[发明专利]一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置

说明书

本发明提供了一种煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置。所述方法包括：获取煤层的割理产状，包括面割理与端割理的走向、倾向与倾角；取不同方向的煤心，通过岩心强度实验和数据拟合分别获得煤岩本体与割理面的强度参数；获取所述煤层的井斜角、方位角以及地应力、孔隙压力值；根据所述井斜角、方位角、地应力、孔隙压力值、两组割理面的走向、倾向与倾角、煤岩本体与割理面的强度参数，并依据摩尔‑库伦准则和弱面破坏准则，分别计算安全钻井泥浆密度窗口下限P_b和安全钻井泥浆密度窗口上限P_f。本发明较好的考虑煤岩普遍发育两组正交的割理组的特点，综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的可能性，分析煤层钻井的井壁稳定性，预测安全钻井泥浆密度窗口，方法简单易用，且预测效果好。

技术领域

本发明涉及煤层钻井工程技术领域，尤其涉及煤层钻井中的井壁稳定技术领域，具体涉及一种基于正交弱面模型的煤层安全钻井泥浆密度窗口的预测方法及装置。

背景技术

煤是由古代植物遗体埋藏地下并经历长期的生物化学与地质作用而转变成的有机岩石。在煤的形成过程中，各种地质因素的影响使煤体内形成大量裂隙，其中最主要的是两组近于垂直的割理。割理是在成煤的不同时期，由于煤化作用过程中挥发分、水分逸失产生的收缩内应力而形成的系统裂隙，一般垂直于或接近垂直于煤层层面。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。除割理外，煤层还可能发育有节理、次级节理等裂隙。这些裂隙相互交叉切割，形成了复杂的裂隙系统。

由于割理、裂隙的作用，煤体被切割成为一个个不连续的近似斜方体的小块，破坏了煤层的完整性。煤岩普遍发育的割理与裂缝导致其力学性质具有不连续性、非均质性、各向异性和渗透性的特点，机械强度较低且各向异性明显，脆性较为显著，导致钻井过程中煤层段井壁极不稳定，极易发生井壁坍塌、井漏和卡钻甚至埋掉井眼等井下事故，造成巨大的经济损失。

传统的基于连续介质力学强度理论的煤层气井壁稳定性分析模型，将煤岩当做均匀连续介质，认为煤岩宏观强度各向同性，仅考虑煤岩本体的破坏，不能恰当地考虑割理、裂隙导致的煤岩不连续性、强度各向异性对煤层井壁稳定的影响，利用这些传统模型所预测的煤层钻井安全泥浆密度窗口在实际钻井过程中经常难以奏效。煤层中割理、裂隙属于软弱结构面，这种弱面的存在使得煤岩破坏呈现两种可能性，即煤岩本体破坏以及割理弱面破坏。钻井过程中使用的泥浆密度值太低时，由于钻井导致的应力集中效应，可能在这些弱面上形成较大的剪切应力作用，有可能使煤岩先于本体破坏而在这些弱面上发生剪切滑移破坏。而如果钻井过程中使用的泥浆密度值太高，一方面可能在煤岩本体中或者垂直于弱面方向上形成拉应力，从而导致张拉破坏，另一方面由于弱面上的法向压应力减少，摩擦抵抗力减小，也可能发生沿着弱面的剪切滑移破坏。因此在进行煤层钻井井壁稳定性分析并预测安全钻井泥浆密度窗口时，应针对煤层发育两组正交割理组的特点，综合考虑煤岩发生本体破坏以及沿两组割理弱面破坏的可能性，以准确预测煤层钻井安全泥浆密度窗口。

目前煤层钻井井壁稳定性分析与安全泥浆密度窗口预测尚未形成行之有效的办法，并未建立综合考虑煤岩本体破坏与割理弱面破坏的煤层钻井安全泥浆密度窗口预测方法。

发明内容

本发明的目的是提供煤层钻井井壁稳定性分析和安全泥浆密度窗口的预测方法，以解决现有技术中尚未有行之有效的煤层钻井安全泥浆密度窗口预测方法的问题。