（油气井工程专业论文）基于数据库的钻头选型系统研究.pdf

r e s e a r c ho nb i ts e l e c t i o ns y s t e mb a s e do i lt h ed a t a b a s e l i a n g q i - m i n g ( o i l & g a s w e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o r ：z o ud e - y o n g a b s t r a c t b i t sa r et oc r u s ht h er o c ka n ds t r e t c ht h ew e l l n l ea p p r o p r i a t eb i t m a t c h i n gf o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sc a ne n h a n c ed r i l l i n gs p e e da n df o o t a g e ， a n dl o w e rt h ed r i l l i n gc o s t s ot h es t a n d a r do fe v a l u a t i n gt h ef o r m a t i o n d r i l l i n gr e s i s t a n c ea n d t h em e t h o do fs e l e c t i n gb i ta r eb o t hc r i t i c a l a c c o r d i n gt ot h es u m m a r yo ft h em e t h o d st oe v a l u a t et h ef o r m a t i o n d r i l l i n gr e s i s t a n c e ，t h er o c kd r i l l a b i l i t ya n da b r a s i v e n e s sw e r es e l e c t e dt o b et h es t a n d a r d s i n d o o r e x p e r i m e n t so fa c o u s t i ct i m e ，m i c r o b i t d r i u a b i l i t y ，d e n s i t ya n ds h a l ec o n t e n tw e r ed o n e t h ee m p h a s i sw a sl a i d o i lt h ee f f e c t so fl i t h o l o g y ，d e n s i t ya n ds h a l ec o n t e n to nt h er o c k d r i l l a b i l i t y ，a n dt h e s ef a c t o r sw e r ei n t r o d u c e dt of o u n dn e wc o m p o s i t i v e m o d e l st op r e d i c tr o c kd r i l l a b i l i t y ，u s i n ga c o u s t i cl o g g i n g ，d e n s i t yl o g g i n g a n dg a m m al o g g i n g t h e nt h ef o r m a t i o nl i t h o l o g y ，d r i l l a b i l i t ya n d a b r a s i v e n e s sw e r ea n a l y z e da n de v a l u a t e d ，ap r o f i l eo ff o r m a t i o nd r i l l i n g r e s i s t a n c ew a se r e c t e d t h ea c c e s sd a t ab a s ew a su s e dt od e a lw i t ht h e d a mo fu s e db i t , t oc a l c u l a t et h ef o r m a t i o nd r i l l i n gr e s i s t a n c e ，i no r d e rt o f o u n dt h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h eb i t t y p ea n dt h e f o r m a t i o n n 峙p r i m a r ys e l e c t i o no fb i t s w a sd o n ea c c o r d i n gt ot h e i i i f o r m a t i o nd r i l l i n gr e s i s t a n c eo ft h ep l a n n e dw e l l ，u s i n gt h em e t h o do f i t e r a t i o n t h e nt h eo p t i m i z e db i tw a sr e c o m m e n d e da c c o r d i n gt o t h e b e n e f i ti n d e x as o f t w a r e 、j l ，a sd e v e l o p e dw i t hv b 6 0 ，w h i c hc 姐p r e d i c t t h ef o r m a t i o nd r i l l i n gr e s i s t a n c ea n ds e l e c to p t i m i z e db i ta c c o r d i n gt ot h e w e l ll o g g i n gd a t a k e yw o r d s ：r o c kd r i l l a b i l i t y , a b r a s i v e n e s s ，d r i l l i n g r e s i s t a n c ep r o f i l e , b i t s e l e c t i o i l i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：矍丝蜩”年5 7 月纠日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：堑生! 园p 以年月 吖日 翮潞秘k 。年厂月7 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究目的及意义 众所周知，不同的钻头类型适应不同性质的地层。当选用的钻 头类型适合所钻地层时，能够显著提高机械钻速和钻头进尺，降低 钻进成本。否则，或者钻速很慢，或者钻头寿命很短，使钻进成本 升高。 随着钻头技术的发展，可供选用的钻头类型越来越多。新的 i a d c 分类方法将牙轮钻头分为3 1 6 8 种，将固定切削齿钻头( 包括 p d c 钻头、t s p 钻头、天然金刚石钻头等) 分为3 2 8 0 5 种。钻头类 型增多，方面增大了钻头选型的机会和空间，另一方面也大大增 加了优选钻头类型的难度。 地层的抗钻特性是优选钻头类型的重要依据。岩性、岩石可钻 性和研磨性是反映地层抗钻特性的重要指标。岩石可钻性与岩性和 岩石强度密切相关，岩石研磨性与其内摩擦角密切相关。测井资料 ( 如声波、伽玛、密度等) 能够较好地反映地层的岩性、岩石强度 和内摩擦角，而且具有束源广、易获得的优点。因此，利用测井资 料，并结合岩屑录井资料，可以识别岩性，定量评价所钻地层的岩 石可钻性和研磨性，为钻头选型提供依据。 根据地层抗钻特性选择钻头类型，还必须建立地层抗钻特性与 钻头类型的对应关系。对邻井或某区块、某油田已钻井钻头使用资 料进行统计分析，可建立地层抗钻特性与钻头类型的经验关系。而 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 且，随着钻头使用资料的不断积累，这种经验关系可得到不断更新 和完善。 综上所述，利用测井资料和岩屑录井资料，可定量地评价地层的 抗钻特性。统计分析己钻井的钻头使用资料，可建立钻头类型与地层 抗钻特性的经验对应关系。借助现代计算机数据处理及数据库技术， 开发地层抗钻特性评价与钻头选型软件，可达到根据所钻地层的性质 优选钻头类型的目的，这对进一步提高钻速和降低钻井成本起着积极 的推动作用。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 钻头的使用是钻井工程的重要环节，而钻头的使用效果受很多因 素的影响，特别是钻头类型的选择决定了钻头使用的好坏。目前用于 钻头选型的依据主要有以下三种： ( 1 ) 根掘邻井的钻井经验，定性地评价地层的软硬程度和选择 钻头类型； 根据邻井钻井经验选择钻头类型，在井距不太远且地层变化不 大的情况下是有效的。但不适用于井距较远的新探区，而且钻头选 型只能局限在邻井已使用过的钻头类型范围。 ( 2 ) 利用岩心资料测定岩石可钻性或强度、硬度等l l 】1 2 】，研究建 立岩石可钻性和强度、硬度指标与钻头类型的经验对应关系，掘此 选择钻头类型； 利用岩心资料测定岩石抗钻特性进行钻头选型的方法，具体的做 法是通过进行室内岩心试验。求出地层岩石的可钻性、抗压强度、抗 剪强度、硬度等参数，然后对地层岩石进行分级、对比，建立岩石抗 2 中国石油大学( 华东) 硕七论文第1 章前言 钻特性参数和钻头类型的对应关系。这种方法的实质是从岩心试验入 手来研究岩石的力学性能的。它有诸多优点： 1 ) 它是一种很直观的方法，在油田大量使用，在油田开发的初期 为钻头选型的工作提供了大量的依据。 2 ) 通过试验，获得了大量的岩石力学资料，这为使用其他方法来 求取岩石力学参数，提供了宝贵的第一手资料，为进一步研究钻头选 型提供了试验的依据。 3 ) 大量的试验资料，可以检验其他方法计算的结果是否正确。 但是，这种室内的方法也存在不足之处： 1 ) 在大多数的探井中，一般取心层位在目的层或油气层，而且取 心很少，在岩性变化大的地区很难利用这些资料进行可靠的对比，难 以全面地反映不均匀地层的变化情况。 2 ) 深部地层岩石受到高温高压的作用，常规的测试方法难以模拟 出真实的地下条件。 j3 ) 为了全面地掌握某一地区的岩石的力学特性。必须进行大量的 岩心测定，这必将耗费大量的人力和财力。 试验的方法虽然存在一些问题，但是它所得到的试验资料却仍是 进行钻头选型工作的重要依据。 ( 3 ) 利用测井资料解释地层岩石的可钻性、强度或硬度等，研究 建立测井数据或者岩石可钻性、强度或其他参数与钻头类型经验对应 关系，掘此进行钻头选型1 3 】1 4 】1 5 r 6 1 7 1 。 利用测井资料解释地层的抗钻特性来指导钻头选型的方法，可以 定量的评价地层抗钻特性，而且测井资料来源广，应用方便。因此， 如何利用测井资料更加准确的预测地层抗钻特性成为目前研究的热 3 中国石油大学( 华东) 硕+ 论文第1 章前言 门课题，目前也已经建立了许多不同的预测模型。总结现有的利用测 井资料预测地层抗钻特性来优选钻头的方法，存在如下问题： 1 ) 地层抗钻特性参数的选取 现在已研究的地层抗钻特性参数包括岩石的单轴抗压强度、三轴 抗压强度、抗剪强度、可钻性级值、硬度、塑性系数、研磨性等。 抗压强度是指岩石在破坏之前，破岩工具破碎单位面积岩石所需 要的力；抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的能力；压入硬度反映的是岩 石抵抗其他物体侵入的能力。钻头破碎岩石是冲击，压碎、剪切的综 合作用，显然，单纯应用强度或硬度不能全面反映地层抗钻特性，而 且这几种参数的数值波动较大，数据离散，不稳定。 岩石可钻性是评价岩石破碎难易程度的综合指标“1 ，能够综合体 现岩石强度、硬度和塑性的作用效果，而且它不仅与岩石的机械物理 性质有关，还和钻头的工作状况有关。微可钻性是“微钻头地层可钻 性”的简称，采用微钻头为研究工具，在岩心上钻孔取得可钻性信息： 固定钻井条件，以突出地层可钻性的变化；岩心作为试样，虽然脱离 了地下的埋藏环境，但保存了地层特征：这些都为了解地层可钻性创 造了尽可能多的真实条件。由于方法简便，试验费用低，受到国内外 研究人员的重视。 在石油钻探过程中，破岩工具因受到岩石的反作用而受损。破岩 工具与岩石间的摩擦产生的磨损称为研磨性磨损，而摩擦使岩石磨损 破岩工具的能力称为岩石的研磨性【9 】f 0 】。研究岩石的研磨性规律，对 于合理选用破岩工具、提高破岩效率、降低成本以及改进破岩工具的 设计等工作十分有益。钻井实践表明，不同的地层对牙齿磨损速度具 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 有不同的影响。同样的钻进参数，在同样的时间内，牙齿的磨损速度 却有快有慢，这就是由于地层的影响，并且牙齿磨损速度与地层研磨 性成正比，即地层研磨性越大，磨损越快。研究表明，钻头牙齿的磨 损与岩石内摩擦角存在很好的相关性1 ，因此通过测井资料预测内摩 擦角，进而评价地层研磨性，是行之有效的方法。 由以上分析可见，综合考虑岩石可钻性和研磨性以及它们的非均 质性是评价地层抗钻特性的合理的方法。 2 ) 测井资料的选取和模型的准确性 现有的利用测井资料预测岩石抗钻强度的经验模型大多是建 立在声波时差与地层抗钻强度的关系基础上。声波时差测井资料来 源广，应用方便。但是，声波时差主要对应于孔隙度，主要反映出 与孔隙度密切相关的强度或硬度特性，并不能完全反映地层的抗钻 特性，因此，单纯利用声波时差建立起来的经验模型并不能准确的 预测地层抗钻特性。 地层的抗钻特性取决于岩性及其埋藏深度。不同岩性的岩石， 其抗钻强度不同：相同岩性的地层，埋藏深度不同，压实程度、胶 结、孔隙度、密度等不同，其抗钻强度也不同。因此，应从岩性识 别和强度分析两方面综合评价地层的抗钻特性。这样，才能把钻头 类型与地层较好地对应起来 测井资料来源广，易获取，因此，选择能够反映地层岩性和强 度特性的测井资料，定量评价地层的抗钻特性，建立可靠的钻头类 型与地层的对应关系，是优选钻头的最有效方法。 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 1 3 研究内容及技术路线 ( 1 ) 综合数据库的建立 采用现代数据库编程技术，建立钻头使用资料数据库，记录经 筛选后的每只钻头的井号、钻头直径、钻头生产厂家、钻头进尺、 纯钻时间、钻压、转速、钻进方式( 顶驱、转盘钻、底部动力钻) 和水力参数，能够录入、导入、查询和修改钻头使用数据，为钻头 选型提供第一手资料。 并且可以存储后续计算出来的与每只钻头的性能指标和对应 的地层参数，包括效益指数、地层抗钻特性等，建立钻头使用资料 和所钻地层特性的综合数据库。 ( 2 ) 岩石可钻性试验研究 利用多种不同岩性地层取芯岩样进行岩石可钻性试验，主要研究 岩性、密度、泥质含量对可钻性级值的影响规律，并建立更为准确的 利用测井资料预测岩石可钻性综合预测模型。 ( 3 ) 地层特性剖面的建立 研究利用多种测井资料识别砂岩、泥岩，灰岩三种岩性岩石的方 法，并建立砂泥岩剖面。， 利用测井资料预测岩石研磨性，在岩性划分的基础上，建立岩石 可钻性级值剖面和研磨性剖面。 ( 4 ) 基于数掘库技术的钻头选型 从现有评价钻头性能指标中优选最合理的一个作为评价标准，利 用a c c e s s 数据库，建立钻头类型与地层抗钻特性的对应关系，进行 钻头优选。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 岩石可钻性是评价岩石破碎难易程度的综合指标，同时也是在实 际工作中使用的最多的一个指标。可钻性能够综合体现岩石强度、硬 度和塑性对钻头钻进的影响，而且它不仅与岩石的机械物理性质有 关，还和钻头的工作状况有关，故本文选取可钻性级值作为评价地层 抗钻特性的一个重要参数，通过室内岩心试验，建立更为准确的岩石 可钻性级值预测模型，为地层特性评价和钻头选型等提供依据。 2 1 岩心试验 2 1 1 试验研究的目的 本次研究的目的是试图通过试验测试，考查岩石岩性、密度、泥 质含量等多因素对岩石可钻性级值的影响，利用声波时差、密度和伽 马等测井资料建立更为准确的岩石可钻性综合预测模型。 2 1 2 试验测试的内容 本次试验主要是测试不同岩性岩心的可钻性级值、声波时差、密 度和泥质含量。 2 1 3 试验岩心选择及试验条件 根据试验要求，选取有代表性的干燥岩样：灰岩l o 块，泥岩l o 块，泥质含量不同的砂岩1 0 块。试验条件：室温( 2 3 摄氏度) ，常压。 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 2 1 4 室内岩心声波时差试验 声波的传播速度或时差与地层的岩性、岩石结构、埋深和地质年 代有密切的关系。s g s t a l d c r 、w h s o m e n o n 、w a n i c l c n g a 1 2 等学者 试验研究证明，纵波时差表明了岩石强度与变形的特征，且与岩石的 硬度、可钻性和强度有关，且纵波时差受岩性的影响较大。w u e m e r 【”1 等试验表明：横波时差反映岩石的剪切性质，与抗压强度之间具有明 显的相关性。因面声波在岩石中的传播速度或时差是一可较好反映岩 石力学性质的有价值的资料。 声波时差可以反映岩石强度、变形及剪切待征以及岩石硬度、可 钻性和抗压强度等力学参数，为钻头类型的优选提供了有力的帮助。 在岩石力学的基础上，在此利用试验资料研究岩石声波时差与可钻 性的关系，建立声波时差与岩石可钻性之间的关系模型。 2 1 4 1 可钻性与声波时差关系的岩石力学基础 根据弹性波理论，对于均匀各向同性介质其声波时差与岩石物 理机械特性有如下关系【1 4 】： v ， e 一厂面二矿 2 j 丽调 = 蹁=、2 岛( 1 + ) 1 a t 1 盘t 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 = ( o 5 a t 2 , 一f 2 ) c a t 2 , 一a t 2 ) 1 e g 黧e “2 ( 1 1 ：篙似e 协。， = + 卢) 】i 。 k = e 3 ( 1 2 ) 】i 式中v 。岩石纵波速度，k m s ； 叱岩石横波速度，k m s ； 4 f 岩石纵波时差，t l s m ； 血岩石横波时差，1 1 s m ； 泊松比； 岛体积密度，g e m ： f 岩石弹性模量，m r ； 口岩石切变模量，m n ； 岩石体积模量，m p a 。 由上式可见，岩石声波时差4 f 取决于岩石弹性模量反泊松比 a 和岩石的体积密度p ，而且t 和p 又是描述岩石强度、硬度和弹 性的重要参数。因此，岩石声波时差可以真实反映所钻遇地层的岩石 强度、硬度和弹性，而这些参数在很大程度上影响着岩石可钻性。根 据前人的研究结果，岩石可钻性级值具有随声波速度增大而增大的关 系，即随声波时差减小而增大。 影响岩石声波时差的地质因素及其与岩石可钻性关系1 1 5 | ( i ) 岩性：大量的现场和室内实验证明，不同岩性岩石的声波时 差值不同，其可钻性也不同。 ( 2 ) 岩石孔隙度：岩石孔隙度与声波时差具有线性关系。声波时 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 差高，地层孔隙度也高，相应地，其可钻性也好。 ( 3 ) 岩石的胶结程度：一般来说，胶结致密的地层其声波时差值 小，可钻性差；胶结疏松的地层其声波时差值高，可钻性好。 ( 4 ) 岩石地质年代及埋藏深度：岩石声波时差随地层埋藏深度的 增加和地质年代的久远而减小，可钻性也随之而变差。 2 1 4 2 实验原理 岩心波速测试系统根据超声波从发射探头到达接收探头的时间， 以及岩心的厚度，获得该岩心的声波速度。具体测定方法为：将被测 岩样放在具有压电晶体的两个探头之间，其中一个作为脉冲声波源， 另一个探头作为脉冲接收器，接收后的脉冲通过微型计算机处理。发 射系统输出高频电振荡信号，发射换能器将此信号转换成超声波。声 波穿过被测试岩样后，接收换能器把接收到的声波转换成电信号，输 入接收系统放大，在示波器上显示出来。确定首波始点，通过示波器 上的波形，可获得声波透过岩样所用的时间，将其显示在屏幕上。若 岩样长度为l ，则声波通过该岩样的传播速度由肛刀计算得出，其 声波时差可按下列公式求出： a t = t l ( 2 4 ) 式中a t 岩样的声波时差，l a s m ： t 声波穿透岩样的时间，邺； 三岩样的长度，m 。 2 1 4 3 试验仪器 岩心波速测试系统主要包括声波发射和接收仪、示波器及声波探 头等几大部分( 示意图如图2 - 1 ) 。声波仪为p a n a m e t r i c s 公司生产的 5 0 5 8 p r 型声波仪，示波器为h p 5 4 8 1 0 a ，是目前世界上较为先进的波 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 速测试仪。纵波声波探头是由中国科学院地球物理研究所制的，直径 1 英寸，中心频率5 0 0 k h z 。( 实物图如图2 - 2 ) 图2 - 1 波速测试系统的示意图 图2 - 2 声波时差试验仪器图 2 1 4 4 试验步骤 岩样的准各工作 选出具有代表性的岩心，先用切割机切出两个平行的端面，为了 保证实验的准确度，用金刚砂打磨两个平行的端面，保证两面的平行 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 度和平面度。 仪器的对零 用凡士林对探头进行耦合，并对其施加一定的力，记录下示波器 所显示的时间，即为对零时间。 波速测试 纵波测试过程中，用凡士林对岩样与探头进行耦合。测量时，岩 样放于两探头之间，并对其施加一定的力，这样可确保探头与岩样良 好接触，使测量更准确。记录超声波在岩心中的传播时间，结合岩心 厚度来计算其波速。 重复上述步骤测量其他岩心 2 1 5 微钻头可钻性试验 2 1 5 1 微钻法试验原理 可钻性的实际指标由于工作条件的不统一而难以应用。如果设法 固定工作条件，则所得的可钻性指标便是一个不变的表示岩石难钻易 钻特点的指标，应用的困难就可以克服。显然在井下测定可钻性无法 得到不变的指标，因为测试条件，尤其是地层条件难以一致。较为有 利的方法是在地面室内控制测试条件使之不变，而只改变岩石的条 件，以此获得固定的可钻性指标。考虑到利用岩心直接代表所钻地层 的优点，最好利用微型钻头测定地层可钻性。利用微型钻头，除了可 采用直接代表地层的岩样外，测试费用低廉也是一个显著的优点。这 种固定测试条件的微钻头指标，称之为微钻头可钻性或条件可钻性。 显然微钻头可钻性的原理与实际可钻性的原理一致，因此可以反映实 际的钻井现象，便于应用。但微钻头可钻性与实际的可钻性有一定的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 差异，因此在应用微钻头可钻性之前，应建立两者之间的关系，这也 正是微钻头可钻性应用到实际钻井中所要解决的问题。 微钻头可钻性是用微钻头在岩心上钻孔以取得钻速指标的模拟 方法，其钻速可采用宾汉的钻速模型表示： v = 脚( 吲d ) 4 ( 2 - 5 ) 式中l ，钻速，m h ； 转速，r m i n ： v 钻压，l 【n ； 口钻头直径，m m ； 丘口常数。 又由直接测量值表达的钻速公式可知，v 与直接测量值h 、t 之间 的关系表达式为： v = 驯r( 2 - 6 ) 式中矿钻速，m h ； 钻孔深度，n l ； ，钻孔时间，h 。 矿可以作为可钻性的指标。可将上式写成：州h = 1 r 。肋为单 位钻深时间，简称钻时。册也可作为可钻性的指标。为了简化计算， 以为定值，故简写钻时为一以秒表示之，以钻时大小表示地层被 钻碎的难易性，地层可钻性便简单的与基本测量值联系在一起了。由 于岩石可钻性分级的需要，直接取钻时以2 为底的对数值为可钻性分 级指数，简称为级值，以筋表示。即： k d = l 0 9 2 t ( 2 - 7 ) 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 微钻头可钻性测定条件是：钻头直径3 1 7 5 r a m ，由八片1 8 齿、外 径3 1 7 5 r a m ，厚度2 5 n u n ，硬度h r c 约为5 8 的钻头片连同厚度均为 1 6 7 r a m 的垫片组成。钻压8 9 9 t n ( 2 0 0 磅) ，转速5 5 r r a i n ，记录钻深 2 4 n u n 所需时间，称为钻时乃以秒表示 由v = 肼缈，d r 可知，测定可钻性矿的条件为钻压阪转速 和钻头直径d 。钻头齿的几何形状没有单独的变量表示，是一个固定 不变的参数。如使用中钻头磨钝，应于换新以保证钻头形状固定不变 即使是规定好的试验，孔深也应保持一定。由于是室内试验，岩样围 压、压差、清洗条件也应是固定不变的，因此，测岩心可钻性的条件 都是固定不变的，所得结果只反映了岩样的变化，该条件下测得的岩 石可钻性便是微钻头可钻性。 2 1 5 2 微钻法试验仪器 微钻头试验装置应具有下列特点：提供微钻头连续破碎岩石的 基本条件，加压、旋转、运走岩屑；指示钻深及时间：维持恒定 的工作条件；运转可靠；便于操作和观测；具有足够的精度； 最大限度的保持岩样的完整性；满足统计分析的样本试验需要。 为此，我国钻井界广泛采用石油大学研制的华石i 型岩石可钻性测定 仪测定岩石的微钻头可钻性。其实物图如图2 3 所示。 该试验装置由微钻头、岩心固定部分、旋转部分、岩屑收集部分、 钻深测量部分等组成。 2 1 5 3 试验操作步骤 将仪器放平，观察铅垂标志，调整四角下脚的高度，使铅垂 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 图2 - 3 华石i 型可钻性测定仪 居中，再对钻深和钻压进行标准校正； 取下工作台，放好岩屑杯，将装好的钻头插入主轴孔内，放 上工作台，拧紧螺丝； 将岩样的平面对准钻头，置于工作台面上，用压杆压紧岩样： 上好砝码杆，松开尾端托杆，移动平衡块，调平杠杆，固定 平衡块； 加砝码9 个，调整升降杆，使杠杆水平； 转动刻度盘，使指针指0 左端2 毫米左右，固定刻度盘； 停表对0 ，启动马达，指针指0 时，按停表计时； 指针指刻度2 4 ( 钻深2 4 m m ) ，按停表，关马达： 记录停表的时间( 秒) ； 支起杠杆尾端，卸去岩样，装第二块岩样，重复、 、各步骤。 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 2 1 6 岩心密度试验 由于岩心本身有一定的不规则性或岩心的质量超出了所选天平 的量程，我们取很小的一部分岩样，选用排水法测量岩心的密度。 由于砂岩存在着吸水快的特点，所以在进行排水法试验时让砂岩 饱和水。实验之前，选取一外型规则圆柱形的砂岩岩样，用游标卡尺 测量其直径和高度，计算体积用电子天平测量其质量，最后计算其 密度为2 6 4 5 3 9 e r a 3 。取该岩样的一小部分，称其干重，然后放入小 量程量筒中静置几分钟，记录放入前后量筒中的液面差( i n l ) ，将岩样 取出称其湿重，湿重与干重之差加上量筒中的液面差就是该岩样排开 水的体积，即岩样体积，用干重除以该体积，得其密度为2 6 3 7 6 9 c m 3 。 可见用排水法测量其密度误差很小，方法可行。 对于泥岩和灰岩，由于试验本身时间很短其吸水量很小，故可以 直接用于重除以其排开水的体积。 2 1 7 泥质含量测定 2 1 7 1 试验原理【1 6 1 采用沉降虹吸分离法测定砂岩泥质含量。目前国内外广泛使用的 是沉降虹吸分离法和离心分离法。s t o k e s 沉降法则( 1 9 4 5 ) 是沉降虹吸 分离法和离心分离法的理论基础。根据s t o k e s 沉降法则，在介质中呈 均匀分布的分散颗粒由于受重力作用会发生沉降，这时，颗粒的沉降 速度与颗粒半径的平方成正比，与介质的粘滞系数成反比，此即为 s t o k e s 沉降法则( 1 9 4 5 ) ，它的关系式： v 考矿华 协s ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 式中1 ，半径为r 的分散颗粒在介质中沉降的速度，e m s ； g 重力加速度，9 8 0 c m s 2 ； 西分散颗粒的密度，g ，c i n 3 ； 之介质密度，g ，c m 3 ； r 介质的粘滞系数，g e m s 。 已知物体匀速运动有下列关系式： = ：s 铲( 2 - 9 ) 式中t 物体匀速运动的时间，s ； p 物体匀速运动的速度，e m s ； s 物体匀速运动的距离，c i n 。 将( 2 8 ) 式代入( 2 9 ) 式可得： 扛海 q 1 0 ) 粘滞系数r 是介质温度的函数。因此，根据公式，利用不同温度 条件下的粘滞系数，便可计算出一定温度条件下，一定粒径的分散颗 粒沉降至一定深度所需要的时间，或一定粒径的分散颗粒在一定时间 内所沉降的深度，或一定时间内沉降至一定深度的分散颗粒的半径大 小。 2 1 7 2 试验操作 利用沉降虹吸分离法测定泥质含量首先要碎样。碎样一般是用铁 ( 铜) 研钵把岩石样品粉碎至颗粒直径小于l m m 。碎样时，一定注意 不要研磨，避免把粘土组分和非粘土组分同时提取出来，影响粘土分 离的质量，进而影响泥质含量测定的准确性。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 测井解释中的泥质通常指粘土矿物、细粉砂及粘土所含水的混合 物。粘土矿物的颗粒很细，其直径一般小于o o l m m ，主要有伊利石、 蒙脱石、高岭石及绿泥石。细粉砂颗粒直径约为o 0 1 0 0 5 m m ，其主 要矿物成分是石英，也有长石、方解石及其他矿物。虽然细粉砂的矿 物成分与砂岩骨架相同，但是由于颗粒很细，它对自然放射性、电阻 率和自然电位等的测井响应类似于粘土，故将其归类于泥质“”。 营 图2 - 4 虹吸法提取粘土悬浮液装置 沉降虹吸分离法根据s t o k e s 沉降法则，在一定时间内，在一定 深度里，用虹吸管吸出一定量的粘土悬浮液( 图2 - 4 ) ，离心，沉淀， 烘干，称重，得出该粒径颗粒的含量。沉降虹吸分离法的操作比较简 单，首先把充分悬浮的粘土悬浮液移入高脚烧杯中，用玻璃棒( 或铜 片制的带孔圆形搅棒) 搅动1 0 次左右使其充分悬浮后，令其自由沉 降，按照s t o k e s 沉降法则，一定时间后提取一定深度的粘土悬浮液， 每次提取后，应往烧杯中加入等量的蒸馏水，再搅动，沉降和提取， 如此反复多次，直至加入蒸馏水搅动后，在规定的沉降时间内，应该 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 提取悬浮液的深度范围内的悬浮液不再显混浊时为止( 也即提取深度 范围内的液体为清液) 。 2 2 试验结果分析 岩心声波时差、可钻性、密度试验结果见表2 1 表2 - 1 岩心试验结果 纵波时差密度 岩心号岩性可钻性级值 邺m 一 g c m 4 1 灰岩1 7 6 6 6 2 32 7 2 5 8 0 66 7 5 6 4 1 2 灰岩 2 8 0 1 9 6 82 5 1 7 8 5 75 5 3 2 7 1 4 3 灰岩 1 7 2 0 4 8 52 6 4 4 7 7 66 5 3 6 9 3 8 4 灰岩 1 7 4 9 3 9 7 2 7 1 8 7 56 4 3 4 4 6 5 5灰岩1 9 3 0 2 1 92 6 1 7 4 56 1 6 9 1 4 2 6 灰岩 1 4 5 5 2 9 32 7 4 0 8 3 37 8 2 7 灰岩 1 5 4 3 0 6 82 7 9 1 0 7 17 6 2 4 8 4 6 8 灰岩 1 6 7 9 5 9 82 7 2 1 9 1 87 4 9 灰岩 1 6 4 9 5 9 8- 2 7 2 1 9 1 87 4 1 0 灰岩2 2 1 1 3 3 12 7 0 6 8 6 96 1 9 9 8 7 8 1 1 泥岩 3 0 4 1 9 8 12 43 9 0 9 9 2 i 1 2 泥岩 2 7 7 4 3 0 62 6 0 2 8 5 74 1 1 3 泥岩 2 4 9 6 6 72 3 3 1 2 55 1 4 泥岩 2 4 4 2 9 1 42 5 4 7 3 6 85 7 4 1 5 泥岩 2 9 4 2 5 4 22 5 9 0 2 4 44 8 8 2 5 4 6 1 6 泥岩 2 3 2 5 6 7 92 6 7 54 8 9 6 5 5 2 1 7 泥岩 3 4 1 7 2 6 92 3 43 9 0 7 4 0 8 1 8泥岩 4 5 2 6 7 2 4i 9 8 43 5 5 1 9 泥岩 2 5 9 1 1 7 82 7 54 5 5 2 0砂岩2 8 4 2 2 4 1 64 6 3 3 2 7 5 2 l 砂岩 3 0 2 5 2 6 12 4 2 9 3 4 1 2 2 砂岩 3 4 9 7 3 3 92 2 4 32 9 0 3 1 1 8 2 3 砂岩 3 8 9 1 5 2 62 3 8 5 72 6 7 2 4 砂岩 4 0 9 9 1 3 12 3 3 3 31 7 l 2 5砂岩 3 1 7 6 1 8 92 33 8 6 9 2 8 2 2 6 砂岩 3 2 0 7 8 2 22 1 1 52 0 7 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 续表2 - 1 岩心试验结果 纵波时差 密度 岩心号岩性可钻性级值 p s m 一g 锄一 2 7砂岩4 3 8 8 9 8 32 3 8 4 61 8 2 8 砂岩 3 6 52 2 23 6 l 2 9 砂岩 3 3 32 “8 62 8 7 3 7 3 3 2 2 1 可钻性与声波时差关系模型 目前所建立的利用测井资料预测岩石可钻性的关系模型大部分 是建立在声波时差单一因素的基础之上的，虽然预测精度并不是很 高，但在油田上已经广泛应用。若不考虑其他影响因素，对所有试验 岩心数据进行回归分析，研究岩石可钻性与声波时差的关系，回归图 如图2 - 4 所示，回归模型为： y = - 3 2 9 3 配。俐+ 2 3 6 5 1( 2 - 1 1 ) 相关系数r 2 = o 6 6 1 7 从回归结果可见声波时差与岩石可钻性的相关性并不是非常理 想，仅用声波时差这一种测井资料难以准确的预测岩石可钻性，声波 时差主要对应于孔隙度，只能反映出与孔隙度密切相关的强度或硬度 特性，并不能完全反映地层的抗钻特性，而影响岩石可钻性的基本物 性参数有许多，如岩性、岩石密度、泥质含量等等，应分别加以考虑。 2 2 2 岩性对可钻性的影响 现对试验岩心做分类处理，取声波时差接近的一组岩样作比较， 发现岩性不同，可钻性级值差别较大，说明岩性对可钻性的影响较大。 不同岩性的岩石，其结构、组分，还有其他许多物理性质可能差别很 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 大，对岩石可钻性的影响可能呈现出不同的规律性。分别对灰岩、泥 岩、砂岩三种岩石的可钻性与声波时差进行回归分析，探讨岩性对岩 石可钻性的影响规律。 8 絮： 萋 i 3 2 ( 1 ) 灰岩 9 趔8 雾， 螺6 i 五 5 4 1 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 0 声波时差“s i l l 。 图2 5 岩石可钻性与声波时差 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 声波时差i t s m 。 图2 - 6 灰岩可钻性与声波时差 灰岩的试验数据如表2 1 所示，仅对可钻性与声波时差进行回归 分析，见图2 6 所示，回归模型为： 2 1 主垦互塑奎堂! 兰查! 堡主丝塞笙! 皇量互里竺丝堡堕塑型堕型堡壅 相关系数 ( 2 ) 泥岩 6 趔5 萎t 离3 2 尸1 0 7 0 5 e 0 0 0 2 缸 r 2 = o 7 7 6 9 3 0 0 4 0 05 0 0 声波时差邶m “ 图2 7 泥岩可钻性与声波时差 泥岩岩石可钻性与声波时差回归模型： 相关系数 ( 3 ) 砂岩 7 絮e 掣5 啦 矗4 3 一7 2 1 3 e m o 嘶 r 2 ：o 8 4 4 3 3 0 0 4 0 0 5 0 0 声波时差邺1 1 1 4 图2 - 8 砂岩可钻性与声波时差 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 砂岩可钻性与声波时差回归模型： y = 9 1 3 7 9 e o 0 0 2 缸 ( 2 - 1 4 ) 相关系数r 2 = 0 5 9 8 5 从以上三种岩性岩石的回归结果可以看出，按照不同岩性建立的 岩石可钻性预测模型，灰岩和泥岩的可钻性级值与声波时差的相关性 明显增加，预测准确性提高，而砂岩可钻性级值与声波时差的相关关 系并不好，只用声波时差不能准确的预测砂岩可钻性。 2 2 3 密度对可钻性的影响 在岩性划分的基础上，探讨密度对岩石可钻性是否有影响，存在 怎样的影响规律，将三种岩性岩样可钻性与密度作散点图分析。 ( 1 ) 灰岩 灰岩可钻性与密度回归模型： 相关系数 趔 掣 擐 詹 y = 0 2 6 6 e 1 2 0 1 9 x ( 2 15 ) r 2 = o 7 0 1 1 密度g c m 4 图2 - 9 灰岩可钻性与密度 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测攥型! 堑壅 ( 2 ) 泥岩 6 趔5 聪 掣4 姆 矗3 2 i 82 3 2 8 密度g c i n 。 图2 - 1 0 泥岩可钻性与密度 泥岩可钻性与密度回归模型： 相关系数 ( 3 ) 砂岩 6 5 州 6 象5 5 窟 5 窭4 5 酪 4 3 5 3 y = 7 3 5 0 2 l 。一1 9 7 9 6 ( 2 1 6 ) r 2 卸7 1 3 5 22 12 22 3 2 42 5 密度g c m 4 图2 - i i 砂岩可钻性与密度 如图2 - 9 、图2 - 1 0 、图2 - 1 1 所示，可以看出，灰岩和泥岩的可钻 性与密度存在着较好的规律性，得到的回归公式相关系数较高；对于 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 砂岩，可钻性级值与密度无规律性，究其原因，砂岩的结构较前两种 岩性更为复杂，影响其可钻性的因素更多，比如泥质含量、胶结物成 分以及胶结类型等。 2 2 4 泥质含量对砂岩可钻性的影响 砂岩泥质含量试验结果见表2 - 2 。泥质含量直接影响着砂岩的力 学性质，在致密砂岩中稍微存在一点( 百分之几) 的泥质时，虽然岩 石的体积模量下降较小，而剪切模量明显下降，并致使纵横波的波速 明显下降。前人研究表明，泥质含量超过一定的值( 如百分之几) ， 随着泥质含量的增加，砂岩纵横波速呈非线性减小，抗压强度和抗剪 强度也呈非线性减小。由试验数据作砂岩的可钻性级值与泥质含量的 散点图( 见图2 - 1 2 ) ，可以看出泥质含量对于砂岩可钻性的影响也应 该有规律可循。 表2 - 2 砂岩岩心试验结果 纵波时差 岩心号岩性 l l s 1 1 1 1 泥质含量可钻性 2 0砂岩2 8 40 0 8 2 5 7 24 6 3 3 2 7 5 2 1砂岩3 0 2 5 2 6 10 1 4 0 3 8 23 4 1 2 2 砂岩 3 4 9 7 3 3 90 3 6 8 1 5 42 9 0 3 1 1 8 2 3 砂岩 3 8 9 1 5 2 60 1 0 6 3 6 73 1 2 2 2 4 8 2 4 砂岩 4 0 9 9 1 3 10 2 6 8 6 2 72 9 2 2 6 6 7 2 5砂岩3 1 7 6 1 8 90 1 5 1 2 13 8 6 9 2 8 2 2 6 砂岩 3 2 0 7 8 2 20 2 1 2 1 0 53 9 8 7 5 1 4 2 7砂岩4 3 8 8 9 8 30 6 0 2 7 8 72 5 5 3 9 4 2 2 8 砂岩 3 6 5o 0 7 2 1 5 53 6 1 0 4 7 2 2 9砂岩3 3 30 3 6 5 0 1 62 8 7 3 7 3 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章岩石可钻性级值预测模型研究 5 j 四4 5 懿4 瓣 2 5 2 o0 20 40 60 8 泥质含量 图2 1 2 砂岩可钻性与泥质含量 2 2 5 综合模型的建立 上述分析结果表明灰岩和泥岩的可钻性级值与岩石的声波时差 和密度p 有密切相关，综合考虑这两个因素，我们可以找到灰岩和泥 岩可钻性与( p ( o 0 1 夥) 的相关关系( 见图2 一1 3 、图2 - 1 4 ) 。砂岩的 可钻性与声波时差和泥质含量密切相关，综合考虑这两个因素，可得 可钻性级值与( 也。f ) ( 0 0 0 1 a 0 ) 的相关关系( 见图2 - 1 5 ) ： 灰岩可钻性与( p ( o