CN105092107A - 一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，包括如下步骤：取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深；确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的方向；做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度；确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的大小；对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。本发明可以解决岩饼持续出现时传统地应力测量方法不能测定原岩地应力的问题，经实际使用验证，使用本发明确定出三维原岩地应力大小和方向结果可靠，并具有简便、实用和科学的优点。

Description

一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法

技术领域

本发明属于地应力测量技术领域，具体涉及一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法。

背景技术

目前，越来越多的地下工程向深部发展，高地应力下岩芯饼化现象时地应力的测量是一个尚未解决的难题。在高地应力条件下，工程设计和建设更加需要准确快速测量工程区的原岩三维地应力，而当钻孔过程中出现岩芯饼化现象时，传统的地应力测量方法(主要是应力解除法)难以实施。传统测量方法，不论是应力解除法，还是水压致裂法，都需要来回的下钻、穿线等繁琐测量工序和笨重的测量设备，有的方法需要多个不同方向的钻孔；其结果更依赖于传感器、解调仪等大量电子仪器，在地下工程恶劣的测量环境下仪器误差和可靠性都较难控制。

发明内容

本发明目的之一在于为克服现有技术的缺陷，提供了一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法。

本发明提供的一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，包括如下步骤：

步骤S100：取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深；

步骤S200：确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的方向；

步骤S300：做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度；

步骤S400：确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的大小；

步骤S500：对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。

进一步的，所述步骤S200：确定每个岩饼三个主应力的方向的步骤包括如下步骤：

步骤S210：令岩石在力学上是均匀且各向同性，岩饼表面和岩芯根部的平均拉应力σ_SZ方向近似垂直，其方位角与最小主应力一致；

步骤S220：建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力在Z轴法平面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴；

步骤S230：建立岩饼外沿高度曲线和三个主应力方向的数学模型；

步骤S240：测量岩饼外沿高度曲线；

步骤S250：根据岩饼外沿高度曲线确定三个主应力的方向。

本发明的有益效果在于，本发明可以解决岩饼持续出现时传统地应力测量方法不能测定原岩地应力的问题，经实际使用验证，使用本发明确定出三维原岩地应力大小和方向结果可靠，并具有简便、实用和科学的优点。

附图说明

图1所示为本发明具体实施方式中步骤S231中有关坐标和角度示意图。

图2所示为本发明具体实施方式中步骤S232中有关坐标和角度示意图

图3所示为本发明一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法流程图。

图4所示为本发明确定每个岩饼三个主应力的方向的方法流程图。

具体实施方式

下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

如图1-4所示，本发明提供的一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，包括如下步骤：

步骤S100：取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深。

选取的原岩岩饼要求各岩饼的孔深相差在1m以内，岩饼形态类似。

步骤S200：确定每个岩饼最大主应力σ₁、中间主应力σ₂和最小主应力σ₃三个主应力的方向。

步骤S210：令岩石在力学上是均匀且各向同性，岩饼表面和岩芯根部的平均拉应力σ_SZ方向近似垂直，其方位角与最小主应力σ₃一致。

步骤S220：建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力σ₁在Z轴法平面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴，地磁北极到Y轴的夹角为θ₀，三维地应力在三个坐标轴上的分量分别为σ_x、σ_y、σ_z。

步骤S230：建立岩饼外沿高度曲线z和σ₁、σ₂、σ₃三个主应力方向的数学模型，具体地，包括如下步骤：

步骤S231：当σ₃＝σ_z和σ₁＞σ₂时，得到岩饼外沿的高度曲线Z＝A_mcos²(θ-θ₀)，其中A_m是岩饼外沿高度变化的幅度，θ是岩饼外沿上点在X-Y平面投影的角度，以正北方向为0°，以逆时针为正，此时σ₃的方向和钻孔轴向即Z轴一致，凹面轴与σ₁即X轴的方向一致、凸面轴与σ₂即Y轴的方向一致，即θ₀＝θ₂，其中θ₂为σ₂的方位角。

步骤S232：当σ₃≠σ_z和σ₁＞σ₂时，岩饼形态的对称性被破坏。为描述岩饼外沿的高度，将步骤S220步骤中建立的X-Y-Z坐标绕X轴旋转α角到X′-Y′-Z′坐标，再绕Y′轴旋转β角到X″-Y″-Z″坐标，最终坐标轴Z″和σ_SZ的方向一致，这种条件下岩饼外沿的高度z在X-Y-Z坐标系中的表示由下式给出： $z=\frac{A_m{\cos }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)+R[\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)+\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_0)]}{\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}},$ 其中R是岩饼的半径。

设：φ₁是σ₁的倾角，φ_SZ为σ_SZ的倾角，θ₃为最小主应力σ₃的方位角，也是σ_SZ的方位角，则θ₀＝θ₂仍然成立，各个角度之间有如下关系：

$\tan ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_0)=\frac{\tan \mathrm{\β}}{\sin \mathrm{\α}};$

cosφ_sz＝cosαcosβ；

$\tan {\mathrm{\φ}}_2=\frac{1}{{\tan \mathrm{\φ}}_3\cos ({\mathrm{\θ}}_3-{\mathrm{\θ}}_0)};$

φ_sz＝58.8ξ-151.3ξ²+141.2ξ³；

${\mathrm{\φ}}_3=\frac{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{sz}}}{0.142+0.296\mathrm{\ξ}},$

其中ξ是中间变量，其定义为：ξ＝(σ_z-σ₃)/σ_m，其中σ_m是平均主应力，根据三个主应力相互垂直的理论要求，当σ₂、σ₃的方向确定后，σ₁的方向也随之确定。

步骤S240：测量岩饼外沿高度曲线。

以正北方向为0°，以逆时针为正，记录岩饼外沿各点的高度z和角度θ，画出z-θ高度曲线。

步骤S250：根据z-θ高度曲线确定三个主应力的方向。

步骤S251：如果α＝β＝0，且A_m＝0，即岩饼形态呈轴对称，则σ₃的方向和钻孔轴向平行，且σ₁＝σ₂。

步骤S252：如果α＝β＝0，且A_m≠0，即岩饼形态呈单个平面对称，则σ₃的方向和钻孔轴向平行，σ₁、σ₂的方向垂直于钻孔轴向，利用计算机函数曲线拟合程序找出相应的参数θ₀，确定σ₁、σ₂的方位角。

步骤S253：如果α、β有一个不为零或者都不为零，且A_m≤0.015，即岩饼形态呈单个平面对称，z-θ高度曲线显示的周期近似为360°，则利用计算机函数曲线拟合程序找出最佳的α、β、θ₀，再求出θ₃、φ₂、θ₃，确定相应的θ₁、φ₁，从而确定出三个主应力σ₁、σ₂、σ₃的方向。

步骤S254：如果α、β有一个不为零或者都不为零，且A_m≠0，即岩饼形态呈单个平面对称，高度曲线显示的周期近似为180°，则利用计算机函数曲线拟合程序找出最佳的A_m、α、β、θ₀，再求出θ₃、φ₂、φ₃，确定相应的θ₁、φ₁，从而确定出三个主应力的方向。

步骤S300：做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度S_t。

步骤S400：确定每个岩饼最大主应力σ₁、中间主应力σ₂和最小主应力σ₃三个主应力的大小。

根据三个主应力的方向确定真实的X-Y-Z坐标系，求出三个主应力在X-Y-Z坐标系下的方向余弦l_v、m_v、n_v，l_i＝cosθ_icosφ_i，m_i＝sinφ_icosφ_i，n_i＝sinφ_i，其中下标i＝1，2，3，σ_x、σ_y、σ_z在真实的X-Y-Z坐标系下可由σ₁、σ₂、σ₃来表示如下： ${\mathrm{\σ}}_y=m_1^2{\mathrm{\σ}}_1+m_2^2{\mathrm{\σ}}_2+m_3^2{\mathrm{\σ}}_3;{\mathrm{\σ}}_z=n_1^2{\mathrm{\σ}}_1+n_2^2{\mathrm{\σ}}_2+n_3^2{\mathrm{\σ}}_3.$

当岩芯根部区域两个拉应力等值面在岩心轴线附近交于一点时，可能产生岩饼，此时岩芯根部的最大平均拉应力就是临界拉应力σ_tc，临界拉应力和岩饼产生时岩芯所受三维应力状态的关系为：其中A、B、C、D是岩芯的临界拉应力系数。只有当临界拉应力达到岩石的抗拉强度S_t时，即：σ_tc＝S_t，岩饼才能产生。设岩饼产生后孔底残留的根部岩芯，即岩台的长度是L，岩饼的半径是R，岩台的长度L和岩饼厚度t有如下关系：对于确定的岩饼厚度t和岩台的长度L一定，进而根据实验室岩石力学数据绘制的岩台长度曲线图，确定岩芯的临界拉应力系数，即A、B、C、D四个系数，结合步骤S300中测得的岩石抗拉强度S_t和临界拉应力和岩饼产生时岩芯所受三维应力状态的关系，得到σ_x、σ_y、σ_z。

X-Y-Z坐标系确定后，可算出垂直朝上方向在此坐标系中的方向余弦l_v、m_v、n_v，对于岩石埋深一定，垂直应力可估算为：σ_v＝ρgh，其中ρ是岩石的天然密度，g是重力加速度，h是岩饼发生处的埋深；此时垂直应力σ_v可用σ₁、σ₂、σ₃表示为：σ_v＝(l₁l_v+m₁m_v+n₁n_v)²σ₁+(l₂l_v+m₂m_v+n₂n_v)²σ₂+(l₃l_v+m₃m_v+n₃n_v)²σ₃，最终得到三个主应力σ₁、σ₂、σ₃的大小。

步骤S500：对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。

本发明可以解决岩饼持续出现时传统地应力测量方法不能测定原岩地应力的问题，经实际使用验证，使用本发明确定出三维原岩地应力大小和方向结果可靠，并具有简便、实用和科学的优点。

本文虽然已经给出了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (2)

1.一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S100：取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3块，记录每个岩饼发生处的埋深和孔深；

步骤S200：确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的方向；

步骤S300：做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度；

步骤S400：确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的大小；

步骤S500：对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应力大小的数值。

2.如权利要求1所述的一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，其特征在于，所述步骤S200：确定每个岩饼三个主应力的方向的步骤包括如下步骤：

步骤S210：令岩石在力学上是均匀且各向同性，岩饼表面和岩芯根部的平均拉应力σ_SZ方向近似垂直，其方位角与最小主应力一致；

步骤S220：建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力在Z轴法平面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴；

步骤S230：建立岩饼外沿高度曲线和三个主应力方向的数学模型；

步骤S240：测量岩饼外沿高度曲线；

步骤S250：根据岩饼外沿高度曲线确定三个主应力的方向。