本发明专利技术为一种基于构元分析模型确定煤层安全钻井液密度的方法，煤层割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，各向异性及非连续性显著，其井壁失稳特性不同于一般的砂岩地层，传统的基于连续介质力学的井壁稳定模型在解决煤层失稳问题时难以奏效。该发明专利技术将煤层视为由离散块体组成，通过分析夹在两个面割理之间、最容易发生崩落的煤块进行受力分析，由压应力、剪应力及井筒压力的受力平衡条件建立坍塌压力的构元分析模型，引入系数c来判断井眼压力与井壁稳定的关系，进而确定安全钻井液密度的范围。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是关于一种煤层钻井安全钻井液密度的确定方法，以保证钻井井眼质量， 同时该专利技术也适用于其他岩性的裂缝性地层安全钻井液密度的确定。
技术介绍
煤层气是当前非常规天然气发展的重要方向，随着煤层气勘探开发的推广、深入， 各种深井、水平井及复杂结构井得到广泛的应用，相应钻井中的井壁稳定问题也日益突出。 煤岩中存在两组近似垂直的割理，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。割理将煤体切割成一个个不连续的斜方体小块，破坏了煤层的完整性，煤层易沿割理面滑移坍塌。煤层割理、裂隙发育，岩石脆性大、强度低，各向异性及非连续性显著，其井壁失稳特性不同于一般的砂岩地层，传统的基于连续介质力学的井壁稳定模型在解决煤层失稳问题时难以奏效。本专利技术基于煤层被割理划分为不连续的煤块，对容易发生滑移坍塌的煤块进行受力分析，由受力平衡条件建立坍塌压力的构元分析模型。利用构元模型可以确定井眼压力与井壁稳定的关系，进而确定安全钻井液密度的范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供节理性煤层钻井安全钻井液密度的确定方法。该方法将煤层视为由离散块体组成，通过分析夹在两个面割理之间、最容易发生崩落的煤块进行受力分析，由压应力、剪应力及井筒压力的受力平衡条件建立坍塌压力的构元分析模型，进而确定安全钻井液密度的范围。本专利技术目的是这样实现的，将井眼周边的应力状态均为平面应变，在地应力、井眼液注压力的作用下，井眼周围应力分布为^=4^+^^(1-4) + ^^(1 + ^-^)003 2^r2r"2r r^=4^+^^(1-4)-^^(1^)0032^(1)r2r-1rr, 二 ^^ (1-^ + sin 2Θ2r r为方便应用，将极坐标系下的(1)式转换到直角坐标系下，得到σχ=σ rcos2 θ +0 0sin2 θ - τ r0sin2 θQy=O rsin2 θ + σ θ cos2 θ + τ r θ sin2 θ(2)Txy 二 ( 广)sin 20 + τΓθ cos 2Θ对如图1所示井壁的煤块来说，标号为①的煤块夹在两个面割理之间，最容易发生崩落。我们将煤块①取出进行详细的受力分析，如图2所示。压应力σ 31、ο 51由下式计算，σ 51 或 σ 31 = σ ycos2 θ 工+ σ xsin2 θ 厂 τ xysin2 θ煤块滑落时的剪应力为T31 = tan (pm (σ31 - ρ,) ,T51 = tan φΒ (σ51 - ρ；)压应力σ41由下式计算，σ 41 = σ yCos2 θ 2+ σ xsin2 θ 2+ τ xysin2 θ 2σ 41的平均值可表为(3)⑷(5)σ41=C41Pi+A (O1, ο 2, a, b, θ ” θ 2，β 1； Ti)c4i =(—-)2(cos2 Θ41 -sin2 ^41)sin2 ( + (i)2(sin2 θ4ι -cos2 6>41)cos2 G2 (6)Γ41r41+(—)2 sin 2^41 sin 2Θ2rA\6>4| =^,+^-σ 31 的平均值可表为 Q31 = C31Pff2 ( σ ” σ 2, a, b, θ ” θ 2，β ” 巧)yyc3i =(—)2(cos2 ^31 -si^^^sin2^, +(-^)2(sin26*3t - cos2 ^31)cos2 ⑵γ·"(—)2 sin 2^3, sin W、ri\r31 = r^h/2, θ 31 = β 工σ si 的平均值可表为 σ51 = C51P^f3 (ο” σ 2, a, b, θ ” θ 2，β ” 巧) C51 = (i)2(cos2 Θ51 -Sin2 ^51)sin2 +(—)2(sin2 Θ51 -cos2 ^51)cos2 θχ (o\"(—)2 sin26>51sin2^^51r51 = ri+b/2, θ 51 = β ^a/巧由径向受力平衡，煤块不发生滑落的条件为( σ 41-Pi) a- ( τ 31+ τ 51+2Cm) b ( aStd(9)所以坍塌压力满足{α-Ocii +b tan (PmCil -26tan<3m +btan<pmc5、、pc =Cpc^afl-IbCm -6tan%,/2-bX^J^-aS^ (10)传统的砂岩井壁稳定理论认为井眼压力越高井壁越稳定，但对煤层并非完全如此。提高井眼压力使井壁更加稳定还是不稳定取决于式(10)中P。系数C。c > O则提高井眼压力使井壁趋于稳定，反之c < O则提高井眼压力使井壁趋于不稳定。安全钻井液密度的确定方法，若系数c在整个井眼范围内恒正，安全钻井液密度应大于坍塌压力最大值；若系数c在整个井眼范围内恒负，安全钻井液密度应小于坍塌压力最小值；若系数c在整个井眼范围内正负变化，可将井壁划分为8个、3类区间(图3)。 第2、4象限若发生坍塌需沿端割理滑动，为相对稳定区域。第1、3象限按系数c的正负划分为2类区域(区域II :c>0，区域III :c<0)。可以优选泥浆密度来避免敏感位置(指井壁稳定对泥浆压力的敏感性，用|c|表示)的坍塌。pc(II，|c| 最大)≤ Pi≤pcail，|c| 最大)(11) 附图说明以下附图仅旨在于对本专利技术做示意性说明和解释，并不限定本专利技术的范围。其中，图1 煤层构元划分图2 构元受力分析示意3 井壁稳定的区间划分图4 安全钻井液压力的计算结果(C值不变正负号)图5 安全钻井液压力的计算结果(C值变正负号)具体实施例方式为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现举例说明本专利技术的具体实施方式。1.确定目标煤层的相关地质参数，例如面割理间距Vri = 0. 1，端割理间距b/ri =0.1，割理倾角θ1= θ2 = 45°，地应力。2/01 = 0.9，割理面摩擦角礼二5°、10°、30°。2.判断式(10)中P。系数c的正负号。例如=5°对应c > 0，扎二30°对应c < 0， ^=10°对应C值变正负号。3.确定安全钻井液密度。图4中扎=5°对应c > 0，安全泥浆压力应大于临界值 (曲线极大值)见=30°对应c<0，安全泥浆压力应小于临界值(曲线极小值)。图5中 β i在11 20度及63 78度区间c值接近0，说明此段井壁的稳定性与泥浆压力无关。 我们可以根据式(11)优选泥浆密度来避免敏感位置的坍塌PA^P^PA^ (12)即 0. 92 彡 pc/o 丄彡 0. 95。权利要求1.煤层坍塌压力的构元分析模型，其特征在于基于煤层被割理划分为不连续的煤块，对夹在两个面割理之间，最容易发生崩落的煤块进行受力分析，由压应力、剪应力及井筒压力的受力平衡条件建立坍塌压力的构元分析模型。2.判断井眼压力与井壁稳定关系的系数c的确定方法，其特征在于 c二 i/-flc41 +6tan^mC31 -26tan^m+6tan^mC51,c > 0则提高井眼压力使井壁趋于稳定，反之 c<0则提高井眼压力使井壁趋于不稳定。3.安全钻井液密度的确定方法，其特征在于若系数c在整个井眼范围内恒正，安全钻井液密度应大于坍塌压力最大值；若系数c本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．煤层坍塌压力的构元分析模型，其特征在于：基于煤层被割理划分为不连续的煤块，对夹在两个面割理之间，最容易发生崩落的煤块进行受力分析，由压应力、剪应力及井筒压力的受力平衡条件建立坍塌压力的构元分析模型。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵海峰，陈勉，郑力会，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：11
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