谈用岩屑强度测量结果作为优选钻头的输入数据(doc 9页).doc

用岩屑强度测量结果作为优选钻头的输入数据 王希勇 编译熊继有 审校 摘 要 对不同井段选择合适的钻头是优化钻井过程的一个关键环节。其目的在于增大钻头与井底的接触时间，提高机械钻速，保证安全性和钻头的完整性，从而提高和优化整个钻井过程。这些因素都对钻井过程和最终的钻井效益产生极大的影响。正确选择钻头的一个最重要因素，是要弄清钻头结构如何影响所钻岩层。钻头与岩石的相互作用依赖于地层物理特征，主要是岩石结构、类型、抗压强度、研磨性、润湿性和近平衡等。选择钻头的一般作法是根据邻井钻头的记录，参考这些钻头的使用情况来确定。按这种方法，要提高和优化钻进过程，需要很长的时间，花费很大的代价。随钻分析地层岩屑特征，可以获取大量资料为不同井段确定出相应的切削齿结构，从而确定出合适的钻头，节省大量宝贵的时间和金钱。为了达到这个目的，本文对岩屑进行了微压入硬度试验，并分析得出了一些用以表征地层力学特性的结论。通过微压入试验，得到抗压强度值，然后将它应用到钻头选型系统中去帮助用户正确选择钻头类型。本文将详细阐述这种方法和在现场的试验验证。现场选在意大利中南部的一个相对恶劣的环境中。最后还指出了该方法在井场易实现且不需额外代价。此外，本文也讨论了如何利用钻头选型，系统规划整个钻井过程，从而获得经济效益。微压入试验数据通过测井资料校正，可以最大限度地提高机械钻速和钻井效率。主题词：岩屑岩石强度 现场测量 模型 输入数据 优选钻头译自 SPE 56441引 言钻头选型的传统方法是根据邻井的钻头使用记录和相关数据，经过详细分析而确定。现在已研制出一套优选钻头的模拟软件,它能够预测地层的可钻性以及其他重要参数。岩石的可钻性主要受岩石强度的影响;此外，认识岩石性质也是正确认识地层可钻性的必要要素。确定岩石强度的一般做法是：声波测井解释与地层的岩性数据分析相结合。为了得到充分可靠的岩石强度的估算值，该方法受限于以下两个主要条件：(1)岩石强度属于弹性力学范畴，它将岩石的声波响应与岩石硬度结合起来,因此，岩石强度不是一个直接测量的参数。(2)声波测井是在已钻井段中测量获得的，因此，在钻进过程中无法获得声波数据。有趣的是，岩屑压入试验完全可以不受上述两个限制条件的约束。与声波方法相比，这种方法的优点在于：它能够直接获得与地层岩石单轴抗压强度有关的岩石参数。为了更好地认识岩石的物性，岩屑压入技术可以直接在井场钻进过程中检验岩石强度。本文将论述微压入硬度试验以及它对优选钻头的影响，同时也给出了在油田的现场应用。最后，用一组数据比较了在同一井区运用该方法所获得的经济效益。压入技术压入技术可以定义为能够从小块岩石结构中反映岩石的机械特性的低成本试验方法。作为一种标准试验，它能够通过简单的统计方法和经验方法来得到一组与岩石性质相关的标准值。这种技术的优点可以概括如下：(1)它和传统的力学试验相比，是一种快捷、成本低廉的技术。(2)通过预先设定的相互关系，它能直接给出与岩石力学特性相关的信息。(3)该试验装置能直接在井场进行操作。通过前人的研究，已获得了压入机理方面的理论结果，以及影响压入的主要因素。这些研究结果表明：为合理地实施该程序，完成压入试验，有些理论方面的问题还必须加以考虑。压入过程主要受下列因素影响：(1)压入几何形状。它能影响岩石内部的应力分布，不同岩石具有不同的失效机理。(2)压入磨损将极大地影响同一种岩石类型的硬度测量值。(3)应变率。应变率（变形率）越高，测量的硬度值越大。(4)试验中的应力状态。例如，限制压力的升高可能导致岩石由脆性变形向塑性变形过渡，从而在压入条件下表现出不同的失效机理。(5)饱和度条件和岩石润湿性。低渗透岩石表现出地层水不发育，而部分饱和的岩石则表现出能够排出的特性。(6)试件尺寸和岩石表面的制备情况都将改变岩石探针的接触界面。基于上述考虑，建立了一套合理的压入试验程序。下面就讨论这种压入技术的主要特征。1.原则压入试验就是在给定载荷条件下，测量有明显几何特性、形状和尺寸的小岩屑结构上探针的吃入深度。这些原则可概括如下：(1)为了能够解释在规定载荷下的试验结果,要求作用于岩屑表面的必须是恒定载荷且与岩屑表面保持垂直。(2)探针受恒定载荷作用，直到确定的最大机械钻速。(3)计算机记录载荷一位移曲线，通过分析该曲线，并把它和岩石的力学性能联系起来，可以获得一组标准值。2.试验过程为了能够正确解释试验结果，影响压入试验灵敏度的各种因素都不容忽视。为此，我们建立了一套岩样制备和试验过程的标准化方法。岩屑压入试验的重要环节之一是岩样的制备。为确保试验的可重复操作性，务必考虑到上述提及的各种影响因素。在岩样制备过程中,首先要解决以下两个问题：1）如何支撑岩屑，以保证在试验过程中探针始终垂直压入岩屑表面；2）为了试验的顺利进行,必须要求岩屑表面光滑。解决这两个问题的办法，就是将岩屑嵌入环氧树脂内，从而获得圆盘状的岩屑样。经过这样的处理，盘状岩屑的一面紧紧地固结于树脂内，而另一与之平行的表面光滑且能保证有足够的岩屑表面来承受外加的恒定载荷。对于高孔隙岩层的岩屑，试验中树脂有可能侵入岩屑孔隙内，从而产生测量误差。为减少这种误差，必须选择一种固化时间快、有足够粘度的树脂。试验证明,环氧树脂具有一定的硬度。而且利用SEM（扫描电镜）分析，可以判断出该树脂能够浸入岩屑的临界孔隙度。由于试验对岩样表面制备的敏感性，因此必须按照标准试验步骤来进行。考虑尺寸为1mm的扁圆柱形压模，在每一深度段的岩屑表面上要压入6-8个压坑，确保压入速度为0.01mm/s，直到最大深度为0.3mm为止。通过试验可获得相应加载和卸载阶段的载荷位移曲线,把该曲线的直线部分的斜率定义为压入值（图1）。图1 压入原理简图岩样；2环氧树脂；3压入面；4外力；5压模；6压入值3.取样和数据解释基于以上的试验研究，通过分析可知：上述试验操作过程具有可重复性和标准精度效应，当然也确实存在某些简单的经验方法，即把压入深度值和岩屑的力学性能相联系。结果表明：为保证岩屑的试验测量结果能代表地层岩石强度，必须要求试验的岩屑有一定的数量（6-8）。 其压入值与单轴抗压强度的关系曲线如图2。图2 单轴抗压强度与压入值关系图现场岩屑的收集主要是在泥浆振动筛中取得。每隔10m或者岩性发生变化时取一次。所取得的岩屑必须加以清洗，以除去泥沙，然后筛分出2mm-5mm大小的颗粒，以排除井内坍塌岩石可能带来的杂质。一定数量的岩屑取得后，将它嵌入环氧树脂内,以制备出盘状岩样试件。通过岩屑试验可以获得载荷一位移曲线。对该曲线的解释可能有以下三种结果。1)每种岩屑有对应它的压入指标值。2)每条曲线上所测量的值是算术平均值。3)拟合可重复斜率的平均值曲线。这些算出的不同数值可以用来正确描述所钻每一层位地层的岩石力学性能。钻头优选系统钻头优选分析是一种表征钻井状况的多约束方法。在钻头优选模型中，岩石强度是一个重要的因素。经典的声波测井和其它传统测井方法相结合可以预测地层可钻性。为了弄清楚直接测量岩石强度是否可以改善模型的结论和提高模型的精度，人们进行了深入的研究。在该模型中使用压入试验预测可钻性有三个主要优点：(1)这种方法虽然不能将动力特性和力学性质联系起来,但它提供了一种测量地层岩石力学性质的直接方法。(2)压入试验可以沿所钻井段连续监视地层岩石的强度变化。(3)它是一种能在井场直接实现的实时钻井测量方法。同时该方法也可调整预测强度与测量的真实强度相吻合。钻头优选模型可以分析岩屑的主要特性，尤其是那些与地层岩石强度相关的特性分析。1.地层分析这种方法的第一步是地层分析，通过岩性剖面再现给定地层段（14种岩石类型）的岩性特征。地层分析依赖于:(1)邻井的测井资料射线、声波密度、体积密度、中子孔隙度等都是用于确定岩石孔隙度的主要测井方法。(2)泥浆录井分析能够提供地层矿物组分的描述,而这是一般测井方法所不能达到的。同时，泥浆录井还能确定岩石成分的百分含量。(3)机械钻速、钻压、转速是使用后钻头特性分析的良好数据。2.钻头特性分析第二步是钻头特性分析。钻头记录信息、井斜测量、实时钻速以及泥浆录井所提供的数据都包含在钻头特性分析里。影响机械钻速有许多因素岩石强度、岩石类型和水力能量。通过钻后井段的柱形统计图分析或放大的单一钻头的磨损情况，可以得出在给定的可钻性层段上，钻头特性发生显著变化的情况。模型中只要所有数据输入以后，岩性数据和无约束抗压强度值就会自动计算出。根据地质力学单元（常包含于地质单元内）或岩性单元，邻井数据可以分为几个部分或几个区间，便于后续分析。每一可钻性层段都应估算出几个关键参数。岩性标准孔隙度是其中一个关键参数，它可更加精确地进行钻头水力设计和喷嘴设计，以及气层的判别和岩石强度的校正。无约束抗压强度是另一待计算的重要参数。它与主要的岩石类型配合，然后用于牙轮钻头选择，以及对固定切削齿钻头轮廓和切削齿密度的设计选用提供依据。砂岩含量（石岩地层）与岩石强度结合起来研究，有助于确定岩石研磨性模型。页岩体积随着层段的变化而变化，页岩体积变化与声波传播时间同时变化，这给孔隙曲线中有关水力喷嘴的位置下结论是不利的。钻头优选系统的钻头选择试探法，是运用了地层分析、岩石强度、邻井的旧钻头资料而得出的一套完整的综合分析方法，绝不是单一依赖于某一个参数。3.牙轮钻头选择器钻头选择器将钻头类型和特征的选择编辑于测井曲线模式中，可以提供下面一些信息：(1)来自邻井的原始数据包括射线、声波密度、已知岩性资料、已计算的无约束抗压强度值（以psi为单位）、岩性中子孔隙度、所钻层段、真垂深等。(2)铣齿钻头数据根据主要岩石类型和地层岩石强度来确定。国际钻井承包商（IADC）的从11到21的钻头类型范围。(3)镶齿钻头IADC的41至83钻头类型范围，在使用镶齿钻头选择时进行对比。(4)镶齿形式图镶齿形式的变化取决于具体应用。“DD”钻头就是用金刚石加固的碳化钨（不同形状）沿整个钻头展开表面镶入进去的。当然,这种钻头适合于以石英石为主的地层。在页岩含量低并同时能保证岩石密度相对小的地层,IADC的44钻头类型的切削结构也适用,锥形齿镶入的深度比标准的楔形齿嵌入更深。(5)保径齿。研磨作用由砂岩含量和岩石强度共同决定。如果砂岩（如石英）含量超过常规值，该模型就返回磨损情况很恶劣的信息,钻头优选系统就会提示：根据邻井研磨性显示情况和已报废钻头的径向磨损情况，需要增强保径措施。定义研磨性程度的三个层次是：1)软地层标准（无改善措施），软OD（用金刚石加固边缘齿圈的侵蚀性软地层钻头），D/E粗砂岩（金刚石保径楔形齿）2)中等地层D特征（位于保径齿圈的金刚石半圆顶）DOD（金刚石半圆齿圈位于保径和边缘齿圈的位置）3)硬地层OD特征（就硬地层而言，金刚石半圆顶位于边缘齿圈）(6)水力学/喷嘴水力学图表明：在足够泥浆流速和水马力情况下，射流喷嘴应满足保持正常的钻头清洗要求。根据岩性中子孔隙度、声波密度测井和页岩含量分析,可提供如下方案：1)标准（无任何措施）；2）漫流（非对称流动模式）；3）中心水力喷射；4）加长喷嘴。4.固定切削齿钻头选择器与前述牙轮钻头选择类似，固定切削齿钻头选择器使用地层特性（包括岩石强度、邻井报废钻头的使用情况）评价PDC钻头/天然金刚石钻头的设计使用情况。从测井曲线上分析：(1)邻井原始数据如前所述。(2)主体到钻头端部的设计要朝“特定结构”方向发展。 (3)密度。切削齿密度或是切削齿数可作为岩石强度的一个定量函数。 密度从小（3-4个切削齿）到大（12或更多切削齿）的变化与岩石强度的逐渐升高保持一致。(4)再根据岩石强度来估算PDC钻头和天然金刚石钻头的轮廓线。对于某一层段的最优钻头体残存轮廓线，可由统计直方图给出。 (5)水力设计或是切削齿“特定结构”，指的是钻头主体上方的切削齿高度或者是钻头表面的相对开度（以水基泥浆为主要流体类型）。确定井眼的清洗情况，必须考虑页岩孔隙度，而页岩孔隙度是从岩性中子孔隙度曲线上获得的。如果没有孔隙度数据，则需结合声波测井和页岩含量确定。(6)切削齿尺寸确定。根据主要岩石类型和声波密度测井确定。PDC切削齿尺寸可根据相关层段统计估算。对于较软地层的19mm（3/4）范围，对较硬地层用天然金刚石颗粒大小（即每克拉5-6粒）充满钻头。重叠切削齿尺寸的统计分布建议使用多重切削齿钻头设计。(7)研磨性。如上所述,可以根据砂岩含量和岩石强度获得。在正常研磨条件下，DBOS可以确定每英尺岩石强度的砂岩含量。如果实际砂岩含量超过这个正常值，那么模型可以告诉用户超值或超过的研磨性程度。该数据是以对数刻度给出的，同时也说明了研磨性渐增的层位,并推荐应用优质的抗磨切削齿。(8)抗冲击性。就是测量两连续深度岩石强度的变化速度。与研磨性相类似，它能提供变化的数据，这些数据也是以对数刻度给出的。这样可以根据数据，在实际应用中使用优质抗冲击切削齿或采用防钻头振动技术。 (9)保径情况。保径数据作为地层研磨性和邻井钻头径向磨损的连续函数，也是以对数刻度给出的。它给我们提供了使用保径齿的技术要求以及合适的保径工艺。另外，关于研磨性的有争议的方面，模型也考虑到了邻井钻头行程的保径情况，强调了潜在研磨性的存在。岩屑测定技术改善钻井优化系统的一种可行的办法，是将直接测量的地层岩石强度作为模型的输入数据。实践证明，岩屑压入试验可以用来确定地层岩石的力学特性。但必须指出，当对岩屑进行技术处理时，要考虑以下的一些事项，即压入试验的优缺点：(1)钻井过程中岩屑不是连续产生的，但却反映了全井段地层的真实面目。(2)岩屑是迅速重现地层特征的最好方法。(3)扩眼以及难于确定正确的岩屑滞后时间,都将给正确认识钻井深度带来问题。(4)某些地层对钻头很敏感。例如，使用PDC钻头就可能导致岩屑损害，从而导致岩屑结构和矿物成分的变化，改变地层岩石的力学特性。(5)为了正确判定所钻层位和对应层位的岩石强度,必须随时监测井内的坍塌现象。为了解释某些可能出现的问题，在室内实验和现场试验的分析中都考虑到了上述几个方面的因素。从岩屑取样到岩屑试验的整个过程都有一套严格的步骤和操作规程，目的是为了使这些不利因素的影响降到最低限度。1.现场试验将岩屑强度测量数据作为输入数据并与钻头优选系统相配合的方法已进行现场试验，并评价出由此带来的效益。在位于意大利南部，沿Apennines山脉的一口井中，我们监测了两个不同层段（143/4和121/4），并对此作了现场试验。研究计划分两个阶段进行：(1)第一阶段就是运用标准程序优化钻头选型,即岩性分析，电缆测井、抗压强度的估算和钻头的选择。(2)第二阶段就是直接在井场测量岩屑的岩石强度,由此确定优选钻头的类型（图3）硅质石灰沉积岩属于三叠系的白垩系和下中新统岩层。根据邻井分析，这种地层有很高的研磨性。2000米井深可以分为四个不同的可钻层段。图3 现场使用两种方法对比示意图在现场，对于推荐使用的钻头，应用压入技术鉴定出钻头的使用计划，估算出真实的岩石力学性能，以便校正钻头的选择。为了更好地解释岩屑试验的结果，确保整个过程的实时应用，必须作些调整。第一步：百分含量问题在钻井模型中，直接应用压入试验结果会带来一些方法上的问题。该实验过程将所测定层段的岩石强度定义为同一系列曲线上各自曲线斜率的加权平均值。例如，2120米深的层位上假设有三种岩性成分：石灰岩、页岩和砂岩。它们的相对含量和各自强度分别为：(1)根据标准测井，三种岩石成分的含量（%）为： 石灰岩 20 页 岩 40 砂 岩 40(2)按psi单位换算，三种纯岩石的强度值为： 石灰岩 12000 页 岩 3500 砂 岩 14500强度计算按下面公式进行：UCS2120=（120000.2+35000.4+154000.4）然后建立整个井段的强度曲线。结果表明：可能有三种可钻性。其中(1)所记录的低强度值，几乎不能代表真实的井内情况。(2)从压入测量试验中看出，应尽量选用抗磨蚀钻头。考虑到压入试验的测量结果与硬地层岩石（石灰岩、砂岩）协调一致，由此可能带来两个问题：由于岩屑尺寸很小以及岩屑为细颗粒的缘故，都将导致页岩百分含量的增加，从而过高地估计页岩的含量。页岩强度值估计过低。页岩表面与钻井流体的相互作用可能导致页岩强度值降低。通过试验估算上述存在的问题，还不能发现流体与岩石的相互作用。因此，还必须研究考虑如何正确估算页岩含量，从而确定出不同岩性成分之间的相对含量。第二步：页岩含量校正：页岩含量估算是一个关键因素，它能影响描述地层可钻性的岩石强度曲线的灵敏度。由于压入试验能更准确地判定各岩性成分的相对含量。为达到这个目标，需将记录钻井阶段的射线测井、碳酸盐含量测定曲线以及用标准测井得到的岩屑数据相结合，从而计算出真实的页岩含量。射线测井能够校正和补偿由钻井工具、井眼几何形状带来的误差。由此，可建立不同层段的新的岩性成分百分比。这种补偿方法能够获得估计平均值和校正的强度曲线,这些结果如下：(1)可以更好地描述地层