BWSRM地应力测试设备回转机构和应力解除机构的研制_吴振君.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-05-18修回日期 2020-05-18 基金项目 国家科技重大专项2016ZX05034 大型油气田及煤层气开发。 第一作者简介 吴振君 （1977-） ， 男 （汉族） ， 黑龙江克山人， 副研究员， 现从事岩土力学研究工作。 BWSRM地应力测试设备回转机构 和应力解除机构的研制 吴振君*1， 袁晖 1， 汤 华 1， 秦雨樵1， 2 1. 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室， 湖北 武汉 430071； 2. 中国科学院大学， 北京 100000 摘要 深钻孔中进行原位地应力测量是获取岩石应力状态资料最直接、 可靠的手段。钻孔局部壁 面应力解除法BWSRM是一种新的地应力测试方法。基于BWSRM原理， 研制了适用于垂直钻孔 条件的BWSRM地应力测试设备的关键组件 回转机构和应力解除机构， 通过回转机构实现钻孔孔 壁工作面的选择和测试工作面定位， 通过应力解除机构实现孔壁岩石的应力解除。室内试验结果表 明 通过控制驱动电机电压和电流， 可实现回转机构的匀速转动， 实现设备精准定位； 应力解除机构 可实现孔壁岩石取芯钻进并达到应力解除要求， 满足地应力测量的实际需要。 关键词 地应力测量； BWSRM； 回转； 应力解除； 取芯钻进 中图分类号 TE14 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0053-04 1概述 地应力是存在于地壳岩石中应力的统称， 原位地应 力测量是获取地壳应力状态最直接的手段。地应力测 量在矿山、 石油、 页岩气开采、 水利以及地下工程的建设 中起着非常重要的作用。充分认识和理解地壳岩体应 力状态是岩体力学与岩体工程中十分重要和迫切需要 解决的问题之一[1-3]。在深钻井中进行原位地应力测量 是获取岩石应力状态资料最直接、 可靠的手段[1-4]。钻 孔局部壁面应力解除法（Borehole wall stress relief ， BWSRM） 是葛修润提出的一种地应力测试新 方法[4-6]， 由于在侧壁岩石钻进需要的深度很小， 可以有 效解决套孔应力解除法在较深钻孔中应用时出现的断 芯问题， 也可以克服水压致裂法必须假定地应力张量 的一个主方向与钻孔轴向一致的前提条件[7-10]。本文 应用BWSRM原理， 研制了适用于垂直钻孔条件的地 应力测试设备的关键组件 回转机构和应力解除机构， 通过回转机构实现钻孔孔壁工作面的选择和测试工作 面准确定位， 通过应力解除机构实现孔壁岩石的取芯 钻进和应力解除。根据测试应力解除过程中岩芯的应 变响应， 由BWSRM原理可得到岩芯应变和地应力之 间的关系。本文介绍了局部壁面应力解除法测量地应 力设备两大关键组件的工作原理、 具体设计方案及其 室内试验结果。 2回转机构设计 回转机构的主要功能是控制内外套筒的旋转动作， 协助壁面打磨、 工作面应力解除和回收操作。在该设备 外套筒上设有2处开口， 分别用作壁面打磨和应力解除。 回转机构安装在地应力测试设备外套筒内部， 结 构如图1所示。其工作原理如下 首先驱动10微型直 流减速电机， 带动2齿轮旋转， 进而带动3齿轮旋转， 通 过6方键传递转矩， 8、 9同步带以及11电位器作为电流 控制器控制机构回转。 在外套筒探测窗口打开后， 回转机构启动， 在0～ 330范围内旋转， 用于选择完整性较好、 无明显结构面的 测试工作面。通过回转机构特定角度将打磨窗口对准测 试面， 并在打磨过程通过反复回转进行壁面打磨处理。 打磨结束后， 再通过回转， 使探测窗口对准测试工作面， 进行下一步应力解除操作。测试完毕后， 回转机构再次 启动， 使所有机构回归原位。组装好的回转机构见图2。 通过控制驱动电机电压和电流， 可实现回转机构 53 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 的匀速转动 （结果见图3） 。室内试验结果表明， 通过回 转机构上安装的角速度和角度传感器， 可以实现壁面 打磨和应力解除机构的精准定位， 满足地应力测量中 壁面处理和应力解除的实际需要。 3应力解除机构设计 应力解除机构是对孔壁工作面进行自动化应力解 除的组件， 由旋转机构和环切进给机构两部分组成， 两 者协同工作， 实现孔壁岩石取芯钻进和应力解除。应 力解除机构设计图见图4， 模型图见图5。 图4应力解除机构设计 受限于垂直钻孔孔径， 地应力测试设备外套筒直 径仅为125mm， 因此旋转机构设计为通过伞齿轮实现 动力输出转向90。旋转机构由薄壁金刚石取芯钻头、 主动力电机、 传动齿轮、 主动力传动轴、 伞齿轮等组成， 主动力电机固定在上机座板上， 电机轴线与设备轴线 平行， 主动力传动轴穿过内密封套， 上端与主动力电机 相连， 下端通过齿轮与薄壁金刚石取芯钻头相连。主 动力电机功率选择400W无刷电机， 主动力电机通过一 级传动齿轮副至主动力传动轴， 再经1 ∶ 1配对90传动 伞齿轮至二级传动齿轮副 （变速比为3.92） 。一级齿轮 （1） 基座；（2） 齿轮；（3） 齿轮；（4） 电机座板；（5） 电机座板支 柱；（6） 方键；（7） 同步带轮；（8） 同步带轮；（9） O型同步带；（10） 微型直流减速电机；（11） 精密多圈电位器；（12） 十字槽盘头螺 钉；（13） 十字槽盘头螺钉；（14） 十字槽盘头螺钉；（15） 十字槽盘 头螺钉 图1回转机构设计 图2组装好的回转机构 图3回转角度随时间变化曲线 54 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 传动比根据主动力电机转速和金刚石取芯钻头的旋转 速度确定。 环切进给机构由进给推送丝杠、 环切进给电机、 开 式齿轮、 轴箱、 进给机构支座等组成， 环切进给电机以 及进给推送丝杆固定在进给机构支座上， 机构支座通 过螺钉固定在下机座板下方。控制系统对进给速度按 给定电机负荷通过PWM方式自动调整， 环切进给电机 采用ZGB37RG型直流减速电机， 电机动力通过一组传 动比为3的开式齿轮驱动进给丝杆 （M81.25） ， 进给丝 杆推动轴箱移动， 最大行程为54mm， 设计推进速度为 12.5mm/min。 根据应力解除需要， 设计了内径为28mm的金刚 石取芯钻头， 钻头长度58mm,外径31mm， 金刚石部分 长9mm。可根据设定的旋转速度和进给速度进行钻 进， 旋转机构和环切进给机构同步工作， 应力解除机构 可以保证金刚石取芯钻头在垂直于钻孔轴线的平面内 平稳钻进， 环切破碎岩石， 钻进过程中， 岩芯表面应变 逐渐发生变化， 根据BWSRM原理， 达到岩石应力完全 解除的钻进深度和岩芯长度与直径之比不小于1.33， 当钻进一定深度达到1.33倍岩芯直径后岩芯应力完全 解除， 钻进结束时可切割出相对完整的圆柱型岩样。 根据实际取芯试验结果， 转速在750～850r/min时岩芯 较为平滑。对直径为28mm的金刚石取芯钻头来说， 实现岩石的应力解除， 即钻进深度38mm时仅需3min 左右时间岩样完整， 表面光滑无破碎。组装好的应力 解除机构如图6所示； 取芯钻进深度曲线见图7； 钻取 的岩芯如图8所示。根据应力解除过程中岩芯表面的 应变变化， 由BWSRM原理可以计算得到岩石所受地 应力大小和方向。 4结束语 本文设计了适用于垂直钻孔条件的地应力测试设 备的关键组件 回转机构和应力解除机构， 介绍了两大 关键组件的工作原理、 具体设计方案及其室内试验结 果。室内试验结果表明， 通过回转机构上安装的角速度 图5应力解除机构模型图 图6组装好的应力解除机构 图7取芯钻进深度随时间变化曲线 图8应力解除机构钻取的岩芯 55 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 和角度传感器， 可以实现壁面打磨和应力解除机构的精 准定位。应力解除机构是对孔壁工作面进行自动化应力 解除的组件， 由旋转机构和环切进给机构两部分组成， 通 过主动力电机和环切进给电机驱动两者协同工作， 实现 孔壁岩石取芯钻进和应力解除， 钻取岩芯的长度超过岩 芯直径的1.33倍， 满足垂直钻孔侧壁岩石应力解除需要。 参考文献 [1]蔡美峰.地应力测量原理和技术[M].北京 科学出版社,200051. [2]蔡美峰.地应力测量原理和方法评述[J].岩石力学与工程学 报,1993,123275-283. [3]Heidbach, O., M. Rajabi, X. Cui, K. Fuchs, B. Mller, J. Reinecker, K. Reiter, M. Tingay, F. Wenzel, F. Xie, M. O. Ziegler, M.-L. Zoback, and M. D. Zoback 2018 The World Stress Map Database Release 2016 Crustal Stress Pattern Across Scales. Tectonophysics2016, 744 484-498. [4]葛修润,侯明勋.一种测定深部岩体地应力的新方法钻 孔局部壁面应力全解除法[J].岩石力学与工程学报,2004 233923-3927. [5]葛修润,侯明勋. 三维地应力BWSRM 测量新方法及其测井 机器人在重大工程中的应用[J].岩石力学与工程学报, 2011, 30 11 2161–2180. [6]Ge XiuRun; Hou MingXun. Principle of in- situ 3D Rock Stress Measurement With Borehole Wall Stress Relief and its Preliminary Applications to Determination of in- situ Rock Stress Orientation and Magnitude in Jinping Hydropower Station. SCIENCE CHINA- TECHNOLOGICAL SCIENCES, 2012, 554 939-949. [7]秦雨樵, 汤华, 吴振君,等. 基于钻孔局部壁面应力解除法的 深部页岩三维地应力计算方法[J]. 岩石力学与工程学报, 2018, 37 6173-185. [8]王成虎, 邢博瑞. 原生裂隙水压致裂原地应力测量的理论与 实践新进展[J]. 岩土力学, 2017, 3851289-1297. [9]刘允芳,尹健民,刘元坤.深钻孔套芯应力解除法的测量技术 和实例[J].长江科学院院报,200851-6. [10]Amadei B., Stephansson O. Rock Stress and its Measurement [M]. London Chapman Hall, 1997. （上接第52页） （4） 采取PDC井下动力钻具转盘复合钻进， 极 大地提高了机械钻速， 使用螺杆钻具配PBL旁通阀， 有 井漏风险的地层也可以使用螺杆快速钻进。 （5） 遇到溢流提高泥浆密度时泥浆体系中添加5和 50目的碳酸钙堵漏剂和粗细纤维堵漏剂， 在提高泥浆 密度的同时避免了井漏。 （6） 钻进过程中在钻井液中添加4ppb的堵漏材料 预防井漏。 5ADHI区块钻井提速工作取得的成果 （1） 多次打破ADHI区块钻井速度记录； （2） 钻井周期由ADHI-19井的252d完井到AD- HI-32井的78d完井， 见表2； （ 3 ） ADHI-31井和ADHI-32井实现了零复杂时间。 序号 1 2 3 4 5 6 8 9 井号 Adhi-19 Adhi-20 Adhi-24 Adhi-25 Adhi-27 Adhi-28 Adhi-31 Adhi-32 甲方 PPL PPL PPL PPL PPL PPL PPL PPL 区块 Adhi Adhi Adhi Adhi Adhi Adhi Adhi Adhi 井型 开发井 开发井 开发井 开发井 开发井 开发井 开发井 开发井 井深 设计 2420 3081 3310 3017 3111 2732 3289 3582 实际 2861 3084 3343 3085 3114 2834 3370 3600 开完钻完井时间 开钻 2012-11-02 2013-11-08 2014-10-22 2015-10-14 2016-04-30 2016-11-17 2018-03-31 2018-06-22 完钻 2013-08-10 2014-05-15 2015-08-05 2016-03-15 2016-09-02 2017-03-28 2018-05-26 2018-08-11 完井 2013-09-10 2014-05-31 2015-09-10 2016-04-06 2016-10-10 2017-05-20 2018-06-02 2018-09-10 周期 （d） 钻井周期 222 204 228 159 126 133 55 50 完井周期 252 220 263 175 164 185 64 78 表2ADHI区块钻完井周期变化 参考文献 [1]Farrukh Sohail, Ahmed Gaffar. Drilling Program Geological Prognosis. 2014. [2]王小帅. 关于石油钻井提速技术发展的研究[J].石化技术， 2017 （12） 223. [3]刘德臣.新型提速工具在石油钻井中的应用与实践研究[J]. 中国化工贸易,2017 （14） 117. 56 ChaoXing