熱力耦合作用下鉆井圍巖穩(wěn)定性及其破壞臨界條件.pdf

1、在深部能源開發(fā)中，不論是傳統(tǒng)的油氣資源開采，還是綠色的干熱巖地?zé)豳Y源的開發(fā)，首先需要解決的核心問(wèn)題就是高溫高應(yīng)力耦合作用下，深鉆施工及鉆井穩(wěn)定性控制問(wèn)題。深鉆施工過(guò)程中，由于較高地應(yīng)力及地溫的影響，鉆井穩(wěn)定性大幅降低，維護(hù)費(fèi)用增加，嚴(yán)重制約著深部能源的開發(fā)。
　　針對(duì)深鉆施工中遇到地層為花崗巖，在分析、總結(jié)課題組“高溫-高應(yīng)力下花崗巖鉆井圍巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)值模擬方法，借助MATLAB及COMSOL Multiphysi

2、cs5.2軟件，研究了熱力耦合作用下花崗巖鉆井圍巖熱彈性變形規(guī)律、熱力耦合作用下花崗巖鉆井圍巖蠕變破壞規(guī)律、分析了鉆孔破壞半徑與加載應(yīng)力及溫度之間的關(guān)系，最終得到熱力耦合作用下花崗巖鉆井圍巖失穩(wěn)破壞臨界條件。
　?。?）分析課題組“高溫-高應(yīng)力下花崗巖鉆井圍巖力學(xué)實(shí)驗(yàn)”數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：
　　1）熱力耦合作用下花崗巖鉆孔在不同溫度區(qū)間內(nèi)，鉆孔熱應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)不同；不同溫度下花崗巖鉆孔熱應(yīng)變隨埋深應(yīng)力的增大，其數(shù)值有降低的趨勢(shì)

3、。
　　2）熱力耦合作用下花崗巖鉆孔蠕變破壞失穩(wěn)存在較為顯著的閾值，即應(yīng)力閾值為4000米埋深應(yīng)力，溫度閾值為480℃。
　　3）熱力耦合作用下鉆孔圍巖破壞特征具有顯著端部效應(yīng)、縮頸、鉆孔內(nèi)壁破壞；沿位移等值線存在較為顯著的錯(cuò)動(dòng)、滑移，有顯著的剪切破壞痕跡，最終圍繞鉆孔形成錐字形破壞面。
　　4）高溫對(duì)花崗巖基本力學(xué)參數(shù)影響顯著，其基本力學(xué)參數(shù)彈性模量E、泊松比μ、熱膨脹系數(shù)α等均可看做是溫度的函數(shù)。
　?。?）

4、研究熱力耦合作用下花崗巖鉆井圍巖熱彈性變形規(guī)律，得到以下結(jié)論：
　　1）試件在加溫過(guò)程中存在顯著的溫度梯度，且溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力只在加熱過(guò)程中對(duì)鉆孔圍巖熱應(yīng)變產(chǎn)生影響；熱力耦合作用下花崗巖試件內(nèi)部主要受壓應(yīng)力作用，其最大值位于試件外側(cè)，鉆孔內(nèi)壁壓應(yīng)力值較小；位移最大值位于試件外側(cè)，最小值位于鉆孔內(nèi)壁。
　　2）熱力耦合作用下花崗巖鉆孔熱彈性變形產(chǎn)生破壞的溫度閾值：3000米埋深應(yīng)力下的溫度閾值為210℃；4000米、500

5、0米埋深應(yīng)力下的溫度閾值為195℃。
　　3）在熱力耦合作用下花崗巖鉆孔熱彈性變形中，存在端部效應(yīng)且破壞沿著位移等值線產(chǎn)生顯著的滑移、錯(cuò)動(dòng)，造成鉆孔內(nèi)壁附近發(fā)生流變破壞。
　?。?）研究熱力耦合作用下花崗巖鉆井圍巖蠕變規(guī)律，得到以下結(jié)論：
　　1）不同熱力耦合作用下花崗巖鉆孔圍巖流變位移規(guī)律一致，即鉆孔內(nèi)壁處流變位移最大，沿著鉆孔徑向方向，流變位移逐漸減小。
　　2）在相同埋深應(yīng)力及加載溫度條件下，考慮蠕變效應(yīng)后