在受限压力下进行钻探过程中，未饱和岩石发生脆性-韧性转变时的声发射特性

《Ultrasonics》：Acoustic emission characteristics of the brittle–ductile transition for unsaturated rock during drilling process with confining pressures

本研究通过结合声发射参数与钻井参数，探究水饱和岩石在应力场下的脆-塑性转变机制。实验采用红砂岩在不同围压和饱和度条件下进行钻进测试，发现脆性破坏事件在摩擦阶段多于切割阶段，围压和饱和度增加会抑制脆性破坏，水与围压对塑性破坏呈现相互抑制效应。研究成果为提高水丰富地层钻井效率提供理论依据。

　　

丁明晨|何明明|姚杨平|张波|马旭东

中国西安理工大学西北干旱地区生态水力学国家重点实验室，710048

摘要

在复杂的地质环境中提高钻井效率对现代钻井工程至关重要。钻井是一个高度隐蔽的过程，传统方法缺乏监测钻井过程中能量释放的能力。声发射监测技术为这一问题提供了解决方案。本研究旨在通过将声发射参数与钻井参数相结合，分析含水岩石的脆性-塑性转变机制，从而提高钻井效率。实验在四种围压和三种饱和度条件下对红砂岩进行了钻井。结果表明，在摩擦阶段发生的脆性破坏事件数量多于切割阶段。随着围压和饱和度的增加，脆性破坏事件的数量逐渐减少。水和围压对钻井过程中塑性破坏特性的增强具有相互抑制作用。具体来说，当围压达到20 MPa或饱和度达到100%时，脆性破坏事件的数量会增加。含水岩石的脆性-塑性转变临界深度随饱和度的升高而增加。钻井过程中脆性-塑性转变的延迟是由水引起的岩石劣化造成的。本研究的结果为在应力场条件下改善富水地层的钻井效率提供了宝贵的指导。

引言

岩石的破坏行为与其声学特性密切相关[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8]。在岩石地层的钻井过程中，从脆性破坏到塑性破坏的转变对确定钻井效率和井筒稳定性起着关键作用[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17]。声发射（AE）监测作为一种敏感的微裂纹起始和扩展指标[18]，能够为动态钻井条件下岩石损伤的演变提供有价值的见解[9],[13],[19],[20],[21]。通过定量分析AE参数，可以实时识别脆性-塑性转变并评估岩石的力学响应[22],[23]。不仅加深了对钻井过程中AE响应的理解，还为优化钻井参数和提高整体钻井效率提供了新方法。

岩石作为一种非均质、多相且各向异性的固结材料，在水、温度、围压和矿物成分等多种因素的影响下，其破坏模式会发生变化[24],[25]。通常观察到两种主要的岩石破坏模式：脆性和塑性[26]。岩石在干燥和大气条件下通常发生脆性破坏[27],[28]。处于高压环境中的岩石往往表现出塑性破坏特征[29]。脆性向塑性破坏的转变是逐渐发生的，并受围压的控制[30]。强度较低的岩石在较低的围压下会发生这种转变[31],[32]。水会削弱岩石的力学强度，而围压则会显著增强其强度[33],[34]。在饱和条件下，发生脆性-塑性转变所需的围压降低[35],[36]。这种转变受到岩石强度、孔隙度和矿物成分等因素的影响。在饱和条件下，脆性-塑性转变发生的围压范围较宽，其阈值低于干燥条件[37],[38]。这些脆性-塑性转变机制已通过常规力学试验得到证实。然而，在水的作用和原位应力场的影响下，钻头引起的岩石碎裂过程中的脆性-塑性转变机制尚未得到充分理解。

在钻头碎裂岩石的过程中观察到了脆性破坏和塑性破坏模式之间的转变[6],[8]。脆性破坏的特点是能量需求较低，岩石破碎效率较高[7]。为了提高效率，保持钻井过程处于脆性破坏状态更为理想[39]。研究表明，塑性破坏倾向于在较浅的钻井深度发生，而随着深度的增加，破坏模式会向脆性转变[40]。脆性-塑性转变的临界深度与围压呈负相关[41]。破碎区的形成决定了临界深度。围压与破碎区的形成密切相关。已经建立了非均质花岗岩的离散元模型来再现断裂区的形成[42]。结果表明，断裂区的自锁效应导致了岩石切片的二次碎裂，这是塑性破坏的主要原因[43]。还有研究表明，钻头引起的岩石破碎过程可以通过切割力的变化、岩石切片的形成和能量的变化来表达[44]。切割力的增加表明能量被岩石吸收，而减少则表明能量释放[45]。这些波动反映在切割力曲线中。切割力与岩石的主要破坏模式密切相关[46]。这些研究表明，钻头引起的岩石碎裂中的脆性-塑性转变与钻井参数的波动和能量的变化密切相关。以往的研究主要通过理论建模和数值模拟来探讨钻头引起的岩石碎裂中的脆性-塑性转变。在钻头引起的岩石碎裂过程中，直接监测脆性-塑性转变的方法仍然缺乏。

声发射（AE）技术已被用于监测材料变形过程中发生的断裂事件[47],[48]。与传统应力-应变分析[49],[50]相比，AE参数提供了更直接和可靠的评估岩石内部力学响应的方法。大量研究利用AE参数来研究断裂的起始、扩展和聚合过程，阐明了岩石破坏机制[51],[52]。能量和环计数等参数已被证明可以从能量释放的角度解释断裂类型和相应的破坏模式[53],[54]。研究表明，高能量释放事件与微裂纹的聚合和穿透有关，而断裂扩展很少产生如此高的能量信号。Brantut等人[55]研究了不同脆性岩石的损伤演变，发现高脆性岩石产生了更多高能量的断裂和更密集的裂纹核化。RA–AF值常用于在AE分析中区分拉伸破坏和剪切破坏[56],[57],[58]。拉伸断裂表明岩石发生脆性破坏，而剪切断裂与塑性破坏相关[59]。脆性较高的岩石在破坏过程中表现出更多的拉伸断裂。Niu等人[60]基于RA–AF值证明，随着温度的升高，拉伸破坏的比例增加。热应力下从脆性到塑性破坏的转变得到了证实。由于钻头在井筒内和地表下的岩石体中发生碎裂，这种转变是隐蔽的，无法直接观察[61]。上述研究表明，AE方法可以通过监测能量释放有效地分析破坏类型。这一认识促使将AE技术与钻井参数相结合，以研究钻头引起的岩石碎裂中的脆性-塑性转变机制。

本研究旨在通过将声发射参数与钻井参数相结合，分析含水岩石在钻井过程中的脆性-塑性转变机制，从而提高钻井效率。实验在三种饱和度和四种围压条件下对红砂岩进行了钻井。钻井过程分为两个阶段，使用声发射数据检查了每个阶段钻头引起的岩石碎裂的脆性-塑性特征。采用标准化的RA–AF参数来识别不同阶段的主要破坏模式。分析了钻井过程中机械比能（MSE）的变化，以验证RA–AF参数在分类破坏模式方面的可靠性。讨论了水和围压对钻井过程中脆性-塑性破坏机制的影响。本研究提出了一种通过RA–AF参数识别钻头引起的岩石碎裂中脆性-塑性转变的方法。该方法适用于钻井工程，并对提高富水地层的效率具有重要意义。

部分摘录

样品制备

所使用的岩石样品来自山东省日照市。该红砂岩具有高渗透性、细粒结构和良好的均匀性。其成分以碎屑矿物和粘土矿物为主，形成了富粘土的胶结结构。碎屑矿物包括石英、长石、方解石以及少量的赤铁矿和云母。粘土矿物由蒙脱石、伊利石、高岭石和绿泥石组成。

F_n – F_t响应分析

首先在不同围压和饱和度条件下分析了推力（F_n）和扭矩（F_t）之间的关系，以确定钻头-岩石相互作用的特征阶段。在四种围压下，对三种饱和度的红砂岩样品进行了钻井实验。图5展示了F_n–F_t的相关曲线。F_n–F_t曲线的趋势显示初期迅速增加，随后波动相对稳定。

讨论

本研究通过声发射参数和钻井参数研究了岩石的钻井过程。通过分析钻井压力F_n、切割力F_t、临界点、环计数和能量来研究岩石在钻井过程中的响应机制。引入RA–AF参数来表征整个钻井过程中的岩石破坏模式以及围压和饱和度的影响。

结论

本研究在不同的应力场条件下对不同饱和度的红砂岩进行了一系列钻井试验。使用声发射设备监测钻井过程。目的是通过声发射参数分析钻井过程中的裂纹类型。研究了钻头引起的岩石破坏模式的转变，以及水-岩石-钻头相互作用机制。主要发现如下：

(1)

遵守伦理标准

作者声明遵守伦理标准。

CRediT作者贡献声明

丁明晨：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，软件使用，资源获取，方法论研究，数据分析，数据管理。何明明：项目管理，资金获取，概念构思。姚杨平：监督。张波：验证。马旭东：数据可视化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42177158）和中国陕西省教育部门科学研究计划项目（项目编号24JE019）的资助。感谢这些资助方的支持。