬研究中沒有充分考慮影響煤巖井壁穩(wěn)定性的因素，而有的軟件則是本身就不適合研究非均質(zhì)性強的材料[6]。屈平等通過對比不同巖石井壁失穩(wěn)機理發(fā)現(xiàn)：煤巖井壁失穩(wěn)過程與其它巖石存在明顯區(qū)別，常規(guī)砂巖的失穩(wěn)過程一般分為（1）應(yīng)力下局部產(chǎn)生微裂紋；（2）裂紋持續(xù)擴展；（3）微裂紋相互溝通，產(chǎn)生大裂紋；（4）井壁坊塌。節(jié)理性地層由于己含有微裂紋，第一個階段并不明顯，失穩(wěn)過程主要是后三個環(huán)節(jié)。相對于前兩種巖石，煤巖由于割理發(fā)育，尤其是面割理平行發(fā)育，連續(xù)性較好，裂紋之間己經(jīng)相互溝通。因此盡管煤巖井壁失穩(wěn)過程同樣經(jīng)歷四個階段，但前兩個階段會迅速產(chǎn)生，快速過渡到大裂紋形成和井壁坊塌的階段，井壁失穩(wěn)現(xiàn)象更快也更明顯。在以往的研究中盡管也采用了諸如虛擬節(jié)理技術(shù)、內(nèi)外建模技術(shù)等方法，但始終未能全面準(zhǔn)確建立煤巖井壁穩(wěn)定性模型，主要面臨以下幾個問題：
(1)沒有充分考慮煤巖非均質(zhì)性、各向異性，以及割理面等弱面結(jié)構(gòu)對井壁穩(wěn)定性的影響。
(2)建模過程中對煤巖割理結(jié)構(gòu)建模方式不完全符合實際情況。
(3)沒有從孔隙壓力、滲流邊界等流固稱合角度研究煤巖并壁穩(wěn)定性。
(4)模型中的力學(xué)參數(shù)及煤巖基礎(chǔ)參數(shù)，大都來自國內(nèi)外參考文獻，數(shù)值準(zhǔn)確性有待考量。
鑒于以往研究中出現(xiàn)的問題，本文利用RFPA-Flow滲流版數(shù)值模擬軟件及實驗室實測煤巖力學(xué)參數(shù)、物性參數(shù)研究了煤巖的井壁穩(wěn)定性，主要包括以下研究內(nèi)容：
(1)建立煤巖井眼的非均質(zhì)模型，從實際情況出發(fā)，充分考慮了微裂隙、割理面等弱面結(jié)構(gòu)的影響；
(2)井眼軌跡對坊塌、誘導(dǎo)縫形成擴展影響；
(3)割理面密度、產(chǎn)狀對井壁穩(wěn)定性的影響；
(4)半徑大小、地層孔隙壓力對井壁穩(wěn)定性影響；
(5)煤巖井壁坊塌及誘導(dǎo)縫形成影響因素分析。
4.1 RFPA軟件分析原理
論文中所使用的RFPA-Flow軟件是基于巖石破壞過程滲流與應(yīng)力稱合分析而開發(fā)的，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和損傷介質(zhì)力學(xué)原理，具有應(yīng)力分析、滲流分析、稱合分析、破壞分析4個方面的功能。應(yīng)力分析釆用有限單元法，而破壞分析則根據(jù)修正后的摩爾庫倉準(zhǔn)則，來檢查材料中是否有破壞單元，對破壞單元則采用剛度特性退化（處理分離）和剛度重建（處理接觸）的辦法進行處理。RFPA分析系統(tǒng)的一個顯著特點，就是將巖石類材料的不均勻性參數(shù)引入到計算單元，假定參數(shù)服從韋伯分布，以概率統(tǒng)計方法描述其離散性，充分考慮了巖石介質(zhì)的非均質(zhì)特性[62]。
除了巖石材料的非均質(zhì)性特征，如何研究巖石破裂過程中的應(yīng)力-損傷-滲流等稱合特征也是在數(shù)模及數(shù)值方法計算中所面臨的重要問題。巖石的滲流率是巖石中孔隙與裂紋所組成結(jié)構(gòu)體的滲透率。天然狀態(tài)下，可以看做常數(shù)，但在工程進行的過程中，應(yīng)力狀態(tài)將發(fā)生改變，滲透率也會發(fā)生改變，尤其在巖石破壞的時候，滲透率的改變勢必會影響到應(yīng)力場變化，從而直接影響巖石破壞方式，由此可以看出考慮巖體流固稱合作用的應(yīng)力分析及破壞分析具有更普遍的理論意義及應(yīng)用價值。RFPA-Flow是在之前RFPA基礎(chǔ)上，為研究巖石破壞過程中應(yīng)力-滲流耦合分析而開發(fā)的，這個系統(tǒng)能夠?qū)α鸭y萌生、擴展過程中滲透率演化規(guī)律進行模擬分析。在煤巖井壁穩(wěn)定性研究工程中，充分考慮了煤巖的非均質(zhì)性，同時考慮流固鍋合作用，可以真實再現(xiàn)井眼周圍裂紋萌生、擴展及應(yīng)力遷移、釋放、最終造成煤巖坊塌的全過程。
4.2煤巖流固鍋合模型
4.2.1煤巖非均質(zhì)性描述
煤巖作為一種天然材料，由于組分、結(jié)構(gòu)及膠結(jié)方式的不同，強度上體現(xiàn)出極強的非均質(zhì)性，從圖4-3可以看出煤巖介質(zhì)構(gòu)成極其復(fù)雜，呈現(xiàn)明顯的非均質(zhì)性分布，因此煤巖的力學(xué)參數(shù)不可能用同一特征值所描述，但是可以從微細(xì)觀角度對其力學(xué)性質(zhì)進行離散，用數(shù)學(xué)上統(tǒng)計學(xué)方法進行不均質(zhì)微觀破壞進行描述。weibull在1939年首次提出了用統(tǒng)計性方法描述非均質(zhì)性的方法，經(jīng)過大量的試驗，weibull建議利用具有門濫值的釋函數(shù)來描述這種極值分布，weibull分布對于研究巖石強度理論及尺寸效應(yīng)起到了重要作用。weibull分布基本思想是：把一個巖石劃分為若干個基元體，其力學(xué)性質(zhì)可以用統(tǒng)計性方法描述�；w相對于宏觀介質(zhì)相比足夠小，可以忽略不計。但與微觀尺度相比，要大很多，內(nèi)部包含足夠多的礦物晶體、膠結(jié)晶體及微缺陷，基元力學(xué)性質(zhì)是其內(nèi)部材料的平均值，因此基元體內(nèi)部可以看做是均質(zhì)的。但由于基元體內(nèi)部包含材料的差別，其力學(xué)性質(zhì)（強度、彈性模量、內(nèi)摩擦角、泊松比）并不一致，有強有弱，這就保證了基元體力學(xué)性質(zhì)的不均質(zhì)性,從而實現(xiàn)了巖石材料的非均質(zhì)性描述。
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第5章結(jié)論及建議
5.1結(jié)論
本文通過大量的文獻調(diào)研和室內(nèi)試驗，研究了煤巖力學(xué)性質(zhì)和破壞特點，并且從微細(xì)觀組分和原生損傷機理方面分析了煤巖力學(xué)性質(zhì)的各向異性和非均質(zhì)性，確定了準(zhǔn)確合理的煤巖力學(xué)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用RFPA-Flow滲流與應(yīng)力耦合作用分析系統(tǒng)建立了煤巖井壁穩(wěn)定的數(shù)值模型，該模型不僅研究了煤巖中割理面等弱面結(jié)構(gòu)對井壁穩(wěn)定性的影響，而且充分考慮了流體流動及地層壓力變化。基于該模型分析了井眼軌跡、割理面、井眼半徑、地層孔隙壓力變化對煤巖井壁穩(wěn)定性的影響。得到主要研究結(jié)果如下：
一、室內(nèi)試驗部分
(1)煤巖密度較低，主要分布在1.5g/cm3左右；力學(xué)性質(zhì)表現(xiàn)為彈性模量較小，泊松比離散性強，抗張強度低，破壞方式主要以脆性劈裂破壞為主。
(2)通過掃描電鏡、CT圖像法觀察到煤巖含有大量的微孔隙、微孔洞等原生損傷結(jié)構(gòu)，微裂紋極其發(fā)育，使得煤巖具有極強的非均質(zhì)性、各向異性等特征。結(jié)合煤巖力學(xué)試驗分析發(fā)現(xiàn)，煤巖原生損傷變量、裂紋發(fā)育方向的不同對強度和變形影響很大。
(3)常溫常濕條件下，煤巖強度主要同有機組分類型有關(guān)，無機組分與煤巖強度之間并不存在明顯的關(guān)系，但煤巖浸泡在不同鉆井液后將會發(fā)生膨脹作用，同時造成強度的降低，而且膨脹程度直接受煤巖中粘土礦物含量的影響。
二、數(shù)值模擬部分
(1)相同的地應(yīng)力環(huán)境下，相對于直井和沿最小水平主應(yīng)力方向鉆的水平井，沿著最大水平主應(yīng)力方向鉆的井眼最容易發(fā)生失穩(wěn)，直井最不容易發(fā)生剪切破壞，坍塌壓力最低。沿著最小水平主應(yīng)力方向鉆的井眼破裂壓力最高，最不容易發(fā)生拉伸破壞。
(2)裂紋擴展、延伸與井眼周圍割理發(fā)育情況密切相關(guān)，裂紋主要沿著連通性較好的面割理方向擴展，延伸的過程中會逐漸貫通端割理。割理密度越大，井眼周圍坍塌程度越高，井眼變形越明顯。割理面與水平向角度越大，井眼失穩(wěn)越嚴(yán)重。
(3)井徑越大，穿過井眼面割理條數(shù)越多，滲流效應(yīng)越明顯，所需維持鉆井液最小液柱壓力也越高。
(4)地層孔隙壓力越高，巖石所受的有效應(yīng)力越小，井眼巖石越容易發(fā)生破裂，井壁穩(wěn)定性變差。
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