基于节理岩体孔底不均匀破碎的钻孔弯曲机理实验研究.pdfVIP

2013年第 11期 西部探矿工程 33 · 石油与钻掘工程 · 基于节理岩体孑L底不均匀破碎的钻孑L弯曲机理实验研究 贾光强 ，王 佳，黄 容，霍宇翔 (成都理工大学，四川成都610059) 摘 要：钻孔弯曲是困扰小 口径岩芯钻进 的问题之一，以钻孔椭 圆型孔底导致钻孔弯曲作为基本假 设，采用物理模拟方法，制作含有不同倾角和强度的节理岩体试样，采用小功率钻机进行钻进模拟， 通过分析孔底不均匀破碎程度 ，以破碎 的宽度和深度为定量指标，分析椭圆型孔底和钻具弯曲所需 要的空间。最终得 出节理倾角为30o～45。之间，孔底不均匀破碎存在突变，表现为从极大值转为极 小值 ．45~以后呈线性缓增 。 关键词：节理岩体；物理模拟；钻孔弯曲；不均匀破碎 中图分类号：TE21文献标识码：A 文章编号：1o04—5716(2O13)11-0033—03 自从旋转钻井发明以来钻孔弯曲的问题就一直存 1 物理模拟实验方案 在 ，但直到 1924年才 由F．G．D．Muller首次提 出。 基本假设 ：由于实验条件所限，在整个实验过程中 1950~1960年A．Lubinski建立了钻柱弯曲导致井眼弯 采用的是无侧限钻进，钻进参数保持定值，钻孔轨迹为 曲的 “二次弯曲理论 l，’；H．ETreichler提出了非稳定钻 竖直。只针对特定倾角节理岩体进行研究。 头的侧向运动使井眼形成螺旋状弯曲的 “非稳定性钻 1．1 实验原理 头学说”；H．Woods提出了 “地层造斜理论”l2]。目前已 本实验基于相似理论确定相似材料制作不同倾角 发现要导致钻孔弯曲必须具有3个条件口 ：存在孔壁 (0。、15。、30。、45。、60。、75。、90。)节理岩体试样 ，对试样采 间隙、具有偏倒或弯曲力、偏倒或弯曲力的方向稳定。 用工程薄壁钻机切削完成破碎，来物理模拟孔底节理 而导致钻孔弯曲的因素有地质因素(岩石的各向异性 岩体的不均匀破碎过程。对破碎后的试样进行观察， 和软硬互层)、技术因素 (设备安装和钻具结构)和工艺 分析节理岩体孔底不均匀破碎的机理 ，记录不均匀破 因素 (钻进方法和钻进结构参数)。针对 以上条件人们 碎特征，归纳得出不同倾角节理岩体产生不均匀破碎 已经采取了很多防斜措施 ，但是钻孔弯曲的现象仍然 程度，最后选取不均匀破碎宽度和深度作为合理判别 在发生 ，于是作者提出了一种新的观点：钻“孔弯曲的实 指标。 质是孔底钻遇岩石时发生了不均匀破碎 ，形成了椭 圆 1．2 模型设计 形孔底，最终导致了钻孔弯曲”。 为了更好的物理模拟孔底岩石不均匀破碎过程 ， 椭圆形孔底产生的原因是钻进过程中地质弱面不 本实验采用了试样尺寸15cmx15cmx15cm的立方体试 均一性导致的不均匀破碎 ，显而易见，不同倾角节理岩 块。根据原型与模型的相似关系及原型介质的物理力 体的不均匀破碎程度有明显的差异，哪种岩层倾角下 学参数，可以得到模型材料参数。模型中以水泥为胶 不均匀破碎程度最大，椭 圆型孔底最明显，成为摆在大 凝材料、清水为拌合用水拌合均匀后经浇注成型、凝结 量科研和技术人员面前的问题。 硬化而成的水泥石模拟岩石，水泥石与岩石具有相似 为此，本文依托成都理工大学 深《孔小 口径科学钻 物理性质，带孔铝箔模拟硬性结构面。 探孔斜预测、预防与实验测试》科研课题，采用物理模 1．3 正交化实验方案 拟方法，通过微钻钻孔，并测试破碎痕迹 ，量化指标，由 根据岩石的物理力学性质，本实验采用了普通硅 此对不同倾角节理岩体不均匀破碎程度进行研究。