本发明属于深部岩石与钻探工程领域,是一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，具体涉及一种可实现深部地层钻进过程与井壁围岩裂隙发育研究室内试验方法。
背景技术：
干热岩等深部地热资源的开采与开发离不开钻井工程，高温高压是深部地层显著的环境特征。具有开发价值的干热岩温度不低于200℃，但该温度下的干热岩地层深度往往超过3000m，地层的地应力和竖向自重应力一般超过50mpa，硬脆性的花岗岩是典型的干热岩
储能岩种，大量花岗岩高温与应力-应变试验证明，花岗岩在200℃以上的高温下其力学强度、物理力学参数往朝着不利于井壁稳定方向有不同程度的变化。此外，温度对花岗岩结构也会产生显著影响，花岗岩在高温作用下其内部的微裂隙得到充分发育，岩石结构劣化，不利于深部井壁稳定。
现阶段深部岩土试验研究重点以矿井、巷道、隧洞为主，服务于
采矿行业，其研究的深度比干热岩等深井深度低，且采矿行业的岩土环境温度相对不高，岩土条件也以沉积岩为主。目前对深部干热岩等硬脆性花岗岩的研究停留在室内的高温高压试验为主，缺乏对高温后高压条件下花岗岩地层钻进的试验研究。深部干热岩的钻进是一个动态的过程，钻进过程破碎岩石，形成井壁，在钻井液液柱压力协调下井壁存在应力平衡问题，井壁裂纹的发育对井壁稳定有重要影响。钻进过程是井壁围岩应力状态是一个突然变化的过程，目前针对真实的深地钻探动态过程研究较少，研究深部高压环境下的结晶岩等硬脆性岩石破碎试验与井壁围岩裂纹变化在钻头破碎切削的发育特征不多，缺乏相对应的研究思路和研究方法。借助于钻探手段获取深部高温高压硬脆性地层情况与地热资源是研究的重要目标，因此，需要一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法。
因此，研究出一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法尤为重要，通过该方法来研究不同应力条件下、不同高温热处理后硬脆性岩层在钻掘过程中的井壁裂纹发育、钻进进尺速率、井壁围岩的破裂响应规律，为深部地层钻进和深部地层井壁稳定提供实质性的工程指导建议。
技术实现要素：
针对上述存在的问题和需求，本发明旨在研究深部岩层在钻掘开挖过程中的钻进效率、井壁围岩应力变形和失稳规律、井壁裂纹发育特征，为模拟实际深井钻进提供一种方法研究可能。试验过程中可实现高应力作用下硬脆性岩石钻进效率、井壁围岩在卸荷应力场下的裂纹发育、井壁稳定、井壁围岩应力变形、声发射信息特征的实时监控。
为实现上述目的，本发明提供一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，该方法包括：
(1)选取质地均匀无裂纹的深部地层常见岩石种类，将其加工成合适尺寸、形状(如100mm×100mm×100mm)的岩石试件。
(2)设计岩石试样的热处理目标温度与模拟深部地层应力条件，对加工好的岩石试样进行热处理，岩石试样热处理冷却至常温后，先采用ct扫描观测岩石内部裂隙裂纹发育情况，再采用应力加载设备进行应力装配。
(3)设计钻机钻压、转速、方向、钻孔直径、钻头种类钻进参数和钻进方法，钻孔孔径为20mm，钻压为1000n、1500n、2000n，转速为10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。钻进过程中保持恒定的目标钻压与转速，孔口排除的岩屑用专有吸收装置回收处理，待钻孔形成后对岩样缓慢匀速卸载。同时，每钻进50mm则停钻进行孔壁裂隙发育声发射数据的监测记录，以此避免钻头工作对声发射数据采集的影响，保障监测数据的精度。
(4)利用高精度三维ct对钻孔试验开展前与钻孔试验开展后岩样沿钻孔中心线切面扫描成像，对比高温高压作用下钻进诱发孔壁裂隙发育情况。
(5)用扫描电镜和高倍显微镜首先观测钻孔周围及岩样外表面的微、细、宏观裂隙分布，后对岩样沿钻孔中心线切面对称无创切割为两半，再观测孔壁裂隙分布特征。
(6)使用ipp图像软件与matlab数据分析软件从扫描电镜、ct和高倍显微镜的微、细、宏观图中获取裂隙发育的数据，研究高温高压作用下钻进成孔诱发孔壁裂隙发育机理。
与现有的技术相比，本发明的有益效果在于为研究深部地层钻进与影响井壁稳定的裂纹发育提供了一种研究方法，可以在室内试验室条件下开展对高应力地层深部岩石钻进过程和裂纹发育进行监测，对井壁围压的宏观裂纹、细观裂纹、微观裂纹展开监测、观测、分析、研究，结合裂纹图像处理获得裂纹发育的具体参数数据，为深部钻进提供技术指导，为深部井壁稳定提供理论依据。
附图说明
图1为本发明的研究方法流程图；
图2为本发明的实施例岩石细观裂纹观测示意图；
图3为本发明的实施例岩石微观裂纹扫描电镜观测示意图；
图4为本发明的实施例含钻孔岩石ct扫描示意图；
图5为本发明的实施例岩石在双轴应力作用下裂纹活动声发射信息示意图。
具体实施方案
下面结合附图和试验过程对本发明一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法进行详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
本发明提出了一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，结合附图1进行描述，其具体实施过程如下：
(1)选取质地均匀无裂纹的深部地层常见岩石种类花岗岩，将其加工成合适尺寸、形状(如100mm×100mm×100mm)的岩石试件。
(2)设计岩石试样的热处理目标温度与模拟深部地层应力条件，对加工好的岩石试样进行热处理，岩石试样热处理冷却至常温后，先采用ct扫描观测岩石内部裂隙裂纹发育情况。
(3)将冷却后的花岗岩试样放入应力加载试验平台，以1n·s-1的应力加载速率加压至目标围压(mpa/25、50、75、100、125)后恒压保持48小时
(4)设计钻机钻压、转速、方向、钻孔直径、钻头种类钻进参数和钻进方法，钻孔孔径为20mm，钻压为1000n、1500n、2000n，转速为10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。钻进过程中保持恒定的目标钻压与转速，孔口排除的岩屑用专有吸收装置回收处理，待钻孔形成后对岩样缓慢匀速卸载。同时，每钻进50mm则停钻进行孔壁裂隙发育声发射数据的监测记录，以此避免钻头工作对声发射数据采集的影响，保障监测数据的精度，关于岩石内裂纹活动的声发射监测分析如图5所示。
(5)利用高精度三维ct对钻孔试验开展前与钻孔试验开展后岩样沿钻孔中心线切面扫描成像，对比高温高压作用下钻进诱发孔壁裂隙发育情况，关于岩石ct扫描成像如图4所示。
(6)用扫描电镜和高倍显微镜首先观测钻孔周围及岩样外表面的微、细、宏观裂隙分布，后对岩样沿钻孔中心线切面对称无创切割为两半，再观测孔壁裂隙分布特征，关于岩石裂纹细观观测如图2所示、岩石微观裂纹观测如图3所示。
(7)使用ipp图像软件与matlab数据分析软件从扫描电镜、ct和高倍显微镜的微、细、宏观图中获取裂隙发育的数据，研究高温高压作用下钻进成孔诱发孔壁裂隙发育机理。
技术特征：
1.一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
步骤一：将岩石加工成多个尺寸、形状相同的试件，为后续步骤做试验材料准备；
步骤二：将尺寸、形状加工好的岩石试样放入到电阻炉内进行加温，温度上升速率控制在2℃·min-1内，避免升温速率过快对岩样产生热冲击作用，温度上升至目标温度后，在电阻炉内继续恒温加热120min，确保岩石试样受热均匀。加热作业完成后将电阻炉电源关闭使高温岩样在电阻炉内缓慢冷却。
步骤三：将冷却后的岩石试样放入应力加载试验平台，以1n·s-1的应力加载速率加压至目标围压(mpa/25、50、75、100、125)后恒压保持48小时，再开展钻进成孔孔壁裂隙发育试验。
步骤四：钻机钻进使用水钻法，可避免钻头对井壁的热冲击作用。钻孔孔径为20mm，钻压为1000n、1500n、2000n，转速为10r·min-1、15r·min-1、20r·min-1。钻进过程中保持恒定的目标钻压与转速，孔口排除的岩屑用专有吸收装置回收处理，待钻孔形成后对岩样缓慢匀速卸载。同时，每钻进50mm则停钻进行孔壁裂隙发育声发射数据的监测记录，以此避免钻头工作对声发射数据采集的影响，保障监测数据的精度。
2.根据权利要求1所述的一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，其特征在于：试验采用正交设计方案设计，温度、压力、钻压、转速为四因素，试验中因素顺序分为：加温、加压、钻进，用声发射装置实时监测记录试验过程中岩样裂隙发育。
3.根据权利要求1所述的一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，其特征在于：利用高精度三维ct对钻孔试验开展前与钻孔试验开展后岩样沿钻孔中心线切面扫描成像，对比高温高压作用下钻进诱发孔壁裂隙发育情况。
4.根据权利要求1所述的一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，其特征在于：用扫描电镜和高倍显微镜首先观测钻孔周围及岩样外表面的微、细、宏观裂隙分布，后对岩样沿钻孔中心线切面对称无创切割为两半，再观测孔壁裂隙分布特征。
5.根据权利要求1所述的一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，其特征在于：使用ipp图像软件与matlab数据分析软件从扫描电镜、ct和高倍显微镜的微、细、宏观图中获取裂隙发育的数据，研究高温高压作用下钻进成孔诱发孔壁裂隙发育机理。
技术总结
本发明公开一种研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法，属于深部岩石与钻探工程领域。将受目标高温冷处理后的岩石放入到应力加载设备中，进行目标应力条件加载，模拟深部高温环境作用下的岩石在深部地应力环境，对其展开钻孔作业，模拟深部地层钻进过程，依靠声发射监测钻进过程中的岩石裂隙发育活动。结合各类观测技术，观测和研究高温冷处理后岩石在深部应力环境下成孔作业过程的宏观、细观、微观裂纹发育情况，得出深部环境下地层钻进参数与效率一般规律，获得深部地层钻进过程中孔壁围岩裂隙发育的规律，指导深部高温高压地层钻进参数设计与孔壁稳定方案设计。本发明提供了模拟深部高温高压地层钻进与孔壁围岩裂隙发育的研究办法，试验方案贴近深部钻探的实际过程，也重点研究了影响孔壁围岩结构强度的关键?孔壁围岩裂纹。
技术研发人员：肖敏杰;王李昌;高士娟;隆威;徐蒙;莫天宇;王璐
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2021.05.17
技术公布日：2021.07.23
声明：
“研究深部高温高压地层钻进过程与孔壁围岩裂隙发育方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中南大学
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2025年01月03日 ~ 05日 
