[发明专利]一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法

权利要求书

1.一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、开展现场岩石随钻监测试验，得到切削力与给进力的关系，进而计算金刚石刀片的前角a，金刚石锯片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ；

步骤2、由步骤1得到的金刚石刀片的前角a、金刚石锯片的切削面与压缩破碎区之间的接触摩擦角θ，计算完整岩石的内摩擦角

步骤3、由得到的a、θ、分析钻探过程中切削力与每转穿透深度切削力，根据切削力与每转穿透深度间关系，计算完整岩石的粘聚力C；

步骤4、基于粘聚力C和内摩擦角计算完整岩石的无侧限抗压强度UCS。

2.根据权利要求1所述的一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法，其特征在于，所述步骤1具体按照以下步骤实施：

开展现场岩石随钻监测试验，岩石的钻探旋转过程分为两个阶段：穿透和切削，如果钻孔是由摩擦过程控制的，则切削力与给进力：F_t–F_n关系的数据点遵循具有高截距的线性路径，如果钻孔以切削为主，则F_t–F_n关系的数据点遵循过起始点的线性路径，

当给进力小于切削点时，钻孔以切削为主，切削力与给进力之间的关系如下：

F_t为切削力；F_n为给进力；a为金刚石刀片的前角；θ'是切削面的接触摩擦角；

当给进力大于切削点时，切削力与给进力之间的关系如下：

其中，A是切割的垂直横截面面积；C是完整岩石的粘聚力；θ是金刚石锯片底面与岩石之间的接触摩擦角；是完整岩石的内摩擦角；是完整岩石与压缩破碎区之间的摩擦角；

当给进力大于切削点时，F_t–F_n关系的数据点遵循过高截距的线性路径，直线的斜率即为tanθ的大小，直线斜率为已知量，从而求得金刚石锯片底面与岩石之间的接触摩擦角θ；

由于钻头材料在切削面和端面磨损面的均匀性，切削面的接触摩擦角θ'和金刚石刀片端面的接触摩擦角θ认为相等，即θ'＝θ，代入公式(1)，从而得到金刚石刀片的前角a。

3.根据权利要求2所述的一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法，其特征在于，所述步骤2中完整岩石的内摩擦角具体计算如下：

4.根据权利要求3所述的一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法，其特征在于，所述步骤3中完整岩石的粘聚力C计算如下：

钻探过程中切削力和给进力计算如下：

其中，A≈Bh/2，B是刀具的形状参数，h是每转穿透深度，

通过钻探数据，得出切削力与每转穿透深度的关系：在切削阶段以及切削与摩擦阶段，切削力随着穿透深度的增加而线性增加，得到两条趋势线：

切削阶段：F_t切削点，F_t-h关系的数据点遵循过起始点的线性路径；

切削与摩擦阶段，F_t＞切削点，F_t-h关系的数据点遵循过过高截距的线性路径；

通过切削力与每转穿透深度的关系曲线，已知切削阶段：F_t切削点，F_t-h关系线性路径的斜率：

从而求得完整岩石的粘聚力C。

5.根据权利要求4所述的一种基于随钻监测技术的岩石强度参数的超前预报方法，其特征在于，所述步骤4中完整岩石的无侧限抗压强度UCS计算如下：

结合粘聚力C和内摩擦角基于Mohr–Coulomb准则，计算岩石的无侧限抗压强度q_c：

其中，q_c是完整岩石的无侧限抗压强度UCS。