基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法，步骤包括：步骤1、利用数字钻设备进行岩石数字钻试验，得到切削应力与给进力的关系，进而计算金刚石刀片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ；步骤2、利用步骤1得到的接触摩擦角θ，求解岩石的内摩擦角φ；步骤3、由步骤1和步骤2得到的α、θ、φ

【技术实现步骤摘要】
基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法


[0001]本专利技术属于能源地质勘探
，涉及一种基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法。

技术介绍

[0002]随着世界经济、科技和社会的快速发展，传统的化石能源供应越来越稀缺，地球浅层资源日趋枯竭，深部能源在能源消费结构中的比重将增加，使得深层能源资源开发备受关注。当前，深部高地应力岩体工程资源生产诱发的高危灾害严重，这导致深部资源开发的安全成本高、灾害事故频发、生产难度大。随着石油、天然气等资源的不断开采，深层地质地层能源生产具有巨大的环保潜力。
[0003]为了深部高地应力岩体工程和资源开发的顺利进行，减少高地应力带来的安全成本和灾害事故，准确快速的确定地应力有着重要的理论价值和实际价值。虽然利用现有仪器测量得到的地应力比较准确，但其数据量少且成本高，难以连续监测大范围的地应力数据。
[0004]数字钻数据具有测量深度较深、信息量大、数据相对连续等特点，因此，研制一种基于现有技术地应力测试方法，同时基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法，实现连续可靠的地应力测试新方法，是岩石力学与工程领域亟待解决的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种基于数字钻技术的水平地应力测定方法，解决了现有技术的地应力测定方法，存在局限性大、测试过程复杂、测定结果误差大的问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法，按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、利用数字钻设备进行岩石数字钻试验，得到切削应力与给进力的关系，进而计算金刚石刀片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ；
[0008]步骤2、利用步骤1得到的接触摩擦角θ，求解岩石的内摩擦角
[0009]步骤3、由步骤1和步骤2得到的α、θ、以及测量所得的岩石粘聚力c，求解围岩的围压P
f
，即成。
[0010]本专利技术的有益效果是，相比现有的水平地应力现场测量成本和时间高，本专利技术方法仅需要进行现场数字钻实验得到数字钻参数，再经过一系列理论计算就可以得出较为精确的结果，具有成本低、计算简单、精度高等优点。
附图说明
[0011]图1a是页岩切削力与给进力的关系曲线；图1b是红砂岩切削力与给进力的关系曲线；图1c是花岗岩切削力与给进力的关系曲线；图1d是石灰岩切削力与给进力的关系曲线；图1e是砂岩切削力与给进力的关系曲线；图1f是闪长岩切削力与给进力的关系曲线；
[0012]图2是实际水平地应力与本专利技术方法试验估计水平地应力的对比图。
具体实施方式
[0013]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0014]本专利技术的水平地应力测定方法，融合了数字钻技术，按照以下步骤实施：
[0015]步骤1、利用数字钻设备进行岩石数字钻试验，得到切削应力与给进力的关系，进而计算金刚石刀片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ；
[0016]数字钻设备进行岩石数字钻实验过程中，根据主导力的不同分为两个阶段，即切削阶段和摩擦阶段。当切削力大于给进力时，切削力占据主导地位，属于切削阶段；当给进力大于切削力时，给进力占据主导地位，属于摩擦阶段。
[0017]状况1：当切削力大于给进力时，切削力和给进力之间的函数表达式为：
[0018][0019]其中，F
t
为切削力，F
n
为给进力，α为钻头前角，θ为切削面的接触摩擦角，F
tw
为F
t
的摩擦分量。
[0020]消除钻头与岩石的有效接触面积后，式(1)变换为下式(2)：
[0021][0022]其中，S
t
为切削应力，S
n
为给进力，R为钻头外径，r为钻头内径。
[0023]利用Kalantari的模型，式(2)中的截距忽略不计，则式(2)变换为下式(3)：
[0024][0025]状况2：当切削力小于给进力时，切削力与给进力的函数表达式为：
[0026][0027]其中，P
f
是围压；c为岩石粘聚力；为岩石的内摩擦角；是破碎区与完整岩石的接触摩擦角；
[0028]将式(4)消去有效切削面积后，变换得到下式(5)：
[0029][0030]由S
t
和S
n
的数据能够得出S
t
和S
n
的函数关系，由式(3)能够得到两者的斜率为tan(α+θ)，已知位前角α的数值，就能够得出取芯钻头切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ。
[0031]步骤2、利用步骤1得到的接触摩擦角θ，求解岩石的内摩擦角
[0032]求解破碎区与完整岩石的接触摩擦角完整岩石的内摩擦角的表达式如下：
[0033][0034][0035]将步骤1求得的接触摩擦角θ和位前角α带入式(6)和式(7)中，则得出破碎区与完整岩石的接触摩擦角和岩石的内摩擦角
[0036]步骤3、由步骤1和步骤2得到的α、θ、以及测量所得的岩石粘聚力c，求解围岩的围压P
f
(即水平地应力)，
[0037]计算围压P
f
的表达式如下：
[0038][0039]将前述求得的θ、和已知的α、c、S
t
、S
n
的数值，一起代入式(8)中，即可求解得到围压P
f
，即成。
[0040]实施例1、岩石种类选用花岗岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0041]实施例2、岩石种类选用闪长岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0042]实施例3、岩石种类选用砂岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0043]实施例4、岩石种类选用红砂岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0044]实施例5、岩石种类选用页岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0045]实施例6、岩石种类选用石灰岩，按照前述本专利技术方法的步骤实施，并且相关数据及结果对比情况，分别参照表1、表2、表3的记载。
[0046]实验验证
[0047]1)进行数字钻试验，收集相关数据。
[0048]数字钻孔测试遵循ISRM推荐的测试程序和预防措施。实验过程中数据采集速率设置为0.02s/次。液压系统可提供的最大水平地应力为80MPa。实验开始前，应进行3
‑
5次预钻，观察数字化钻孔参数是否在正常值范围内。本实施例使用金刚石空心钻头，钻头的内径和外径分别为20mm和25mm。钻本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、利用数字钻设备进行岩石数字钻试验，得到切削应力与给进力的关系，计算出金刚石刀片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ；步骤2、利用步骤1得到的接触摩擦角θ，求解岩石的内摩擦角步骤3、由步骤1和步骤2得到的α、θ、以及测量所得的岩石粘聚力c，求解围岩的围压P
f
，即成。2.根据权利要求1所述基于数字钻技术的岩层水平地应力测定方法，其特征在于，步骤1中，具体过程是：状况1：当切削力大于给进力时，切削力和给进力之间的函数表达式为：其中，F
t
为切削力，F
n
为给进力，α为钻头前角，θ为切削面的接触摩擦角，F
tw
为F
t
的摩擦分量，消除钻头与岩石的有效接触面积后，式(1)变换为下式(2)：其中，S
t
为切削应力，S
n
为给进力，R为钻头外径，r为钻头内径，利用Kalantari的模型，式(2)中的截距忽略不计，则式(2)变换为下式(3)：状况2：当切削力小于给进力时，切削力与给进力的函数表达式为：其中，P
f
是围压；c为岩石粘聚力；为岩石的内摩擦角；是破碎区与完整岩石的接触摩擦角，将式(4)消去有效切削面积后，变换得到下式(5)：...

【专利技术属性】
技术研发人员：何明明，袁卓亚，丁明晨，罗波，马旭东，刘新星，王滈藤，王晶，张永浩，赵建斌，邓边员，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：