岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究

第23卷 第14期

岩石力学与工程学报 23(14)：2439～2443

2004年7月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July ，2004

2003年7月14日收到初稿，2003年9月17日收到修改稿。 * 中国石油天然气集团公司“十五”项目资助课题。

作者 邹德永 简介：男，1962年生，工学硕士，1989毕业于石油大学石油工程专业，现任副教授，主要从事岩石力学和破岩工具方面的研究工作。E-amil ：zougan@ 。

岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究

*

邹德永 程远方 刘洪祺

(石油大学(华东)石油工程学院 东营 257061)

摘要 岩石可钻性是石油钻井中优选钻头类型的重要依据。岩屑声波法评价岩石可钻性以容易获取、来源充足的钻井岩屑为研究资料，通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值，可以获得连续的地层信息，实现钻头类型的优选。试验分析了毫米级岩屑波速测量的可行性和岩屑波速与岩石可钻性级值的相关性，表明岩屑波速具有良好的代表性，且岩屑波速与岩石可钻性级值(K d )有着密切的关系。测定了26块有代表性的岩芯的可钻性级值及相应岩屑的声波速度，建立了岩石可钻性级值(K d )与岩屑波速的关系模型。在一口预探井进行了随钻检测地层可钻性的现场试验，证明该方法是有效的。

关键词 石油工程，岩屑，声波速度，岩石可钻性，试验，模型

分类号 TD 231.6，TE 21 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)14-2439-05

TESTING STUDY ON ROCK DRILLABILITY EV ALUATION

BY ACOUSTIC VELOCITY OF CUTTING

Zou Deyong ，Cheng Yuanfang ，Liu Hongqi

(College of Petroleum Engineering ，University of Petroleum ， Dongying 257061 China )

Abstract The rock drillability is an important index for optimizing the selection of drill bit. A new methodology for evaluating rock drillability by acoustic velocity of cutting is developed ，which can easily and continuously provide drillability information of stratum. The feasibility of the measurement on rough rock fragments of very small dimensions and the correlativity between acoustic velocity of cutting and rock drillability index are investigated. The results show that the acoustic velocity obtained from small cuttings is well related to rock drillability index. The relation model between the index and the acoustic velocity is developed. Test drilling is performed and shows that this method is effective.

Key words petroleum engineering ，rock cutting ，acoustic velocity ，rock drillability ，test ，model

1 引 言

岩石可钻性是石油钻井工程的主要基础资料之一，对钻头选型、预测钻速和制定生产定额等具有

重要的指导意义。

在石油工业中，普遍采用岩芯试验法测定岩石可钻性，用可钻性级值d K 作为反映岩石钻进难易程度的定量指标[1]。该方法需要在研究的区域内取全不同构造、不同层位、不同井深、不同岩性的岩芯，

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因此，在缺少岩芯资料的地区，该方法受到限制，

而且试验成本较高。

为解决岩芯资料少且成本高的矛盾，人们又发

展了声波测井资料解释法[2，3]。该方法是在岩芯试

验的基础上，建立岩石可钻性级值

d

K与声波时差的

相关关系，然后用声波测井资料来评价岩石的可钻

性。但在测井资料较少的新探区，尤其是“野猫”

井，这种方法也同样受到一定的限制。

钻井岩屑来源充足，而且可以实时获取。如果能利用钻井岩屑来评价岩石的可钻性，就可以为新探区的钻井决策提供重要的依据。因此，研究岩屑声波特性与岩石可钻性的关系，寻找一种评价岩石可钻性的新方法，具有非常重要的意义。

文[4]提出了脉冲波速测量技术PUC(Pulsed Ultrasound on Cuttings)，可测量尺寸为1 mm岩屑的纵、横波速度。文[5]提出了一种连续波测量技术CWT(Continuous Wave Technique)，能够对厚度小于1 mm的页岩岩屑进行测量。文[6]提出了岩屑测井的概念，利用岩屑波速实时评价地层的机械性质、物理性质。文[7]进行了岩屑波速和微硬度测试，获得了岩石强度、硬度等力学参数，并用于井壁稳定的实时分析。文[8]对毫米级页岩岩样的波速和静态模量进行了初步研究，得出的结果与大尺寸岩样有较好的一致性。文[9]利用岩屑强度作为输入数据来优选钻头类型。文[10]对岩屑波速和微硬度测试进行了初步的研究，测量结果与大尺寸岩样基本一致。

目前，国内外尚未有关于利用岩屑声波特性评价岩石可钻性的研究报道。本文在参考国外岩屑波速测试方法的基础上，开发了岩屑波速的测试仪器和测试方法。对岩屑和岩芯的测试数据进行了对比分析，对岩屑波速与岩石可钻性级值(K

d

)的关系进行了试验研究。提出了利用岩屑波速评价岩石可钻性的方法。

2 岩屑波速测试技术

2.1测试仪器

岩屑波速测试系统由超声波检测仪(包括声波发射与接受仪和示波器)、声波探头和固定加压支架组成，如图1所示。

2.2工作原理

测量时，将岩样置于2探头之间并加压压紧，

图1 岩屑波速测试系统示意图

Fig.1 Schematic sketch of testing system for acoustic velocity of cutting

发射探头发射超声波，超声波透过岩样后，被接收探头接收，通过示波器显示波形并读取声波透过岩样所用的时间。根据岩样的厚度及测得的时间，可计算出该岩样的声波速度，即

T

H

K

V=(1) 式中：V为岩屑波速(m/s)，H为岩屑平均厚度(m)，T为声波穿透岩屑所用时间(s)，K为钻井液类型、浸泡时间等因素的影响系数。

2.3测试方法

岩屑波速的测试方法及步骤如下：

(1) 岩样准备。选取有代表性的岩屑5～6块，清洗，晾干，然后，磨出2个相互平行的断面。测量并记录岩样的厚度。从测试准确度和可操作性方面考虑，岩样厚度要求在1 mm以上。

(2) 时间测量。将岩样置于2探头之间，用凡士林对岩样与探头的接触面进行耦合，并施加一定的压力，保证探头与岩样良好接触。记录超声波在岩样中的传播时间。对于厚度较小的岩样，可在岩样与探头之间加一个标准的时间延迟块，以提高传播时间的测量精度。

(3) 波速计算。按式(1)计算每块岩样的波速。取岩样波速的算术平均值作为所研究岩石波速的代表值。

3 岩屑波速测试结果的试验分析

3.1岩屑厚度对测试结果的影响

为检验岩屑波速的数据稳定性，采用北京芳山的较为均质的灰板岩作为标准岩样，用敲击法制备了厚度分别为1.2，1.8，2.6，3.2，3.8，4.5，5.2，

底座