基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法技术

本发明专利技术公开了一种基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，步骤包括：1)对岩石实施数字钻探实验，计算出轴向推力功、转动扭矩功；2)引入能量指数CE得到切割能量的函数关系；3)通过伯努利定律将液体能量传递为做功的表达式，求解出底部摩擦能侧向摩擦能摩擦能量U

【技术实现步骤摘要】
基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法


[0001]本专利技术属于地质勘探工程
，涉及一种基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法。

技术介绍

[0002]脆性是评测岩石性能的一个重要指标，它可以准确定义岩石受力破坏难易程度。随着工程应用的迫切需求，岩体脆性指数的现场评估已经成为了工程地质学研究的焦点。根据国际岩石力学学会的规定，岩石脆性指数最精确的方法是实验室测量，UCS无侧限抗压强度与TS抗拉强度的比值。由于实验室方法前期准备周期较长，所以岩石工程更加倾向于方便快捷的经验预估法。巴西劈裂实验便是在实验室平时测量的岩石抗拉强度，但是它趋向于过度预估TS抗拉强度。因此，为了解决岩石脆性评估的准确性和快捷性的需要，应该将现场评估脆性指数视为评测工程地质的宝贵方法。
[0003]其一，近些年来，出现了一种高效的数字钻探方法，它不仅在钻探过程中可以连续和快速高效的获取钻探参数，而且十分方便获取不同的岩石强度特性。目前，大多数的钻井模型仅考虑钻探强度平衡条件，比如剪切模型，压缩模型，点荷载模型，以此预估岩石力学参数，效果并不是很明显。尽管这些分析模型得出了较好的岩石强度参数，但是这些模型也要有一些前提条件，比如，岩石钻探仅发生线弹性变形，容易忽略在钻屑和钻探泥浆的影响。其二，在岩石钻探中，其过程是十分复杂的，并且涉及不同因素影响岩石强度评估的准确性。比如，钻屑的存在增加钻头和岩石之间摩擦，导致过度预估岩石强度。此外，使用钻头破岩的旋转运动是不均匀的，导致岩石脆性指数和岩石钻探的关系不是很清晰。为了克服这些问题，一个基于能量守恒的方法便应运而生，根据能量守恒，在钻探过程中岩石和钻探泥浆消耗的能量相当于钻头工作的产生的能量。脆性指数也关系到岩石钻探能力，可以准确地确定总能量消耗由破岩能量和耗散能量构成。通过调查研究发现，破岩能量和岩石力学性能的关系有可能评估岩石脆性指数。
[0004]因此，亟需研制一种新的岩石脆性评价方法，结合前述两种方式的优点，准确预测岩石脆性，满足现场评价的要求。

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探技术的岩石脆性评价方法，解决了现有技术采用的岩石脆性指数评估方法设置不科学，导致预测结果误差大，可靠性不足的问题。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，按照以下步骤实施：
[0007]步骤1、利用XCY
‑
1钻探工艺测量仪，对四种类型岩石实施数字钻探实验，比较扭矩M的测量值和轴向推力F
n
的设置值，进而计算出测量得到的轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
；
[0008]步骤2、当岩石受到旋转切割时产生断裂效应，引入能量指数CE得到切割能量U
c
的函数关系；
[0009]步骤3、通过伯努利定律将液体能量U
w
传递为做功的表达式，求解出底部摩擦能侧向摩擦能摩擦能量U
f
；
[0010]步骤4、将得到的轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
、切割能量U
c
和耗散能量U
d
，通过能量守恒串联，运用数学反解法，得出能量指数CE；
[0011]步骤5、通过系统分析岩石力学ISRM的规定，运用CE指数的解析得出脆性指数BEI，即成。
[0012]本专利技术的有益效果是，建立了岩石受力破坏程度与脆性指数CE之间的解析关系，利用XCY
‑
1钻探工艺测量仪快速、准确得到相应的力学数据，实现了对不同类型的岩石进行多次现场数字钻探核心实验深即可得到能量指数CE，用此指数确定脆性能量指数BEI，具体包括以下方面：
[0013]1)本专利技术利用XCY
‑
1钻探工艺测量仪进行岩石数字钻探采样，可以快速得出相关的力学性能相关数据，不需要在岩体中取出试样，保护了试样的完整并且减小人为对检测结果造成的误差。
[0014]2)根据伯努利定律及传递原理，钻头克服粘性阻力和动能所做的功将转化为液体的液体能量U
w
；经过转换后，检测参数变成可以采用的参数。
[0015]3)通过能量守恒，钻头的输入等于输出所做的功，从而快速简便得出能量指数CE。
[0016]4)根据能量耗散，建立了新的钻探能量相关的指标BEI，进而实现快速评判岩石的脆性指数。
附图说明
[0017]图1a是砂岩的应力
‑
应变曲线；图1b是花岗岩的应力
‑
应变曲线；图1c是页岩的应力
‑
应变曲线；图1d是石灰岩的应力
‑
应变曲线；
[0018]图2a是砂岩轴向推力F
n
及其扭矩M与钻探深度h之比的变化趋势；图2b是砂岩扭矩M及其转动扭矩功W
t
与钻探时间t之比的变化趋势；图2c是砂岩扭矩M与轴向推力F
n
之比的变化趋势；
[0019]图3a是花岗岩轴向推力F
n
及其扭矩M与钻探深度h之比的变化趋势；图3b是花岗岩扭矩M及其转动扭矩功W
t
与钻探时间t之比的变化趋势；图3c是花岗岩扭矩M与轴向推力F
n
之比的变化趋势；
[0020]图4a是页岩轴向推力F
n
及其扭矩M与钻探深度h之比的变化趋势；图4b是页岩扭矩M及其转动扭矩功W
t
与钻探时间t之比的变化趋势；图4c是页岩扭矩M与轴向推力F
n
之比的变化趋势；
[0021]图5a是石灰岩轴向推力F
n
及其扭矩M与钻探深度h之比的变化趋势；图5b是石灰岩扭矩M及其转动扭矩功W
t
与钻探时间t之比的变化趋势；图5c是石灰岩扭矩M与轴向推力F
n
之比的变化趋势；
[0022]图6a是轴向推力和扭矩与CE指数的比较图；图6b是钻探能量演化及CE指数的关系图；
[0023]图7a是UCS和CE指数特性之间的关系图；图7b是TS和CE指数特性之间的关系图；图7c是E和CE指数特性之间的关系图；
[0024]图8是两种方式验证UCS与能量指数CE之间的关系图。
具体实施方式
[0025]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。
[0026]本专利技术的方法，基于数字钻探
‑
能量守恒法得出能量指数CE定义BEI脆性指数评估岩石破坏强度，按照以下步骤实施：
[0027]步骤1、利用XCY
‑
1钻探工艺测量仪，对四种类型岩石实施数字钻探实验，一般情况下得到的物理参数测量值都会存在上下波动，比如岩石特性、热交换、钻机的机械问题。为了确保数字钻探中测量的准确度，比较扭矩M的测量值和轴向推力F
n
的设置值，进而计算出测量得到的轴向推力功W
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，其特征在于，按照以下步骤实施：步骤1、计算出测量得到的轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
；步骤2、引入能量指数CE得到切割能量U
c
的函数关系；步骤3、通过伯努利定律将液体能量U
w
传递为做功的表达式，求解出底部摩擦能侧向摩擦能摩擦能量U
f
；步骤4、将得到的轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
、切割能量U
c
和耗散能量U
d
，通过能量守恒串联，运用数学反解法，得出能量指数CE；步骤5、运用CE指数的解析得出脆性指数BEI，即成。2.根据权利要求1所述的基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，其特征在于，步骤1中，具体过程是：利用XCY
‑
1钻探工艺测量仪，对四种类型岩石实施数字钻探实验，比较扭矩M的测量值和轴向推力F
n
的设置值，进而计算出测量得到的轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
；轴向推力功W
n
、转动扭矩功W
t
的表达式如下：的表达式如下：式(1)、式(2)中，W
n
为轴向推力功，W
t
为转动扭矩功；F
n
是轴向推力，h是钻井深度，v是钻井速度，ω是空心钻头的旋转速度，M是扭矩，t是钻井时长。3.根据权利要求1所述的基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，其特征在于，步骤2中，具体过程是：切割能量U
c
的函数关系表达式如下：U
c
＝v
c
·
CE＝π(R2‑
r2)h
·
CE
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，v
c
为岩石切割的体积，R为空心钻头的外径，r为空心钻头的内径；通过得到的能量指数CE，来进一步分析CE与扭矩M和轴向推力F
n
之间的线性关系。4.根据权利要求1所述的基于数字钻探技术的岩石脆性评价方法，其特征在于，步骤3中，具体过程是：在岩石和钻头之间的工作机制下，钻孔内液体的阻力为耗散能量U
d
的部分来源；在单向钻探下，液体通过...

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