不同钻井方式下的井底岩石可钻性研究
石油钻井技术中钻头与岩石相互作用研究
石油钻井技术中钻头与岩石相互作用研究石油资源的开发是现代工业发展的基础之一。
石油钻井技术是开发石油资源的重要方法。
在石油钻井过程中，钻头与岩石的相互作用是十分重要的一环。
本文将探讨石油钻井技术中钻头与岩石相互作用的研究。
一、钻头的类型及其特性钻头是钻井工具中最为关键的部分，钻头的设计与制造对钻井效率、成本和安全等方面都有着重要影响。
钻头的类型很多，主要包括平头钻头、锥形钻头、扭曲型钻头、压路钻头和三角形钻头等。
不同类型的钻头针对不同的岩石类型和地质环境，在切削效果和切削质量等方面存在差异。
钻头的切削特性受其切削元件的类型、数量、布局、切削力和切削液等因素影响。
钻头的切削过程是一个极复杂的物理过程，牵涉到多个力学、热学和化学问题。
因此，石油钻井技术中钻头的研究是一项非常复杂的工作。
二、钻头与岩石的相互作用岩石是地质工程中一种十分复杂的物质。
岩石的特性取决于岩石的化学成分、结构、构造和物理性质等因素。
钻头与岩石的相互作用主要表现为切削力和切削质量两个方面。
在钻井过程中，钻头的旋转和推进都会产生切削力。
切削力的大小取决于压力和速度等因素。
高速旋转的钻头会产生离心力，使岩石松散并被钻头带离井口。
同时，钻头还会与岩石进行挤压作用，使岩石形成切削角和切削面。
在切削质量方面，钻头与岩石相互作用的主要问题是如何控制切削面的质量。
切削面的质量直接影响到井壁的稳定性、孔壁的防塌和钻头的寿命等关键技术指标。
因此，钻头的切削质量是石油钻井技术中一个非常重要的问题。
三、钻头与岩石相互作用研究的意义石油钻井技术中钻头与岩石相互作用的研究对促进石油资源的开发、提高钻井效率、降低钻井成本、保障生产安全等方面具有十分重要的意义。
首先，钻头与岩石相互作用的研究可以指导钻头的设计和制造。
通过研究钻头与不同种类的岩石的相互作用，可以有效地改进钻头的结构和材料，提高钻头的切削效率和寿命。
其次，研究钻头与岩石相互作用可以指导钻井过程的优化。
姚家坡、黑家堡区块下部地层岩石可钻性研究
性实验 ， 根据钻进深度和钻进时间 ， 得到了牙轮钻头
和Ｐ Ｄ Ｃ钻 头 的可 钻性 极值 大小 ， 实 验数据 见表 １ 。 由
表１ 可 以看 出 ， 延长 气 田的姚 家坡 、 黑家 堡地层 比较
优选 等资料 可借鉴 ， 导致 钻 进速度 慢 ， 平均一 支井 队 年只 能钻 ３口井 ， 是制 约延 长 油 田开发 速 度 的瓶
１ 研究背 景
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６ －７ ９ ８ １ （ ２ Ｏ １ ３ ） １ ２ 一Ｏ １ ４ ６ 一Ｏ ３ １ ８ 块 岩 心进 行 了针 对牙 轮 和 Ｐ ＤＣ钻头 的岩 石 可钻
姚家 坡 、 黑家 堡 两 个 区块 是 延 长油 田主力 勘 探 开发 区块 。 目前 尚无该 区块 的地层 可 钻性评 级 、 钻头
摘
要： 钻 井 工程 中要 做 到优 质、 快速 、 安 全、 高效 、 经济钻 达 目的层 ， 最佳 的 实现勘 探 开发 目的。要
达 到此 目的 ， 首 先要 解 决的 问题 是 地层特 性 的认 识 。本文对姚 家坡 、 黑 家堡 区块 下部 地层 可钻性进行 了
系统 的 研 究 ， 建 立 了该 区 块 牙 轮 钻 头 、 Ｐ ＤＣ 钻 头 的 可钻 性 模 型 与 剖 面 ， 根 据 此 模 型 与 剖 面 对 地 层 的 岩 石
பைடு நூலகம்
利 用 声 波 时差 测 井 资料 和岩 心 可 钻 性 实验 结 果， 建 立 了利 用测 井资 料 预测 牙轮 钻头 和 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头 岩石可 钻性 的计算 模型 。 根 据表 １数据 ， 结 合对 应深 度 的声 波 时差 数据 ， 回归得 到 了利用声 波时 差测井 资 料预测岩石 可钻性 极值 的计 算模 型 ， 如式 （ １ ） 和（ ２ ） 所示。 牙 轮钻头 岩石 可钻 性计算 模 型
基于分形方法的深部砂岩地层岩石可钻性分析
基于分形方法的深部砂岩地层岩石可钻性分析王海淼【摘要】石油钻井中测量岩石可钻性的主要方法是以井下取心为对象.测量岩石的力学性能和微钻法可钻性试验,但这种方法采样费用高,试验周期长,不能在现场直接应用,这对实际应用造成了很大困难.用筛析法分析不同围压下砂岩岩心碎屑的分布,发现砂岩岩心破碎碎屑是分形分布.不同围压的实验中,碎屑分布的分维值不同.随着围压的增加,砂岩破碎碎屑的分维增大.解释了砂岩碎屑分维增大的原因,研究了碎屑分形分布的物理机制.并进一步分析了砂岩岩心分形维数与可钻性和围压之间关系,为使用实际钻进过程中产生的上返岩屑描述可钻性指标奠定基础,为可钻性研究提供一条新的途径.%The primary method of measuring rock driUability is selecting well coring as object, measuring rock mechanical property and doing driUability test in micro-drilling method during drilling. However, field application shows that the sampling cost is high and the test period is long. It can't be directly used on field and makes great difficulty to field application. Sandstone coring clastics distribution in different confining pressure using filter approaches is analyzed and find that it is fractal distribution in sandstone coring breakage clastics. The fractal dimension D value of elastics distribution is different under different confining pressure tests. The fractal dimension of sandstone fragment distribution augments with the increasing of confining pressure. The causes of fractal dimension increasing are explained and physical mechanics of elastics fractal distribution are studied. Furthermore the relationship among coring fractal dimension, driUability and confining pressure is analyzed. It is theelements of describing driUability using upturned detritus during driUing.It is a new approach of studying driUability.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)024【总页数】4页(P5917-5920)【关键词】岩石可钻性;围压;分形;分形维数【作者】王海淼【作者单位】大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE22岩石可钻性是指在一定钻井技术条件下，岩石抵抗工具破碎的能力，是表示岩石被钻进时所表现出的难易程度。
利用钻井资料实时监测岩石的可钻性
利用钻井资料实时监测岩石的可钻性发表时间：2010-08-12T15:16:11.670Z 来源：《西部科教论坛》2010年第6期供稿作者：郑明明1 鲍挺1 高晓星1 张思渊1 [导读] 岩石可钻性是优选钻头，制定生产定额以及降低钻井成本的基础。
因此，可靠你、快速、低成本地预测。
郑明明1 鲍挺1 高晓星1 张思渊1（1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北，武汉，430074）摘要：岩石可钻性是优选钻头，制定生产定额以及降低钻井成本的基础。
因此，可靠你、快速、低成本地预测。
岩石可钻性显得尤其重要。
文章在分析现有岩石可钻性预测方法的基础上，探讨了岩石可钻性与测井参数间的关系，开展了利用测井资料和实钻井录井资料相结合实时监测岩石可钻性的方法研究，方法更加全面科学，通过对井底钻井液密度的实时监测等措施提高了计算岩石可钻性的精确度。
结果表明，利用测井资料及其导出资料和实钻井录井资料结合计算岩石的可钻性，可以快速实时地在现场计算分析出岩石的可钻性级数，提高了工作效率，对工程施工具有重要意义。
关键词：岩石可钻性；钻井资料；钻井液密度；实时监测岩石可钻性指标是钻井工程中必需的一个基本数据，它在钻井工程中有重要的应用价值，如指导钻头选型、用于钻头参数优选、预测钻速、制定生产定额等，因此，岩石可钻性的表示及测定是钻井工程中的一项基础性工作。
归纳总结得出获取岩石可钻性的方法主要有微钻头钻进法、D 指数法和利用测井参数预测岩石可钻性的3大类方法。
微钻头钻进法和D指数法在预测岩石可钻性上虽有一定的效果和经济意义，但其都存在一定的缺点。
但现有的预测地层岩石可钻性的方法，因受主客观条件的限制，都存在以下问题：①难以全面反映岩石在地下所处的高温高压环境的影响；②难以全面反映非均质地层岩石性质的变化；③在井下岩性变化大的区域，室内测定数据对钻井指导意义不大，测定得到的数据可能对钻井缺乏可对比性i④受岩心资料和经费的限制，难以建立连续剖面；⑤要想掌握某地区岩石性质要重新进行测定，需投人大量的资金、时间及巨大的工作量。
岩石可钻性分级研究进展
岩石可钻性分级研究进展摘要：文内综述介绍了近三十年来的国际岩石可钻性研究概况。
对一些典型的分级方法做了介绍，对于深人开展我国创造性的岩石可钻性研究应当有所裨益。
关键词：岩石；可钻性；分级1 石可钻性及可钻性分级研究概况岩石可钻性是在某种规定的指标和技术下，以一定量度来表示岩石破碎的难易程度，也即是岩石对钻头破碎岩石的一种阻抗程度。
岩石可钻性不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。
根据岩石本身固有抗钻能力的大小，结合不同碎岩方式，可对岩石可钻性做出定量划分。
可钻性级值是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要途径，岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素。
2 现有的岩石可钻性分级方法现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有下述几种。
2.1 传统法2.1.1压入硬度法压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。
压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的。
矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。
2.1.2点载法点载法是由点载仪测得的，用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标。
点载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。
点载法不能从可钻性上把岩石分开。
这是因为岩石在三向应力状态下，产生张性破坏，而各种岩石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。
这样点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
2.1.3 微钻头钻进法微钻头钻进法是在室内运用可钻性测定仪确定岩石的可钻性，利用穿孔速度和牙轮磨损情况，压痕试验中确定的压痕器指数，以及抗压强度试验结果，对岩石的可钻性进行综合评定。
岩石可钻性研究
岩石可钻性研究摘要:为满足优质高速钻井的要求,需要对岩石可钻性做出更加精确的观测。
本文对岩石力学参数和可钻性级值通过多元回归的方法得出了围压下岩石可钻性级值的相关模型,通过该模型,可以更准确的预测地层岩石可钻性。
关键词:钻井岩石可钻性级值岩石力学性质1 引言岩石可钻性的概念是在生产实践中形成,用以说明破碎岩石的工具与岩石之间的关系。
现代的岩石可钻性概念有以下几种提法[1]:(1)所谓岩石的可钻性,是指在一定技术条件下钻进岩石的难易程度;(2)可钻性可理解为钻井过程中岩石抗破碎强度的程度,它表征岩石破碎的难易程度;(3)岩石坚固性的钻孔方面的表现称为可钻性。
2 岩石可钻性及力学参数实验2.1 牙轮钻头与PDC岩石可钻性的关系对于岩石可钻性来讲,牙轮钻头的岩石可钻性同PDC钻头的岩石可钻性所反映的都是破岩工具破碎岩石的难易程度,所不同的只是使用的破岩工具不同而已,破岩方式及对不同地层的破岩速度也不同,但是牙轮钻头和PDC钻头的可钻性二者是紧密相连的,牙轮钻头可钻性级值高的地层,用PDC进行钻进可钻性级值同样高,根据实验结果对二者进行回归分析得到相关模型如下[2]:式中:KPDC为PDC钻头岩石可钻性级值;KD为牙轮钻头可钻性级值。
该式的相关系数为0.90。
从相关性模型中可以知道,二者的相关性很强,因此在后面的的研究中只研究牙轮钻头的可钻性,PDC钻头的可钻性与牙轮钻头相似。
2.2 岩石可钻性级值(微钻速/与岩石抗压强度的关系)(如表1)将表1中的岩石可钻性级值与抗压强度进行统计回归分析,可得到用抗压强度表示岩石可钻性级值,回归方程为:式中Kd为可钻性级值,бc为抗压强度(mPa),Vm为微钻速(m/H)式(1)的相关因数为:0.824,式(2)的相关系数为0.726(如图1图2)2.3 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,可钻性和岩石抗压强度和硬度的关系较密切,而与朔性系数关系较差,即硬度和抗压强度是可钻性的综合反应,以下是把岩石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、朔性系数、杨氏模量)通过多元逐步回归分析得到相关性模型[3、4、5]:式中Kd为牙轮钻头可钻性;бC为岩石抗压强度;Py为岩石硬度;E为杨氏模量;μ为泊松比;k为朔性系数。
岩石可钻性测试实验
中国石油大学（岩石可钻性的测定）实验报告实验日期： 2014.10.21 成绩：班级： 石工11-11 学号：11021525 姓名： 徐银亮 教师： 郭辛阳 同组者： 夏平 张栋 杜顺明 刘磊岩石可钻性的测定一、实验目的1、了解岩石的可钻性；2、掌握岩石可钻性的测量方法。
二、实验原理1、实验设备实验中使用岩石可钻性测试仪来测量岩石的可钻性，如下图1所示。
设备的具体技术指标参见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
2、测量原理使用特制微钻头（牙轮钻头或PDC 钻头），以一定的钻压（牙轮钻头为890N±20N ，PDC 钻头为500N±10N ）和转速（55r/min±1r/min ）在岩样上钻三个特定深度的孔（牙轮钻头为2.4mm ，PDC 钻头为3mm ），取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（d t ），对d t 取以2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值d K ，计算公式如下所示：t K d 2l o g求得可钻性级值后，再查岩石可钻性分级标准对照表（如下表1所示）进行定级。
测量原理详见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
三、实验步骤1、试样用石油钻井所取井下岩心或地面采的岩石，岩样制备成圆柱体（直径40-100mm ，高度30-80mm ）或长方体（长宽各100mm ，高度20-100mm ），端面平行度公差值≦0.2mm ，试验前将试样放在温度设定为105-110℃的干燥箱内烘烤24小时；2、将手轮上移至最上端，取下岩心支架、钻头和接屑盘并清扫干净；3、装上接屑盘，将所选的微型钻头安装在花键轴上端（注意：钻头上键槽应对准花键轴上端的键！），安装好钻头后，将岩心支架回归原位；4、关闭所有钻井模式（牙轮模式和PDC 模式），打开总电源 ，打开相应钻进模式开关（牙轮模式或PDC 模式，开关如图2所示），打开电机调速器上的电机开关，开动电机，调电机至规定转速55转/分（注意：教师进行此项调速操作，学生请不要调电机转速，避免产生危险！），然后关闭电机开关；5、选择好相应的钻压砝码（牙轮钻头用两个砝码，PDC 钻头只用一个下部大砝码），放在砝码支架上；6、将准备好的试样放在岩心支架上，手轮下移，稍用力夹紧岩样，如果钻头高出岩心支架，应在轻轻夹紧岩样的同时，逆时针转动小手摇泵手轮，卸掉液压系统压力（注意：要确保岩样的钻井面一定为平面！）。
基于测井资料的岩石可钻性研究
声波时 燕Ｉ ，－ ｐｓｍ
图１ 岩 石可 钻性 与声 波 时差 的统 计 关系
重点 ，但 是声波 时差是 岩石 力学性 质 的动 力学 响应参
数 ，岩 石 的 声 波 时差 在很 大 程 度 上 受 到 泥 质 含 量 、矿 物 成 分 、埋 藏 深 度 等 因 素 的影 响 ，因此 必 须 寻 找 一 种新 的 厅法 解 决 这一 问题 。
讲 ，利用测井资料的声 波时差可 以建立地层 的可钻性剖 面。其实现方法如下 ：在室 内利用可钻性测定仪确定地 层 岩石 的可钻性级值 ，结合测井资料 中的声波时差进行
信 息系统 工程 Ｉ２ ｌ ．． ０ １ ２ ９０
９ ７
ｉ
Ｅ ＸＣＨＡＮ ＸＰ Ｉ Ｅ Ｅ 经 验 交 流 ＧＥ ＯＦＥ Ｅ￣ ＮＣ ｄ
（ ４）岩石埋深 和地质年代 ：正常情况下 ，随埋深 的增加 和年代 的久远 ，岩石压实程度不断增加 ，可钻性
变差 ，声波时差 随之下降。
根据 以上分析可知 ，岩石声波时差能够体现岩石的
可钻性 。因而 ，可以运用声波时差曲线进行岩石可钻性
预测 ，但仅用它作为岩石可钻性预测 的唯一变量可能会
造成 同一声波时差曲线对地层岩石可钻性多解的情况 ， 因此 ，还必须辅 以其他测井资料 ，即基于测井参 数预测
岩 石 可钻 性 。
机 的 ，它们不能反映层间以及整个井剖面岩石可钻性变
化 情 况 ，不 能 够 建立 起 岩 石 可 钻 性 连续 的变 化 剖 面 另 一
方 面 ，井下 的岩层 与试样 的岩心是有区别 的；此外 ，建
立地区岩石可钻性剖 面需要进行大量 的岩石性质测定 实 验 ，这将花费大量 的人力和资金。基 于以上不足 ，所 以
岩石可钻性表示方法探讨
岩石可钻性表示方法探讨
张厚美;薛佑刚
【期刊名称】《钻采工艺》
【年(卷),期】1999(022)001
【摘要】５０年代，我国石油、矿山、地质等行业广泛使用前苏联史立涅尔提出
的压入硬度表示岩石可钻性，而８０年代后我国石油行业改用美国罗劳提出的微钻法测定岩石可钻性。
后者是否比前者更具优越性？本文对此进行了探讨。
文中介绍了岩石可钻性的概念及常用的表示方法，对压入硬度法和微钻法原理、测定方法、结果等进行了对比，并对压入硬度和可钻性级值垢关系进行了统计分析。
结果表明，压入硬度和可钻性级值在统计意义上并无显著差别，而
【总页数】4页(P10-13)
【作者】张厚美;薛佑刚
【作者单位】同济大学;江汉石油管理局钻头厂
【正文语种】中文
【中图分类】TE241
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不同地层岩性对钻头失效的影响
（—）地层岩性对钻头失效的影响表现在钻井工艺上：影响钻进速度、钻头进尺；使钻井过程出现井漏、井喷、井塌和卡钻等复杂情况；使泥浆性能发生变化；影响井眼质量，如井斜、井径不规则，进而影响固井质量。
通过分析地层岩性及其对钻井工艺的影响，可对钻头选型和使用的合理性进行判断。
粘土、泥岩和页岩层影响：极易吸收泥浆中的自由水而膨胀，使井径缩小，造成下钻遇阻，甚至卡钻，随着浸泡时间的延长，又会产生掉块剥落，使井径扩大，造成井塌。
应尽量使用清水或低比重低粘度的泥浆钻进。
炭质页岩联接力弱，容易垮塌。
泥质岩层质软，钻速快，也容易泥包。
砂岩：其性质依颗粒的大小、成分以及胶结物的不同有很大差别。
颗粒越细、石英颗粒越多、硅质和铁质胶结物越多则越硬，对钻头磨损越大，如石英砂岩；泥质胶结物越多，云母和长石的成分越多则较软易钻；颗粒越粗，胶结物越少，渗透性越好，易产生泥浆的渗透性漏失，并在井壁上形成较厚的泥饼，引起粘附卡钻等复杂情况，造成钻头的非正常使用。
砾岩：在砾岩层中钻进易产生跳钻、蹩钻和井壁垮塌；当泵排量小或泥浆粘度低时，砾石颗粒不易上返，对钻头牙轮体和牙齿损坏较大。
石灰岩：一般质硬，钻速慢、进尺少。
有的有缝缝洞洞发育，钻遇缝洞时，会引起蹩钻、放空、泥浆漏失等，井漏后有时还会发生井喷。
石灰岩地层对钻头进尺、机械钻速和钻头失效影响很大。
另外，当地层软硬交错，如泥岩与较硬的砂岩相间，易产生井斜；地层倾角较大时易产生井斜。
钻头在斜井中钻进易造成损坏。
当岩层中含有可溶性盐类，如石膏层、岩盐层等，会破坏泥浆的性能，影响到钻头的正常使用。
（二）、钻井工艺一般指钻压、转速和泥浆排量三个钻进过程中可控制的工艺参数。
在实际应用中，钻井工艺应根据地层条件、钻头类型、钻井设备和操作人员技术水平制定。
按其要求和条件的不同，钻井工艺分有：1）优化钻井工艺：在一定条件下，能达到最好经济指标的钻井工艺参数。
2）强化钻井工艺：为达到更高的钻进速度，采用比一般钻井参数高的钻井参数。
岩石的可钻性
岩石的可钻性在岩土钻掘工程设计与实践中，人们常常希望能事先知道所施工岩石的破碎难易程度，以便正确选择合理的钻（掘）进方法、钻（钎）头的结构及工艺规程参数，制定出切合实际的岩土钻掘工程生产定额。
岩石的可钻性及坚固性指标，在实际应用中占有重要地位。
岩石的可钻性是在一定钻进方法下岩石抵抗钻头破碎它的能力。
它反映了钻进作业中岩石破碎的难易程度，它不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。
由于可钻性与许多因素有关，要找出它与诸影响因素之间的定量关系十分困难，目前国内外仍采用试验的方法来确定岩石的可钻性。
不同部门使用的钻进方法不同，其测定可钻性的试验手段，甚至可钻性指标的量纲也不尽相同。
例如，钻探界在回转钻进中以单位时间的钻头进尺（机械钻速）作为衡量岩石可钻性的指标，分成12个级别，级别越大的岩石越难钻进；在冲击钻进中常采用单位体积破碎功来进行可钻性分级。
而在石油钻井部门则以机械钻速与钻头进尺的乘积或微型钻头的钻时作为衡量指标，分成10个级别。
几种有代表性的划分岩石可钻性级别的方法是：1. 力学性质指标法采用单一的岩石力学性质来划分岩石的可钻性级别。
据压入硬度值把岩石分成6类12级（表1-4），据摆球的回弹次数把岩石分成12级（表1-5）。
如果用上述两种方法确定的可钻性级别不一致，可按包括压入硬度值Hy和摆球硬度值Hn的回归方程式（1-17）来确定可钻性K值。
（1-17）岩石类别软中软中硬硬坚硬极硬岩石级别1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 10 12硬度(MPa)≤100100～250250～500500～10001000～15001500～20002000～30003000～40004000～50005000～60006000～7000＞7000岩石级别 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12回弹次数≤1415～29 30～4445～5455～6465～7475～8485～9495～104105～125≥1252. 实际钻进速度法在规定的设备工具和技术规范条件下进行实际钻进，以所得的纯钻进速度作为岩石的可钻性级别。
岩石可钻性分级方法研究及展望
Journal of Oil and Gas Technology 石油天然气学报, 2023, 45(2), 101-108 Published Online June 2023 in Hans. https:///journal/jogt https:///10.12677/jogt.2023.452013岩石可钻性分级方法研究及展望刘 鑫，王馨玥，王丹丹，何京龙，荆为琰，李 猛*重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆收稿日期：2023年4月17日；录用日期：2023年5月31日；发布日期：2023年6月13日摘要 地层可钻性是钻头选型及钻头结构设计的重要依据，在钻井工程中准确评价可钻性级值能提高钻速、降低钻井成本，快速可靠地进行可钻性分级显得尤为重要。
本文将可钻性分级方法的发展应用过程划分为三个阶段进行综述，阐述了各阶段可钻性分级方法的基本原理、具体的试验或建模过程，并对各种分级方法的特点做出评价。
结果表明：传统方法测定可钻性级值精度最高，但不连续；数理分析方法计算简便快捷，但精度不高；机器学习预测方法可预测连续的地层可钻性级值，精度较传统实验测定法有所降低。
本文还提出了一种在现行方法的基础之上利用新一代人工智能ChatGPT 进行可钻性预测的展望，以期相关学者进行参考。
关键词石油钻探，岩石可钻性，数理分析，机器学习，ChatGPTResearch and Prospect of Rock Drillability Classification MethodXin Liu, Xinyue Wang, Dandan Wang, Jinglong He, Weiyan Jing, Meng Li *School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing Received: Apr. 17th , 2023; accepted: May 31st , 2023; published: Jun. 13th , 2023AbstractFormation drillability is an important basis for bit selection and structure design. In drilling engi-neering, accurate evaluation of drillability level can improve drilling rate and reduce drilling cost, so it is particularly important to conduct drillability classification quickly and reliably. This paper summarizes the development and application process of drillability classification method into three stages, describes the basic principle of drillability classification method at each stage, the *通讯作者。
岩石可钻性分级表及分级研究
岩石可钻性分级表及分级研究（参考岩芯钻探技术规程）姓名：刘海声中国地质大学（武汉）工程学院1 影响因素岩石可钻性不是岩石固有的性质，它不仅取决于岩石的特性，而且还取决于采用的钻进技术工艺条件：(1)岩石的特性包括岩石的矿物组分、组织结构特征、物理性质和力学性质。
其中直接影响因素是岩石的力学性质，而岩石的物理性质、矿物组分和组织结构特征等主要是通过影响其力学性质而间接影响可钻性的。
在影响岩石可钻性的力学性质中，起主要作用的是岩石的硬度、弹塑性和研磨性。
岩石硬度影响钻进初始的碎岩难易程度；弹塑性影响碎岩工具作用F岩石的变形和裂纹发展导致破碎的特征；研磨性决定了碎岩工具的持久性和机械钻速(纯钻进时间内的单位时间进尺，m／h)的递减速率。
一般规律是岩石可钻性随压入硬度和研磨性的增大而降低，随塑性系数的增大而提高(2)钻进技术工艺条件包括钻进切削研磨材料、钻头类型、钻探设备、钻探冲洗介质、钻进工艺的完善程度，以及钻孔的深度、直径、倾斜度等。
2 分级在一定的技术工艺条件下，岩石按被钻头破碎的难易程度的分级。
根据钻进方法的不同，岩石可钻性分别有岩心钻探的岩石可钻性、手动回转钻进的岩石可钻性、螺旋钻进的岩石可钻性、钢丝绳冲击钻进的岩石可钻性、冲击振动钻进的岩石可钻性和石油钻井的岩石可钻性等。
中国冶金工程钻探采用岩心钻探的岩石可钻性。
岩心钻探的岩石可钻性分为12级。
为1958年中国地质部颁布的《岩石十二级分级表》，此表是以对于在规定的设备、工具和技术规程的条件下进行实际钻进所获得的大量资料的统计分析为定级基础的。
随着对岩石物理力学性质的深入研究、测试技术方法和仪器的进步、钻探设备和工艺技术的发展，为适应金刚石钻探工艺应用的需要，并使岩石可钻性分级更趋科学、准确、合理，1984年中国地质矿产部颁布了《金刚石岩心钻探岩石可钻性分级表》。
该分级表采用了以岩石压入硬度为主，同时考虑摆球回弹次数、塑性系数、微钻速度和声波穿透速度等的综合分级法，将岩石仍分为12级，列为以压入硬度、摆球硬度和统计效率为指标的(表2)、以微钻速度为指标的(表3)和以声波穿透速度为指标的分级表。
岩石可钻性
中国石油大学钻井工程实验报告实验日期：2014.10.15 成绩：班级：石工11-10 学号：姓名：教师：同组者：李雪鹏、白国强、赵春平、邢志辉岩石可钻性的测定一、实验目的1．了解岩石的可钻性；2．掌握岩石可钻性的测量方法。
二、实验原理1．实验设备实验中使用岩石可钻性测试仪来测量岩石的可钻性，如下图1 所示。
设备的具体技术指标参见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
图1 岩石可钻性测试仪2．测量原理使用特制微钻头（牙轮钻头或PDC 钻头），以一定的钻压（牙轮钻头为890N ±20N，PDC 钻头为500N±10N）和转速（55r/min±1r/min）在岩样上钻三个特定深度的孔（牙轮钻头为2.4mm，PDC 钻头为3mm），取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（t d），对t d取以2 为底的对数值作为该岩样的可钻性级值K d，计算公式如下所示：K d =log2t求得可钻性级值后，再查岩石可钻性分级标准对照表（如下表1 所示）进行定级。
表1 岩石可钻性分级对照表三、数据处理根据实验中测得的钻进时间，结合实验原理中岩石可钻性的计算方法及分 级标准，计算岩石可钻性并将结果填入表2 中岩石可钻性试验记录表平均钻进时间t=(35+46+38)/3=39.67s ，可钻性级值K d ===22log log 39.67 5.3t查表1得，可钻性级值为5级。
四、思考题1．实验过程中哪些步骤对测量结果精度影响较大，如何操作才能提高测量 结果的精度？ 答：夹持岩样的过程中选择不同的钻进岩石面可能会使钻进时间差别较大，应该尽量选用同一个岩石面。
2．调研并简要介绍岩石可钻性是如何应用于工程实践？思考岩石可钻性的 其它应用？答：实际生产中，钻头选型、制定生产定额、确定钻头工作参数、预测钻头工作指标等都以岩石可钻性为基础。
五．心得与体会本次实验操作比较简单，但要注意操作步骤，一定要先将砝码顶起来才能获得钻压，实验要认真记录时间。
不同钻井方式下的井底岩石可钻性研究
０ ４ ） 助 ０ ＨＺ 资 作 者 简 介 ： 谋 （ ９ ２ ） 男 ， 北 潜 江 人 ， ０ ６年 毕 业 于 长 江 杨 １ ８ ， 湖 ２０
１ 计 算 井 底 围压
图 １ Ｍａ ｒｒ 为 ｕｅ 在单 齿 冲 击试 验 中通 过 改 变 井
筒 液柱 压力 得到 的破 碎坑体 积 与井 底压 力 的关 系 曲 线 （ 底压 力 为液柱 压 力 与孔 隙 压力 之 差 ） 由图 １ 井 。
大 学石 油 ２ 程 专 业 ， 气 井 专业 在 读 博 士 研 究 生 ， 要 从 事 欠 平衡 钻 ￣ － 油 主
摘 要 ： 石 可 钻 性 指 标 是 钻 井 工 程 中的 一 项 基 本 数 据 ， 岩 当前 计 算 岩 石 可 钻 性 的 方 法 很 少 考 虑 井 底 围 压 对 岩 石 可 钻 性 的影 响 。 首先 ， 述 了 围压 对 井 底 岩 石 强 度 的 影 响 ， 析 了不 同 渗 透 性 条 件 下 求 取 井 底 围 压 的 差 异 ； 论 分 其 次 ， 立 了 围压 下 的 岩 石 可 钻 性 计 算模 型 ， 对 液 体 测 井数 据 进 行 了校 正 以 获 取 气体 钻 井 的 岩 石 力 学 参 数 ； 后 ， 建 并 最
第 ３ ８卷 第 ２期
２１ ０ ０年 术
Ｖｏ１ ８ Ｎ ｏ ２ ．３ ．
Ｍ ａ ．， ０１ ｒ ２ ０
川西地区提高岩石可钻性钻井方式研究
第１ 期
新
疆 地
质
中图分类号 ： ６ ４１ Ｐ３ ． ５
２１ ０ ０年 ３月
Ｍａ ．０１ ｒ２ ０
、０ ８ ＮＯ １ ，ｌ ２ ．
０Ｌ ０ＧＹ Ｘ烈 Ａ ｌ ＮＧ ＧＥ
文章编 号：１０ ．８ ５２ １ ）１１３０ ０ ０８４ （０ ００ —１—３
文献标识码 ： Ａ
式 中： — — 岩石 的 内摩擦 角 ：
岩石 的 内聚 强度 ， ａ ＭＰ ； 岩 石所 受 的 围压 ， ａ ＭＰ ．
２ 岩石可钻性实验分析
本研 究采 用 Ｚ Ｚ １ 多 功能岩 石 可钻 性测 定仪 ， Ｋ 一型 在钻 压 ８ ０Ｎ、转速 ５ ｍ 试验 条 件下 ， 钻深 ０ ～ ９ ５ｒ ｐ 预 ． ４
围压 计算 公式 为 ：
Ｐ ＝ ｗ ：０ 一 ｃ尸 一 ｌ－ ， 只… …… …… ……（） ３ ２
项 目资助 ： 项 目受 国家 ８３计 划 《 本 ６ 全过 程欠 平衡 技 术 与装备 》（０６ Ａ０Ａ１４资助 ２０ Ａ ６ ０ ） 收稿 日期 ：０ ９ ０ ．９修 订 日期 ：０ ９ １ ． ５ ２ ０ ２ １ ； ２ ０ ．２ １ 第一作 者 简介 ： 思洪 （９３） 湖南 邵 阳人， 南石 油大 学 油气 井专 业在 读研 究 生， 从 事欠平 衡 钻井 研 究 唐 １８－ 男， ， 西 主要
个 重 要 因 素 Ｊ 分 析 发 现 川 西 主 力 产 区 地 层 主 要 ， 经
以砂 岩 和 泥 页 岩 互 层 为 主 ． 岩 主 要 为 石 英 砂 岩 、 砂
长石砂 岩和 岩屑砂岩 ， 石 粒级 以中一 粒 为主 ， 岩 细 多 数 砂 岩 分 选 较 好 ， 屑 颗 粒 磨 圆 中 等 一 差 ． 层 中 碎 较 储
岩石可钻性预测研究
６ ４・
科 技 论 坛
岩石 可钻性预测研 究
孙 祖 捷 （ 黑龙 江省 有 色金 属地 质 勘 查 局 ７ ０ ７队 ， 黑龙江 绥化 １ ５ ２ ０ ０ ０ ） 摘 要： 研 究岩 石 可 钻性 有 两 个 目的 ： 一 是 根 据 岩 性 合理 地 选 用钻 头和 最优 钻进 规 程 ； 二 是拟 定机 台的 生产 指 标 。只要 通 过 研 究 工 作
用压入硬度表示可钻性 之所 以出现许 多不相符合 的现 象 ， 其 主 １ 研 究 岩石 可 钻 ・ 陛的 意 义 和 分 类 研 究岩石可钻性有两个 目的 ： 一是根据岩性合理地选用钻头和 要原 因是压入硬 度法破碎岩石与切削 巨钻 切岩石 的机 理和方式 等 获得压人 最优钻进规程 ； 二是拟定机 台的生产指标 。只要通过研究工作对岩 不 同。压入硬度法是通过压膜在静载作用下破碎岩石 的， 随着压膜上静压增大 ， 开始在压 膜周 围边 沿产 石 的机械性 质进行定性分类 ， 即可满足前者 的需要 ； 而解 决后一个 硬度数值 的过程是 ： 造成首次小块破碎 ； 压力继续增大 ， 压膜 下的载荷处于 问题 ， 还需有定量的指标 ， 并达到一定 的准确程度。 岩石可钻性 的研 生载荷集中 ， 究不仅要反映现 阶段 的设备水平 ，而且必须考虑施工的技术条件 。 均布状态 ，当载荷增加到使模下主压力锥形体发生体积破碎时 ， 压 国内外探矿界一直重视岩石可钻性 的研究 。 并研究 出了一系列测试 膜 即产生跳跃式吃入 。 此时 ， 单位面积上的载荷便是压人硬度值 。 可 见， 压入硬 度法碎岩是 主压力体 四面受夹持条 件的限制 ， 即在多 向 方法与仪器 。这些方法可归纳为以下四大类 ： 它表现 出的抗压强度要 比一般情况下 大 ａ ． 通 过测定岩 石的物理机械性质来确定岩石 可钻 性的方法 （ 力 应力状态下发生 的。所以 ， 得 多。 此外 ， 由于岩性不 同， 其压人硬度也不相同。 例如 ， 具有解理面 学法 ） ； ｂ ．利用破碎岩石时消耗 能量的大小来确定岩石 可钻 性的方法 的粗粒 岩石就 比无理解 、 裂 隙的细粒致密岩石硬度低 。这是 由于岩 （ 能量法 ） ； 石被压模压人 时， 在其解理 面及微裂 隙的薄弱环节 上产 生应 力集 中 ｃ． 然后 向外 延 展 破 碎 区 ， 提 早 进 入 跳 跃 吃 人 阶段 ， 从 利用现场生产实钻效果来确定 岩石可钻性 的方法 （ 现场实钻 而 首 先 发 生 破碎 ， 法） ； 而 表 现 出 较 低 的压 入 硬 度 。 ｄ ．在实验室 内利用微型钻台与设备进行模 拟钻进行测定岩石 在实钻时 ， 每个切削具都是在轴压 和回转两 向合力作用下斜 剪 岩石的 ， 同时在切具后面还伴 随发生张力 破碎 过程。斜剪切力与岩 可钻性的方法（ 微钻法 ） ； 能量法多用 于采矿 业 ， 而在 较深 的钻孔里 ， 由于难 以准确地测 石夹角的大小随岩性 而变化 。在一定 的轴压力下 ， 随着岩石抗破碎 强度增大 ， 此夹角将变小 ， 即切刃碎岩吃入深度变浅 。同时 ， 钻进斜 出井 底 能 量 消 耗 ， 因而 能 量 法在 钻 探 上 迄 未 采 用 。 实钻法虽 曾被 广泛的用于现场生产 ， 并起 到了积极作 用 ， 但由 剪切 力的影响 ， 使 切具下 的主压力体受 夹持条件得到 改善 ， 近乎 于 于条件所限 ， 及诸多不确定因素 ， 所以 ， 实钻法已被淘 汰。 般受力状态 。因此 ， 它的碎岩不象测压入硬度那样明显地受岩石 实验证明 ， 岩石在斜 剪切力 的作用下 ， 其 力学 法与微钻法 已成为 目前 国内地质勘探 系统测定岩石 可钻 致密性与不均匀性 的影响。 性 的 主要 方 法 。本 文 着 重 讨论 力学 法 。 破碎强度仅为压模静载破碎强度的 ｌ ， ６ —— １ ／ １ ２ 。 ２ 压 入 硬 度 与可 钻 性 的 关 系 正是在压入硬度法的碎岩 ， 在受力条件 、 受力种类 、 以及 岩性 影 才导致 可钻性 与实钻结果有差 在发现了岩石 的物理机械性质与其可钻性有密切联系后 ， 许 多 响等方面与实钻过程存在上述差别 ， 人便 趋向于通过测定岩石的力学性质来确定可钴 。 由于岩石 的力 异 。 ３研磨・ Ｉ 生对 可钻 性 的 影 响 学性质包括强度 、 研磨性 、 塑性系数 、 压入硬度 、 弹性模量等 ， 所以， 其测试方 法也有多种 ， 而以硬度法 ， 尤其是压入硬度法更受重视 。 在实际钻探 中， 当钻头钻取岩层 时 ， 其本身也被逐 渐磨钝 ， 在研 ２ ． １ 压人硬度与可钻性 的一致性 磨性强的岩层 中尤 为明显 。磨损过程是连续发生 的 ， 即钻头开始钻 压入硬度 法是通过局部压碎岩石来测定岩石硬度的一种方法 。 岩时， 其切刃未被磨钝 ， 这 时影响岩石破碎 的主要 因素是岩石 的硬 从宏观上来看 ， 它与钻头钻进地层 的破碎形式相似 。特别是 它模拟 度 。继续钻进 ， 钻刃被逐渐磨钝 ， 致使效率发生变化 ， 这 种变化后的 人们企 图通过研究 了牙轮钻头的碎岩状态 ， 在 一定程度 上能 反映地质钻进 的岩 石可 钻 新效率可表征研磨性 与可钻性 间的关 系。所 以 ， 性规律 ， 因而比测定岩石的硬度测定法更有代表性 。 同时 ， 在钻进 中 岩石 的研磨性来标定岩石 的可钻性 。 硬与硬岩 的实践 中， 发现压入硬度与可钻性有这一致性 。 研 究工作发 现 ， 研磨性对可钻性 的影 响是 复杂的。不 同研磨性 我们对两批岩样进行了测试 ， 也发现压入硬度能反映可钻性 的 的岩石影 响也不 同。如初钻速度同为 ３ ０毫米 ／ 分的三种岩样 ， 经过 变化规律 ， 即压 人硬度 越大 ， 岩石越 难钻进 ， 但二者 的相关性不 理 段 时间的钻进 后 ， 钻刃被磨 损 ， 钻速 分别 为 ７ ． ８ ２ 、 ｌ ６ ． ９ ５ 、 ３ Ｏ ． ７ ８毫 想。 米／ 分， 即第一种 岩石钻速下 降最多 ， 第三种 岩石钻速 反而略有 增 用数学方法对三批岩样 的测试数 据进行处理 ， 发现用线性 回归 加。这主要是 由于岩石研磨性不 同而引起 的。 法， 比用对数及指数法更容易表现出规律性 。 其线性 回归方程如下 ： 研究还发 现 ， 研 磨性除受岩石 中石英含 量控制外 ， 与石英颗 粒 Ｖｍ ｌ ＝８１ ． ５６ ５— ０． １ １ ６Ｒ１ Ｖｍ ２ ＝５ ７． １ ４－０ ． ０７ ４４ Ｒ２ 的大小及其分 布方式也有密切关系 。此外 ， 岩石研 磨性 还受技术条 Ｖｍ３＝ ４２． ７８ —０． ０ ５ １ ８Ｒ３ 件 的影 响 ， 尤其是 当技术 因素超过常规范 围时 ， 对研磨 性的影 响则 式中 ， Ｖ ｍｌ ， Ｖ ｍ ２ ， Ｖ ｍ３ 分 别代表第一 ， 第二 ， 第 三批 岩样 的微钻 更大 。 所以 ， 在测定岩石的研 磨性 时， 应尽量采用与实钻条件接近的 平均钻速（ 毫米 ／ 分） ； Ｒ １ ， Ｒ ２ ， Ｒ ３分别代表各批岩样 的压人硬度（ 公 方式方法 ， 才有实际意义 。 分， 毫米 ） 。它们的相关 系数分别为 ０ ． ５ ３ ， ０ ． ６ １ ， ０ ． ６ ６ ， 可见 ， 虽有一定 针对 上述 问题 ， 我模 拟钻头胎体 的组成 ， 试制 了孕 囊金 刚石切 的规律性 ， 但相关性不太好 ， 而且 ， 只有测试大量岩样才有代表性 。 削具 ， 并用这种切削具在车床上进行了研磨岩样试验 。 试验 中， 磨耗 ２ ． ２压 入硬 度 与 可 钻 性 的 不 一致 性 量用克拉天秤称量 ， 然后计算 出模取单位体积岩样所耗孕囊切具 的 对两批 岩样进行测试还发现 ， 压入硬度 相同的岩石 ， 其钻 速可 重量 ， 用毫克 ／ 厘 米 表 示 。 对 于 多参 数 测 试 实 验 台 上 获 得 的 数 据 ， 能不同 ， 甚 至相差很大 ； 也 有的岩石 ， 当其压入硬度增大 时 ， 钻 速反 用线性 回归方程求 出钻速与研磨性系数关系式 ： 而变 高 、 Ｖ ｍ＝ ３ ８ ． ８ ６ — ０ ． １ ５ ２ Ｗ１ ， 式中， Ｖ ｍ代 表微钻 钻速 （ 毫米 ／ 分） ； Ｗ１ ２ ． ３压 入 硬 度 与可 钻 性 不 一 致 的 原 因 代表相对研磨 系数 （ 毫米 ／ 厘米 ）பைடு நூலகம்。
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第38卷第2期石 油 钻 探 技 术Vo l 138No 122010年3月PET RO L EU M DRIL LI NG T ECHN IQ U ES M ar.,2010收稿日期:2009-11-12;改回日期:2010-01-20基金项目:国家重大专项/大型油气田及煤层气开发0子项目/气体钻井关键工艺理论及钻柱力学研究0(编号:2008ZX05022-005-004H Z)资助作者简介:杨谋(1982)),男,湖北潜江人,2006年毕业于长江大学石油工程专业,油气井专业在读博士研究生,主要从事欠平衡钻井、气体钻井提速机理及工艺方面的研究。
联系方式:(028)83035450,ym 528919@#钻井与完井!不同钻井方式下的井底岩石可钻性研究杨 谋1 孟英峰1 李 皋1 李永杰1 王延民1,2(11油气藏地质及开发工程国家重点实验室(西南石油大学),四川成都 610500;21中国石油塔里木油田公司博士后科研工作站,新疆库尔勒 841000)摘 要:岩石可钻性指标是钻井工程中的一项基本数据,当前计算岩石可钻性的方法很少考虑井底围压对岩石可钻性的影响。
首先,论述了围压对井底岩石强度的影响,分析了不同渗透性条件下求取井底围压的差异;其次,建立了围压下的岩石可钻性计算模型,并对液体测井数据进行了校正以获取气体钻井的岩石力学参数;最后,应用M athCAD 软件编程分析了不同钻井方式下的可钻性级值。
分析表明,气体钻井与常规钻井方式相比,泥岩地层可钻性级值能减小1~2个级别,而砂岩地层可钻性级值可减小2~4个级别。
理论分析与试验分析结果吻合度高,有助于钻前预测机械钻速。
关键词:岩石可钻性;渗透性;孔隙压力;封闭压力;气体钻井中图分类号:T E21 文献标识码:A 文章编号:1001-0890(2010)02-0019-04岩石可钻性指标在钻井工程中有重要的应用价值,如指导钻头选型、用于优选钻头参数、预测钻速、制订生产定额等[1-3]。
在钻进过程中,随着井深的增加,液柱压力越来越大,井底岩石强度也会增大,这时岩石可钻性逐渐变差。
目前计算岩石可钻性仅从1)用岩石的物理力学特性评价,2)用微钻速评价,3)用实钻速度评价,4)用破碎比功评价等4方面来考虑[3-9],还没有形成一套有效的方法来模拟井底条件下的岩石可钻性流程,而且基本上没有模拟不同钻井方式下井底岩石可钻性研究的相关报道。
为此,笔者在推导渗透性岩石和非渗透性岩石井底围压计算公式的基础上,建立了围压下不同钻井方式的井底岩石可钻性模型。
1 计算井底围压图1为Maurer 在单齿冲击试验中通过改变井筒液柱压力得到的破碎坑体积与井底压力的关系曲线(井底压力为液柱压力与孔隙压力之差)。
由图1可看出:当井筒压力增加到高于地层孔隙压力时,破碎坑体积会迅速减小;当压差保持不变、水平方向的主应力增加时,破碎坑体积大小不变。
在Yang 和Gr ay 所做的试验中,破碎坑体积随水平主应力的增加而有微小增加[10]。
利用Abaous 软件模拟井下岩石应力场分布发现,在钻头底部待破碎10mm 的范围内井底岩石强度受水平应力的影响很小[11]。
这些试验和理论研究证明了井底岩石强度主要受轴向上应力的控制。
图1 井底压力和水平应力对破碎岩屑体积的影响当钻进低渗透性岩层时,由于钻井液难以渗入到低(非)渗透性的岩层孔隙,不能及时平衡岩屑上下的压差,压差作用阻碍了井底岩屑的及时清除,影响了破岩效率[12]。
但在钻进渗透性地层时,孔隙压力对井底产生向上的/推力0,即岩石受到轴向上的石 油 钻 探 技 术2010年3月拉应力,减小了岩石的可钻性级值,有利于破岩。
依据地质学界定,渗透率大于01001@10-3L m 2为渗透性岩层,渗透率小于等于01001@10-3L m 2的为低(非)渗透性岩层。
因此,岩石的渗透性不同,求取井底岩石围压也存在着较大的差异。
111 渗透性岩石井底围压对于井眼底部的岩石,因为在流体和岩石之间没有剪应力存在,所以,一个主应力与井眼底部垂直,对于大部分岩石来讲是最小主应力,并且是由井眼压力与局部孔隙压力的压力差。
而另外两个主应力平行于井眼底部表面,岩石的强度主要由最小主应力决定,这样对于渗透性岩石,由于井深的增加而引起岩石强度增加是由于井眼压力和原地孔隙压力共同作用的结果。
因此井底的围压为:p c =p h -p p =0100981Qm H -p p (1)式中,p c 为井底围压,M Pa;p p 为地层孔隙压力,MPa;H 为井筒中液柱高度,m;Q m 为井筒中的循环介质密度,kg/L 。
112 非渗透性岩石井底围压对于非渗透性岩石,没有水源与孔隙连接来填充孔隙体积,任何局部孔隙体积的变化都是由于上覆岩层压力的减小,导致岩石骨架体积膨胀、孔隙间流体膨胀、孔隙体积减小。
因此,计算非渗透性岩石的孔隙压力与计算渗透性岩石的孔隙压力不同,需要研究总体积和孔隙体积的变化对孔隙压力的影响。
在钻井过程中,地层被揭开,上覆岩层压力减小,岩石的总体积、孔隙体积都减小,由于岩石为弹性体,其总体积的变化应该是平均应力变化的函数,平均应力被定义为[10]:R -=(R 1+R 2+R 3)/3-p p(2)式中,R 1、R 2可以由现场水力压裂试验法测定或者声发射凯赛尔效应测定以及分层方法来求取,R 3为液柱压力。
孔隙岩石总体积的变化是平均有效应力变化以及岩石骨架体积压缩率的函数,有效应力为平均应力减去孔隙压力,岩石总体积的变化取决于有效应力。
一般情况下,随着有效应力的减小,岩石的压缩率降低,岩石就会膨胀。
孔隙体积变化与岩石体积压缩率的变化关系为:$V V =1<[C b -(1+<)C R ]$p p -1<(C b -C R )$R -(3)式中,V 为流体体积,m 3;<为岩石的孔隙度,无因次;C b 为岩石总体积压缩系数,MPa -1;C R 为岩石骨架压缩系数,M Pa -1;$p p 为孔隙压力的变化值,M Pa;$R -为平均应力的变化值,M Pa 。
对于非渗透性岩石,孔隙体积变化引起孔隙压力变化。
对于给定孔隙体积变化而引起的孔隙压力变化的大小取决于孔隙流体的压缩率。
对于给定物质的流体,压力和孔隙体积的关系为:$VV=-$p p C w (4)式中,C w 为孔隙水的压缩系数,MPa -1。
结合式(3)和式(4),推导出非渗透性岩石在给定平均压力变化下孔隙压力的变化值为:$p p =(C b -C R )$R-<C w +[C b -(1+<)C R ](5)即非渗透性岩石井底岩石的围压为:p c =p h -p c p =0100981Q m H -$p p(6)2 围压下井底岩石可钻性模型根据莫尔-库仑准则,强度直线与最大主应力圆相切,该直线与应力轴的夹角为内摩擦角U ,在剪切轴S 上的截距C 0为内聚力。
根据几何关系可求得直线型包络线的强度公式为[13]:R 1=1+sin U 1-sin U R 3+2C cos U1-sin U(7)通过室内试验或者测井数据求出U 和C ,即可得到围压下的岩石强度。
笔者所研究的岩心选自川西某地层,采用全自动岩石可钻性测试仪进行可钻性试验。
试验条件:钻压890?20N(牙轮钻头)、500?10N(PDC 钻头);转速55?1r/min;位移分辨率0101mm;计时精度0101s;岩样规格试<(40~100)mm @(30~80)mm 或100m m @100mm @(20~100)mm 。
将岩石围压下抗压强度与可钻性级值采用乘幂关系式进行回归,得到的关系式为:K d =1126R01335(8)式中,R 为岩石的抗压强度,M Pa;相关系数为0193。
把围压下岩石强度计算式代入到抗压强度与可钻性关系模型中,即将式(7)代入式(8)中,就得到用岩石内聚力和内摩擦角来表示的围压下岩石可钻性模型:#20#第38卷第2期杨谋等:不同钻井方式下的井底岩石可钻性研究K d=11261+sin U1-sin UR3+2C co s U1-sin U01335(9)式中,U为内摩擦角,(b);C为内聚力,MPa;R3为岩石所受的围压,MPa。
利用录井和测井资料对岩石渗透性做出判断后,对不同岩性的岩石求取井底围压;将井底围压和岩石内聚力、内摩擦角代入式(9)可得围压下岩石可钻性级值剖面。
3不同钻井方式下井底岩石可钻性311测井数据校正分析水基钻井液侵入对泥岩地层产生的影响体现在两个方面:1)井壁岩石的应力分布发生改变;2)井底岩石强度降低。
气体钻井由于其特殊的工况及井筒的循环介质与其他钻井方式有着较大的差异,无法利用测井数据直接来计算井底岩石力学性质。
但气体钻井和其他钻井方式主要是循环介质对测井曲线存在着响应,因此可以通过室内对比分析干岩心及液体浸泡后岩心的声波速度,室内模拟钻井液环境及岩心在地下的温度和压力。
通过对比分析岩心在浸泡前后的声波速度,寻找两者之间的关系,并对现场测井数据进行适当修正,来计算气体钻井的测井数据。
试验数据见表1。
由表1可知,泥岩岩心在水中浸泡24h后,岩心的长度、直径和质量都有不同程度的增加,而声波表1泥岩岩心饱和水前后的声波试验数据岩心长度/mm直径/mm质量/g时间»/L s声波时差/L s#m-125kH z¼50kH z¼100kHz¼250k Hz¼25kH z¼50kH z¼100kH z¼250k Hz¼干岩心¹14818125115651534321100194122151001871461114017710110160165195干岩心25010125111671188820120173157151001821961114017217710120153197湿岩心º14819225114651591721100193179151401951221115017816610100153131湿岩心25010025113671238521100189160151601951001119018218010120154100注:¹干岩心表示未经液体浸泡,其他同;º湿岩心表示用液体浸泡24h、已饱和水的泥岩岩心,其他同;»时间指对应频率的声波通过岩心柱和探头所需要的时间;¼为探头频率。
时差有增加的趋势。
说明泥岩岩心在水中浸泡时,自发吸水,泥岩膨胀,岩石强度降低。
干岩心的声波时差要小于湿岩心的声波时差,二者之间存在明显的相关性,关系式如下:y=61839x01625(10)式中,y为干岩心的声波时差,L s/m;x为湿岩心的声波时差,L s/m;二者相关性系数为0187。