（油气井工程专业论文）岩石可钻性的分形表示方法研究.pdf

r e s e a r c ha b o u tt h ef r a c t a lt e p r e s e n t a t io no fr o c k d r l l l a b l l i t y a b s t r a c t t h ea c t i v ew a yt of i xo nt h er o c kd r i l l a b i l i t yn e e d st ot e s tm e c h a n i c so ft h er o c ks a m p l e w i t hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t ，o rs i m u l a t et h ea c t u a lc o n d i t i o na n du s et h em i c r ob i tm e t h o dt o r e s e a r c ht h ed r i l l a b i l i t yi n d e x a l t h o u g ht h et e s tr e s u l t 嘶t 1 1t h em i c r ob i tm e t h o dh a sah i 曲 c o i n c i d e n c e ，t h el a b o r a t o r ye x p e r i m e ml a g st ot h ea c t u a ld r i l l i n g ，h a st h em o r ee x p e n s e sa n dt h e l o n g e rc y c l e s oi td i s t u r b st h ei m p r o v e m e n to f t h ed r i l l i n gs p e e d i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h ea r t i c l ep r o p o u n d sak i n do ft e s tm e t h o dt of i xo nt h e r o c kd r i l l a b i l i t yc l a s s i f i c a t i o nn u m b e rw i t ht h ef r a c t a lg e o m e t r yp r i n c i p l e ；t h ea b b r e v i a t e dn a m e o f t h em e t h o di st h er o c kd r i u a b i l i t yf r a e t a l 洲l u a t i o n o b j e c t i n gt ot h ed r i u i n gc u t t i n g sr e t u r n e d f r o mb o t t o mh o l e ，t h em e t h o dc a nt e s ta n dc a t c hs a m p l es i m u l t a n e o u s l y i nt h i sw a y , i tc a nn o t o n l yc o m p l e t et e s tw h i l ed r i l l i n g ，b u ta l s oc a nr a d i c a l l ys o l v et h ef l a w so fc o r i n gp o s t e r i t ya n d l l i g hc o s t t h r o u g hd e a l i n gw i t ht h eu p w a r dd e b r i ss t a n d a r d gt h em e t h o dc a l lc o m m e n d a b l y r e m o v et h ei n f l u e n c et h a td i f f 渊tb r e a kr o c ki m p l e m e n t sa n dd r i l l i n gf l u i dc o n d i t i o n sh a v e e 跪c t so nt h eu p w a r dd e b r i s g r a i ng r a d ed i s t r i b u t i o n t h ee x p e r i m e n t a t i o ni n d i c a t e st h a tt h e d e b r i s m a s sd i s t r i b u t i o nh a sag o o dl i n e a r i t y mr e g r e s sc o r r e l a t i n gm o d u l u si sa b o v eo 8 5a n d t h ed e b r i sw i t hs t a n d a r db r o k e nh a st h eh i g h e rp e r t i n e n t ( a b o v eo 9 6 ) b a s e do nt h e s ed a t a , w e c a nc o n c l u d et h a tt h eu p w a r dd e b r i s g r a i ng r a d ed i s t r i b u t i o ni sf r a e t a l t h r o u g hd o i n gt h em i c r ob i te x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r y , w ea s c e r t a i nt h em e a s u r e m e n t s t a n d a r do ft h er o c kd r i l l a b i l i t y i fw ee s t a b l i s ht h er e l a t i o u s h i pb e t w e e nf r a c t a ld i m e n s i o na n d t h em i c r o b i td r i l l a b i l i t yg r a d e ，w ew i l le s t a b l i s ht h er e l a t i o n s h i pb e 协e e nf r a c t a ld i m e n s i o na n d r o c kd r i l l a b i l i t y t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er e g r e s sc o r r e l a t i n gm o d u l u sb e t w e e nf r a c t a l d i m e n s i o na n dm i c r o b i td r i l l a b i l i t yg r a d ei sa b o v eo 7 2 2 7 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，w ec o n s t i t u t e t h ep r e d i c t i n gi n d e xo ft h er o c kd r i l l a b i l i t yw h i c hb a s e do nt h ef r a c t a ld i m e n s i o no ft h ed e b r i s g r a d ed i s t r i b u t i o n a f t e rs a m p l ee x a m i n a t i o n ，t h ee l r o rf i u c t u a t c sb e t w e e n2 一1 1 ，a n dt h e o v e r a l lm e a nv a l u ei s6 5 i ti so b v i o u st h a ti th a sv e r yh i 曲p r e c i s i o n 、i t l lt h ef r a e t a lm e t h o d t od e s c r i b et h er o c kd r i l l a b i l i t yg r a d e k e yw o r d ：d r i l l i n g ，r o c kd r i l l a b i l i t y , u p w a r dd e b r i s ，f r a c t a l ，f r a c t a ld i m e n s i o n ，g r a d e d i s t r i b u t i o n ，b r e a k u pm e c h a n i s m i i 丈庆石油学院硕士研究生学位论文 1 1 提出问题 第1 章绪论 国内外石油界专家学者对岩石可钻性的研究，一直十分关注，并进行了大量的工作。 这是因为岩石可钻性的划分，不仅是作为合理选择钻头结构的依据，而且是钻进工艺和制 定生产定额的基础。由于影响岩石可钻性的因素很多l l “，所以至今岩石可钻性的分级工作 还没有得到圆满解决。随着钻井技术的不短发展，要求对岩石可钻性做出更加精确可靠的 预测。 岩石可钻性指标是在某种规定的指标下，以一定的量度来表示岩石破碎的难易程度。 根据岩石本身固有抗钻能力的大小，结合不同碎岩方式，对岩石可钻性做出的定量划分。 目前，国内外泛使用可钻性指标的确定方式主要有两大类【4 叫：一是统计法，采用实际机械 钻速来表示：二是传统法，即在室内通过测试岩石试样的物理力学性能，或微钻头钻时来 评价可钻性指标。前者受地层、钻头类型等因素的影响，后者表现出滞后性，费用高等缺 点。因此，更深层次，更直接地测量出地层可钻性方法的研究工作有待于继续进行。 1 2 岩石可钻性和分形理论研究现状 对于石油钻井来讲，进行岩石破碎机理研究目的是为提高钻井速度、安全优质钻并。 合理选择破岩工具是提高钻速、安全优质钻井的关键，而合理钻头的选择又与岩石密切相 关，与岩石的破碎机理密切相关，因此在石油钻井工程中若无岩石破碎机理的支持，钻井 工程中的技术研究、设备更新均无坚实基础且不可能成功 7 - 9 1 。 国内外钻井工作者围绕石油钻井中岩石破碎的难易问题，自1 8 世纪就开始了努力与 探索；岩石具有多种性能参数，这些参数的用途不同，测量方法也各异，究竟用何种方法 来代表岩石破碎的难易，是困扰研究者的主要问题，直到上世纪6 0 年代，这一问题才得 以初步解决，就是岩石可钻性，其定义：即在一定钻井技术条件下，岩石抵抗工具破碎的 能力，它反映了钻进过程中破碎岩石的难易程度。这表明：岩石可钻性受两方面因素的影响， 即岩石本身固有的物理力学性质和碎岩工具、破岩机理等因素【l 。岩石可钻性是人们从钻 井实践中总结出来的专有名词，合理表示及测定可钻性是钻井中的一项基础性工作。可钻 性指标是钻井生产中必需的一个基本数据，它在钻井生产中有重要的应用价值，如指导钻 头选型、预测钻速、用于钻井参数优选和制定生产定额等。 我国从上世纪7 0 年代才开始研究并制定了岩石可钻性的测定方法、分级标准，并推 广应用，取得了很大的进展；近年来，石浊大学、石油勘探开发科学研究院、胜利油田、 大庆石油学院等研究机构在岩石破碎方面开展了岩石可钻性的室内测定及应用研究、测井 信息与岩石可钻性关系的应用研究、实钻地层特性评估方法研究等，取得了大量具有世界 先进水平的成果，为提高钻速，降低钻井成本起到了决定性作用。 石油钻井面对的是一庞大而复杂的集合体，因岩石品种极多且性能各异，单一代表性 指标无法保证研究成果与技术的完备性，更不能覆盏岩石破碎机理研究的所有内容，而且 目前的研究还是面上的、生产急需的、简单实用的一些内容；特别是基于可钻性级值的分 1 第一章绪论 级方法，其前提必须是进行取心，通过室内实验测得，由于受到取心数量限制，很难建立 连续的可钻性级值剖面，因此，更深层次，能够用岩屑直接测量出地层可钻性，并能大幅 度提高钻井速度的研究工作有待于继续进行。然而，由于岩石复杂且极不规则的自然性状 以及认知和描述方法的局限性，传统的岩石力学方法在定量描述岩石组成结构、缺陷的分 布、几何形态、演化性质及其对岩石宏观力学行为的影响等方面存在很多困难1 2 “。因此必 须引入前沿学科的新理论，新技术，并且需要多学科交叉，使石油钻井过程中的岩石破碎 机理研究更加深入、更加能够反应岩石破碎时的本来面目。分形岩石力学是当前国内外最 活跃的岩石力学研究领域之一。 分形几何创立于上世纪7 0 年代，由法国数学家曼德尔布罗特( b b m a n d e l b r o t ) 提出， 它是一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法 【2 2 0 ”。与本论文有关的岩石破碎过程的分形研究，就是分形几何在岩石力学领域应用的一 个实例1 4 i ，”j 。在此方面，国内外研究者已经在数学基础、岩石力学的分形现象、分形机理 和分形研究的应用方面取得了很多重大成果l l5 。”j ，特别是中国矿业大学的谢和平教授，近 几年，在岩石孔隙介质及物理力学性质的分形、分形粒子及分形模型、岩石分形统计强度 理论、岩石断裂的分形性质和分形描述等理论方面做了大量研究，在采煤采矿中得以初步 应用，并且出版了分形一岩石力学导论，对本项目的研究会有直接的指导意义。 充分利用分形岩石力学研究的现有成果，结合岩石可钻性规律研究、岩石其他破碎机 理研究等成果，制定出用岩石的分形特征量表示钻井过程中岩石破碎难易程度的标准，为 安全、优质和快速钻井提供理论依据，具有重要的学术意义和应用价值。 1 3 论文具体研究内容 本文以理论为基础结合室内试验，充分利用分形岩石力学研究的现有成果，分析钻头 破碎岩石的破碎机理。论文主要内容及步骤归纳如下： 1 搜集论文研究方向相关资料，分析提炼，并写总结； 2 通过理论研究，用分形理论建立描述岩石上返岩屑破碎过程的模型； 3 用上返岩屑信息研究破碎岩石的分形特征及破碎机理，并对岩屑进行标准化处理； 4 研究岩心的破碎分形维数与岩心的强度、硬度的关系； 5 根据上述研究制定出用分形维数表示的岩石可钻性分级。 本文将重点解决上返岩屑的粒度分布及其分形维数的确定方法，确定岩屑分形维数与 岩石的硬度、可钻性参数的关系模型，为岩石可钻性研究提出一个新的方法。 1 4 研究题目的理论意义及应用价值 自从8 0 年代，分形几何学开始应用于岩石力学研究一直到现在，它无时无刻不在显 示其巨大的生命力。使用分形几何理论对岩石可钻性进行分级，不仅为岩石可钻性的理论 研究提供一条崭新的途径，而且有利于从破岩工具破碎岩石的本质上研究岩石的可钻性， 对可钻性的理论发展具有重要的现实意义。本文最突出的特点：使用实际钻进过程中上返 岩屑作为研究地层可钻性指标的对象，并以此建立岩石的可钻性的分级。这是从一个全新 的视角研究钻井过程中的破碎机理，具有理论的创新性。该方法不仅取样简单、费用低、 周期短和可以在钻进过程不问断取样，而且上返岩屑最真实地保持了破岩工具破碎地层岩 石所得产物的原貌，有利于抓住问题的本质，具有重要的学术意义和应用价值。 大庆石油学院硕士研究生学位论文 第2 章岩石可钻性及分级方法研究 岩石可钻性是岩石破碎机理研究在石油钻井中应用的一个重要分支。岩石可钻性指标 是在某种规定的指标下，以定量度来表示岩石破碎的难易程度。根据岩石本身固有抗钻 能力的大小，结合不同碎岩方式，对岩石可钻性做出的定量划分【“4 ”。岩石的可钻性是决 定钻井效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度，它是合理选择钻进方式、 钻头类型和设计钻进参数的依据。所以，研究岩石可钻性具有重要的实际意义。 2 1 岩石可钻性及分级 2 1 1 岩石可钻性概念 岩石的可钻性是决定钻井效率的基本因素，是在实践生产中产生的概念。它反映了钻 进时钻头破碎岩石的难易程度。从1 9 2 7 年t i l l s o 提出可钻性以来，国内外学者在研究岩石 可钻性方面，进行了大量的工作，研制了多种测定岩石可钻性方法。例如：抗压强度，如 指数、压痕指数、纵波速度、抗钻强度、实钻速度、杨氏钻速模式中的地层可钻性系数等 几十种方法，这充分说明了地层的复杂性和地层岩石可钻性是受多因素控制的综合指标。 其中，5 0 年代，前苏联学者史立涅耳创立的用压入硬度表示的分级法在油田中广泛应用。 后来有些学者认为，单纯使用一种岩石的机械性质评价岩石测定可钻性是不合适的。在 1 9 6 2 年罗劳提出微钻法，由于该方法优点众多而得到钻井施工的广泛应用。8 0 年代后， 在罗劳方法的基础上结合我国的具体情况，进而建立适用于我国的微钻速岩石可钻性分级 方法，并用“岩石可钻性级值”作为岩石可钻性的定量指标，将岩石按可钻性级值划分为 1 0 级，从此我国石油钻井晁正式采用微钻法来测定岩石可钻性。 在表示可钻性的两种主要方法中，压入硬度法使用较早。测定装置简单，操作方便， 得到广泛应用，但压入硬度是反映岩石抵抗其它物体侵入的能力，岩石在压头作用下的破 碎属于单纯的压入破碎，而岩石在三牙轮钻头作用下的破碎，除了压入破碎方式外还有剪 切、冲击作用，压头压入破碎岩石只是模拟了钻头的主要破岩作用：其次，实钻法是比较 流行的另一种测定可钻性的方法，专家指出，硬度、韧性和实际钻速之间没有一定的关系 式，维特在岩石可钻性指数一书中也提出，“确定岩石可钻性的唯一可行途径就是对 它钻眼”用钻孔方法来确定可钻性，在理论上无疑是比较准确的，但在实际应用中有很大 困难，在现场钻进中，钻速受众多因素影响，用实际钻速表示可钻性就很不准确：在地面 用全尺寸钻头钻进岩石实验，可以控制钻井条件相同，但受岩石尺寸、人力、物力等因素 的制约，在室内用微钻头钻进岩石，虽然能解决前两个问题，但微钻头在结构和破岩方式 上与全尺寸钻头己有很大不同，用微钻头钻进岩石也只是一种有限的模拟。因此，目前最 常用的两种方法，即压人硬度法和微钻法，都只是近似表示和测定岩石可钻性的方法。 岩石可钻性，即在一定钻进技术条件下，用一定的量度表示岩石被钻进时所表现出的 难易程度。常采用数量指标，如钻时( m i n m ) ，钻速( m s ) 等来表示岩石的可钻性，并 用数量的大小来划分好钻、难钻( 或软、硬地层) 的可钻性范围。 由岩石可钻性概念可知：岩石可钻性包含两方面，即岩石本身固有的某些性质和施工 第二章岩石可钻性及分级方法研究 工具、工艺方法及技术等因素。而影响岩石可钻性的因素是多方面的，总的来讲有岩石的 基本属性、技术条件和工艺因素 2 0 矧。具体的来说，包括： 1 影响岩石可钻性的岩石基本属性：岩石的矿物成分、结构和构造、岩石的物理力学 性质； 2 影响岩石可钻性的技术条件：钻井设备类型、所钻井的井径和深度、钻进方法和破 岩工具的结构与质量等： 3 影响岩石可钻性的工艺因素：作用在破岩工具上的有效钻压、转速、清洗液的类型 和井底净化条件等。 岩石可钻性随钻进方法的不同而变化，如果钻进方法改变了，岩石所表现出来的客观 性质也随之改变亦即岩石的可钻性发生改变。钻进方法的不同，本质上就是碎岩机理的不 一致，所以岩石对钻进的阻抗能力也不一致。不能脱离具体的钻进方法来探讨和研究可钻 性，否则是没有意义的。岩石的可钻性只能是某种钻进方法的可钻性。 在研究岩石可钻性的同时，人们发现一个现象：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻 井工具( 如钻头) 和岩石产生连续的或间歇的接触和摩擦，从而在破碎岩石的同时，这些 工具本身也受到岩石的磨损而逐渐变钝甚至损坏。岩石磨损这些材料的能力称为岩石的研 磨性。 研磨性磨损是由钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕等所造成 的，属表面磨损。这种研磨性磨损除了与摩擦副材料的性质( 如化学组成和结构) 有关外， 还取决于摩擦的类型和特点、摩擦表面的形状和尺寸( 如表面的粗糙度) 及摩擦面的介质 等因素。可见，研磨性磨损是个十分复杂的问题。 钻头的磨损增加了钻头的消耗，降低了岩石破碎的效率，增加了起下钻作业时间，致 使钻井效率大大降低，因此，岩石研磨性的研究很早以前就引起了人们的重视。史立涅尔 等人用摩擦磨损法对各种岩石的研磨性进行了比较详尽的研究，得出了一些有实际应用价 值的结果。 在现场钻井过程中，钻头破碎岩石达到进尺的同时，也会发生自身轮齿的磨损，而逐 渐变钝甚至损坏，造成钻头破岩效率下降，使岩石的可钻性级值相对提高。可见岩石可钻 性和岩石研磨性是不开分离的两个量，在分析可钻性时，必须考虑研磨性造成的不利因素， 这样才能更好、更深入地研究岩石可钻性。 2 1 - 2 微钻头钻速与可钻性分级 由这种微钻头模拟试验的概念和研究方法可知，岩石可钻性会因条件不同，所以实际 应用时就有一定的困难。如设法固定工作条件，使可钻性指标只反映岩石破碎难易程度， 有可能克服应用时的问题，采用微钻头可钻性是行之有效的研究方法。 罗劳就是利用直径为3 1 7 5 毫米( 1 2 5 英寸) 的微钻头在岩芯上钻孔( 如图2 1 ) ，钻 压为8 8 9 7 牛( 2 0 0 磅) ，转速为5 5 转分，取钻孔深度2 3 8 毫米( 2 3 2 ”) 的钻孔时间 和微钻速( 通过换算成米小时) 来表示岩石的可钴性( 其范围是从l - 2 米小时到0 0 0 0 6 米小时) 。进而通过对微钻头钻速与现场钻进速度、所用钻头类型和钻遇的地层类型的 分析来预测实际的钻头钻速。 而我国钻井界目前广泛采用的岩石可钻性测定仪为华东i i i 型微钻头测定仪。测试条件 为：钻压w = 8 8 9 7 牛，转速n = 5 5 转分，钻头直径d = 3 1 7 5 毫米( 它是由八片厚2 5 4 大庆石油学院硕士研究生学位论文 毫米硬质合金材料组成的，硬度为h r c 竺5 8 ) 。实测记录钻孔深度为2 4 毫米所需的 时间。测量精度要求控制在测量仪器本身允许的误差范围以内。 1 岩心试样；2 微钻头；3 岩屑盒。 图2 1 室内微钻速实验示意图 1t h ec o r es a m p l e ；2m i c r o b i t ；3t h ed e b r i sc a s e f i g 2 1s c h e m a t i cd r a w i n go f l a b o r a t o r y e x p e r i m e n tm i c r o b i td r i l l i n gs p e e d 由测量值表示的钻速公式可知，当以钻速作为可钻性指标时，钻进速度矿与测量钻进 深度日和钻进时间r 之间的表达式为： 矿：h ，或三：三 ( 2 1 ) lhv 下 式中：v 为微钻速；h 为钻孔深度；t 为钻孔时间：毛为单位钻进深度的时间，简称为钻 时或岩石可钻性指标，以秒表示。由此可以得到如下分级表2 1 。 表2 1 微牙轮钻头可钻性级值分级 类别软中硬 级别 123456791 0 钻速22 一l l o 5 0 3 - 0 1 o 0 6 o 0 3 0 0 0 8 - ( 米时) 0 5o 30 10 0 60 0 30 0 0 80 0 0 4 为简化计算，以钻孔深度为定值( 即2 4 毫米深度) ，故可将钻时简写为t 。这样地层 可钻性就简单地同基本测量值( 秒) 联系在一起了。并以钻时大小来表示地层被破碎时的 难易程度。为了统计研究方法的需要，对钻时r 作对数变换，便可提岩石可钻性级值( 肠) 与微钻时之间的关系式： k d = l o g ；或t = 2 “ ( 2 2 ) 上述的微钻头钻速与可钻性分级最初是针对牙轮钻头可钻性进行的，但是p d c 钻头是 近几年发展起来的种新型钻头，它以高耐磨、可自锐的聚晶金刚石片( 简称复合片) 切 削岩石，与牙轮钻头的冲击压碎破岩方式根本不同，但研究表明3 9 1 ，基于牙轮钻头钻进特 点的地层可钻性分级，同样适用于户比钻头钻井。 第二章岩石可钻性及分级方法研究 2 2 岩石可钻性分级方法分析 经过多年的发展，岩石可钻性测定方法有很多，在科学生产实践中，时常根据所用方 法观测的试验结果来表示岩石可钻性。从岩石可钻性和分级的研究方法来看，目前国内外 主要用以下几种方法进行研究l l h 3 1 。 2 2 1 用岩石的物理力学特性评价的岩石可钻性 它是在室内采用相应的测定仪器，测量能反映破碎岩石实质的某一种或几种力学性质 作为岩石可钻性的指标，其方法简便，所测指标相对稳定。例如岩石的静压入硬度、肖氏 硬度和摆球硬度、岩石的研磨性和塑性等。 其优点是测量的压入硬度、研磨性的过程和钻进时钻头在轴向载荷下吃入岩石的过程 是相似的，方法简便，所测物理量相对稳定。因此，至今在石油钻井和地质勘探钻井中仍 被采用。通过室内实验可以测定岩石物理力学参数中的岩石密度、可钻性级值、抗压强度、 静弹性模量、泊松比、硬度、塑性系数。具体数据如下表( 2 2 ) 。 表2 2 岩石物理力学参数综合实验数据表 岩石密度 可钻性级 抗压强度 静弹性模 硬度 序号井深m泊松比塑性系数 ( g c m 3 ) 值( 铲o )量( 朋p 口)( m p a ) 13 5 0 4 4 12 5 9 8 8 1 2 3 4 44 9 4 6o 1 1 7 2 8 7 0 1 0 8 6 5 23 5 0 3 7 826 l9 2 22 6 6 5 1 9 9 o 1 6 73 1 2 9 71 0 6 7 33 3 7 2 5 82 5 92 81 6 1 73 l _ 3 2 o 1 2 44 6 4 8 1l4 8 8 43 8 8 2 2 626 28 0 61 1 45 1 2 20 1 3 21 7 1 5 41 1 7 5 53 6 7 6 1 82 6 35 37 5 3 91 8 6 40 1 0 77 0 7 21 4 1 4 63 6 7 6 4 22 6 29 0 9 73 3 1 90 0 5 3 73 9 8 1 0 12 6 47 0 31 3 6 0 21 4 0 2 83 9 8 1 32 ，4 54 8 19 6 9 71 4 0 60 0 9 78 3 5 82 4 0 5 93 9 8 1 9 82 4 78 4 1 31 4 5 3o 1 3 7 1 02 8 4 8 6 82 4 39 7 7 l1 7 3 8o 0 5 1 12 8 5 5 5 52 6 26 8 87 7 9 21 8 9 70 1 1 22 0 3 7 61 6 5 2 1 2 3 0 8 6 42 6 1 8 0 2 1 4 6 52 72 40 1 0 42 6 0 5 11 2 7 l 1 33 0 9 1 92 6 77 4 33 1 6 5 8l ，4 0 8 1 4 3 0 9 58 62 6 6 7 4 41 7 1 62 1 2 4 6 1 53 1 2 1 8 l2 6 35 8 11 6 2 1 91 ，5 9 2 1 63 2 7 1 9 926 86 8 52 4 4 4 32 0 3 2 1 73 3 2 3 7 92 4 97 3 42 4 7 4 81 4 5 7 1 8 3 3 2 2 4 2 5 2 6 26 4 7 1 9 9 0 61 4 4 3 1 93 5 0 6 0 7 52 6 4 6 5 l 1 5 9 i 22 0 1 6 2 03 6 7 8 9 152 66 6 58 4 ，5 52 0 4 7o 1 0 51 4 8 7 11 7 8 l 2 l3 6 8 3 2 6 52 6 46 8 11 2 993 41 2o 1 1 42 7 7 2 31 3 2 6 2 23 9 8 2 6 62 6 36 6 49 1 5 53 1 3 80 0 7 51 8 6 071 3 4 3 2 33 9 8 2 8 12 4 56 3 76 37 11 13 20 3 6 62 5 2 6 2l ，7 0 1 2 44 3 0 7 4 4 5256 3 12 9 0 0 9 1 7 7 3 2 54 6 1 3 8 6 2 6 27 0 8 1 1 4 9 2 8 6 l 0 1 1 42 0 0 7 41 1 8 4 6 大庆石油学院硕士研究生学位论文 将上面的岩石可钻性级值与岩石的单轴抗压强度、硬度、弹性模量和泊松比进行回归 分析，可以得到岩石可钻性与岩石的力学参数之间的关系。 ( 1 ) 岩石可钻性级值( 微钻速) 与岩石抗压强度的关系 将岩石可钻性级值和抗压强度进行统计和回归分析，可得到用抗压强度表示的微钻速 和岩石可钻性级值，回归方程为： k d = 0 0 1 4 6 f f c + 5 6 5 2 ( 2 3 ) 式中：妇为牙轮钻头钻进的岩石可钻性级值；口c 为岩石的抗压强度( m p a ) 。式( 2 3 ) 的 相关性因数为o 7 6 。图2 2 为式( 2 3 ) 的相关关系图。 1 0 9 趔8 嶷 掣7 拯 口6 5 4 o 5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 0 抗压强度( i , i p a ) 图2 - 2 可钻性级值与岩石的强度相关性图 f i g 2 - 2t h er e l e v a n tc h a r tb e t w e e nt h er o c kd r i l l a b i l i t yg r a d ea n di n t e n s i t y 2 0 0 03 0 0 0 岩石硬度( m p a ) 图2 - 3 可钻性级值与岩石硬度相关性图 f i g 2 3t h er e l e v a n tc h a r tb e t w e e nt h er o c kd r i l l a b i l i t ya n dh a r d n e s s ( 2 ) 岩石可钻性级值与岩石硬度的关系 将可钻性级值与硬度用最小三乘法进行单元回归，可得到用硬度表示的微钻速和岩石 可钻性级值，回归方程为： k d = o 0 0 0 9 p 。+ 4 9 9 2 2( 2 4 ) 7 第二章岩石可钻性及分级方法研究 式中：妇为可钻性级值，b 为岩石的硬度( m p a ) 。式( 2 - 4 ) 相关性因数为o 6 3 1 。图2 3 为式( 2 - 4 ) 的相关关系图。 ( 3 ) 岩石可钻性级值与岩石塑性系数的关系 将可钻性级值和塑性系数用最d , , - - 乘法进行单元回归，可得回归方程为 k d = 6 8 8 + 0 0 2 6 6 k ( 2 5 ) 式中：k 为岩石的塑性系数。式( 2 - 5 ) 相关性因数为0 2 8 。 从以上相关性的单元回归可以看出，牙轮钻头可钻性与岩石的硬度和强度关系较密 切，而与岩石本身的塑性系数关系不大。 ( 4 ) 岩石可钻性级值与岩石力学参数的关系 岩石可钻性级值与岩石物理性质的单元回归分析表明，可钻性与抗压强度和硬度的相 关性较明显，而与塑性系数相关性较差，即硬度和抗压强度是可钻性的综合反应，下面是 把岩莅的多种力学性质参数( 其中包括岩石的抗压强度、硬度、泊松比、杨氏模量和塑性 系数) 通过多元回归分析，得到相关模型为： 屹= 4 0 0 2 3 + 0 0 2 5 7 p ，+ 0 0 1 0 5 0 c 一0 0 1 8 6 e o 5 7 8 2 , u 0 。2 2 5 6 k ( 2 6 ) 式中：妇为牙轮钻头可钻性，o c 为岩石抗压强度，r 为岩石硬度，e 为杨氏模量，为 泊松比，k 为塑性系数。 以上回归分析中，复相关系数为0 6 7 5 ，显著性检验值为f = 2 2 8 7 4 7 ，t 检验结果表 明，塑性系数这一预报因子的显著性最差，抗压强度显著性水平最高，而与硬度的显著性 水平也较高。 由于塑性系数的显著性差，所以将该因子剔除，进行四元回归分析，分析的的模型为： k d = 3 9 1 2 + 0 ，0 2 6 6 p ，+ 0 0 1 1 3 0 - 。一o 0 1 8 4 6 e 一0 5 7 9 0 p ( 2 7 ) 岩石的物理力学性质包括岩石的变形性质和强度性质。变形性质是研究岩石在受力腾 况下的变形规律；强度性质是研究岩石受力破坏的规律。而岩石可钻性级值表示的是钻进 难易程度的性质，所以岩石的力学性质与岩石可钻性级值二者必然存在着跌系。 但是岩石是非均质的各向异性体，使得岩石物理力学性质在不同条件下表现十分复杂， 上述方法只能在一定程度上对岩石可钻性进行描述。这种方法的实质是从众多的岩石物理 力学性质中找出一种或几种与岩石可钻性( 或钻进难易程度) 关系最密切的因素。以便通 过测定某几种主要的岩石物理性质来定量的反映岩石可钻性的指标。从实践和实验数据可 以看出，岩石可钻性与压入硬度存在着一定的相关关系。但岩石的压入硬度对钻速的影响 并不是唯一性的，岩石的研磨性、塑性等也起着重大的作用。若只用其中一个因素来表示 岩石的可钻性都有不足之处。因为这些因素都均受岩石成分、结构及地质条件的影响。换 句话说，岩石的某些特性影响着硬度；另一种特性可能影响其研磨性，而其它性质又可能 影响其弹( 塑) 性系数，而且这三种因素之间的关系并不是线性关系。例如，硬度大的岩 石，研磨性不一定高，研磨性高的，塑性系数也可能较小。 2 2 2 用微钻速评价的岩石可钻性 它是采用微型设备和工具，在室内进行模拟试验，用微钻速来反映某一钻进条件和技 术的综合指标。室内测试条件较稳定，测量记录较准确，在一定程度上避免了人为因素的 大庆石油学院硕士研究生学位论文 干扰。 表2 3 牙轮钻头岩石可钻r 生测试结果 t a b 2 3t h et e s tr e s u l to f t h er o l l e r b i td r i l l a b i l i t y 级别 序号井号井深( m ) 岩性平均值 l23 l 升深5 3 5 0 1 3 6凝灰岩7 6 11 0 28 6 28 。8 1 2 升深5 3 5 0 0 2 1凝灰岩93 61 1 1729 2 2 3升深5 3 3 7 0 4 1 砂岩 8 2 51 0 49 1 992 8 4 升深5 3 8 7 8 2 4 泥岩 7 2 l9 5 37 4 4 8 0 6 5达深13 6 7 1 9 0灰色砂砾岩 4 6 2 7 1 5 4 1 3 5 3 6达深1 3 6 8 5 4 2 灰色砂砾岩 7 达深1 3 9 8 2 3 1 灰色晶屑凝灰岩 9 1 56 2 45 6 7 7 0 3 8达深13 9 8 1 3 0灰色晶屑凝灰岩 4 ，2 7 5 。6 3 4 5 3 4 。8 j 微钻头可钻性方法测量可钻性级值具有很好的精度，以至于成为当前岩石可钻性! i 9 1 4 定 的主要方法。但是其必须通过钻井取心进行微钻头室内实验钻才能确定可钻性指标，这与 钻并旋工环节严重脱离，表现出滞后性，而且取心费用费用高又不能确定任意深度点连续 的岩石可钻性级值。然而当今单只钻头进尺已高达数百米，甚至超千米，同时地层又是多 变的和非均质的，固取心单点测定的可钻性级值难以反映实际不同深度地层可钻性情况。 2 2 3 用实钻速度评价的岩石可钻性 这种方法是先建立一种通用的钻速模式，使之不受地区限制，而且保持精度较高，且 便于实际应用。然后是通过处理现场实钻参数来求取地层可钻性级值。对于不同地层，应 用相应数理统计方法，分别求出该地层可钻性级值趋势方程，从而实现实际测钻速评价岩 石可钻性。 中国石油大学尹宏锦教授经过大量的试验研究，以地层的非均质为基础，统计地层的 可钻性，即地层宏观可钻性，从而建立起来的通用钻速方程应用范围很广，不受地区限制， 经现场实钻验证，其宏观准确度可达9 0 以上，可以满足科学钻井的要求。通用钻速方程 的形式为： y = 五万高等竺丽矿4 n 。- h e i 。p “1 ” (28)0265 6 2 4 6 0 0 1 o e 1 1 5 0 ” 。7 式中：v 为机械钻速( n 汕) ：w 为比钻压( t c m ) ；n 为转速( r p m ) ；l i e 有效钻头比水功 率( k w c m 2 ) ；蚴为钻井液 密度( g c r n 3 ) ；a = 0 5 3 6 6 + 0 1 9 9 3 k a ( 钻压指数) ；b = 0 9 2 5 0 0 0 3 7 5 心( 转速指数) ；c = 0 7 0 1 1 0 0 5 6 8 2 ；k a ( 地层水力指数) ：d = 0 9 7 6 7 3k a 7 2 7 0 3 ( 钻 井液密度差系数) ：k d 为地层可钻性级值。 钻速方程所有的参数除遗层可钻性级值丘外，其余均为实钻参数。因此通过处理现场 实钻参数来可以取的地层岩石可钻性级值，对通用钻速方程经过数学变换得： k ：= 1 o g v - 0 5 3 6 6 1 o g 。w - 0 , 9 2 0 5 l o n ，g n - 0 7 、0 1 1 1 o n g h e i + ，3 1 7 5 ( m w - 、1 1 5 ) - 0 0 6 2 9 ( 2 - 9 ) 。0 1 9 9 3 i o g w 一0 0 3 7 5 l o g n o 0 5 6 8 2 1 0 9 h e i = o 4 2 4 2 ( m w l ，1 5 、一0 0 8 2 1 第二章岩石可钻性及分级方法研究 式中：v 为机械钻速( m 1 1 ) ；w 为比钻压( t c m ) ：n # 3 转速( r p m ) ：h e i 有效钻头比 水功率( k w c m 2 ) ；m w 为钻井液密度( g c m 3 ) ； 4 1 0 0 4 3 0 0 4 5 0 0 4 t 0 0 4 9 0 0 5 1 0 0 5 3 0 0 o 5 1 01 5 零 季 毒 点 蓦 掌 耄 图2 - 4 某井4 1 0 0 5 1 0 0 井段岩石可钻性级值 f i g 2 4r o c kd r i l l a b i l i t yg r a d eo f s o m ew e l lf r o m4 1 0 0 5 1 0 0 ms e c t i o n 对某一特定地层，通过实钻记录上述五项数据，即可求得该地层的岩石可钻性级值。 图2 - 4 就是根据上述方法得到岩石可钻性随深井变化的地层岩石可钻性剖面。 实钻速度评价岩石的可钻性方法反映了不同地层岩石和技术工艺等多种因素的综合 影响。所得的钻速指标可以直接用于制定生产指标。但是由于实际的机械钻速受很多因素 的制约，例如：钻井参数、钻进工具的特性参数、水力参数、钻井设备和人员的技术水平 等( 据统计大约有2 6 种因素) 。因此，采用实际钻速指标表示岩石的可钻性时，它具有暂 时性和局部性。尤其是随着技术的不断更新，原定指标也应修正。 2 2 4 用破碎比功评价岩石可钻性 它是利用单位时间的破碎岩石体积的量来求相应钻进速度。因此，破岩体积的比功既 是岩石的物理量又是破岩效率的指标。同时还可以把各种钻进方式破碎岩石的有效性相互 进行比较，如用实验仪器可测得凿碎比功a ，并通过读数显微镜的观测可确定钎刃磨钝宽 度b 。确定指标盘的公式为： 口：兰： (210)v 至d ：旦 一 4 1 0 式中：a 总冲击功，j ；爿。单次冲击功，j ；v 破碎的岩石体积，c m 3 ；n 冲击次数：d 凿孔 直径，c m 。 但问题在于各种钻进方式的破岩比功本身也不是一个常量，其变化规律尚待进一步研 究。而且岩石破碎比功是针对凿岩破碎的，它的破碎岩石的方式反应了凿岩机的破碎岩石 方式，这与钻头轮齿旋转破碎地层岩石的破碎机理有着本质的区别，所以是不能用于回转 大庆石油学院硕士研究生学位论文 钻进的岩石可钻性分级。 2 2 5 用纵波速度评价的岩石可钻性 纵波速度岩石分级法是利用弹性波( 纵波) 在弹性媒质中传播速度的差异，对岩石的 可钻性、硬度、强度等性质进行评价。通过室内试验和现场资料统计建立了地层岩石声波 时差与岩石可钻性关系模型，来对岩石可钻性进行分级的。 6 k d = 口p ( 2 1 1 ) 式中：肠岩石可钻性级值；a t p 岩石纵波时差，us m ；日，占回归系数。 按照上述岩石可钻性与声波时差模型，图2 5 是通过声波测井资料建立的岩石可钻性 随深度变化剖面。 1 5 0 0 2 0 0 0 t2 5 。o v 燃 蠹 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 l 姗 s 0 声波时差p 曲 牙轮钻头可钻性 r 钻头可钻性 产 _ 皇 f 至 e 孝 专 互-；亡j 鸯 图2 5 纵波波速测定岩石可钻性级值随深度变化剖面 f i g 2 - 5c h a n g es e c t i o no f t h er o c kd r i l l a b i l i t yg r a d et e s t e dw i t h l o n g i t u d i n a lw a v ev e l o c i t yw i t ht h ed i f f e r e n td e p t h 但是纵波速度对岩石可钻性的反映波动很大且极不准确，这是因为岩石本身性质造成 的a 地层岩石并不是均质，而且根本不能算是一种完全弹性媒质，弹性波是在岩石矿物颗 粒、胶结物、空隙以及结构界面( 节理面、裂隙等) 上传播的，岩石矿物成分、颗粒大小、 胶结状况、孔隙度、松散程度等因素将会引起声速值的差异。这就是为什么某些节理程度 不高的软质岩石比硬质岩石的