[發明專利]考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法

有效

• 申請號: 201310322730.9
• 申請日: 2013-07-29
• 公開（公告）號: CN103390112A
• 公開（公告）日: 2013-11-13
• 發明（設計）人: 張立松;閆相禎;楊秀娟;楊尚諭;邵兵
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京匯澤知識產權代理有限公司 11228
• 代理人: 張瑾

1.一種考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)、從待鉆區塊目的煤層鉆孔取大塊巖芯，確定煤巖的巖石類型系數和地質強度指標；

(2)、對獲得的煤層大塊巖芯進行實驗試樣加工，制得多組標準圓柱體煤巖芯試件；

(3)、采用單軸抗壓試驗機對所制得煤巖芯進行巖石力學參數測試，測試參數為煤巖的彈性模量、泊松比和單軸抗壓強度；

(4)、建立煤巖的霍克-布朗準則；

(5)、確定煤層水平最大主應力、水平最小主應力的分布區間；

(6)、根據建立的煤巖霍克-布朗準則給出煤層鉆井液設計密度公式。

2.根據權利要求1所述的考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法，其特征在于，巖石力學參數測試采用位移加載控制方式。

3.根據權利要求1-2所述的考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法，其特征在于，標準圓柱體煤巖芯試件高度為50mm，誤差為±1mm；直徑為25mm，誤差為±0.5mm。

4.根據權利要求1-3所述的考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法，其特征在于，標準圓柱體煤巖芯試件組數為50組。

5.根據權利要求1-4所述的考慮煤層地應力不確定性的鉆井液密度設計方法，其特征在于，確定煤層水平最大主應力、水平最小主應力的分布區間的具體步驟如下：

①計算測得的50組煤巖彈性模量和泊松比測試值的平均值

μ=Σi=1nxin]]>

式中，μ為煤巖彈性模量和泊松比測試值的平均值；x_i為煤巖彈性模量或泊松比的某一組測試值；n為測試組數；

②計算測得的煤巖彈性模量和泊松比測試值的標準差；

s=1n[(x1-μ)2+(x2-μ)2+···+(xn-μ)2]]>

式中，s為煤巖彈性模量或泊松比測試值的標準差；

③根據工程經驗，假定煤巖彈性模量及煤巖泊松比滿足正態分布，則煤巖彈性模量的概率密度函數式(5)及泊松比的概率密度函數式(6)可分別表示為：

f(x1)=1s12πexp[-(x1-μ1)22s12]]]>

f(x2)=1s22πexp[-(x2-μ2)22s22]]]>

式中，x₁為煤巖彈性模量的一組測試值；μ₁為50組煤巖彈性模量的平均值；s₁為50組煤巖彈性模量的標準差；x₂為煤巖泊松比的一組測試值；μ₂為50組煤巖泊松比的平均值；s₂為50組煤巖泊松比的標準差；

將50組煤巖彈性模量測試值依次代入煤巖彈性模量的概率密度函數式，即可得到每一組煤巖彈性模量的概率密度；

將50組煤巖泊松比測試值依次代入煤巖泊松比的概率密度函數式，即可得到每一組煤巖泊松比的概率密度；

④確定煤層水平最大主應力、水平最小主應力的分布區間。

首先引入分層地應力模型中的組合彈簧模式：

σH=ξ1Es+2μs(σv-αPP)2(1-μs)+ξ2Es2(1+μs)+αPPσh=ξ1Es+2μs(σv-αPP)2(1-μs)-ξ2Es2(1-μs)+αPP]]>

式中：σ_H、σ_h為地層水平最大、最小主應力，MPa；σ_v為垂向主應力，由密度測井資料計算，MPa；ξ₁、ξ₂為構造主應變系數，無量綱；α為有效應力系數，無量綱；P_P為地層孔隙壓力，MPa；E_s為巖體靜態彈性模量，MPa；μ_s為巖體靜態泊松比，無量綱；

然后，在煤巖彈性模量的概率密度函數式及泊松比的概率密度函數式的基礎上，結合分層地應力模型中的組合彈簧模式即可確定煤層水平最大主應力σ_H、煤層水平最小主應力σ_h概率密度分布函數：

f(y1)=12π(A12s12+A22s22)×exp[-(y1-A1μ1-A2μ2-B1)22(A12s12+A22s22)]]]>

f(y2)=12π(A12s12+A32s22)×exp[-(y2-A1μ1-A3μ2-B2)22(A12s22+A32s22)]]]>

式中，A1=Es2(1-μs);]]>A2=Es2(1+μs);]]>A3=-Es2(1+μs);]]>B1=μs(σv-αPP)1-μs+αPP;]]>B₂＝αP_P；

最后，由煤層水平最大主應力的概率密度分布函數確定煤層水平最大主應力的分布區間：

[(A1μ1+A2μ2+B1)-A12s12+A22s22,(A1μ1+A2μ2+B1)+A12s12+A22s22]]]>

由煤層水平最小主應力的概率密度分布函數確定煤層水平最小主應力的分布區間：

[(A1μ1+A3μ2+B2)-A12s12+A32s22,(A1μ1+A3μ2+B2)A12s12+A32s22]]>