一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于地应力测量技术领域，具体涉及一种高地应力钻井区存在岩心饼化现 象时测量地应力方法。
【背景技术】
[0002] 目前，越来越多的地下工程向深部发展，高地应力下岩芯饼化现象时地应力的测 量是一个尚未解决的难题。在高地应力条件下，工程设计和建设更加需要准确快速测量 工程区的原岩三维地应力，而当钻孔过程中出现岩芯饼化现象时，传统的地应力测量方法 (主要是应力解除法）难以实施。传统测量方法，不论是应力解除法，还是水压致裂法，都需 要来回的下钻、穿线等繁琐测量工序和笨重的测量设备，有的方法需要多个不同方向的钻 孔；其结果更依赖于传感器、解调仪等大量电子仪器，在地下工程恶劣的测量环境下仪器误 差和可靠性都较难控制。
【发明内容】
[0003] 本发明目的之一在于为克服现有技术的缺陷，提供了一种高地应力钻井区存在岩 心饼化现象时测量地应力方法。
[0004] 本发明提供的一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法，包括如 下步骤：
[0005] 步骤SlOO :取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3 ±夬，记录每个岩饼发生处的埋 深和孔深；
[0006] 步骤S200 :确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的方 向；
[0007] 步骤S300 :做岩石的巴西圆盘劈裂试验，确定每个岩饼的岩石抗拉强度；
[0008] 步骤S400 :确定每个岩饼最大主应力、中间主应力和最小主应力三个主应力的大 小；
[0009] 步骤S500 :对各块岩饼确定出的地应力大小数据取算术平均值，作为该地区地应 力大小的数值。
[0010] 进一步的，所述步骤S200 :确定每个岩饼三个主应力的方向的步骤包括如下步 骤：
[0011] 步骤S210 :令岩石在力学上是均匀且各向同性，岩饼表面和岩芯根部的平均拉应 力osz方向近似垂直，其方位角与最小主应力一致；
[0012] 步骤S220 :建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力在Z轴法平面上 的投影为X轴，由右手准则确定Y轴；
[0013] 步骤S230 :建立岩饼外沿高度曲线和三个主应力方向的数学模型；
[0014] 步骤S240 :测量岩饼外沿高度曲线；
[0015] 步骤S250 :根据岩饼外沿高度曲线确定三个主应力的方向。
[0016] 本发明的有益效果在于，本发明可以解决岩饼持续出现时传统地应力测量方法不 能测定原岩地应力的问题，经实际使用验证，使用本发明确定出三维原岩地应力大小和方 向结果可靠，并具有简便、实用和科学的优点。
【附图说明】
[0017] 图1所示为本发明【具体实施方式】中步骤S231中有关坐标和角度示意图。
[0018] 图2所示为本发明【具体实施方式】中步骤S232中有关坐标和角度示意图
[0019] 图3所示为本发明一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应力方法流 程图。
[0020] 图4所示为本发明确定每个岩饼三个主应力的方向的方法流程图。
【具体实施方式】
[0021] 下文将结合具体实施例详细描述本发明。应当注意的是，下述实施例中描述的技 术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的 技术效果。
[0022] 如图1-4所示，本发明提供的一种高地应力钻井区存在岩心饼化现象时测量地应 力方法，包括如下步骤：
[0023] 步骤SlOO :取2倍洞径以外典型的原岩岩饼至少3 ±夬，记录每个岩饼发生处的埋 深和孔深。
[0024] 选取的原岩岩饼要求各岩饼的孔深相差在Im以内，岩饼形态类似。
[0025] 步骤S200 :确定每个岩饼最大主应力σ i、中间主应力σ 2和最小主应力σ 3三个 主应力的方向。
[0026] 步骤S210 :令岩石在力学上是均匀且各向同性，岩饼表面和岩芯根部的平均拉应 力Osz方向近似垂直，其方位角与最小主应力σ 3-致。
[0027] 步骤S220 :建立X-Y-Z坐标系：钻孔钻进方向为Z轴，最大主应力〇在Z轴法平 面上的投影为X轴，由右手准则确定Y轴，地磁北极到Y轴的夹角为θ。，三维地应力在三个 坐标轴上的分量分别为σ χ、σ y、σ ζ。
[0028] 步骤S230 :建立岩饼外沿高度曲线ζ和〇 ρ 〇 2、〇 3三个主应力方向的数学模型， 具体地，包括如下步骤：
[0029] 步骤S231 :当σ 3= ?，? P ? 2时，得到岩饼外沿的高度曲线Z = A " cos2(0-0。)，其中Ani是岩饼外沿高度变化的幅度，Θ是岩饼外沿上点在X-Y平面投影的 角度，以正北方向为〇°，以逆时针为正，此时〇 3的方向和钻孔轴向即Z轴一致，凹面轴与 。卿X轴的方向一致、凸面轴与。2即Y轴的方向一致，即Θ。= Θ 2，其中θ2为。2的方 位角。
[0030] 步骤S232 :当σ 3辛σ，σ P σ 2时，岩饼形态的对称性被破坏。为 描述岩饼外沿的高度，将步骤S220步骤中建立的X-Y-Z坐标绕X轴旋转α角到 X' -Y' -Z'坐标，再绕Y'轴旋转β角到X " -Y" -Z"坐标，最终坐标轴Ζ"和 〇sz的方向一致，这种条件下岩饼外沿的高度ζ在X-Y-Z坐标系中的表示由下式给出： CN 105092107 A 说明书 3/4 页
?其中R是岩饼的半径。
[0031] 设：(^是σ屈倾角，φ sz为σ sz的倾角，Θ 3为最小主应力σ 3的方位角，也是 〇sz的方位角，则Θ。= Θ 2仍然成立，各个角度之间有如下关系：
[0032]
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[0037] 其中ξ是中间变量，其定义为：ξ = (〇z-〇3)/〇ni，其中Oni是平均主应力，根据 三个主应力相互垂直的理论要求，当σ 2、〇3的方向确定后，〇 i的方向也随之确定。
[0038] 步骤S240 :测量岩饼外沿高度曲线。
[0039] 以正北方向为0°，以逆时针为正，记录岩饼外沿各点的高度z和角度Θ，画出 Z-Θ高度曲线