[发明专利]一种促进裂隙错动提升自支撑能力的立井施工方法

权利要求书

1.一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于步骤为：

a首先进行储层参数探测：通过探测获取储层目标开采层段的岩石力学参数、地应力参数，从而确定聚能射孔造缝的水平射孔方向参数；其中岩石力学参数包括弹性模量、泊松比、内摩擦角、黏聚力，地应力参数包括垂直主应力、最大水平主应力和最小水平主应力的大小与方向；

b施工立井：于地表下钻立井至储层目标开采区域，立井井段轴向垂直于最大与最小水平主应力方向所在平面；

c利用射孔枪在立井中进行聚能射孔造缝，沿立井的钻进方向垂直布置一列射孔，每个射孔的方向均与目标开采区域内最大水平主应力方向呈夹角，射孔孔径为5-7cm，产生射孔间距为20cm的裂缝簇；

d回收射孔枪并对立井进行封孔，利用水力压裂技术向立井中注入压裂液进一步对射孔造缝形成的裂缝进行扩缝压裂，从而使扩缝后的射孔造缝之间相互连通，形成沿射孔裂缝方向的扁平状裂缝面；

e裂缝错动自支撑：利用高能气体燃爆压裂技术促进裂缝剪切错动滑移，构建出立体自支撑裂缝网络；

根据不同井深处主应力分布差异对目标开采层段进行区域划分，各主应力大小变化小于5MPa、主应力方向变化角度小于5°的空间范围划分为一个目标开采区域，然后根据当前的目标开采区域的最大水平主应力方向设置射孔，施工射孔时采用后退式分段射孔方法，直至完成全层段的射孔造缝作业，从而保证立井在不同深度所生成的立体自支撑裂缝网络始终保持最佳效果；

裂缝的张开程度与裂缝短轴方向上有效压应力线性负相关，而裂缝短轴方向上有效压应力与主应力和裂缝面角度有关，推导过程如下：

首先利用式(1)计算裂缝的张开程度为：

式中e₀为水力压裂扩缝措施作用下裂缝长短轴之比，e为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下压缩后的裂缝长短轴之比，完全闭合时取0；υ为泊松比；E为弹性模量，单位为MPa；σ_ep为水力压裂措施撤去后，原岩地应力作用下裂缝短轴方向上有效压应力，单位为MPa；

由式(1)可知，e₀-e越大则裂缝在σ_ep的作用下越容易闭合；

在原岩地应力场中，裂缝短轴有效正应力为：

式中σ_H为最大水平主应力；σ_h为最小水平主应力；σ_v为垂直主应力；α为裂缝面与最大水平主应力的夹角，α∈[0°，90°]；β为裂缝面法向与垂直主应力的夹角，β∈[0°，90°]；

已知f(α)＝cos2α在区间[0°，90°]上单调递减，分别将区间左右端点值代入式(1)，可得

由于σ_H﹥σ_h，所以有(e₀-e)_90°﹥(e₀-e)_0°，

当α＝0°时，裂缝张开程度最大，即裂缝沿着最大水平主应力方向扩展，此时式(2)化简为：

σ_ep＝σ_hsin²β+σ_vcos²β (4)

由于σ_v﹥σ_h，所以当β＝90°时，σ_ep取最小值，数值上等于最小水平主应力。

2.根据权利要求1所述一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于：采用摩尔-库伦破坏准则求解裂缝面的极限剪应力，然后根据线弹性理论在平面应力状态下计算岩石受最大水平主应力和最小水平主应力，作用在裂缝面上的有效应力和剪应力，从而推断出极限剪应力与最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪应力之差越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大，最终获得当时，裂缝面错动程度最大，α为射孔造缝的裂缝角度，为岩石内摩擦角。

3.根据权利要求1所述一种促进裂缝错动提升自支撑能力的立井施工方法，其特征在于裂缝面错动程度：

在剪应力作用下，裂纹表面互相滑移产生剪切型裂纹，采用摩尔-库伦破坏准则研究剪应力作用下的裂缝面的错动，当作用于岩体裂缝面上的剪应力τ超过岩体所能承受的极限剪应力τ_f，剪切破坏发生，即破坏准则为：

τ≥τ_f (5)

利用式(6)求解极限剪应力τ_f是关于有效应力σ_ep的函数：

式中τ_f为极限剪应力；为岩石内摩擦角；c为岩石黏聚力；

根据线弹性理论，平面应力状态下，岩石受最大水平主应力σ_H和最小水平主应力σ_h，作用在裂缝面上的有效应力σ_ep和剪应力τ分别为：

式中，σ_ep为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的法向应力，即β＝90°时的有效应力；τ为最大、最小水平主应力在裂缝平面上产生的剪应力；

将式(5)(6)(7)(8)联立：

令δ＝τ-τ_f，可知δ越大表示剪切破坏越易发生，裂缝面错动滑移量越大；

由于最大水平主应力σ_H、最小水平主应力σ_h、岩石内摩擦角岩石黏聚力c是可测得的，均为已知量，故错动滑移量δ是关于夹角α的函数，定义有：

其中，常量常量

利用辅助角公式

其中，常量

由正弦函数性质，可得，当k∈Z时，函数δ(α)取得最大值；

因为射孔造缝的裂缝角度α∈[0°，90°]，故当

时，裂缝面错动程度最大。