（油气井工程专业论文）深井岩石破碎规律及破碎的分形机理研究.pdf

摘要 标准化处理，即在相同条件下对上返岩屑进行二次破碎，岩石碎屑块度分形维数线性回 归分析表明，其破碎粒度符合分形特征，相关性在0 9 5 以上。 于是基于岩石等概率破碎的假设，从理论上证明了油气钻井过程中，岩石破碎后的 岩屑符合分形破碎规律。 对微钻头可钻性试验后钻屑的分形维数、上返岩屑颗粒分布分形维数与其各岩心的 强度、硬度进行了比较和分析，结果表明分形维数也是反应岩石力学性质的综合指标。 并制定了一个基于岩屑块度分布分形维数表示的岩石可钻性预测指标。 关键词：钻井；高温高压；可钻性；岩石力学性质：分形维数；块度分布；统计模型 岩屑 火庆石油学院博：i ：i i j f 究生学位论文 s t u d y0 ur o c k - b r e a k i n gr u l ei nd e e pw e l l sa n d r o c k - b r e a k i n g f r a c t a lm e c h a n i s m a b s t r a c t e x a c tp r e d i c t i o na n dc a l c u l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dd r i l l a b i l i t yo fr o c kc a n p r o v i d et h en e c e s s a r yb a s ef o rt h eo p t i m i z a t i o no fb i t sa n dd e s i g n i n gp a r a m e t e r s ，t h e r e b y q u i c k e n i n gp e n e t r a t i o n p r e d i c t i o na n dc a l c u l a t i o no f d r i l l a b i l i t yo f r o c ki nt h eb o t t o mo f d e e p w e l l s ，h o w e v e r , i sr e g a r d e da sa ni m p o r t a n tb u tu n s o l v e dp r o b l e mi nt h ed r i l l i n gc i r c l e t h i s d i s s e r t a t i o n ，b a s e du p o nt h es t a t u sq u oo fd e e pw e l l sd r i l l i n gi nd a q i n g ，i st od e v e l o pa m e t h o dt oe v a l u a t er o c kd r i l l a b i l i t yi nt h ec o n d i t i o n so f b o t t o mh o l eo f d e e pw e l l s i na d d i t i o n ， t h ec u r r e n tm e t h o dt oa s s e s st h er o c kd r i l l a b i l i t yn e e d sc o r i n g ，l a b o r a t o r ye x p e r i m e n ta n dt e s t b e c a u s eo ft h ec o m p l e xd o w n h o l el i t h o l o g y , f r e q u e n tc h a n g e so fc o r e ，i ti si m p o s s i b l et o c o n d u c tc o r i n gf o rt h ee n t i r ef o r m a t i o n ，a n di ti sd i f f i c u l tt oe s t a b l i s ha nc o n t i n u o u ss e c t i o n m a p ，w h i c hc a nr e s u l ti nm a n yp r o b l e m si nb i t ss e l e c t i o na n du s a g e t h r o u g ht h es t u d yo n p a r t i c l e s i z ed i s t r i b u t i o no fc u t t i n g sd u r i n gd r i l l i n g ，t h i sd i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e saf r a c t a l m o d e lo fr o c kd r i l l a b i l i t y , w h i c hi sd e s c r i b e db yf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n de s t a b l i s h e st h e e v a l u a t i o ni n d e x e so fr o c kd r i l l a b i l i t y , w h i c hi sd e s c r i b e db yf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ， t h e r e f o r e ，p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rr e a l t i m ed e t e r m i n a t i o n o fr o c kd r i l l a b i l i t ya n d r e a l t i m eo p t i m i z a t i o no f b i tt y p e s b a s e do ne x p e r i m e n t ，t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sac o r r e l a t i o nm o d e lf o rr o c km e c h a n i c s p a r a m e t e r s ，s u c ha st h ev a l u eo fr o c kd r i l l a b i l i t y , h a r d n e s s ，s t r e n g t ha n ds oo n t h ec o r r e l a t i o n a n a l y s i si n d i c a t e st h a tr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r s ，s u c ha ss t r e n g t h ，h a r d n e s s ，a r et h ei n t e g r a t e d r e f l e c t i o no fr o c kd r i l l a b i l i t y t h em o d e ll a y saf o u n d a t i o nf o rc a l c u l a t i n gt h ev a l u eo f d r i l l a b i l i t yu n d e rt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e a i m i n ga tt h ed o w nh o l ec o n d i t i o n s ，t h er o c kd r i l l a b i l i t yp r o b l e mu n d e rt h ec o n f i n i n g p r e s s u r ei ss t u d i e dt h r o u g he x p e r i m e n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s n l ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h e q u a n t i t a t i v er e l a t i o nb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fr o c km e c h a n i c sa n dt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e t h r o u g ht h el a b o r a t o r ye x p e r i m e n to fr o c km e c h a n i c sp a r a m e t e r su n d e rt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o df o rr o c kd r i l l a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n gp r e s s u r e si sd e v e l o p e d t h r o u g hd r i l l a b i l i t ya n a l y s i su n d e rt h ec o n f i n i n gp r e s s u r e t a k i n gt h ed r i l l i n go fd e e pw e l li n d a q i n go i l f i e l da sa ne x a m p l e ，t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e st h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do fr o c k d r i l l a b i l i t yi nt h ec o n d i t i o no f t h ed i f f e r e n tl i t h o l o g ya n dp e r m e a b i l i t y , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e d i f f e r e n c eo ft h ed r i l l a b i l i t yg r a d em a y b eg e tt ol 一3g r a d eu n d e rt h en o r m a lt e m p e r a t u r ea n d p r e s s u r ea n dt h ed o w n h o l ec o n f i n i n gp r e s s u r e ，n a m e l y , t h em i c r od r i l l i n gt i m ei s1 2 8s e c o n d s u n d e rt h en o r m a lp r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ，b u tt h em i c r od r i l l i n gt i m ei s2 5 6s e c o n d su n d e r t h ec o n f i m n gp r e s s u r e t h i si n d i c a t e st h a td o w n h o l ec o n f i n i n gp r e s s u r e s i g n i f i c a n t l y i i i 摘要 i n f l u e n c e st h er o c kd e e p l y m o r e o v e r , t h ei n f l u e n c eo fh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r eu p o nr o c kd r i l l a b i l i t yi s s t u d i e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh i g hp r e s s u r eg r e a t l yi n f l u e n c e st h e r o c kv e r y ；b u tt h eh i g ht e m p e r a t u r ew i t h i nt h ed o w nh o l et e m p e r a t u r es c o p eh a sas m a l l i n f l u e n c eo nr o c kd r i l l a b i l i t y ，t h ec o m p u t a t i o no fr o c kd r i l l a b i l i t y s e c t i o ni nd a q i n gd e e pw e l li sc o n d u c t e dt h r o u g h u s i n gc o m p u t a t i o nm o d e lo fd r i l l a b i l i t ya n di n t e g r a t i n ga c t u a ld r i l l i n gp a r a m e t e r s t h e nt h eb i t s o fd a q i n gd e e pw e l la r eo p t i m i z e da n di m p r o v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed r i l l i n gs p e e di s e n h a n c e dl a r g e l ya f t e rt h eo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n to f b i t t h ed i s s e r t a t i o na p p l i e st h ef r a c t a lt h e o r yt of o r e c a s tt h er o c kd r i l l a b i l i t yf o rt h ef i r s tt i m e i tp o i n t so u tan e wd i r e c t i o nf o rf o r e c a s t i n gt h er e a l t i m er o c kd r i l l a b i l i t yi nt h ed r i l l i n g p r o c e s s i n t h i sa s p e c t ，t h ef r a c t a la n a l y s i sf o rt h ei n d o o rm i c r o b i tr o c kd r i l l a b i l i t yd e b r i si s c o n d u c t e df i r s t l y , a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h eg r a i n s i z ed i s t r i b u t i o no ft h em i c r o b i te x p e r i m e n t d e b r i sa c c o r d sw i t l lf r a c t a ld i s t r i b u t i o n t h es t a t i s t i c a lc o r r e l a t i o no fd i s t r i b u t i o nm o d e li s a b o v eo 9 ：a tt h es a m et i m et h ef r a c t a la n a l y s i so ft h eu p w a r dd e b r i sb l o c kd i s t r i b u t i o ni s p r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a ti t sd i s t r i b u t i o na c c o r d sw i t ht h ef r a c t a l d i s t r i b u t i o ne n t i r e l y , t h es t a t i s t i c a lc o r r e l a t i o no fd i s t r i b u t i o nf u n c t i o ni sa b o u t0 9 i th a sav e r y s t r o n gc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ef r a c t a ld i m e n s i o na n dt h ed e p t ho ft h ed e b r i s i no r d e rt o e x c l u d et h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n td r i l l i n gt o o l sa n dd i f f e r e n td r i l l i n gf l u i d so nt h eu p w a r d d e b r i s ，t h ed i s s e r t a t i o nc a r r i e so ns t a n d a r d i z a t i o nt r e a t m e n tf o rt h eu p w a r dd e b r i s ，n a m e l y , b r e a k i n gu pt h eu p w a r dd e b r i sa g a i nu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h el i n e a rr e g r e s s i o na n a l y s i s o ft h ef r a g m e n t a lr o c kc h i p sb l o c ki n d i c a t e st h a tt h eb r e a k i n g u pg r a n u l a r i t yc o n f o r m st o f r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o r r e l a t i o ni sa b o v eo 9 5 b a s e do nt h es u p p o s i t i o no ft h ee q u a lp r o b a b i l i t yf r a g m e n t a t i o no fr o c k ，t h ed i s s e r t a t i o n p r o v e si nt h e o r yt h a tt h ed e b r i sc o n f o r m st ot h ef r a c t a lf r a g m e n t a t i o nr u l e i nt h ed r i l l i n g p r o c e s s t h ed i s s e r t a t i o nc o m p a r e sa n da n a l y z e st h ef r a c t a ld i m e n s i o n so fd e b r i sa f t e rd r i l l a b i l i t y e x p e r i m e n t ，t h ef r a c t a ld i m e n s i o n so fu p w a r dd e b r i sg r a i nd i s t r i b u t i o n ，a n dt h ec o r e sh a r d n e s s ， a n ds t r e n g t h t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef r a c t a ld i m e n s i o ni sa l s oa l li n t e g r a t e di n d e xw h i c h r e f l e c t sr o c km e c h a n i c s m o r e o v e r , t h ed i s s e r t a t i o nc o n s t i t u t e sap r e d i c t i o ni n d e x e so fr o c k d r i l l a b i l i t yw h i c ha r ee x p r e s s e db yt h ed e b r i sb l o c kd i s t r i b u t i o n k e yw o r d s ：d r i l l i n g ；h i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r e ；d r i l l a b i l i t y ；r o c km e c h a n i c s c h a r a c t e r s ；f r a e t a ld i m e n s i o n ；b l o c kd i s t r i b u t i o n ；s t a t i s t i e a lm o d e l ；d e b r i s v 大庆石油学院博士研究生学位论文 第1 章绪论 1 1 钻井岩石破碎理论研究的主要内容 在石油钻井过程中钻头要钻穿和钻谴众多地层和多种岩石。由于岩石是具各向异性的 非均质体，品种极多且性质各异，因而石油钻井面对的是一庞大而复杂的集合体。研究岩 石的性质及其破碎规律、研究地层的物理力学性质及其可钻性，是石油钻井主要研究内容 之一。岩石破碎学研究的内容从宏观的角度来看包括：岩石破碎的形式、破碎效率及效果， 岩石破碎的比能耗等等；从微观的角度，则主要包括岩石破碎过程的发展，破碎前的应力 分布状况及破碎前的征兆等。 在石油钻井工作中，人们总是在不断的努力提高破岩效率，提高钻速，降低成本，因 此，人们致力于改进破岩工具和方法，以利于破碎岩石，但为了施工能够得到有效地进行， 还必须保持井壁的稳定，因此，从广义角度来看，总括目前研究的深度与涉及范围，与石 油钻井密切相关的岩石破碎机理研究的主要内容为井壁稳定与破岩效果两个方面【l ，3 5 8 。”。 井壁稳定问题研究的是岩石( 井壁) 稳固性问题，即研究井壁岩石在单方向解除约束条件 下其结构应力( 也叫骨架应力) 受地层压力( 地应力) 作用抗破坏的能力，在这一点上该 能力应是越高越好。而破岩效果问题研究的是岩石被破碎的难易性问题，即研究在外力作 用下岩石被破坏的难易程度，在这点上被破坏的难易程度应是越低越好。上述两项内容属 破岩机理研究中矛盾的两个方面，归结到岩石本身为一个事物正反两种作用机理的对立统 一体。 破岩效果是石油钻井中相当重视的重要技术问题，它体现的是钻进速率。钻井速度是 工程中相当关心的重要技术指标，钻速高则钻井周期短、费用省，钻速慢则钻井周期长、 成本增加。这一点与国家单位或个人都密切相关。因而提高钻井速度、降低生产成本是目 前钻井工程界致力解决并研究的重大科研课题。围绕提高钻井速度、提高钻井效率及降低 钻井成本而开展的科研课题主要有以下方面口j ： ( 1 ) 以提高钻井速度为目标的钻进参数优选技术研究 钻进参数是指对钻井速度提高有较大影响的技术参数( 钻压、转速) 、水力参数( 泵压、 排量) 、泥浆参数等。针对某一地层，优选出一套最佳参数配合，实现钻速高、成本低、 钻头使用寿命长是这类研究课题的主要目标。 ( 2 ) 岩石破碎难易程度的代表性问题研究 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，是这一课题的主要研究内容。 ( 3 ) 以提高携屑、清洗井底能力和井底水马力为目标的优质钻井液体系研究 钻井液( 又叫泥浆) 是石油钻井中的血液，它负有平衡地层压力、携带岩屑、清洗井 底、冷却钻头、巩固井壁、辅助破岩等多种作用，其性能优劣对钻速的提高有直接作用。 ( 4 ) 以优选钻头类型为目的的岩石可钻性测定及应用研究 根据地层的可钻性级别合理选择和使用钻头类型、并找出两者之间的配伍关系，是石 第一章绪论 油钻井工程中岩石破碎机理试验研究的主要研究内容。 ( 5 ) 地层可钻性及钻速预测技术及应用研究 预测地层可钻性和钻速是由经验化钻井向科学化钻进迈进的纽带与桥梁，是预测技术 应用于石油钻井促进其科技进步与技术发展的有效途径。这一技术的成功应用将会使钻井 工程设计、旋工、工艺研究、技术配套日趋合理与完善，对钻头选择、钻井速度提高起积 极作用，也将对钻井工艺技术的发展与提高起巨大推动作用。 ( 6 ) 提高深井( 高温高压) 钻井技术研究 深井钻井过程中，随着井深的增加，地层温度和压力不断增大，导致岩石强度、可钻 性、硬度等发生明显的变化，特别是岩石由脆性破坏转变为塑性破坏，岩石力学性质发生 了根本变化，此时钻头选择不当将大大降低机械钻速。因此，需要研究高温高压对岩石力 学性质的影响规律，以便合理地选择钻头类型，为钻井设计提供科学依据。 ( 7 ) 不同破岩工具的破岩机理及破碎效率研究 不同类型的钻头，其破岩机理是不相同的，为了使不同类型的钻头找到更适合的地层， 必须进行破岩工具的破岩机理及破碎效率研究。 1 2 钻井岩石破碎机理的国内外研究现状 由于本文的主要研究内容是以提高钻井速度为目标的钻井岩石破碎机理，有关其他的 岩石破碎问题如煤炭和采矿业的岩石破碎问题在此不做介绍，仅就与提高破岩效果有关的 国内外研究现状进行叙述。 1 ) 可钻性表示方法研究 1 6 , 1 7 , 2 2 1 岩石的可钻性是决定钻并效率的基本因素。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( 或地层) 的可 钻性对提高钻井效率具有重要的实际意义。 岩石可钻性概念是在生产实践中形成的，常采用数量指标，如钻时( 分，米) ，钻速( 米 ，秒) 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。 从岩石的可钻性和分级的研究方法来看：目前国内外主要用四种不同的方法进行研究 的： ( 1 ) 用岩石的物理力学特性评价岩石的可钻性：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。但是问题在于难以选取完全反映某种钻进方式的力学性质指标。 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。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，而且方法简便，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。 从大量的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 大庆石油学院博士研究生学位论文 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 ) 用微钻速评价岩石的可钻性：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。实内测试条件较稳定，测量记录较准确， 在一定程度上避免了人为因素的干扰。 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， 有可能就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孑l ，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 毫米的钻孔时间和微钻速( 通过换算成米小时) 来表示 岩石的可钻性( 其范围是从1 2 米小时到0 ，0 0 0 6 米小时) 。而且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。 由于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， 故微钻速并不等于实际钻速，难以反映实际效果。 ( 3 ) 用实钻速度评价岩石的可钻性：它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钴性时，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。 ( 4 ) 用破碎比功评价岩石的可钻性：它是利用单位时间的破碎岩石体积的量来求相 应钻进速度的。因此，破碎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。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，其变化规律尚待迸一步研究。 自5 0 年代1 2 3 , 2 s ，我国地质、矿山、石油等部门广泛使用前苏联学者史立涅尔提出的压 人硬度表示岩石可钻性。并对岩石进行分类，该方法测定装置简单，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：实钻法是比较流行的另种测 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 因为有不少学者认为，单纯用某一项岩石机械性质去评价岩石的可钻性是不合适的， 岩石的可钻性是取决于所用的钻井方法，因此罗劳( r o l l o w ag ) 提出用微钻法确定 岩石可钻性。8 0 年代后，我国石油行业改用微钻法测定岩石可钻性，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l o 级，从此我国石油钻井 第一章绪论 界正式采用微钻法来测定岩石可钻性。 在室内用微钻头钻进岩石，虽然能解决“钻眼”的问题，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。在 表示可钻性的两种主要方法中，压入硬度法使用较早。 j 上述研究方法可以归结为二种：即传统法和统计方法。二者根本性的区别在于前者把 地层岩石假设成均质的，而后者视地层岩石为非均质的。但是直到到现在，究竟采用哪种 指标作为岩石可钴性级值的准则，国内外都没有一个统一的标准。因此，非常有必要在理 论测定方法和应用上对岩石的可钻性进行研究。 关于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。具体的来说 ( 1 ) 影响岩石可钻性的岩石基本属性有：岩石的矿物成分、结构和构造、岩石的物 理力学性质等。 ( 2 ) 影响岩石可钻性的技术条件有：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有：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。 正是岩石可钻性影响因素的多样性才造成了岩石可钻性在研究、测量和表示方法上的 难度和不一致性。 2 ) 岩石的研磨性研究p ”到 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。 牙轮钻头的研磨性已经研究的很多，而pdc 钻头在软至中硬的低研磨性地层中，钻 速快，寿命长，进尺多：但在高研磨性和硬地层中，pdc 钻头使用效果却很差。也就是 说，pdc 钻头对所钻地层的研磨性质非常敏感。因此，需要开展pdc 钻头的岩石研磨 性研究，找出pdc 钻头的岩石研磨性及磨损规律，指导pdc 钻头的设计应用。 3 ) 围压下岩石破碎过程的研究 4 3 - 4 4 l 随着钻井深度的不断进行，一般表现出钻速随井深的增加而持续降低，这种随井深增 加而钻速降低的原因通常归结于压差的增加、静水压头的增加、原地应力的增加、而孔隙 度随井深增加而降低、从而使岩屑压实。 4 大庆石油学院博：l 研究生学位论文 随着井深增加而引起钻速的降低有两类基本原因：( 1 ) 未破碎岩石的破碎过程变难； ( 2 ) 岩石破碎后作用在岩石碎屑上的力增大，致使岩屑运移困难。许多人已经详细研讨 了移走岩屑的过程，虽然移走岩屑的过程在影响整个钻速方面占相当重要的位置，但未破 碎岩石本身的强度在围压增大也是不容忽视的。 传统上来说，岩石的硬度表示的是非围压下的抗压强度一即岩石在大气压下的抗压强 度，非围压下的抗压强度是岩石在井外的抗压强度，这就忽略了上覆岩层压力和它对岩石 产生的硬化影响。非围压下的抗压强度没有考虑围压下产生的附加应力和在井底产生的附 加强度。 虽然使用非围压下的抗压强度分析来选择钻头有其固有的缺点，但这种方法与以前相 比已经有了很大的改善。最近国外开发了一个新的岩石强度分析程序，这一技术是基于围 压下的模型来完成的，用它进行钻头优选，使钻井技术大大地提高了一步，但我国只是在 室内模拟深井条件下的破岩试验，没有将围压下的岩石强度真正应用于现场实际。 4 ) 提高深井硬地层钻井技术研究l j 4 1 一般深井是指完钻井深为4 5 0 0 米6 0 0 0 米的井；超深井是指完钻井深为6 0 0 0 米以上 的井。在如此深的井眼中，井底地层岩石的温度将达到近2 0 0 c 左右，压力将达到5 0 m p a 左右，地层硬度极大，可钻性级值高，主要有以下问题： ( 1 ) 许多深井地层岩性多变，钻头、钻具受损严重，影响钻井速度 深井地层起伏变化较大，岩性多变、非均质性严重，在这种地层钻进，地层间断性蹩 跳钻以及钻杆的纵向振动十分严重。钻头掉齿、断齿、轴承失效、钻具及井下工具严重受 损，过早失效，制约着钻井速度的提高。 ( 2 ) 有些高陡构造没有有效的防斜打直技术，严重影响了钻井速度 有些地层硬度大以及处在高陡构造区( 如鄂西渝东地区、大庆海拉尔地区) ，从井口 到井底都面临井斜问题。由于没有有效的防斜技术，质量与速度的矛盾十分突出。用满眼 钻具钻进钻压只能控制在很小的范围内，用钟摆钻具纠斜只能吊打； ( 3 ) 井底围压将使岩石硬度增加，塑性增强 当井眼打开后，井底岩石受到上覆岩层压力、钻井液液柱压力和由上覆岩层压力产生 的水平地应力的作用。在这些压力的作用下，就相当于井下岩石受到围压的作用。根据三 轴应力实验结果，围压的作用将使岩石产生各向压缩效应，必然导致岩石的硬度增加和塑 性增大，并且在一定的液柱压力下，岩石将从脆性破坏转变为塑性破坏。因此在深井钻井 过程中，随着井眼的加深或钻井液密度的增大，钻进速度的下降不仅由于岩石硬度的增大， 而且也由于岩石塑性的增大，特别是由于钻头齿每次与岩石的作用所破碎岩石的体积减小 的缘故。 根据上述问题，国内# t - n 行开展了大量的研究工作，具有针对性地采取了一些有效措 施： ( 1 ) 优选钻头类型，提高钻井速度 在旋转钻井中，钻头是破碎地层岩石的直接工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。 一个井眼形成的好坏，所用的时问的长短，与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关 外，更与钻头与地层的相互适应程度有关。一口井从开钻到完钻，往往要钻过十几个甚至 几十个不同的地层，这些地层由于沉积年代不同、沉积环境不同，致使地层岩石的力学参 第一章绪论 数和性能都不同。即使是同一沉积环境和年代，不同的沉积物所形成的地层其岩石性能也 不完全相同。如泥岩、叶岩、砂岩等，他们的性能都有各自的特点。在石油钻井中，表现 为地层岩石的特性参数不同，常常以地层岩石可钻性、岩石研磨性来代表。一般情况下， 从上到下地层岩石的可钻性随着井深增加在减小，也就是说随着井身的增加，地层越来越 难钻。对于钻头来说，一口井使用的钻头从几只、十几只到几十只不等，并且随着设计井 深的增加，所用钻头的数量也在成比例增加。一只钻头在上部地层( 2 0 0 0 米以内) 平均进 尺在3 0 0 5 0 0 米，在2 0 0 0 米4 0 0 0 米一只钻头平均进尺只有2 0 0 米左右，在4 0 0 0 米以 下一只钻头的进尺不到1 0 0 米。当然钻头的进尺多少还与钻头的结构和类型有关，目前钻 头的类型很多，按形状结构分，有刮刀钻头、牙轮钻头、p d c 钻头等：按照轴承和布齿分， 又有滑动性和滚动性牙轮钻头；按照所适应的地层分又有硬地层钻头、中硬地层钻头及软 地层钻头等。 根据地层岩石可钻性优选与地层配伍的钻头类型，选配钻井参数，提高井底钻头转数、 承压能力，增加单位切削刃破岩量，是保证钻井顺利施工，提高钻井速度的前提。在石油 钻井中，钻头选择的主要依据是所钻地层的岩石可钻性等参数。因此地层岩石可钻性确定 的准确与否直接决定了所使用钻头的是否合理，目前确定地层岩石可钻性的主要方法为： 合理的钻头选择可以保持钻进速度最高，钻头进尺最大，钻头在井底的工作时间最长， 全井钻头用量最少，从而钻井成本也最低。所以，地层岩石可钻性的研究对于石油钻井中 提高钻井速度，降低钻井成本具有十分重要的意义f l 。 ( 2 ) 采用先进的钻井方式，提高钻井效率 多年来，深井一直采用“转盘+ 牙轮钻头”钻井方式。由于深部地层钻头转速受钻柱 强度影响，只能限制在低转速钻进，使钻头在单位时间内对地层的切削次数大大减少，限 制了钻进速度的提高。目前国内外采用先进的钻井方式，通过改变传统的转盘钻进方式， 使用复合钻井技术，即使用并下动力钻具与转盘复合旋转，配合使用高效能钻头，可大幅 度提高中下部地层的机械钻速。国内外研究表明，采用井下动力钻具这一钻井方式，可以 大幅度地提高钻头钻速，缩短钻进周期，减低钻井成本。 ( 3 ) 利用可靠的井下工具，稳定钻头及钻柱在井内工作状态，保持钻压相对稳定， 充分发挥高效能钻头的优势。 6 大庆石油学院博士研究生学位论文 5 ) 岩石破碎机理的国内外发展趋势| 3 4 ，9 7 j 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、安全优质钻井。 围绕这一主题，国内外将主要进行以下方面的研究： ( 1 ) 进行深部地层破岩机理的试验研究，研究处于高温高压条件下岩石的强度、可 钻性及破岩规律等，为钻这种“粘弹”性岩石选择钻头类型，提供技术参数。进行深并钻 井配套技术研究，包括深井钻头设计，深井钻井液优选，深井钻井工艺技术，深井破岩机 理等，以利于深井钻井技术的提高，使建井周期缩短。 ( 2 ) 进一步研究岩石可钻性的代表性问题，完善钻头选型方法，研究出利用上返岩 屑选择钻头类型的方法。 ( 3 ) 开展新型破岩工具的研究，同时进行其他对钻井工艺技术提高与发展密切相关 的破岩机理研究。 ( 4 ) 优化深井钻井液体系，开发高效优质钻井液，在保证正常钻进的基本条件下， 既能提高钻井速度，又能保证安全优质。 总之，合理的钻井工具与性能良好的钻井液体系是安全高效钻井的两个重要而基本的 条件。此两项又与岩石密切相关，与岩石的破碎机理密切相关。一项实用工艺技术的研究 开发必须有一定的机理支持才能开展下去，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。进行钻井工艺技术研 究若抓住了岩石破碎机理研究这一基础工作就等于抓住了解决问题的根本。今后石油钻井 工程中的岩石破碎机理研究不但不应该削弱反而应进一步加强，在研究方法上的趋势应是 各学科交叉；在研究方向上，由于石油钻井工程中的岩石破碎机理研究内容多，涉及面广， 因此需全体从事钻井方面的科研及工程技术人员在更深层次、事关钻井速度翻番的研究方 面去研究和开发。 1 3 用分形理论研究钻井岩石可钻性的可行性分析 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、安全优质钻井。 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