考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，包括计算考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式；代入复变函数表达式中推导平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力关系；转换至极坐标获得水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向关系；构建无裂纹条件下裂隙应力影响因子表达式，与临界应力强度因子对比确定裂纹破裂压力与地应力分量关系；确定关闭压力与地应力关系；根据封隔段压力时间曲线获得实测裂纹起裂压力和关闭压力；扫描确定裂隙发育最终长度和形状，代入裂纹破裂压力与地应力分量关系、关闭压力与地应力关系中得到地应力分量大小；能够解决现有水压致裂方法测量地应力时精确性差的问题。差的问题。差的问题。

【技术实现步骤摘要】
考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法


[0001]本专利技术属于岩土力学测量
，更具体地，涉及一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法。

技术介绍

[0002]深部地球蕴藏着丰富的能源和空间资源。随着我国经济的蓬勃发展，地球浅部资源逐步枯竭，可利用空间进一步压缩，因此向深部地球要空间要资源的需求愈发迫切。目前在水利、矿山、交通等行业，相关工程活动已经深入到地下1000米以下，我国陆上深层油气的勘察开采深度已普遍大于6000米，超过7000米的钻孔超过100口。
[0003]地应力是指因重力、构造应力或人类活动引起并赋存于岩土体中的应力，是研究所有深部岩体力学问题的基础参数。对于深部油气勘探开采工程而言，地应力是确定深部油气开采井储层改造设计和井壁稳定性的关键参数；对地下厂房和隧道的施工而言高地应力区直接威胁到工程的施工安全，拖延施工进度。在深钻孔环境中，较准确的地应力方向信息可以通过测井方法得到，地应力量值则必须通过原位测试方法获取。
[0004]水压致裂法是得到国际岩石力学测试技术专业委员会推荐的地应力原位测试方法。该方法假设钻孔为圆形且主应力与垂直钻孔孔轴一致，通过对封隔段注入高压液体的方式，使裂隙产生、张开、扩展、维持和再张开，最后结合压力
‑
时间变化曲线及岩体抗拉强度得到地应力。但受到地层性质、高地应力作用等多种因素的影响，孔壁形状呈现出明显的偏心和椭圆化，同时在钻探工艺、钻井液冲刷的作用下，孔壁表面粗糙不平并且充满尖角和凹坑，并且压裂缝的形状也会显著不同。这些不规则形状将直接影响到钻孔孔壁处的应力和应变分布规律，传统水压致裂方法会产生很大的系统误差，从而降低该方法的精确性。
[0005]因此，急需一种能够考虑不规则钻孔形态和不规则裂纹形状对钻孔孔壁处应力和应变分布影响，使水压致裂法的计算更精确的地应力计算方法。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，首次在水压致裂计算方法中考虑了不规则钻孔形态的影响，提升了水压致裂计算方法的精确程度；首次考虑了不规则裂纹形状对裂隙破裂压力和关闭压力的影响；引入复变函数方法推导水压致裂法地应力计算解析表达式，很容易通过编程实现，提高了水压致裂法的计算效率；能够解决现有的水压致裂方法测量地应力时不规则钻孔和裂纹直接影响到钻孔孔壁处的应力和应变分布规律，使得地应力计算会产生很大的系统误差，存在测量精确性差的问题。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，包括如下步骤：S1:获取钻孔真实形态，计算考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式；S2:将映射函数表达式代入平面应变问题的复变函数表达式中推导并获得考虑任
意不规则钻孔和裂隙形状的平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式；S3:将所述平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式转换至极坐标下，并对孔壁切向应力求导，得到水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系；S4:根据步骤S2获得的平面应变条件下远场地应力与孔壁应力之间的关系式分别构建无裂纹条件下孔壁附近裂隙应力影响因子表达式；S5：将无裂纹条件下孔壁附近裂隙应力影响因子与临界应力强度因子进行对比，确定裂纹破裂压力与地应力分量之间的关系式；S6：将任意形态裂纹代入步骤S2获得的平面应变条件下远场地应力与孔壁应力之间的关系式，确定关闭压力与地应力之间的关系；S7：在深钻孔中开展水压致裂法测试，测量并得到封隔段的压力
‑
时间曲线，并从压力
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时间曲线中得到实测裂纹起裂压力和关闭压力；S8：重新获取钻孔的真实形态，对测试段重新扫描并确定裂隙发育的最终长度和裂隙形状，代入步骤S3获得的水压裂隙方向与地应力最大主应力方向之间的关系，得到地应力分量方向；S9：将步骤S8获得的裂隙发育的最终长度、裂隙形状和地应力分量方向代入步骤S5获得的裂纹破裂压力与地应力分量之间的关系式和步骤S6获得的所述关闭压力与地应力之间的关系式中，得到地应力分量大小。
[0008]进一步地，步骤S1和步骤S8的所述获取钻孔的真实形态通过井径仪、超声成像技术或微电阻扫描技术得到。
[0009]进一步地，步骤S4中所述无裂纹条件下孔壁附近裂隙包括张开型裂隙和滑开型裂隙。
[0010]进一步地，步骤S1中考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式的计算还包括如下步骤：S11:对于无限域中的映射函数采用洛朗级数形式；S12:将步骤S1中的任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数转换至正交曲线坐标系下；S13:分离实部和虚部；S14:采用最优化方法迭代求解，构建目标函数，求解使目标函数取最小值时R、C1、C2
…
、Ck这k+1个实常数的值。
[0011]进一步地，步骤S14中所述目标函数通过式（5）和式（6）表示：（5）（6）
其中，R、C1、C2
…
为k+1个实常数；表示洛朗级数的第项；表示任意不规则钻孔和裂隙形状上的第个点；为实际坐标空间中第个点到原点的距离；为第个点在实际坐标空间中对应的与x轴正向的夹角；为第个点在映射坐标空间中对应的与x轴正向的夹角；为叙述单位。
[0012]进一步地，步骤S2中所述平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式推导包括如下步骤：S21：构建平面应变条件下孔壁在x方向上的正应力、y方向上的正应力和xy平面上的切应力通过映射坐标空间的第一应力函数和第二应力函数表示的表达式；S22：构建平面应变条件下实际坐标空间钻孔应力边界条件的复变函数表达式；S23：构建平面应变条件下映射坐标空间的第一应力函数和第二应力函数的边界值表达式；S24：构建平面应变条件下映射坐标空间中第一应力函数的余项和映射坐标空间中第二应力函数的余项通过映射坐标空间中钻孔边界处的坐标值表示的关系式；S25：通过比较同次项系数的方式求解步骤S24获得的所述平面应变条件下映射坐标空间中第一应力函数的余项和映射坐标空间中第二应力函数的余项通过映射坐标空间中钻孔边界处的坐标值表示的关系式，获得复数域上的线性代数方程组，从而确定映射坐标空间中第一应力函数和第二应力函数的表达式,进而得到平面应变条件下孔壁x方向上的正应力、y方向上的正应力和xy平面上的切应力的表达式，即平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式。
[0013]进一步地，步骤S3中所述水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系的获得还包括：S31：将平面应变条件下孔壁x方向上的正应力、y方向上的正应力和xy平面上的切应力的表达式转换至极坐标下得到孔壁径向应力、孔壁切向应力和孔壁切应力的解析表达式；S32：对孔壁切向应力的解析表达式求导，得到考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系。
[0014]进一步地，步骤S21中所述平面应变条件下孔壁在x方向上的正应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1:获取钻孔真实形态，计算考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式；S2:将映射函数表达式代入平面应变问题的复变函数表达式中推导并获得考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式；S3:将所述平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式转换至极坐标下，并对孔壁切向应力求导，得到水压裂隙方向与远场地应力最大主应力方向之间的关系；S4:根据步骤S2获得的平面应变条件下远场地应力与孔壁应力之间的关系式分别构建无裂纹条件下孔壁附近裂隙应力影响因子表达式；S5：将无裂纹条件下孔壁附近裂隙应力影响因子与临界应力强度因子进行对比，确定裂纹破裂压力与地应力分量之间的关系式；S6：将任意形态裂纹代入步骤S2获得的平面应变条件下远场地应力与孔壁应力之间的关系式，确定关闭压力与地应力之间的关系；S7：在深钻孔中开展水压致裂法测试，测量并得到封隔段的压力
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时间曲线，并从压力
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时间曲线中得到实测裂纹起裂压力和关闭压力；S8：重新获取钻孔的真实形态，对测试段重新扫描并确定裂隙发育的最终长度和裂隙形状，代入步骤S3获得的水压裂隙方向与地应力最大主应力方向之间的关系，得到地应力分量方向；S9：将步骤S8获得的裂隙发育的最终长度、裂隙形状和地应力分量方向代入步骤S5获得的裂纹破裂压力与地应力分量之间的关系式和步骤S6获得的所述关闭压力与地应力之间的关系式中，得到地应力分量大小。2.根据权利要求1所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，步骤S1和步骤S8的所述获取钻孔的真实形态通过井径仪、超声成像技术或微电阻扫描技术得到。3.根据权利要求2所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，步骤S4中所述无裂纹条件下孔壁附近裂隙包括张开型裂隙和滑开型裂隙。4.根据权利要求1
‑
3中任一项所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，步骤S1中考虑任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数表达式的计算还包括如下步骤：S11:对于无限域中的映射函数采用洛朗级数形式表示；S12:将步骤S1中的任意不规则钻孔和裂隙形状的映射函数转换至正交曲线坐标系下；S13:分离实部和虚部；S14:采用最优化方法迭代求解，构建目标函数，求解使目标函数取最小值时R、C1、C2
…
、Ck这k+1个实常数的值。5.根据权利要求4所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，步骤S14中所述目标函数通过式（5）和式（6）表示：
（5）（6）其中，R、C1、C2
…
为k+1个实常数；表示洛朗级数的第项；表示任意不规则钻孔和裂隙形状上的第个点；为实际坐标空间中第个点到原点的距离；为第个点在实际坐标空间中对应的与x轴正向的夹角；为第个点在映射坐标空间中对应的与x轴正向的夹角；为叙述单位。6.根据权利要求5所述的考虑不规则钻孔和裂隙形状的水压致裂地应力计算方法，其特征在于，步骤S2中所述平面应变条件下远场地应力与钻孔孔壁应力之间的关系式推导包括如下步骤：S21：构建平面应变条件下孔壁在x方向上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦雨樵，汤华，吴振君，葛修润，张勇慧，袁从华，邓琴，尹小涛，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：