一種煤層安全鉆井泥漿密度窗口的預(yù)測(cè)方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤層鉆井工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及煤層鉆井中的井壁穩(wěn)定技術(shù)領(lǐng)域， 具體涉及一種基于正交弱面模型的煤層安全鉆井泥漿密度窗口的預(yù)測(cè)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 煤是由古代植物遺體埋藏地下并經(jīng)歷長(zhǎng)期的生物化學(xué)與地質(zhì)作用而轉(zhuǎn)變成的有 機(jī)巖石。在煤的形成過(guò)程中，各種地質(zhì)因素的影響使煤體內(nèi)形成大量裂隙，其中最主要的是 兩組近于垂直的割理。割理是在成煤的不同時(shí)期，由于煤化作用過(guò)程中揮發(fā)分、水分逸失產(chǎn) 生的收縮內(nèi)應(yīng)力而形成的系統(tǒng)裂隙，一般垂直于或接近垂直于煤層層面。主要裂隙組面割 理發(fā)育較完善，延伸可達(dá)數(shù)百米，端割理組發(fā)育在面割理之間，溝通了面割理。除割理外，煤 層還可能發(fā)育有節(jié)理、次級(jí)節(jié)理等裂隙。這些裂隙相互交叉切割，形成了復(fù)雜的裂隙系統(tǒng)。
[0003] 由于割理、裂隙的作用，煤體被切割成為一個(gè)個(gè)不連續(xù)的近似斜方體的小塊，破壞 了煤層的完整性。煤巖普遍發(fā)育的割理與裂縫導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性、各 向異性和滲透性的特點(diǎn)，機(jī)械強(qiáng)度較低且各向異性明顯，脆性較為顯著，導(dǎo)致鉆井過(guò)程中煤 層段井壁極不穩(wěn)定，極易發(fā)生井壁坍塌、井漏和卡鉆甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的 經(jīng)濟(jì)損失。
[0004] 傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)強(qiáng)度理論的煤層氣井壁穩(wěn)定性分析模型，將煤巖當(dāng)做均 勻連續(xù)介質(zhì)，認(rèn)為煤巖宏觀強(qiáng)度各向同性，僅考慮煤巖本體的破壞，不能恰當(dāng)?shù)乜紤]割理、 裂隙導(dǎo)致的煤巖不連續(xù)性、強(qiáng)度各向異性對(duì)煤層井壁穩(wěn)定的影響，利用這些傳統(tǒng)模型所預(yù) 測(cè)的煤層鉆井安全泥漿密度窗口在實(shí)際鉆井過(guò)程中經(jīng)常難以奏效。煤層中割理、裂隙屬于 軟弱結(jié)構(gòu)面，這種弱面的存在使得煤巖破壞呈現(xiàn)兩種可能性，即煤巖本體破壞以及割理弱 面破壞。鉆井過(guò)程中使用的泥漿密度值太低時(shí)，由于鉆井導(dǎo)致的應(yīng)力集中效應(yīng)，可能在這些 弱面上形成較大的剪切應(yīng)力作用，有可能使煤巖先于本體破壞而在這些弱面上發(fā)生剪切滑 移破壞。而如果鉆井過(guò)程中使用的泥漿密度值太高，一方面可能在煤巖本體中或者垂直于 弱面方向上形成拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致張拉破壞，另一方面由于弱面上的法向壓應(yīng)力減少，摩擦 抵抗力減小，也可能發(fā)生沿著弱面的剪切滑移破壞。因此在進(jìn)行煤層鉆井井壁穩(wěn)定性分析 并預(yù)測(cè)安全鉆井泥漿密度窗口時(shí)，應(yīng)針對(duì)煤層發(fā)育兩組正交割理組的特點(diǎn)，綜合考慮煤巖 發(fā)生本體破壞以及沿兩組割理弱面破壞的可能性，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層鉆井安全泥漿密度窗 □ 〇
[0005] 目前煤層鉆井井壁穩(wěn)定性分析與安全泥漿密度窗口預(yù)測(cè)尚未形成行之有效的辦 法，并未建立綜合考慮煤巖本體破壞與割理弱面破壞的煤層鉆井安全泥漿密度窗口預(yù)測(cè)方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供煤層鉆井井壁穩(wěn)定性分析和安全泥漿密度窗口的預(yù)測(cè)方法， 以解決現(xiàn)有技術(shù)中尚未有行之有效的煤層鉆井安全泥漿密度窗口預(yù)測(cè)方法的問題。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例提供一種煤層安全鉆井泥漿密度窗口的預(yù)測(cè)方 法，包括:獲取煤層的割理產(chǎn)狀，包括面割理與端割理的走向、傾向與傾角;取不同方向的煤 心，通過(guò)巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合分別獲得煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參數(shù);獲取所述煤層 的井斜角、方位角以及地應(yīng)力、孔隙壓力值;給定一較小的泥漿密度初始值，根據(jù)所述井斜 角、方位角、地應(yīng)力、孔隙壓力值、兩組割理面的單位法向矢量、煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參 數(shù)，并依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和弱面破壞準(zhǔn)則，分別計(jì)算井周應(yīng)力分布與兩組弱面上的法向應(yīng) 力與剪切應(yīng)力，并判斷是否發(fā)生煤巖本體剪切破壞或弱面滑移破壞，如果發(fā)生破壞，則提高 鉆井泥漿密度值，直至某一鉆井泥漿密度值能保證井壁上各處既不發(fā)生煤巖本體剪切破壞 也不發(fā)生沿兩組割理面的剪切滑移破壞，則將該鉆井泥漿密度值設(shè)定為安全鉆井泥漿密度 窗口下限Pb;從所述安全鉆井泥漿密度窗口下限Pb開始，逐步提高鉆井泥漿密度值，根據(jù)所 述井斜角、方位角、地應(yīng)力、孔隙壓力值、兩組割理面的單位法向矢量、煤巖本體與割理面的 強(qiáng)度參數(shù)，并依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和弱面破壞準(zhǔn)則，分別計(jì)算井周應(yīng)力分布與兩組弱面上的 法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力，并判斷是否由于形成拉應(yīng)力而發(fā)生本體張拉破壞、垂直于兩組割理 面的張拉破壞或者沿割理面的剪切滑移破壞，直至某一鉆井泥漿密度值會(huì)使井壁上至少一 點(diǎn)發(fā)生上述破壞形式之一，則將保證不發(fā)生任何破壞的泥漿密度值設(shè)定為安全鉆井泥漿密 度窗口上限Pf。
[0008] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，獲取煤層的割理產(chǎn)狀，包括面割理與端割理的走向、傾 向與傾角，包括:在巖心桶上安置刀具以便取心時(shí)在巖心上刻畫標(biāo)記，在操作過(guò)程中確保劃 痕通過(guò)巖心中心點(diǎn)且指向正北，取得巖心后，通過(guò)將割理與劃痕對(duì)比確定割理的走向、傾向 與傾角。
[0009] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，取不同方向的煤心，通過(guò)巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合分別 獲得煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參數(shù)，包括:取不同方向的煤心，進(jìn)行單軸與三軸巖石力學(xué)強(qiáng) 度測(cè)試，獲取煤巖強(qiáng)度隨加載方向與割理面之間夾角的變化規(guī)律;根據(jù)煤巖強(qiáng)度隨加載方 向與割理面之間夾角的變化規(guī)律，利用弱面破壞準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)擬合，獲得所述割理面的強(qiáng) 度參數(shù)，包括割理面的粘聚力c w與內(nèi)摩擦系數(shù)利用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)擬合，獲得所 述煤巖本體的強(qiáng)度參數(shù)，包括煤巖本體的粘聚力C與內(nèi)摩擦系數(shù)μ。
[0010] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，所述根據(jù)煤巖強(qiáng)度隨加載方向與割理面之間夾角的變 化規(guī)律，利用弱面破壞準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)擬合，獲得所述割理面的強(qiáng)度參數(shù)，包括割理面的粘聚 力匕與內(nèi)摩擦系數(shù)yw，包括
；其中，σ:為所述巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中所 獲取的軸壓，σ3為所述巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中所獲取的圍壓，β為所述加載方向與割理面之間的夾 角。
[0011] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，利用煤巖本體破壞準(zhǔn)則進(jìn)行參數(shù)擬合，獲得所述煤巖本 體的強(qiáng)度參數(shù)，包括煤巖本體的粘聚力C與內(nèi)摩擦系數(shù)μ， 其中，為所述巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中所獲取的軸壓，σ3為所述巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)中所獲取的圍壓。
[0012] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，給定一較小的泥漿密度初始值，根據(jù)所述井斜角、方位 角、地應(yīng)力、孔隙壓力值、兩組割理面的走向、傾向與傾角、煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參數(shù)， 并依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和弱面破壞準(zhǔn)則，分別計(jì)算井周應(yīng)力分布與兩組弱面上的法向應(yīng)力 與剪切應(yīng)力，并判斷是否發(fā)生煤巖本體剪切破壞或弱面滑移破壞，包括:利用弱面剪切滑移 破壞準(zhǔn)則判斷是否發(fā)生弱面滑移破壞:T = Cw+yw〇eff;其中，τ為弱面上的剪切應(yīng)力;Cw為所述 弱面粘聚力；〇 eff為弱面上的法向有效正應(yīng)力，oeff = σ-αρ，ρ為所述孔隙壓力，α為有效應(yīng)力 系數(shù)，σ為法向總應(yīng)力;弱面摩擦系數(shù)，八=_ 為所述弱面的內(nèi)摩擦角;若上 述等式的左邊大于右邊時(shí)，則發(fā)生了弱面滑移破壞，若上述等式的左邊小于右邊時(shí)，則沒有 發(fā)生弱面滑移破壞；
[0013] 利用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則判斷是否發(fā)生煤巖本體剪切破壞：
[0014]
:若上述等式的左邊大于右邊時(shí)，則發(fā)生了煤 巖本體剪切破壞，若上述等式的左邊小于右邊時(shí)，則沒有發(fā)生煤巖本體剪切破壞。
[0015] 進(jìn)一步地，在一實(shí)施例中，從所述安全鉆井泥漿密度窗口下限Pb開始，逐步提高鉆 井泥漿密度值，根據(jù)所述井斜角、方位角、地應(yīng)力、孔隙壓力值、兩組割理面的走向、傾向與 傾角、煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參數(shù)，并依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和弱面破壞準(zhǔn)則，分別計(jì)算井 周應(yīng)力分布與兩組弱面上的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力，并判斷是否由于形成拉應(yīng)力而發(fā)生本體 張拉破壞、垂直于兩組割理面的張拉破壞或者沿割理面的剪切滑移破壞，包括:利用弱面剪 切滑移破壞準(zhǔn)則判斷是否發(fā)生沿割理面的剪切滑移破壞：
[0016] T = Cw+yw〇eff;其中，τ為弱面上的剪切應(yīng)力；CW為所述弱面粘聚力；〇 eff為弱面上的 法向有效正應(yīng)力，〇(^ = 〇-<^，？為所述孔隙壓力，€(為有效應(yīng)力系數(shù)，〇為法向總應(yīng)力％為弱 面摩擦系數(shù)，/4:, = tan (凡為所述弱面的內(nèi)摩擦角;若上述等式的左邊大于右邊時(shí)，則 發(fā)生了沿割理面的剪切滑移破壞，若上述等式的左邊小于右邊時(shí)，則沒有發(fā)生沿割理面的 剪切滑移破壞；
[0017] 利用上述公式中的〇eff判斷是否發(fā)生垂直于兩組割理面的張拉破壞:若〇eff大于0， 則發(fā)生了垂直于兩組割理面的張拉破壞，若Oeff小于〇,則沒有發(fā)生垂直于兩組割理面的張 拉破壞。
[0018] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例還提供一種煤層安全鉆井泥漿密度窗口的預(yù)測(cè) 裝置，包括:割理產(chǎn)狀獲取模塊，用于獲取煤層的割理產(chǎn)狀，包括面割理與端割理的走向、傾 向與傾角;強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算模塊，用于取不同方向的煤心，通過(guò)巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合分別 獲得煤巖本體與割理面的強(qiáng)度參數(shù);地質(zhì)參數(shù)獲取模塊，用于獲取所述煤層的井斜角、方位 角以及地應(yīng)力、孔隙壓力值;下限窗口計(jì)算模塊，用于給定一較小的泥漿密度初始值，根據(jù) 所述井斜角、方位角、地應(yīng)力、孔隙壓力值、兩組割理面的單位法向矢量、煤巖本體與割理面 的強(qiáng)度參數(shù)，并依據(jù)摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則和弱面破壞準(zhǔn)則，分別計(jì)算井周應(yīng)力分布與兩組弱面上 的法向應(yīng)力與剪切應(yīng)力，并判斷是否發(fā)生煤巖本體剪切破壞或弱面滑移破壞，如果發(fā)生破 壞，則提高鉆井泥漿密度值，直至某一鉆井泥漿密度值能保證井壁上各處既不發(fā)生煤巖本 體剪切破壞也不發(fā)生沿兩組割理面的剪切滑移破壞，則將