CN105574609B - 一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置。所述方法包括：获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔‑库伦准则和弱面破坏准则，分别计算安全钻井泥浆密度窗口下限Pb和安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。本发明较好的考虑煤岩普遍发育两组正交的割理组的特点，综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的可能性，分析煤层钻井的井壁稳定性，预测安全钻井泥浆密度窗口，方法简单易用，且预测效果好。

Description

一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置
技术领域
本发明涉及煤层钻井工程技术领域，尤其涉及煤层钻井中的井壁稳定技术领域，具体涉及一种基于正交弱面模型的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置。
背景技术
煤是由古代植物遗体埋藏地下并经历长期的生物化学与地质作用而转变成的有机岩石。在煤的形成过程中，各种地质因素的影响使煤体内形成大量裂隙，其中最主要的是两组近于垂直的割理。割理是在成煤的不同时期，由于煤化作用过程中挥发分、水分逸失产生的收缩内应力而形成的系统裂隙，一般垂直于或接近垂直于煤层层面。主要裂隙组面割理发育较完善，延伸可达数百米，端割理组发育在面割理之间，沟通了面割理。除割理外，煤层还可能发育有节理、次级节理等裂隙。这些裂隙相互交叉切割，形成了复杂的裂隙系统。
由于割理、裂隙的作用，煤体被切割成为一个个不连续的近似斜方体的小块，破坏了煤层的完整性。煤岩普遍发育的割理与裂缝导致其力学性质具有不连续性、非均质性、各向异性和渗透性的特点，机械强度较低且各向异性明显，脆性较为显著，导致钻井过程中煤层段井壁极不稳定，极易发生井壁坍塌、井漏和卡钻甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的经济损失。
传统的基于连续介质力学强度理论的煤层气井壁稳定性分析模型，将煤岩当做均匀连续介质，认为煤岩宏观强度各向同性，仅考虑煤岩本体的破坏，不能恰当地考虑割理、裂隙导致的煤岩不连续性、强度各向异性对煤层井壁稳定的影响，利用这些传统模型所预测的煤层钻井安全泥浆密度窗口在实际钻井过程中经常难以奏效。煤层中割理、裂隙属于软弱结构面，这种弱面的存在使得煤岩破坏呈现两种可能性，即煤岩本体破坏以及割理弱面破坏。钻井过程中使用的泥浆密度值太低时，由于钻井导致的应力集中效应，可能在这些弱面上形成较大的剪切应力作用，有可能使煤岩先于本体破坏而在这些弱面上发生剪切滑移破坏。而如果钻井过程中使用的泥浆密度值太高，一方面可能在煤岩本体中或者垂直于弱面方向上形成拉应力，从而导致张拉破坏，另一方面由于弱面上的法向压应力减少，摩擦抵抗力减小，也可能发生沿着弱面的剪切滑移破坏。因此在进行煤层钻井井壁稳定性分析并预测安全钻井泥浆密度窗口时，应针对煤层发育两组正交割理组的特点，综合考虑煤岩发生本体破坏以及沿两组割理弱面破坏的可能性，以准确预测煤层钻井安全泥浆密度窗口。
目前煤层钻井井壁稳定性分析与安全泥浆密度窗口预测尚未形成行之有效的办法，并未建立综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的煤层钻井安全泥浆密度窗口预测方法。
发明内容
本发明的目的是提供煤层钻井井壁稳定性分析和安全泥浆密度窗口的预测方法，以解决现有技术中尚未有行之有效的煤层钻井安全泥浆密度窗口预测方法的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，包括：获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的单位法向矢量、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的单位法向矢量、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
进一步地，在一实施例中，获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角，包括：在岩心桶上安置刀具以便取心时在岩心上刻画标记，在操作过程中确保划痕通过岩心中心点且指向正北，取得岩心后，通过将割理与划痕对比确定割理的走向、倾向与倾角。
进一步地，在一实施例中，取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数，包括：取不同方向的煤心，进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律；根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw；利用摩尔-库伦准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ。
进一步地，在一实施例中，所述根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw，包括：其中，σ1为所述岩心强度实验中所获取的轴压，σ3为所述岩心强度实验中所获取的围压，β为所述加载方向与割理面之间的夹角。
进一步地，在一实施例中，利用煤岩本体破坏准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ，包括：其中，σ1为所述岩心强度实验中所获取的轴压，σ3为所述岩心强度实验中所获取的围压。
进一步地，在一实施例中，给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，包括：利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生弱面滑移破坏：τ＝Cw+μwσeff；其中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；若上述等式的左边大于右边时，则发生了弱面滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生弱面滑移破坏；
利用摩尔-库伦准则判断是否发生煤岩本体剪切破坏：
若上述等式的左边大于右边时，则发生了煤岩本体剪切破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生煤岩本体剪切破坏。
进一步地，在一实施例中，从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，包括：利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生沿割理面的剪切滑移破坏：
τ＝Cw+μwσeff；其中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；若上述等式的左边大于右边时，则发生了沿割理面的剪切滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生沿割理面的剪切滑移破坏；
利用上述公式中的σeff判断是否发生垂直于两组割理面的张拉破坏：若σeff大于0，则发生了垂直于两组割理面的张拉破坏，若σeff小于0，则没有发生垂直于两组割理面的张拉破坏。
为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测装置，包括：割理产状获取模块，用于获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；强度参数计算模块，用于取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；地质参数获取模块，用于获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；下限窗口计算模块，用于给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的单位法向矢量、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；上限窗口计算模块，用于从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
进一步地，在一实施例中，所述强度参数计算模块包括：夹角变化规则生成单元，用于取不同方向的煤心，进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律；弱面参数拟合单元，用于根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw；本体参数拟合单元，用于利用摩尔-库伦准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ。
本发明实施例的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置，可以较好的考虑煤岩普遍发育两组正交的割理组的特点，综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的可能性，分析煤层钻井的井壁稳定性，预测安全钻井泥浆密度窗口，方法简单易用，且预测效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法流程图；
图2为本发明实施例的煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律示意图；
图3为本发明实施例的根据弱面破坏准则进行数据拟合的示意图；
图4为本发明实施例的定向井井轴坐标变换示意图；
图5为本发明实施例的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测装置的结构示意图；
图6为本发明实施例的强度参数计算模块102的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
煤层普遍发育两组正交或接近正交的割理，这些割理属于软弱结构面，钻井过程中使用的泥浆密度值不恰当时，既可能发生煤岩本体破坏，也可能发生沿着两组正交割理弱面的破坏，现有的煤层钻井井壁稳定性分析与安全钻井泥浆密度窗口预测方法并未考虑弱面破坏。
本发明提出的方法综合考虑了煤岩本体破坏与弱面破坏两种可能性，需要说明的是，在本发明中，割理面和弱面表示的含义相同，只不过在不同的场合所适用的名称不同。
图1为本发明实施例的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法的方法流程图。如图所示，本实施例的方法包括：步骤S101，获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；步骤S102，取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；步骤S103，获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；步骤S104，给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；步骤S105，从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
在步骤S101中，可以利用钻井定向取心描述记录或者测井所得井下观测资料统计分析煤层的面割理与端割理产状，主要是面割理与端割理的走向、倾向与倾角。以钻井取心描述为例，可通过在岩心桶上安置刀具以便取心时在岩心上刻画标记，在操作过程中确保划痕通过岩心中心点且指向正北，取得岩心后，通过将割理与划痕对比确定割理的走向、倾向与倾角。此步骤中，确定割理面的走向、倾向和倾角，是为了生成两组割理面的单位法向矢量，在后续的井轴坐标变换中使用。
在步骤S102中，通过岩心强度实验和数据拟合获得煤岩本体与割理面的强度参数。对钻井过程中取自地下的岩心沿不同方向进行取心，并按照国标《煤和岩石物理力学性质测定方法(GB/T23561-2009)》进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，如图2所示。并且，如图3所示，根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw。
本发明中的弱面破坏准则可利用煤岩强度实验中所使用的轴压σ1以及围压σ3表述如下：
式(1)中：β为弱面的法向与σ1(即加载方向)的夹角， 为弱面的内摩擦角，以及(2)式满足时左边大于右边时发生沿弱面的滑移破坏。
所述煤岩本体破坏准则利用摩尔-库伦模型进行描述，其表达式为：
式(2)中：C为煤岩本体的粘聚力；μ为煤岩本体的内摩擦系数。
参看图2和图3，根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，并依据式(2)和(3)进行数据拟合，即可得到割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw以及煤岩本体的粘聚力C和煤岩本体的内摩擦系数μ。
在步骤S103中，获取所述煤层的井斜角ψ、方位角φ以及地应力、孔隙压力p。
井斜角ψ与方位角φ是前一步工序即钻井设计时确定的值，地应力、孔隙压力p可由周边已钻邻井实际测量值或测井数据或者地震调查资料推算，在做安全泥浆密度窗口分析预测前已经完成。地应力包括最大水平地应力σH及其方向，最小水平地应力σh及其方向，垂直地应力σV(方向为铅垂方向)，获取地应力包括获取上述三个应力值及相应的方向。方位角φ是井身的方位角，大地正北方向沿顺时针方向转至井身在水平面内投影所转过的角度，通过上述三个地应力的方向以及井身方向角，则可以得到井身在水平面的投影与最大水平地应力方向的夹角φ。
在步骤S104中，从某一较低的泥浆密度值开始，逐步提高钻井泥浆密度值，计算井眼周围岩石的弹性状态应力分布，并通过坐标变换，计算弱面上的法向应力与剪切应力，按一定间隔对井壁上各点进行逐一检验，判断井壁上各点是否由于剪应力过大而发生本体剪切破坏或者沿着两组割理面剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则该泥浆密度取为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb。
其过程为：首先给定一个较小的泥浆密度初始值按一定间隔沿井壁进行离散，计算井壁上各离散点处的应力状态，并通过坐标变换，计算通过各离散点的两组弱面上的法向应力与剪切应力，根据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别判断井壁上各离散点处是否由于剪应力过大而发生本体破坏或者沿着两组割理面发生滑移破坏，如发生破坏则将泥浆密度值按一定的增量提高并重复上述应力计算和破坏判断，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生本体破坏也不发生沿两组割理面的滑移破坏，则该泥浆密度值为钻井时的安全钻井泥浆密度窗口下限Pb。
在本步骤中，需要分别判断井壁上各离散点处是否由于剪应力过大而发生本体破坏或者沿着两组割理面发生滑移破坏两种情况。
第一种情况：利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生弱面滑移破坏：
τ＝Cw+μwσeff (3)
在公式(3)中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；
若上述等式的左边大于右边时，则发生了弱面滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生弱面滑移破坏；
第二种情况：利用摩尔-库伦准则判断是否发生煤岩本体剪切破坏：
若上述等式的左边大于右边时，则发生了煤岩本体剪切破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生煤岩本体剪切破坏。
在步骤S105中，从坍塌压力当量泥浆密度Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，计算井眼周围岩石的弹性状态应力分布，并通过坐标变换，计算弱面上的法向应力与剪切应力，按一定间隔对井壁上各点进行逐一检验，判断井壁上各点是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则上一步计算中能保证不发生任何破坏的泥浆密度值取为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
其过程为：在Pb的基础上小幅提高泥浆密度至按一定间隔沿井壁进行离散，计算井壁上各离散点处的应力状态，并通过坐标变换，计算通过各离散点的两组弱面上的法向应力与剪切应力，判断井壁上各离散点是否由于出现拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理弱面的张拉破坏或者沿弱面的剪切滑移破坏，如不发生破坏则将泥浆密度值按一定的增量提高并重复上述应力计算和破坏判断，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则上一步计算中能保证不发生任何破坏的泥浆密度值为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
在本步骤中，需要分别判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏三种情况。
第一种情况：利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生沿割理面的剪切滑移破坏：τ＝Cw+μwσeff；其中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；若上述等式的左边大于右边时，则发生了沿割理面的剪切滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生沿割理面的剪切滑移破坏；
第二种情况：利用上述公式(3)中的σeff判断是否发生垂直于两组割理面的张拉破坏：若σeff大于0，则发生了垂直于两组割理面的张拉破坏，若σeff小于0，则没有发生垂直于两组割理面的张拉破坏。
第三种情况：判断煤岩本体是否发生张拉破坏可直接由井壁上各点应力状态求出相应的三个主应力并判断是否存拉伸主应力，若存在拉伸主应力，则发生本体张拉破坏，反之则不发生本体张拉破坏。此方法本领域技术人员所熟知，故不再赘述。
在本发明实施例中，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述三种破坏形式之一，则上一步计算中能保证不发生任何破坏的泥浆密度值为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
在步骤S104和步骤S105中都涉及到了坐标变换，如图4所示为本发明实施例所提及的定向井井轴坐标变换示意图。图4中，其中φ为井斜方位与水平最大地应力σH方位的夹角，ψ为井斜角。坐标系(x',y',z')分别与最大水平地应力σH，最小水平地应力σh，上覆地应力σz方向一致。将(x',y',z')坐标系以z'为轴，按右手定则旋转角φ，变为坐标系(x1,y1,z1)，再将(x1,y1,z1)坐标系以y1为轴，按右手定则旋转角ψ，得到井轴直角坐标系(x,y,z)，再建立相应的井轴柱坐标系(r,θ,z)。
所述井轴柱坐标系(r,θ,z)下井壁上各点应力状态{σr,σθ,σz,τθz,τrz,τrθ}T的计算可参见常规定向井井壁应力状态计算方法，其主应力计算也可参见常规的计算方法，并按摩尔-库伦准则判断是否发生本体剪切破坏，此处不再详述。
通过所述坐标变换可将应力状态{σr,σθ,σz,τθz,τrz,τrθ}T变换至直角坐标系(x,y,z)下：
σxx＝σrcos2θ+σθsin2θ；σyy＝σrsin2θ+σθcos2θ；σzz＝σz；
τxy＝(σr-σz)sinθcosθ；τyz＝τθzcosθ；τzx＝-τθzsinθ；
所述两组割理弱面上的法向应力σ(i)与剪切应力τ(i)按下式计算：
式中i＝1,2分别代表两组割理弱面；
为井轴直角坐标系(x,y,z)下的弱面单位法向量，可由直角坐标系(x',y',z')下的弱面单位法向量通过如下坐标变换计算：
其中可由割理弱面的倾角以及相对于最大水平地应力的走向进行计算。
对应于上述方法，本发明实施例还提供一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测装置，如图5所示，包括：割理产状获取模块101，用于获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；强度参数计算模块102，用于取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；地质参数获取模块103，用于获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；下限窗口计算模块104，用于给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的单位法向矢量、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；上限窗口计算模块105，用于从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
在本实施例中，如图6所示，所述强度参数计算模块102包括：夹角变化规则生成单元1021，用于取不同方向的煤心，进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律；弱面参数拟合单元1022，用于根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw；本体参数拟合单元1023，用于利用摩尔-库伦准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ。
本发明实施例的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置，可以较好的考虑煤岩普遍发育两组正交的割理组的特点，综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的可能性，分析煤层钻井的井壁稳定性，预测安全钻井泥浆密度窗口，方法简单易用，且预测效果好。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，包括：
获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；
取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；
获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；
给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；
从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的单位法向矢量、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
2.根据权利要求1所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角，包括：
在岩心桶上安置刀具以便取心时在岩心上刻画标记，在操作过程中确保划痕通过岩心中心点且指向正北，取得岩心后，通过将割理与划痕对比确定割理的走向、倾向与倾角。
3.根据权利要求1所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数，包括：
取不同方向的煤心，进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律；
根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw；
利用摩尔-库伦准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ。
4.根据权利要求3所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，所述根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw，包括：
其中，σ1为所述岩心强度实验中所获取的轴压，σ3为所述岩心强度实验中所获取的围压，β为所述加载方向与割理面之间的夹角。
5.根据权利要求3所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，利用煤岩本体破坏准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ，包括：
其中，σ1为所述岩心强度实验中所获取的轴压，σ3为所述岩心强度实验中所获取的围压。
6.根据权利要求3所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，包括：
利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生弱面滑移破坏：
τ＝Cw+μwσeff；
其中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；
若上述等式的左边大于右边时，则发生了弱面滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生弱面滑移破坏；
利用摩尔-库伦准则判断是否发生煤岩本体剪切破坏：
若上述等式的左边大于右边时，则发生了煤岩本体剪切破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生煤岩本体剪切破坏。
7.根据权利要求3所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法，其特征在于，从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，包括：
利用弱面剪切滑移破坏准则判断是否发生沿割理面的剪切滑移破坏：
τ＝Cw+μwσeff；
其中，τ为弱面上的剪切应力；Cw为所述弱面粘聚力；σeff为弱面上的法向有效正应力，σeff＝σ-αp，p为所述孔隙压力，α为有效应力系数，σ为法向总应力；μw为弱面摩擦系数， 为所述弱面的内摩擦角；
若上述等式的左边大于右边时，则发生了沿割理面的剪切滑移破坏，若上述等式的左边小于右边时，则没有发生沿割理面的剪切滑移破坏；
利用上述等式中的σeff判断是否发生垂直于两组割理面的张拉破坏：
若σeff大于0，则发生了垂直于两组割理面的张拉破坏，若σeff小于0，则没有发生垂直于两组割理面的张拉破坏。
8.一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测装置，其特征在于，包括：
割理产状获取模块，用于获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；
强度参数计算模块，用于取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；
地质参数获取模块，用于获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；
下限窗口计算模块，用于给定一较小的泥浆密度初始值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否发生煤岩本体剪切破坏或弱面滑移破坏，如果发生破坏，则提高钻井泥浆密度值，直至某一钻井泥浆密度值能保证井壁上各处既不发生煤岩本体剪切破坏也不发生沿两组割理面的剪切滑移破坏，则将该钻井泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口下限Pb；
上限窗口计算模块，用于从所述安全钻井泥浆密度窗口下限Pb开始，逐步提高钻井泥浆密度值，根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔-库伦准则和弱面破坏准则，分别计算井周应力分布与两组弱面上的法向应力与剪切应力，并判断是否由于形成拉应力而发生本体张拉破坏、垂直于两组割理面的张拉破坏或者沿割理面的剪切滑移破坏，直至某一钻井泥浆密度值会使井壁上至少一点发生上述破坏形式之一，则将保证不发生任何破坏的泥浆密度值设定为安全钻井泥浆密度窗口上限Pf。
9.根据权利要求8所述的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测装置，其特征在于，所述强度参数计算模块包括：
夹角变化规则生成单元，用于取不同方向的煤心，进行单轴与三轴岩石力学强度测试，获取煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律；
弱面参数拟合单元，用于根据煤岩强度随加载方向与割理面之间夹角的变化规律，利用弱面破坏准则进行参数拟合，获得所述割理面的强度参数，包括割理面的粘聚力Cw与内摩擦系数μw；
本体参数拟合单元，用于利用摩尔-库伦准则进行参数拟合，获得所述煤岩本体的强度参数，包括煤岩本体的粘聚力C与内摩擦系数μ。
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