CN104778303A - 一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，按照先后顺序包括以下步骤：制备岩芯样品；选取四块进行三轴压缩试验和声发射试验，确定岩芯样品所处地层的地应力；选取两块进行三轴压缩试验，测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；选取八块置于钻井液中浸泡不同时间后进行三轴压缩试验，测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；将岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角分别与浸泡时间进行线性拟合；利用流固耦合理论建立裂缝型地层井周围岩应力分布模型；利用弹性力学坐标变换理论建立裂缝型地层弱面破坏模型；确定钻井液性能参数之间的关系图版。本发明的设计方法，可以根据现场对井壁稳定的要求，定量优化钻井液关键性能参数。

Description

一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法

技术领域

本发明属于油气钻探工程技术领域，涉及钻井液性能参数的设计方法，尤其涉及一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法。

背景技术

近年来，国内外许多油气田在钻遇裂缝型地层时经常发生井壁坍塌掉块、井径扩大、井漏、卡钻、埋住井下钻具和电测仪器等复杂事故，导致钻井周期延长，钻井成本提高，严重阻碍了油气的勘探开发。裂缝型地层的显著特点是微裂缝(岩石弱面)普遍发育。一方面，微裂缝的存在本身会降低岩石的力学强度；另一方面，微裂缝为钻井液侵入地层岩石内部提供了通道，当钻井液不能对地层微裂缝形成有效封堵时，钻井液很容易沿着微裂缝侵入地层岩石内部。钻井液侵入地层岩石内部，不仅降低地层有效应力，而且降低岩石裂缝面间的滑动阻力，诱发微裂缝逐渐扩展和岩石力学强度进一步下降，从而导致地层坍塌压力增大，加剧井壁失稳。

目前，关于裂缝型地层防塌钻井液性能的设计方法，主要通过地质调研、现场钻井复杂情况调研、失稳井段地层理化性能分析等手段，再根据经验选择钻井液配方和优化钻井液性能。该设计方法主要从定性评价和提高钻井液性能方面入手，不涉及井壁稳定力学模型，未考虑钻井液对井周围岩的力学性能和应力分布的影响，也未建立钻井液关键性能参数与井壁稳定性的内在联系，无法定量反映钻井液对保持井壁稳定的实际应用效果，因此，急需开发一种基于岩石力学的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，以满足井壁稳定的要求。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：对钻井取芯获得的岩石进行加工，制备岩芯样品；

步骤二：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验和声发射试验，确定岩芯样品所处地层的地应力；

步骤三：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验，测试岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤四：选取岩芯样品，置于钻井液中浸泡不同时间，并进行岩石三轴压缩试验，测试浸泡不同时间后岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤五：将岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角分别与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间进行线性拟合；

步骤六：利用流固耦合力学理论建立裂缝型地层井周围岩应力分布模型，并结合流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理，求解裂缝型地层井周围岩应力分布的解析值；

步骤七：利用弹性力学坐标变换理论建立裂缝型地层弱面破坏模型；

步骤八：基于裂缝型地层的井周围岩应力分布模型和弱面破坏模型，结合岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与浸泡时间的拟合函数，计算满足一定井壁稳定条件所要求的钻井液性能参数，并确定钻井液性能参数之间的关系图版；

步骤九：根据现场井壁稳定的要求，在钻井液性能参数之间的关系图版中选择合理的钻井液性能，即可实现裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计。

本发明的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，主要通过建立适于裂缝型地层的井壁稳定力学模型，结合室内试验，计算出实现现场井壁稳定要求所需要的钻井液关键性能参数。根据对裂缝型地层井壁失稳机理的分析发现，钻井液密度选择不合理和钻井液封堵性能较差是导致井壁失稳的重要原因。因此，本发明设计的钻井液关键性能参数为钻井液密度和钻井液渗透系数。本发明的设计方法充分结合了影响井壁稳定的力学因素和化学因素，能够定量设计钻井液关键性能参数和定量反映钻井液对保持井壁稳定的实际应用效果，更好的实现井壁稳定的要求。

优选的是，所述步骤一中，制备十四块岩芯样品，其中四块用于确定岩芯样品所处地层的地应力，两块用于测试未经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角，八块用于测试经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角。针对井下某一构造深度的裂缝型地层，钻井取芯获得任意形状的岩石，通常为圆柱形；然后制备岩芯样品，其形状通常为圆柱形。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品，其不含有微裂缝或者基本不含有微裂缝。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品的钻取方法为，在垂直岩石方向和垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取。即所述岩芯样品的钻取方法为在垂直岩石方向钻取一块、在垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取三块。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤二中，岩芯样品所处地层的地应力包括上覆地层地应力、地层最大水平主应力和地层最小水平主应力。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤三中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品，其含有相同特点的微裂缝或者含有基本相同特点的微裂缝。

在上述任一方案中优选的是，所述岩芯样品未经过钻井液浸泡。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤四中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品，其含有相同特点的微裂缝或者含有基本相同特点的微裂缝。

在上述任一方案中优选的是，将八块岩芯样品平均分成四组，所述四组岩芯样品在钻井液中分别浸泡三天、六天、十二天和二十四天。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤五中，岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间的拟合函数均为二元一次函数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤六中，流固耦合力学理论的基本方程包括本构方程和其他方程。

在上述任一方案中优选的是，所述流固耦合力学理论的本构方程为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}{M}_{11}& M_{12}& M_{13}& 0& 0& 0\\ M_{12}& M_{11}& M_{13}& 0& 0& 0\\ M_{13}& M_{13}& M_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& M_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& M_{55}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& M_{55}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\α}}^{\′}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]p$

其中，p——井周围岩孔隙压力，MPa；

M_ij——刚度矩阵系数；

σ——井周围岩应力，MPa；

ε——井周围岩应变；

α——平行于层里面的毕奥特系数；

α′——垂直于层里面的毕奥特系数。

$M_{11}=\frac{E(E^{\′}-E{v}^{\′2})}{(1+v)(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})},M_{12}=\frac{E(E^{\′}v+E{v}^{\′2})}{(1+v)(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})}$

$M_{13}=\frac{E{E}^{\′}{v}^{\′}}{(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})},M_{33}=\frac{E^{\′2}(1-v)}{(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{M_{11}+M_{12}+M_{13}}{3K_s},{\mathrm{\α}}^{\′}=1-\frac{2M_{13}+M_{33}}{3K_s}$

其中，E——平行于层里面的弹性模量，GPa；

E′——垂直于层里面的弹性模量，GPa；

v——平行于层里面的泊松比；

v'——垂直于层里面的泊松比；

K_s——岩石基质体积模量，GPa。

在上述任一方案中优选的是，所述井周围岩孔隙压力的本构方程为

p＝M[ζ-α(ε_xx+ε_yy)-α'ε_zz]

其中，M——毕奥模量，GPa；

ζ——流体体积变化。

在上述任一方案中优选的是，所述流固耦合力学理论的其他方程包括流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程和协调方程。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤六中，裂缝型地层井周围岩应力分布的计算公式为

sp^lap＝p₀+S₀[(c_f/2Gκ)C₁K₂(ξ₁r)+A₁C₂(r_w ²/r²)]cos2(θ)

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{lap}}=-P_0+S_0\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)+(P_0-p_w)({r_w}^2/r^2)\\ +S_0\left[A_1{C}_1\right\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[6/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}-A_2{C}_2({r_w}^2/r^2)-3C_3({r_w}^4/r^4)]\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\mathrm{lap}}=-P_0-S_0\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)+(P_0-p_w)({r_w}^2/r^2)\\ +S_0[-A_1{C}_1\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[1+6/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}+3C_3({r_w}^4/r^4)]\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

${\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{zz}}^{\mathrm{lap}}=-S_v+v^{\′}(S_h+S_H)+({\mathrm{\α}}^{\′}-2v^{\′}\mathrm{\α})p_0+v^{\′}({\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{lap}}+{\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\mathrm{lap}})-({\mathrm{\α}}^{\′}-2v^{\′}\mathrm{\α}){\mathrm{sp}}^{\mathrm{lap}}$

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{r\θ}}^{\mathrm{lap}}=-S_0\sin 2\left(\mathrm{\θ}\right)+S_0\left[2A_1{C}_1\right\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[3/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}\\ -(A_2/2)C_2({r_w}^2/r^2)-3C_3({r_w}^4/r^4)]\sin 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

${{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^{\mathrm{lap}}=\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θz}}^{\mathrm{lap}}=0$

其中，K_n(x)——第n类修正贝塞尔函数，n为阶数；

s——拉普拉斯域下的时间因子；

ζ——流体体积变化；

θ——井周角，°；

r_w——井眼半径，cm；

r——井眼中心至地层内部某一点的距离，cm；

c_f——流体扩散系数，m²/s；

α——平行于层里面的毕奥特系数；

α′——垂直于层里面的毕奥特系数；

v——平行于层里面的泊松比；

v'——垂直于层里面的泊松比；

G——平行于层里面的剪切模量，GPa；

G′——垂直于层里面的剪切模量，GPa；

κ——地层渗透率，Darcy(达西)；

p_w——钻井液液柱压力，MPa；

S_v——上覆地层地应力，MPa；

S_H——地层最大水平主应力，MPa；

S_h——地层最小水平主应力，MPa。

在上述任一方案中优选的是，所述裂缝型地层井周围岩应力分布的计算公式中，

P₀＝(S_h+S_H)/2

$S_0=0.5\sqrt{{(S_H-S_h)}^2}$

${\mathrm{\ζ}}_1=\sqrt{s/c_f}$

A₁＝αM/(M₁₁+α²M)

A₂＝M₁₁+M₁₂+2α²M/(M₁₁+α²M)

B₁＝(M₁₁/2Gα)K₂(ξ₁r_w)

B₂＝[1/ξ₁r_w]K₁(ξ₁r_w)+[6/(ξ₁r_w)²]K₂(ξ₁r_w)

B₂＝2{[1/ξ₁r_w]K₁(ξ₁r_w)+[3/(ξ₁r_w)²]K₂(ξ₁r_w)}

C₁＝4/[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]

C₂＝-4B₁/[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]

C₃＝[2A₁(B₂+B₃)+3A₂B₁]/{3[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]}

其中，M——毕奥模量，GPa；

M_ij——刚度矩阵系数。

基于多孔介质流固耦合力学理论，结合多孔介质弹性本构方程、流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程、协调方程和拉普拉斯变换原理得到非均匀地应力场下井周围岩的孔隙压力分布和应力分布。

上述结果为拉普拉斯域下井周围岩应力分布的解析值。通过拉普拉斯逆变换可得到时域下井周围岩应力分布的解析值。σ_rr,σ_θθ,σ_zz,σ_rθ,σ_rz,σ_θz为拉普拉斯逆变换后的井周围岩应力分布。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤七中，裂缝型地层弱面破坏模型的建立，按照先后顺序包括以下步骤：

(1)将井周围岩应力分布从极坐标系下变换至井筒直角坐标系下；

(2)将井周围岩应力分布从井筒直角坐标系下变换至大地坐标系下；

(3)将井周围岩应力分布从大地坐标系下变换至弱面坐标系下；

(4)基于岩石弱面破坏准则，建立井壁稳定力学模型N≥0，其中，N——裂缝型地层坍塌压力指数，MPa。

基于弹性力学坐标变换技术，将井周围岩的应力分布转换至弱面坐标系下，通过判断弱面剪切力与正应力引起的摩擦力之间的大小关系，判断某一钻井液性能下弱面地层是否发生剪切破坏而导致井壁失稳。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(1)中，在井筒直角坐标系下，井周围岩应力分布为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{CCS}}=C^T\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}& 0\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right\}C=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_x& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\σ}}_y& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}& {\mathrm{\σ}}_z\end{array}\right\}$

其中， $C=\left\{\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right\}$

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(2)中，在大地坐标系下，井周围岩应力分布为

σ_GCS＝E^T×σ_CCS×E

其中， $E=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\β}}_b& \sin {\mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\β}}_b& \sin {\mathrm{\β}}_b\\ -\sin {\mathrm{\α}}_b& \cos {\mathrm{\α}}_b& 0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\β}}_b& -\sin {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\β}}_b& \cos {\mathrm{\β}}_b\end{array}\right\}$

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(3)中，在弱面坐标系下，井周围岩应力分布为

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{BPCS}}=W\×{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{GCS}}\×W^T=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}^w\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yx}}^w& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}^w\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zy}}^w& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}^w\end{array}\right\}$

其中， $W=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_w\cos {\mathrm{\β}}_w& \sin {\mathrm{\α}}_w\cos {\mathrm{\β}}_w& \sin {\mathrm{\β}}_w\\ -\sin {\mathrm{\α}}_w& \cos {\mathrm{\α}}_w& 0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_w\sin {\mathrm{\β}}_w& -\sin {\mathrm{\α}}_w\sin {\mathrm{\β}}_w& \cos {\mathrm{\β}}_w\end{array}\right\}$

在上述任一方案中优选的是，所述步骤(4)中，裂缝型地层坍塌压力指数为

$N=(S_w+\mathrm{tg}\left(U_w\right)({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}^w-p_w))-\sqrt{{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}^w\right)}^2+{\left({\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zy}}^w\right)}^2}$

其中，U_w——岩石弱面内摩擦角，°；

S_w——岩石弱面粘聚力，MPa；

p_w——钻井液液柱压力，MPa；

θ——井周角，°；

α_b——井筒方位角，°；

β_b——井筒斜角，°；

——岩石弱面倾向，°；

β_w——岩石弱面倾角，°。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤八中，井壁稳定条件包括井径扩大率和/或井壁稳定时间。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤八中，钻井液性能参数包括钻井液密度和钻井液渗透系数。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤八中，确定钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版。

根据设定的井壁稳定要求(井径扩大率和/或井壁稳定时间)，反演钻井液密度和钻井液渗透系数两个关键性能参数，并将钻井液密度与钻井液渗透系数建立一一对应关系，以此建立钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版。其中，钻井液渗透系数是指在压差作用下裂缝型地层被钻井液封堵后能够被钻井液滤液透过的能力，其综合反映了钻井液的封堵性能，与钻井液密度、粘度、裂缝形态和配方级配等因素有关。渗透系数的数值等于裂缝型地层在被钻井液封堵情况下的平均渗透率。实验室评价钻井液渗透系数时，主要通过岩芯动态流动仪测定岩石在钻井液封堵作用下的平均渗透率。

本发明的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，主要是基于岩石力学的相关理论，该方法结合了裂缝型地层井壁稳定力学模型和室内岩石力学试验，设计钻井液关键性能参数。利用该设计方法可以根据现场对井壁稳定的要求(井径扩大率和/或井壁稳定时间)，并且在保持钻井液的pH值、流变特性和抑制特性与现场所用钻井液性能相同的情况下，定量优化和设计钻井液的关键性能参数(钻井液密度和钻井液渗透系数)。该设计方法简单易懂、操作便捷，为优化钻井液配方提供了科学依据，进而能够更好的实现井壁稳定，防止井下复杂情况的发生。

附图说明

图1为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的一优选实施例流程图；

图2为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中声发射试验所用岩芯样品的钻取方法示意图；

图3为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中岩石弱面粘聚力与其在钻井液中浸泡时间的关系图；

图4为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中岩石弱面内摩擦角与其在钻井液中浸泡时间的关系图；

图5为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中裂缝型地层井周围岩的径向应力分布图；

图6为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中裂缝型地层井周围岩的周向应力分布图；

图7为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中不同坐标系之间的变换关系图；

图8为按照本发明裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法的图1所示实施例中钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版。

具体实施方式

为了更进一步了解本发明的发明内容，下面将结合具体实施例详细阐述本发明。

如图1所示，一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：对钻井取芯获得的岩石进行加工，制备岩芯样品；

步骤二：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验和声发射试验，确定岩芯样品所处地层的地应力；

步骤三：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验，测试岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤四：选取岩芯样品，置于钻井液中浸泡不同时间，并进行岩石三轴压缩试验，测试浸泡不同时间后岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤五：将岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角分别与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间进行线性拟合；

步骤六：利用流固耦合力学理论建立裂缝型地层井周围岩应力分布模型，并结合流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理，求解裂缝型地层井周围岩应力分布的解析值；

步骤七：利用弹性力学坐标变换理论建立裂缝型地层弱面破坏模型；

步骤八：基于裂缝型地层的井周围岩应力分布模型和弱面破坏模型，结合岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与浸泡时间的拟合函数，计算满足一定井壁稳定条件所要求的钻井液性能参数，并确定钻井液性能参数之间的关系图版；

步骤九：根据现场井壁稳定的要求，在钻井液性能参数之间的关系图版中选择合理的钻井液性能，即可实现裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计。

步骤一中，制备十四块岩芯样品，其中四块用于确定岩芯样品所处地层的地应力，两块用于测试未经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角，八块用于测试经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角。针对井下某一构造深度为3700米的裂缝型地层，钻井取芯获得圆柱形岩石；然后制备岩芯样品，其形状为圆柱形，圆柱长度为50mm、直径为25mm。

步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品基本不含有微裂缝，并且岩芯样品的钻取方法为在垂直岩石方向钻取一块、在垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取三块，如图2所示。

对岩芯样品进行岩石三轴压缩试验，测定岩芯样品的声发射信号，同时根据声发射Kaiser应力点，确定该岩芯样品所处地层的地应力。试验结果为，上覆地层地应力σ_v＝97MPa、地层最大水平主应力σ_H＝83MPa和地层最小水平主应力σ_h＝68MPa。

本实施例的测试试验在Terratek岩石力学测试系统和LocanAT-14ch声发射系统上进行，该系统是一套可编程的温度、压力控制系统和声发射实时监控系统，可连续对应变进行测定、记录，并且根据预先设定的程序模式自动进行温度控制和压力控制。

步骤三中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品含有基本相同特点的微裂缝。两块岩芯样品未经过钻井液浸泡。本实施例的测试试验在Terratek岩石力学测试系统进行。

步骤四中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品含有基本相同特点的微裂缝。将八块岩芯样品平均分成四组，四组岩芯样品在钻井液中分别浸泡三天、六天、十二天和二十四天。本实施例的测试试验在Terratek岩石力学测试系统进行。

步骤五中，岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间的拟合函数均为二元一次函数。

本实施例中，岩石弱面粘聚力与浸泡时间(天数)的拟合函数为S_w＝0.036t²-1.2044t+20.58，二者之间的关系如图3所示；岩石弱面内摩擦角与浸泡时间(天数)的拟合函数为U_w＝0.0124t²-0.4077t+24.786，二者之间的关系如图4所示。

步骤六中，流固耦合力学理论的基本方程包括本构方程和其他方程。其他方程包括流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程和协调方程。

本实施例中，流固耦合力学理论的本构方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}{M}_{11}& M_{12}& M_{13}& 0& 0& 0\\ M_{12}& M_{11}& M_{13}& 0& 0& 0\\ M_{13}& M_{13}& M_{33}& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& M_{44}& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& M_{55}& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& M_{55}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{xx}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{yy}}\\ {\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{zz}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{xy}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\γ}}_{\mathrm{zx}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\α}}^{\′}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]p$

其中，p——井周围岩孔隙压力，MPa；

M_ij——刚度矩阵系数；

σ——井周围岩应力，MPa；

ε——井周围岩应变；

α——平行于层里面的毕奥特系数；

α′——垂直于层里面的毕奥特系数。

$M_{11}=\frac{E(E^{\′}-E{v}^{\′2})}{(1+v)(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})},M_{12}=\frac{E(E^{\′}v+E{v}^{\′2})}{(1+v)(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})}$

$M_{13}=\frac{E{E}^{\′}{v}^{\′}}{(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})},M_{33}=\frac{E^{\′2}(1-v)}{(E^{\′}-E^{\′}v-2E{v}^{\′2})}$

$\mathrm{\α}=1-\frac{M_{11}+M_{12}+M_{13}}{3K_s},{\mathrm{\α}}^{\′}=1-\frac{2M_{13}+M_{33}}{3K_s}$

其中，E——平行于层里面的弹性模量，GPa；

E′——垂直于层里面的弹性模量，GPa；

v——平行于层里面的泊松比；

v'——垂直于层里面的泊松比；

K_s——岩石基质体积模量，GPa。

井周围岩孔隙压力的本构方程为：

p＝M[ζ-α(ε_xx+ε_yy)-α'ε_zz]

其中，M——毕奥模量，GPa；

ζ——流体体积变化。

步骤六中，裂缝型地层井周围岩应力分布的计算公式为：

sp^lap＝p₀+S₀[(c_f/2Gκ)C₁K₂(ξ₁r)+A₁C₂(r_w ²/r²)]cos2(θ)

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{lap}}=-P_0+S_0\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)+(P_0-p_w)({r_w}^2/r^2)\\ +S_0\left[A_1{C}_1\right\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[6/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}-A_2{C}_2({r_w}^2/r^2)-3C_3({r_w}^4/r^4)]\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\mathrm{lap}}=-P_0-S_0\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)+(P_0-p_w)({r_w}^2/r^2)\\ +S_0[-A_1{C}_1\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[1+6/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}+3C_3({r_w}^4/r^4)]\cos 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

${\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{zz}}^{\mathrm{lap}}=-S_v+v^{\′}(S_h+S_H)+({\mathrm{\α}}^{\′}-2v^{\′}\mathrm{\α})p_0+v^{\′}({\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{rr}}^{\mathrm{lap}}+{\mathrm{s\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}^{\mathrm{lap}})-({\mathrm{\α}}^{\′}-2v^{\′}\mathrm{\α}){\mathrm{sp}}^{\mathrm{lap}}$

$\begin{array}{c}s{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{r\θ}}^{\mathrm{lap}}=-S_0\sin 2\left(\mathrm{\θ}\right)+S_0\left[2A_1{C}_1\right\{(1/{\mathrm{\ξ}}_{1}r)K_1\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)+[3/{\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)}^2]K_2\left({\mathrm{\ξ}}_{1}r\right)\}\\ -(A_2/2)C_2({r_w}^2/r^2)-3C_3({r_w}^4/r^4)]\sin 2\left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}$

${{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rz}}^{\mathrm{lap}}=\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θz}}^{\mathrm{lap}}=0$

其中，K_n(x)——第n类修正贝塞尔函数，n为阶数；

s——拉普拉斯域下的时间因子；

ζ——流体体积变化；

θ——井周角，°；

r_w——井眼半径，cm；

r——井眼中心至地层内部某一点的距离，cm；

c_f——流体扩散系数，m²/s；

α——平行于层里面的毕奥特系数；

α′——垂直于层里面的毕奥特系数；

v——平行于层里面的泊松比；

v'——垂直于层里面的泊松比；

G——平行于层里面的剪切模量，GPa；

G′——垂直于层里面的剪切模量，GPa；

κ——地层渗透率，Darcy(达西)；

p_w——钻井液液柱压力，MPa；

S_v——上覆地层地应力，MPa；

S_H——地层最大水平主应力，MPa；

S_h——地层最小水平主应力，MPa。

裂缝型地层井周围岩应力分布的计算公式中，

P₀＝(S_h+S_H)/2

$S_0=0.5\sqrt{{(S_H-S_h)}^2}$

${\mathrm{\ζ}}_1=\sqrt{s/c_f}$

A₁＝αM/(M₁₁+α²M)

A₂＝M₁₁+M₁₂+2α²M/(M₁₁+α²M)

B₁＝(M₁₁/2Gα)K₂(ξ₁r_w)

B₂＝[1/ξ₁r_w]K₁(ξ₁r_w)+[6/(ξ₁r_w)²]K₂(ξ₁r_w)

B₂＝2{[1/ξ₁r_w]K₁(ξ₁r_w)+[3/(ξ₁r_w)²]K₂(ξ₁r_w)}

C₁＝4/[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]

C₂＝-4B₁/[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]

C₃＝[2A₁(B₂+B₃)+3A₂B₁]/{3[2A₁(B₃-B₂)-A₂B₁]}

其中，M——毕奥模量，GPa；

M_ij——刚度矩阵系数。

基于多孔介质流固耦合力学理论，结合多孔介质弹性本构方程、流体运动方程、平衡方程、几何方程、质量守恒方程、协调方程和拉普拉斯变换原理得到非均匀地应力场下井周围岩的孔隙压力分布和应力分布。裂缝型地层井周围岩的径向应力分布和周向应力分布分别如图5和图6所示。

上述结果为拉普拉斯域下井周围岩应力分布的解析值。通过拉普拉斯逆变换可得到时域下井周围岩应力分布的解析值。σ_rr,σ_θθ,σ_zz,σ_rθ,σ_rz,σ_θz为拉普拉斯逆变换后的井周围岩应力分布。

步骤七中，裂缝型地层弱面破坏模型的建立，按照先后顺序包括以下步骤：(1)将井周围岩应力分布从极坐标系下变换至井筒直角坐标系下。

在井筒直角坐标系下，井周围岩应力分布为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{CCS}}=C^T\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rr}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}& 0\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{r\θ}}& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ\θ}}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right\}C=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_x& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}& {\mathrm{\σ}}_y& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}& {\mathrm{\σ}}_z\end{array}\right\}$

其中， $C=\left\{\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right\}$

(2)将井周围岩应力分布从井筒直角坐标系下变换至大地坐标系下。

在大地坐标系下，井周围岩应力分布为：

σ_GCS＝E^T×σ_CCS×E

其中， $E=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\β}}_b& \sin {\mathrm{\α}}_b\cos {\mathrm{\β}}_b& \sin {\mathrm{\β}}_b\\ -\sin {\mathrm{\α}}_b& \cos {\mathrm{\α}}_b& 0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\β}}_b& -\sin {\mathrm{\α}}_b\sin {\mathrm{\β}}_b& \cos {\mathrm{\β}}_b\end{array}\right\}$

(3)将井周围岩应力分布从大地坐标系下变换至弱面坐标系下。

在弱面坐标系下，井周围岩应力分布为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{BPCS}}=W\×{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{GCS}}\×W^T=\left\{\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{xx}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xz}}^w\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yx}}^w& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{yy}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}^w\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}^w& {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zy}}^w& {\mathrm{\σ}}_{\mathrm{zz}}^w\end{array}\right\}$

其中， $W=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_w\cos {\mathrm{\β}}_w& \sin {\mathrm{\α}}_w\cos {\mathrm{\β}}_w& \sin {\mathrm{\β}}_w\\ -\sin {\mathrm{\α}}_w& \cos {\mathrm{\α}}_w& 0\\ -\cos {\mathrm{\α}}_w\sin {\mathrm{\β}}_w& -\sin {\mathrm{\α}}_w\sin {\mathrm{\β}}_w& \cos {\mathrm{\β}}_w\end{array}\right\}$

(4)基于岩石弱面破坏准则，建立井壁稳定力学模型N≥0，其中，N——裂缝型地层坍塌压力指数，MPa。N<0，代表弱面地层发生剪切滑移破坏。

裂缝型地层坍塌压力指数为：

$N=(S_w+\mathrm{tg}\left(U_w\right)({\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{zz}}^w-p_w))-\sqrt{{\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{zx}}^w\right)}^2+{\left({\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{zy}}^w\right)}^2}$

其中，U_w——岩石弱面内摩擦角，°；

S_w——岩石弱面粘聚力，MPa；

p_w——钻井液液柱压力，MPa；

θ——井周角，°；

α_b——井筒方位角，°；

β_b——井筒斜角，°；

——岩石弱面倾向，°；

β_w——岩石弱面倾角，°。

基于弹性力学坐标变换技术，将井周围岩的应力分布转换至弱面坐标系下，如图7所示。通过判断弱面剪切力与正应力引起的摩擦力之间的大小关系，判断某一钻井液性能下弱面地层是否发生剪切破坏而导致井壁失稳。

步骤八中，井壁稳定条件包括井径扩大率和/或井壁稳定时间。钻井液性能参数包括钻井液密度和钻井液渗透系数。根据设定的井壁稳定要求(井径扩大率和/或井壁稳定时间)，反演钻井液密度和钻井液渗透系数两个关键性能参数，并将钻井液密度与钻井液渗透系数建立一一对应关系，以此建立钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版。

基于岩石弱面破坏准则，计算满足一定井壁稳定条件所要求的钻井液密度和钻井液渗透系数时，先假定在某一井眼半径处(井眼扩径后的井径)发生井壁破坏，代入钻井液粘度、地层地应力、地层裂缝开度、裂缝倾向、裂缝倾角等参数；再根据岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与钻井液浸泡时间的函数式，计算岩石在钻井液中浸泡一定时间时的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角，将该数据代入弱面破坏准则中，得到裂缝型地层坍塌压力指数。计算时，先预设一个较小的钻井液密度值，然后反向计算出一个相对应的地层岩石平均渗透率，该地层岩石平均渗透率等于钻井液渗透系数。将多个钻井液密度和钻井液渗透系数一一对应，绘制二者之间的关系曲线，该曲线即为满足井壁稳定要求(井径扩大率和/或井壁稳定时间)下，保持井壁稳定所需的钻井液关键性能参数(钻井液密度和钻井液渗透系数)之间的关系图版。

本实施例中，所用到的主要参数为：所要求的井壁稳定时间为25天，钻井液塑性粘度为23mPa.s，井下裂缝平均缝宽为0.05mm，上覆地层地应力σ_v为97MPa，地层最大水平主应力σ_H为83MPa，地层最小水平主应力σ_h为68MPa；岩石原始弹性模量(垂直、平行于层里面)为33GPa，岩石原始泊松比(垂直、平行于层里面)为0.25；毕奥模量为22GPa；25天后岩石弱面粘聚力S_w为13.0MPa，25天后岩石弱面内摩擦角U_w为22.3°，水平最大主应力与弱面倾向相同，弱面倾角为20°，材料常数B为0.8，初始井眼半径为12.5cm，初始地层孔隙压力为1.1g/cm³。要求井壁稳定25天所计算出的钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版如图8所示。

步骤九中，根据现场需求，从钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版中，选择合适的钻井液关键性能参数。

由于提高钻井液密度和调节钻井液封堵性能对钻井液成本、钻井液维护的便利性和机械钻速等方面均有影响，因此不能单纯调节钻井液的某一项性能。本实施例中，保持钻井液的pH值、流变性、抑制性基本不变，对照钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版发现，当保持现场钻井液密度1.3g/cm³不变，且可允许井径扩大率为10％时，要求钻井液渗透系数不大于0.18Md；当保持钻井液密度1.3g/cm³不变，且可允许井径扩大率为15％时，要求钻井液渗透系数不大于0.25Md；当保持钻井液密度1.3g/cm³不变，且可允许井径扩大率为20％时，要求钻井液渗透系数不大于0.33Md。当钻井液渗透系数为0Md时，即钻井液完全不侵入地层，若要求井径扩大率为15％，此时所需要的钻井液密度为1.23g/cm³。如果希望少加入钻井液封堵剂，即仅能保持钻井液渗透系数不大于0.6Md，此时所需要的钻井液密度为1.35g/cm³，但此时由于钻井液密度较高，可能导致钻井液漏失，且钻井液密度较高会影响机械钻速，因此实际钻井作业时，在条件允许的情况下尽量选用密度较低的钻井液钻井。

因此，在优化和设计钻井液关键性能参数时，应参照钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版，综合考虑现场井壁稳定的实际需求、钻井液成本、处理剂获取的便利性等因素。本实施例中，现场作业要求在25天时间内保持井壁平均井径扩大率不大于15％，且钻井液密度保持1.3g/cm³，根据钻井液密度与钻井液渗透系数之间的关系图版发现，只需通过调整钻井液配方，使钻井液渗透系数不大于0.25Md时，即可实现井壁稳定的要求。因此，满足现场井壁稳定需求的钻井液关键性能参数为：钻井液密度为1.3g/cm³，钻井液渗透系数不大于0.25Md。

本领域技术人员不难理解，本发明的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法包括上述本发明说明书的发明内容和具体实施方式部分以及附图所示出的各部分的任意组合，限于篇幅并为使说明书简明而没有将这些组合构成的各方案一一描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其按照先后顺序包括以下步骤：

步骤一：对钻井取芯获得的岩石进行加工，制备岩芯样品；

步骤二：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验和声发射试验，确定岩芯样品所处地层的地应力；

步骤三：选取岩芯样品，并进行岩石三轴压缩试验，测试岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤四：选取岩芯样品，置于钻井液中浸泡不同时间，并进行岩石三轴压缩试验，测试浸泡不同时间后岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角；

步骤五：将岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角分别与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间进行线性拟合；

步骤六：利用流固耦合力学理论建立裂缝型地层井周围岩应力分布模型，并结合流固耦合力学理论的基本方程和拉普拉斯变换原理，求解裂缝型地层井周围岩应力分布的解析值；

步骤七：利用弹性力学坐标变换理论建立裂缝型地层弱面破坏模型；

步骤八：基于裂缝型地层的井周围岩应力分布模型和弱面破坏模型，结合岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与浸泡时间的拟合函数，计算满足一定井壁稳定条件所要求的钻井液性能参数，并确定钻井液性能参数之间的关系图版；

步骤九：根据现场井壁稳定的要求，在钻井液性能参数之间的关系图版中选择合理的钻井液性能，即可实现裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计。

2.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，制备十四块岩芯样品，其中四块用于确定岩芯样品所处地层的地应力，两块用于测试未经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角，八块用于测试经过钻井液浸泡的岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角。

3.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，用于确定地层地应力的岩芯样品的钻取方法为，在垂直岩石方向和垂直岩石轴向的平面内相隔45°方向钻取。

4.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，岩芯样品所处地层的地应力包括上覆地层地应力、地层最大水平主应力和地层最小水平主应力。

5.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤三中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品，其含有相同特点的微裂缝。

6.如权利要求5所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述岩芯样品未经过钻井液浸泡。

7.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤四中，用于测试岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角的岩芯样品，其含有相同特点的微裂缝。

8.如权利要求7所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：将八块岩芯样品平均分成四组，所述四组岩芯样品在钻井液中分别浸泡三天、六天、十二天和二十四天。

9.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤五中，岩芯样品的岩石弱面粘聚力和岩石弱面内摩擦角与岩芯样品在钻井液中的浸泡时间的拟合函数均为二元一次函数。

10.如权利要求1所述的裂缝型地层防塌钻井液性能参数的设计方法，其特征在于：所述步骤六中，流固耦合力学理论的基本方程包括本构方程和其他方程。