一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法

摘要

本发明公开了一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法，步骤是：A、在页岩气勘测孔中进行测井分析，选择测试孔段进行地应力测试作业；B、在测试孔段中布置测点，采用梅花形布置，不同测试点在钻孔轴线间的夹角；C、将位移测试设备沿径向方向靠近测试点并刺破孔壁泥浆层，采用取芯钻头沿径向绕位移测量设备进行环切，通过电缆实时向地面进行传输，应力解除完成；D、结束应变解除作业后，通过取芯钻头将钻取的岩芯卡断，并存储至地面；E、所有测试点的测试工作完成后，回收侧壁取芯装置并取出岩芯，获得测点的三维地应力。方法易行，操作简便，获取不同方向上位移分量，建立孔壁位移与远场地应力之间的关系，得测点处的地应力分量。

权利要求

1.一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法，其步骤是：

A、在页岩气勘测孔或者页岩气开采钻孔中进行测井分析，页岩气勘测孔的直径为至 之间的的油气标准钻孔，结合测井分析的结果，选择测试孔段进行地应力测试作业，将侧壁取芯装置通过钻杆下放到2000-3000米深度；

B、在测试孔段中布置6－9个测量点，采用梅花形布置形式，不同测试点在钻孔轴线间的夹角为55°－65°，轴向上的距离为90－120mm；

C、测试过程：将位移测试设备沿径向方向10-15mm处靠近测试点并刺破孔壁泥浆层并抵住岩壁，待位移测量设备接触到测试点之后，采用取芯钻头沿径向绕位移测量设备进行环切，将测试点处的应力进行解除，取芯钻头的尺寸选择为 之间，应力解除深度选择40－65mm，在解除过程中，位移测量设备连续记录应力解除过程中的孔壁径向位移变化，通过电缆实时向地面进行传输，位移变化稳定后，应力解除完成，得到了一个方向上的径向位移值；

D、结束应变解除作业后，通过取芯钻头将钻取的岩芯卡断，并存储至地面，结束该测试点的测试以及取芯工作，然后旋转侧壁取芯装置，在测试点6－10处重复应力解除作业以及侧壁取芯作业，得到6－9个方向上的径向位移值；

E、所有测试点的测试工作完成后，回收侧壁取芯装置并取出岩芯，通过室内补充试验测得每个岩芯的弹性变形参数，包括弹性模量以及泊松比，再结合高精度位移测量得到的

6－9个不同方向上的径向位移变化值，得到一个包含弹性变形参数、径向位移以及远场地应力的线性方程组，获得测点的三维地应力状态。

说明书

一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法

技术领域

[0001] 本发明属于岩土力学测量技术领域，更具体涉及一种用于确定地下深部岩层三维地应力的方法，它适用于深部钻孔内的孔壁局部变形数据估算岩体三维地应力状态。

背景技术

[0002] 地壳应力状态是处理土木工程、采矿能源工程等领域中有关深部岩体问题时必不可少的基本数据资料之一。在土木工程中，深部岩体的高地应力状态在受到工程扰动后会诱发岩体破坏、坍塌或者爆裂等现象。而在核废料处理工程中，赋存高地应力状态、完整性好的岩体更为致密，渗透率更低，有助于阻隔污染物的运移。在非常规油气资源勘探与开发中，原岩地应力直接决定了孔壁的稳定性、水平井的方向以及控制裂隙的发育情况，是提高开采效率的重要参数。地壳应力的来源十分复杂，除了受到上覆岩岩土体的重力作用以外，由于地壳构造运动引起的构造应力同样会对岩土体的应力状态产生较大影响。所以要较为准确地获取地应力场，现场原位测试是必不可少的。目前常用的地应力测试技术方法包括应力解除法、水压致裂法、钻孔崩落法等，其中应力解除法的应用最为普遍，相关的测试技术也相对成熟和完善。但是，应力解除法在实际使用过程中存在一定的局限性，特别是在较深钻孔中受到复杂测试条件的影响，很难得到理想成果。

[0003] 经对现有三维地应力测量方法及其测试技术的文献检索发现，目前大部分的应力解除法的测试过程可以归纳为：首先在完整的岩石上钻一个小直径的导向孔，该导向孔将解除导向孔周围岩石的弹性应力。停止钻进后，先导孔周围岩石压力重新达到平衡。下一步是将应力测量仪放入先导孔，并将应变计粘粘至先导孔的孔壁上。然后再解除仪器周围围岩中的应力，同时测量仪器记录此过程中产生的应变。如果已知岩体的弹性模量和泊松比，并能获取至少六个不同方向的正应变变化值，通过应变与测量点围岩远场地应力分量之间的数学关系，利用最小二乘法就能求解出远场地应力的六个分量，也就确定了测点的三维地应力状态。但针对深部复杂的钻孔条件，特别是在页岩气勘查或者开采井中进行应力解除法测量，还存在以下不足之处：

[0004] 1、传统应力解除法要求在孔底进行测量工作，当达到预定深度后，需要将钻头更换为专门设备对孔底进行清理以及钻先导孔。由于页岩气开采孔的深度一般超过2000m，提钻以及更换钻头十分繁琐，不具备实际操作的条件；

[0005] 2、因为深部钻孔的孔壁稳定性需要用粘稠的泥浆进行维持，孔内的实际测试环境为高温高压环境。应变解除法中采用应变花测量，孔壁往往存在较厚的泥浆以及岩石碎屑，应变花的粘贴十分困难，此外，一般电子元件在这种环境下往往失效，无法正确获取地应力参数。

[0006] 3、传统应力解除法需要通过补充室内试验求取岩体的弹性模量和泊松比。但由于深钻井施工的特殊性，一般很难得到测试点处的岩芯，采用其他间接方法得到的岩体弹性参数往往不准确。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于克服上述基于钻孔孔底应变测量确定岩体三维地应力的不足之处，是在于提供了一种基于深部钻孔孔壁位移高精度测量确定岩体三维地应力的方法。依据线弹性岩石力学理论，钻孔的孔壁位移与远场三维地应力张量之间存在着确定的数学关系。方法易行，操作简便，只要能获取一小段孔壁上至少六个不同方向上位移分量，就能建立孔壁位移与远场地应力之间的关系方程，从而求得测点处的六个地应力分量。

[0008] 为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

[0009] 一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法。其步骤是：

[0010] A、如图1(a)所示，在页岩气勘测孔或者页岩气开采钻孔中进行测井分析，页岩气勘测孔的直径可以选为 至 之间的油气标准钻孔。结合测井分析的结果，选择拟测试孔段进行地应力测试作业，将侧壁取芯装置通过钻杆下放到2000-3000米深度。

[0011] B、在拟测试孔段中布置6－9个测量点，采用梅花形布置形式，不同测试点在钻孔轴线间的夹角为55°－65°，轴向上的距离为90－120mm；

[0012] C、以某一测试点的测试过程为例：首先将位移测试设备沿径向方向10-15mm处靠近测试点并刺破孔壁泥浆层并抵住岩壁。待位移测量设备接触到测试点之后，采用取芯钻头沿径向绕位移测量设备进行环切，从而将测试点处的应力进行解除。取芯钻头的尺寸可以选择为 之间，应力解除深度可以选择40－65mm。在解除过程中，位移测量设备连续记录应力解除过程中的孔壁径向位移变化，并通过电缆实时向地面进行传输。当位移变化稳定后，可认为应力解除基本完成，这样就得到了一个方向上的径向位移值；

[0013] D、结束应变解除作业后，通过取芯钻头将钻取的岩芯卡断，并存储至地面，结束该测试点的测试以及取芯工作。然后旋转侧壁取芯装置，在测试点6－10处重复应力解除作业以及侧壁取芯作业，这样就能得到6－9个方向上的径向位移值。

[0014] E、当所有测试点的测试工作完成后，回收侧壁取芯装置并取出岩芯。通过室内补充试验测得每个岩芯的弹性变形参数，包括弹性模量以及泊松比。再结合高精度位移测量得到的6－9个不同方向上的径向位移变化值，可以得到一个包含弹性变形参数、径向位移以及远场地应力的线性方程组，从而获得测点的三维地应力状态。

[0015] 通过上述五个步骤的技术措施，其中最关键的步骤是第三步。这一步骤解决了现有应力解除法不能在直接深部钻井中进行应变测量的技术难点。与现有的通过测量孔底应变来确定测点三维地应力的方法相比，本发明克服了只能在孔底进行试验测量，采用防水耐压的高精度位移测量设备，而不是传统方法采用的应变测量设备，避免了在复杂泥浆条件下无法进行应变片粘贴以及测量的弊病，可以应用于深度超过2000－3000m的深部页岩气勘查孔以及开采孔中。根据室内试验测试结果，本发明的测试位移精度达到0.1微米，同时仪器能在外压60MPa,温度80℃进行测试。相对于大部分只能在普通条件下进行测试的限制，本发明的应用范围更广。

[0016] 本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

[0017] 1、相比较现有的大部分应力解除法在孔底进行测试而言，本方法可以直接在孔内任意深度进行地应力测试；

[0018] 2、与现有的应力解除法采用应变花的测量方式相比，本方法采用防水耐压的高精度位移测量设备，直接刺破孔壁泥浆护壁层，能够直接应用于充满泥浆的深部井下条件；

[0019] 3、在应力解除测试结束后，能收集到测量点处的圆柱形岩芯。测量结束后，通过室内补充试验能得到岩体岩性力学参数，用于三维地应力场的确定；

[0020] 4、相比现有的应力解除法，应力解除的钻孔直径小、、钻进深度较小，能有效提高测试的成功率，单个测试点的测试时间缩短至15-20分钟。

附图说明

[0021] 图1为一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法实施过程示意图。

[0022] 其中：图a为一种页岩气勘测孔示意图。

[0023] 图b为一种测试点布置截面图。

[0024] 图c为一种测试点布置侧视图。

[0025] 图d为一种局部孔壁应力解除作业示意图。

[0026] 其中：1－页岩气勘测孔、2－测试孔段、3－侧壁取芯装置(BWSRM-V01)、4－钻杆、5－第一测试点、6－第二测试点、7－第三测试点、8－第四测试点、9－第五位测试点、10－第六测试点、11－位移测量设备(Keyence,GT2-P12K)、12－孔壁泥浆层、13－取芯钻头、
14－电缆、15－岩芯。

具体实施方式

[0027] 下面结合图1对本发明的实施例作进一步详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0028] 实施例1：

[0029] 一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法，其步骤是：

[0030] A、如图1(a)所示，在页岩气勘测孔1中进行测井分析，页岩气勘测孔1的直径可以选为 左右。结合测井分析的结果，选择拟测试孔段2进行地应力测试作业，将侧壁取芯装置3通过钻杆4下放到2100或2300或2600或2800或3000米。

[0031] B、在拟测试孔段2中布置6个第一测量点5、第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10，采用梅花形布置形式，不同测试点在钻孔轴线间的夹角为55°或58°或61°或63°或60°，轴向上的距离为90毫米左右；

[0032] C、以第一测试点5的测试过程为例：首先将位移测试设备11沿径向方向靠近第一测试点5并刺破孔壁泥浆层12。待位移测量设备11接触到第一测试点5之后，采用取芯钻头13沿径向绕位移测量设备9进行环切，从而将第一测试点5处的应力进行解除。取芯钻头13的尺寸可以选择为 毫米左右，应力解除深度可以选择44.5毫米左右。在解除过程中，位移测量设备11连续记录应力解除过程中的孔壁径向位移变化，并通过电缆14实时向地面传输数据。当位移变化稳定后，可认为应力解除基本完成，这样就得到了一个方向上的径向位移值；

[0033] D、结束应变解除作业后，通过取芯钻头13将钻取的岩芯15卡断，结束该测试点的测试以及取芯工作。然后旋转侧壁取芯装置3，在第一测试点5，第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10处重复应力解除作业以及侧壁取芯作业，这样就能得到至少6个)方向上的径向位移值。

[0034] E、当第一测量点5、第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10的测试工作完成后，回收侧壁取芯装置3并取出岩芯15。通过室内补充试验测得每个岩芯的弹性变形参数，包括弹性模量以及泊松比。再结合高精度位移测量得到的6个不同方向上的径向位移变化值，可以得到一个包含弹性变形参数、径向位移以及远场地应力的线性方程组，从而获得测点的三维地应力状态。

[0035] 申请者利用本地应力测试方法开展了试验，发现该方法测得的页岩气勘测孔深部的三维地应力状态具有较高的精确度，测试时间缩短至15分钟。同时获取了6个深部岩体的圆柱形岩样，可以进行进一步的分析研究，对于页岩气储层可采性以及资源储量评价具有重要意义。

[0036] 实施例2

[0037] 一种基于钻孔壁面位移测量的三维地应力确定方法，其步骤是：

[0038] A、如图1(a)所示，在页岩气勘测孔1中进行测井分析，页岩气勘测孔1的直径可以选为 毫米左右。结合测井分析的结果，选择拟测试孔段2进行地应力测试作业，将侧壁取芯装置3通过钻杆4下放到指定2900米。

[0039] B、在拟测试孔段2中布置6个第一测量点5、第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10，采用梅花形布置形式，不同测试点在钻孔轴线间的夹角为55°，轴向上的距离为120毫米左右；

[0040] C、以第一测试点5的测试过程为例：首先将位移测试设备11沿径向方向靠近测试点3并刺破孔壁泥浆层12。待位移测量设备11接触到测试点5之后，采用取芯钻头13沿径向绕位移测量设备9进行环切，从而将第一测试点5处的应力进行解除。取芯钻头13的尺寸可以选择为 毫米左右，应力解除深度可以选择63.5毫米左右。在解除过程中，位移测量设备11连续记录应力解除过程中的孔壁径向位移变化，并通过电缆14实时向地面传输数据。当位移变化稳定后，可认为应力解除基本完成，这样就得到了一个方向上的径向位移值；

[0041] D、结束应变解除作业后，通过取芯钻头13将钻取的岩芯15卡断，结束该测试点的测试以及取芯工作。然后旋转侧壁取芯装置3，在第一测试点5，第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10处重复应力解除作业以及侧壁取芯作业，这样就能得到至少6个方向上的径向位移值。

[0042] E、当第一测量点5、第二测量点6、第三测试点7、第四测试点8、第五测试点9、第六测试点10的测试工作完成后，回收侧壁取芯装置3并取出岩芯15。通过室内补充试验测得每个岩芯的弹性变形参数，包括弹性模量以及泊松比。再结合高精度位移测量得到的6个不同方向上的径向位移变化值，可以得到一个包含弹性变形参数、径向位移以及远场地应力的线性方程组，从而获得测点的三维地应力状态。

[0043] 其它实施步骤与实施例1相同。

[0044] 申请者利用本地应力测试方法开展了试验，发现该方法测得的页岩气勘测孔深部的三维地应力状态具有较高的精确度，测试时间缩短至15分钟。同时获取了6个深部岩体的圆柱形岩样，可以进行进一步的分析研究，对于页岩气储层可采性以及资源储量评价具有重要意义。