（油气井工程专业论文）川东北海相地层抗钻特性及钻井提速研究.pdf

f 5 r e s e a r c ho na n t i - - d r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di n c r e a s i n g d r i l l i n gs p e e d f o rm a r i n ef o r m a t i o ni nt h en o r t h e a s t a r e ao fs i c h u a n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：c a oj i f e i s u p e r v i s o r ：p r o f z o ud e y o n g c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) j j 0舢0川3 67舢8ii-y 、， r i 飞， ， l k l l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 裴妞 日期：年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借 阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩 印或其他复制手段保存学位论文。 j 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 、 学位论文作善签名： 壹旌睦竺 指导教师签名： 日期： 日期： 年月日 年月 日 、 ， 囊 1 - 摘要 川东北海相地区是中石化石油后备资源的主战场，油气储层埋藏深、地层坚硬、岩 石可钻性较差，给高效快速钻井施工造成了严重困难。为加快该地区油气资源勘探开发 的进程，解决海相地层钻井速度慢、钻井周期长等问题，本文采用室内试验、统计分析 与理论研究相结合的方法对碳酸盐岩地层抗钻特性预测、钻井方式优选和高效破岩工具 优化设计等方面进行了深入研究。( 1 ) 通过室内岩心试验测定了岩石可钻性级值、抗压 强度、内摩擦角、硬度与塑性系数等岩石力学参数和声波特性参数，研究分析了测井资 料与地层抗钻特性参数的相关关系，建立了利用测井资料预测碳酸盐岩地层抗钻特性参 数的方法。( 2 ) 收集川东北地区重点区块的地质资料和测井资料，总结分析了海相碳酸 盐岩地层的岩性特征和地层抗钻特征。( 3 ) 通过对比分析不同钻井方式的破岩机理和使 用特点，总结分析了不同钻井方式的地层适用特点；在总结分析不同钻井方式成本组成 的基础上，建立了适合评价不同钻井方式使用效果的成本模型。( 4 ) 通过收集钻完井资 料，统计分析了不同地层使用效果较好的钻井方式，利用模糊聚类分析方法，以地层抗 钻特性为分类依据，对石油钻井地层进行了合理的分类，确定了根据地层抗钻特性进行 优选钻井方式优选的原则，建立了根据地层抗钻特性选择钻井方式的方法。根据川东北 海相地层抗钻特性，优选出适合该地层高效钻进的钻井方式。( 5 ) 通过收集川东北海相 地区钻完井资料，对海相地层的p d c 钻头的使用情况进行了分析；针对钻头使用过程 中存在的问题，通过室内微钻头试验优选出适合海相地层p d c 钻头的切削齿尺寸和后 倾角，从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面对p d c 钻头进行了 优化设计，研制出适合川东北海相地层高效钻进的个性化p d c 钻头。 鼍 关键词：川东北；海相地层；抗钻特性；钻井方式；p d c 钻头；钻井提速 i s 厂一? ! 一 r 、 ， 8 幺 r e s e a r c ho na n t i - d r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n di n c r e a s i n gd r i l l i n gs p e e df o r m a r i n ef o r m a t i o ni nt h en o r t ：h e a s ta r e ao fs i c h u a n c a om e i ( c ) i l & g a sw 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 z o ud e y o n g a b s t r a c t t h em a r i n ed e p o s i tf o r m a t i o no fn o r t h e a s ts i c h u a ni st h em a i nb a t t l e f i e l do fo i lr e s e r v e r e s o u r c e sf o rs i n o p e c h o w e v e r , t h er e s e r v o i rf o r m a t i o n sa leb u r i e dd e e p l ya n dh a v eh i 曲 h a r d n e s s a l lt h e s ed i s a d v a n t a g e sb r i n gl o t so fd i f f i c u l t i e sf o rt h eh i g h l y - e f f i c i e n td r i l l i n g i n o r d e rt os p e e du pt h ep r o g r e s so fe x p l o r a t i o na n dd e v e l o p m e n t , t h em e t h o do fa n t i d r i l l i n g p a r a m e t e r sp r e d i c t i o ni nt h ec a r b o n a t ef o r m a t i o n , d r i l l i n gm e t h o d ss e l e c t i o na n de f f i c i e n tr o c k f r a g m e n t a t i o nt o o l so p t i m i z a t i o nd e s i g nw e r ed e e p l ys t u d i e dc o m b i n i n gt h em e t h o d so f l a b o r a t o r yt e s t , s t a t i s t i c a la n a l ) s i sa n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ( 1 ) t h ea n t i - d r i l l i n gp a r a m e t e r s s u c ha sd r i l l a b i l i t y , c o m p r e s s i v es t r e n g t l ：l i n t e m a lf r i c t i o na n s t e , h a r d n e s sa n dp l a s t i c i t y c o e f f i c i e n tw r i t em e a s u r e dt h r o u g hl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s b a s e do nt h i s ，t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e s ea n t i d r m i n gp a r a m e t e r sa n dl o g g i n gi n f o r m a t i o nw e r er e s e a r c h e da n dt h i s p a p e re s t a b l i s h e dt h em e t h o d st h a tu s i n gt h el o g g i n gd a t at op r e d i c tt h ef o r m a t i o na n t i d r i l l i n g p a r a m e t e r s ( 2 ) c o l l e c t i n g t h e g e o l o g i c a li n f o r m a t i o n a n dl o g g i n gi n f o r m a t i o n , w e s u m m a r i z e dt h el i t h o l o g i cf e a t u r e sa n da n t i - d r n l 吨c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec a r b o n a t ef o r m a t i o n i nt h en o r t h o a s to fs i c h u a n ( 3 ) t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h er o c kb r e a k i n g m e c h a n i s m sa n du s i n gf e a t u r e so fd i f f e r e n td r i l l i n gm e t h o d s ，t h ea r t i c l es u m m a r i z e dt h e a p p l i a b l ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n td r i l l i n gm e t h o d s b a s e do nt h es u m m m ta n a l ) s i so fc o s t c o m p o n e n to fd r i l l i n gm e t h o d s ，w ee s t a b l i s h e dt h ec o s tm o d e lt oe v a l u a t et h eu s i n ge f f e c t so f d i f f e r e n td r i l l i n gm e t h o d s ( 4 ) g a t h e r i n gt h ew e l lc o m p l e t i o nd a t a , t h ep a p e ra n a l y z e dt h e d r i l l i n gm e t h o d st h a th a v eg o o du s ee f f e c t t h ep e t r o l e u md r i l l i n gf o r m a t i o nw a sc l a s s i f i e d r e a s o n a b l yu s i n gt h ef u z z yc l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o dw i mt h ec l a s s i f i c a t i o nb a s i sa s f o r m a t i o na n t i - d r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h ep r i n c i p l ea n dt h ew a yt oo p t i m i z et h ed r i l l i n g m e t h o d sa c c o r d i n gt ot h es 缸a t u ma n t i - d r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt o a n t i 缸l l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm a r i n es t r a t u mi nt h en o r t h e a s ta r e ao fs i c h u a n , t h em o s t 1 簪 e f f i c i e n td r i l l i n gm e t h o dw a ss e l e c t e d ( 5 ) t h ep d cb i tu s i n gc o n d i t i o ni n t h em a r i n e f o r m a t i o nw g t ea n a l y z e dt h r o u g hc o l l e c t i n gt h ew e l lc o m p l e t i o ni n f o r m a t i o ni nt h en o r t h e a s t a r e ao fs i c h u a n a i m i n ga tt h ep r o b l e m s ，t h r o u g ht h em i c r o b i te x p e r i m e n tw es e l e c t e dt h e b e s tc u t t e rs i z ea n db a c kr a k ea n g l ef o rt h ep d cb i ti nt h em a r i n ef o r m a t i o n t h ea r t i c l e d e v e l o p e dan e wi n d i v i d u a l i z e dp d cb i ti n c l u d i n gt h ep r o f i l ed e s i g n ，t e e t ha r r a n g e m e n t d e s i g n , f o r c eb a l a n c ed e s i g na n dh y d r a u l i cd e s i g n k e y w o r d s ：n o r t h e a s to fs i c h u a n , m a r i n ef o r m a t i o n , a n t i d r i l l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， d r i l l i n gm e t h o d s ，i n c r e a s i n gd r i l l i n gs p e e d e h ， 、盔 目录 第一章前言。1 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状分析2 1 2 1 地层抗钻特性参数预测方法研究现状2 1 2 2 钻井方式优选方法研究现状。4 1 2 3 碳酸盐岩地层高效破岩钻头研究现状5 1 3 论文主要研究内容6 1 4 技术路线7 第二章碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究、- 8 2 1 岩心试验8 2 2 1 试验目的8 2 2 2 岩心试验。8 2 2 3 试验结果1 0 2 3 碳酸盐岩地层抗钻特性参数预测模型的建立1 1 2 3 1 模型建立的方法。：11 2 3 2 碳酸盐岩地层抗钻特性参数模型的建立1 1 2 3 3 模型验证及结果分析17 2 4 碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究。18 2 4 1 室内声波时差与测井声波时差关系研究。l8 2 4 2 碳酸盐岩岩性成分测井解释方法2 l 2 5 本章小结。2 2 第三章川东北海相地层抗钻特性分析2 3 3 1 海相地层地质分层及岩性描述2 3 3 2 海相地层抗钻特性分析2 4 3 3 本章小结一2 5 第四章钻井方式优选方法研究2 6 4 1 不同钻井方式破岩机理分析2 6 4 1 1 冲击破岩2 6 、；o r 一 4 1 2 切削破岩2 8 4 1 3 滚压破岩。3 0 4 1 4 研磨破岩3 2 4 2 常用钻井方式及使用特点分析一：3 4 4 2 1 转盘钻井3 4 4 2 1 井下动力钻井3 4 4 2 1 复合钻井。3 5 4 2 1 欠平衡钻井3 5 4 3 综合钻井成本模型的建立及应用3 8 4 3 1 不同钻井方式钻井成本组成分析3 8 4 3 2 钻井成本影响因素分析3 9 4 3 3 综合钻井成本模型的建立及应用。：4 0 4 4 基于模糊聚类分析的钻井方式优选方法研究4 l 4 4 1 模糊聚类分析的理论基础4 1 4 4 2 模糊聚类分析的基本思想4 3 4 4 3 模糊聚类分析的主要步骤4 3 4 4 4 模糊聚类分析在钻井方式优选中的应用4 7 4 5 川东北海相碳酸盐岩地层钻井方式优选j 5 2 4 6 本章小结5 5 第五章川东北海相地层p d c 钻头设计5 7 5 1 川东北地区海相地层p d c 钻头使用情况分析5 7 5 1 1 现场调研5 7 5 1 2 钻头使用情况分析。5 9 5 2 海相地层p d c 钻头切削齿尺寸及后倾角优选试验6 0 5 2 1 试验装置及微钻头设计6 1 5 2 2 岩样选取。6 1 5 2 3 试验方案6 l 5 2 4 试验步骤6 1 5 2 5 试验结果及分析。6 2 5 3 高效钻进海相碳酸盐岩地层的1 0 1 2 ”p d c 钻头设计6 5 v 5 3 1 剖面形状设计o 6 5 5 3 2 刀翼结构设计6 7 5 3 3 布齿设计j 6 8 5 3 4 力平衡设计_ 7 2 5 3 5 水力设计7 3 5 3 6 保径设计7 4 5 4 本章小结7 4 结论与建议7 5 参考文献7 7 附蜀乏8 1 附勇乏a 81 附勇乇b 。8 3 致谢。8 8 ，l 0 i 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第一章前言 本文来源于中石化重大科研项目“南方复杂深井特种井眼钻井配套技术研究”。 碳酸盐岩地层是我国富含油气资源的主要地层，随着国家能源开发战略逐步转向深 层油气资源的勘探开发，南方海相地层与北方陆相沉积地层中古潜山构造的碳酸盐岩地 层将成为我国主要的勘探地质层段n 1 。 川东北属于南方海相勘探区，是中石化石油后备资源的主战场，该地区主要包括普 光、河坝以及元坝、南江等六个探区，探区面积大，油气资源丰富，具有重要的战略意 义和极高的经济价值。但是川东北地区地层古老、岩石坚硬、岩性多变、岩石可钻性极 差，造成该地区钻井速度慢、周期长、勘探成本居高不下，严重制约着油气资源的高效 勘探开发。现场钻井资料表明，川东北地区各区块平均钻井周期为3 5 7 8 天，机械钻速仅 为1 5 3 m h 。元坝1 0 1 井在钻进层厚为5 8 5 6 米的海相飞仙关组深灰色含泥灰岩、灰色灰 岩地层时，采用转盘钻井方式钻进，钻井过程使用了两只p d c 钻头和三只牙轮钻头，钻 头起出后经检测发现牙轮钻头轴承、牙齿严重损坏，p d c 钻头碎齿三颗，主切削齿磨损 严重。由此不难看出，川东北海相地层钻井过程中牙轮钻头失效快，使得单只钻头进尺 少，起下钻频繁，钻井成本过高；p d c 钻头存在掉齿、碎齿，切削齿磨损严重等问题， 大大制约着海相油气资源的高效开发。总结该地区海相地层钻井速度较慢的原因，一方 面是对地层抗钻特性的认识不足，使得钻井方式和钻头类型的选择存在许多不合理的地 方；另一方面是适用于该地层的钻头可选类型少，现有钻头不能满足高效破岩要求。因 此，开展对碳酸盐岩地层抗钻特性的研究工作，合理选择钻井方式，加快碳酸盐岩地层 高效破岩钻头的研制工作，成为加快碳酸盐岩地层油气资源勘探开发的必由之路。 本文针对川东北地区海相地层钻井速度慢、钻井周期长等问题，研究碳酸盐岩地层 抗钻特性的预测方法，建立海相地层抗钻特性剖面，为碳酸盐岩地层优选钻井方式和钻 头类型提供科学依据；同时针对川东北海相碳酸盐岩地层特点，优选p d c 钻头布齿参 数，优化钻头结构，研制高效破岩p d c 钻头。这必将对川东北地区油气资源的高效合 理开发起到重要的推动作用，对我国碳酸盐岩地层油气资源的勘探开发具有重要的指导 和借鉴意义。 第一章前言 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 地层抗钻特性参数预测方法研究现状 地层抗钻特性是反映地层岩石抵抗钻头破碎能力的各种性质的总称，主要包括岩石 的可钻性、研磨性和脆塑性等。地层抗钻特性参数的合理预测是优化钻头设计、优选钻 头类型和钻进参数、预测机械钻速和钻头寿命的重要保证。 1 2 1 1 岩石可钻性预测方法研究现状 岩石可钻性的表示及测定是钻井过程中的一项基础性工作。自1 9 2 7 年t i l l s o n 提出可 钻性的概念以来，国内外出现了很多研究可钻性的方法。自上世纪5 0 年代之后，我国的 石油、地质、矿山等行业中广泛使用史立涅尔的静压入硬度实验法测试岩石的可钻性级 值。但是随着研究的不断深入，普遍认为压头压入破碎岩石只是模拟了钻头的破岩作用， 不能很好地反映钻井过程中钻头的破岩机理嘲。我国石油系统在1 9 8 7 年确定了岩石可钻 性的测定及分类方法，即直径31 7 5m m 的微钻头在岩心上钻孔，记录钻深2 4m m 的钻孔 时间，换算成以2 为底的对数来表示岩石的可钻性嘲。但是室内实验是在常温常压下进行 的，不能全面反映岩石在地下所处的高温高压情况；同时由于经济技术的原因，不可能 对整个地层都取心，难以建立连续的可钻性剖面。 近年来，国内外的石油高校和科研机构开展了广泛的岩石可钻性测定和预测方法研 究工作。k l m a s n 提出利用声波时差来预测岩石可钻性，开辟了利用声波时差预测岩 石可钻性的新篇章。长江大学的楼一珊教授对单一可钻性实验确定地层岩石可钻性存在 诸多客观的问题进行了综合研究，同时对用声波时差反映地层可钻性方法的可行性和相 关性作了分析，认为用测井声波时差计算岩石可钻性在工程上是可行的。胜利油田钻井 院李祖奎高工、中国石油大学邹德永教授等也在室内试验的基础上给出岩石可钻性级值 与测井资料的关系模型1 。 为了解决微钻头法测定可钻性存在的问题，国内外研究者又发展了许多预测岩石可 钻性的方法。a g i p 石油公司首先提出通过声波波速测量技术对尺寸为2 m m 的岩屑进行 纵、横波波速测试来预测地层岩石的可钻性级值；中国石油大学邹德永教授研制了随钻 测量钻井岩屑声波速度的便携式钻屑波速测试系统，并建立了岩屑波速与可钻性级值的 关系模型，取得了很好的使用效果盯制。意大利b o l o g n a 大学开展了利用岩屑硬度法确定 地层力学参数的研究工作，通过岩屑硬度的测定来确定地层岩石的其它力学性质，并用 于现场指导钻头的选型工作。另外，针对新探区岩心少且难以收集的情况，西南石油大 2 一 一 吨 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 学的范翔宇、中国石油大学的王培义等利用数理统计的方法建立地震层速度与地层可钻 性的关系模型，但是由于层速度精度不高，计算得到的可钻性级值存在一定的误差。 综合来看，目前国内外对于岩石可钻性预测方法的研究较多，预测方法也较为成熟， 但研究工作主要针对于砂泥岩地层，对碳酸盐岩地层的研究较少，因此有必要开展相关 的研究工作。 ， 1 2 1 2 岩石研磨性预测方法研究现状 关于岩石研磨性的测定，国内外研究学者给出了多种不同的方法。研究的出发点不 同，所采用的方法和指标也不相同，迄今为止仍没有一个统一的测定岩石研磨性的标准 方法。对于利用测井资料预测岩石研磨性的方法，则研究得更少。 j r s p a r r 等研究指出，岩石研磨性可以用岩石的内摩擦角来度量。如果某一地层岩 石的内摩擦角在4 0 。以上，则对常规p d c 钻头而言，地层岩石的研磨性太强，应选用 天然金刚石或高耐磨性p d c 钻头；如果岩石的内摩擦角在3 6 - 4 0 。，则必须选用高密度 布齿的p d c 钻头；如果岩石的内摩擦角在3 6 。以下，则可以选用普通的p d c 钻头“们。 但j r s p a r r 并没有给出利用测井资料预测岩石研磨性的方法。 g o o d m a n 等同样指出，砂岩地层的内摩擦角能够较好地表征岩石的研磨性，岩石的 研磨性与内摩擦角之间有着较好的线性关系，岩石内摩擦角越大，岩石研磨性就越严重， 反之亦然m 3 。因此，可以通过计算地层岩石的内摩擦角来评价地层岩石研磨性。p l u m b 等提出利用岩石的孔隙度可以合理预测其内摩擦角( 见表1 - 1 ) ，进而评价地层岩石的研 磨性n 射。另外，有些专家的研究表明岩石内摩擦角与岩石的单轴抗压强度之间也存在很 好的相关性。 表1 - 1 岩石内摩擦角预测模型 t a b l e l - 1t h ef o r e c a s t i n gm o d e lo fr o c ki n t e r n a lf r i c t i o na n g l e 岩石类型内摩擦角预测模型 砂岩 缈= 4 4 7 7 妒 泥页岩 9 = 矽3 2 6 7 其他 伊= 2 0 r o 工5 1 2 1 3 岩石塑性系数预测方法研究现状 岩石塑性系数表征岩石塑脆性的大小，在一定程度上反映了岩石的变形特征，是钻 3 第一章前言 井破岩方式优选的重要依据。目前国内外对于塑性系数预测的研究做了一些工作，中国 石油大学的高德利、长江大学的周思柱等分别建立的塑性系数的预测模型n 3 1 ( 式1 1 、 1 2 ) ，但模型中涉及的未知量较多，实际应用中存在较大的误差，不能够很好地预测 岩石的塑性系数。 k = 舄 m ， ( 1 + ) 。( 1 - 2 ) 。 。 式中，e 一弹性模量； z 一泊松比； 一泥质含量： b 、c 、a 、) ，一回归系数 k 叫茄 ( 1 - 2 ) 式中，4 修正系数； r 岩石泥质含量； c 一泥质含量影响系数； a 、夕、y 岩石抗压、抗剪、抗拉系数。 1 2 2 钻井方式优选方法研究现状 钻井是油气藏开发中投资大、风险高的工程，钻井工程费用占勘探开发成本的5 0 左右。提高钻井效率是降低成本的最佳途径，而钻井方式的选择对钻井效率的影响至关 重要。目前国内外石油公司和研究学者对钻井方式优选做了大量相关的研究工作，也取 得了不错的应用效果。 哈里伯顿公司开发了欠平衡钻井对象筛选和适应性评价系统，该系统主要采用专家 评分方式，即根据已实施欠平衡钻井的经验，针对不同类型的地层，列出若干项判断指 标，工程师利用地层基本参数对相应的指标评分高低来确定能否实施欠平衡钻井n 刖。另 外，w e a t h e r f o r d 公司也开发用于筛选欠平衡钻井适宜地质对象的s u r e ( s u i t a b l e u n d e r b a l a n c e dr e s e r v o i re v a l u a t i o n ) 系统。 d o u gv i n l e y 等从钻井设备、风险性和经济效益等方面对比分析欠平衡钻井和控压钻 井的区别，研究分析了这两种钻井方式的适用特点。德克萨斯农机大学的h o l d i t c h 等针 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 对非常规气藏开发的特点，研究编制了钻井方式优选软件，从减轻地层伤害、减少钻井 事故、提高钻速和经济效益等方面对常规钻井、套管钻井、欠平衡钻井等钻井方式进行 了分析，取得了一定的现场应用效果n ”町。 大庆油田的马显军在对徐深2 8 井登娄库组的空气钻井实践总结时提出了空气钻井 必须考虑的问题：井壁稳定性、地层出水量及地层酸性气体含量。西南石油大学的范希 连等对空气钻井选井问题进行了分析，提出了如何选择空气钻井井段，以及在实施空气 钻井过程中遇到那些问题时需要转换成常规钻井液钻进，对现场空气钻井施工具有参考 价值n l 埔1 。 总的来看，目前国内外对钻井方式的优选的研究仍停留在定性判断阶段，还没有制 定合理的优选标准，未形成完整的优选理论和方法。已经开展的钻井现场试验由于缺乏 成体系科学决策依据，在选区、选井、选层等方面还存在许多问题，致使钻井事故多发， 技术经济效益受到严重影响。 1 2 3 碳酸盐岩地层高效破岩钻头研究现状 p d c 钻头具有钻速快、效率高等明显的优势，主要用于钻进软到中硬的比较均质 的地层，在坚硬的碳酸盐岩地层中应用效果一直不是太理想，或钻速较低，或寿命太短。 目前国内外钻头公司针对碳酸盐岩地层设计了多种型号的p d c 钻头，并且进行了现场钻 井试验，取得了一定的应用效果。 国外方面，j j r a t h m e u 通过研究分析中东地区碳酸盐岩地层的地质资料和钻井资 料，设计了适合该地区地层的a r c 4 1 5 、a r c 4 1 2 两种型号p d c 钻头。钻头设计中采用了 新型布齿方法以提高钻头稳定性，并将2 0 。作为p d c 切削齿的标准后倾角。 s m i t h 钻头公司推出一种新型p d c 钻头，专门用于钻进坚硬的碳酸盐岩和致密砂岩 地层。该型钻头选用新型切削齿，提高了钻头钻进时吃入岩石的能力，同时新型钻头结 构设计减少了切削齿的突变失效，从而增加了钻头寿命。采用该技术设计的7 7 8 i n m i 6 1 6 钻头在阿曼北部白垩系到二叠系的石灰岩中进行的现场试验中取得了不错的效 果，钻速较原先提高3 0 n 朝。 g e a r h a r t 国际公司为了提高p e n n e l 4 3 1 7 b h 井中石灰岩、硬石膏层段的钻进效率，采 用新型切削齿设计了m s l 3 6 6 b 型钻头。钻头设计中采用新型切削齿提高钻头的耐磨性， 抗回旋技术的使用减少了钻头的早期失效问题的发生。 休斯克里斯坦森公司新近推出了一种称为g e n e , sx t 的新型p d c 钻头，该系列钻头 5 第一章前言 能够用于钻进高硬度的地层。钻头采用了新一代切削齿和切削深度控制技术，在恶劣的 钻井环境中能够提高钻头的稳定性和耐用性。 国内方面，川克金刚石钻头公司根据川东北海相地层特点设计了b d 4 3 5 、4 5 5 两种 型号钻头，采用了新型切削齿，金刚石层加厚，金刚石含量增加，长冠形剖面设计和中 密度布齿；百施特公司设计了m 1 3 5 5 、m 1 3 6 5 、m 1 3 7 5 三种型号的钻头，钻头采用直径 为1 3 m m 的切削齿，冠部形状为中长抛物线型，高密度布齿和大后倾角设计。这几种型 号p d c 钻头均在川东北海相碳酸盐岩地层进行现场钻进应用，但存在掉齿、碎齿、切削 齿磨损严重等问题，平均钻速仅为1 5 3 o m h ，钻井速度较慢，远不能满足高效破岩钻 进的要求啪1 。另外，江汉钻头公司针对海相地层特性研制了h j t 系列牙轮钻头，但在使 用过程中存在钻头失效快，单只钻头进尺少等问题，大大增加了起下钻次数，提高了钻 井成本。 总体来看，目前碳酸盐岩地层破岩钻头的研制主要集中在研制新型切削齿，增加切 削齿的韧性和抗冲击性能上，对钻头的冠部形状、布齿参数等影响破岩效率的规律缺少 必要的试验和理论研究，不能根据碳酸盐岩地层特点进行钻头个性化设计。 1 3 论文主要研究内容 ( 1 ) 碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究 通过室内岩心试验测定可钻性级值、抗压强度、内摩擦角、硬度与塑性系数等岩石 力学参数和声波特性参数，研究建立碳酸盐岩地层抗钻特性参数与测井参数的关系模 型；研究分析地面声波时差与测井声波时差的相关关系，研究建立根据测井资料预测碳 酸盐岩地层抗钻特性参数的方法。 ( 2 ) 川东北海相地层抗钻特性分析 改进地层抗钻特性预测软件；现场收集地质资料、钻井资料和测井资料，建立j il 东 北地区海相地层的抗钻特性剖面，分层描述地层岩性特点和抗钻特征，为海相地层优选 钻井方式和钻头类型提供科学依据。 ( 3 ) 钻井方式优选方法研究 对比分析不同钻井方式的破岩机理和使用特点，总结不同钻井方式的地层适用特点。 现场收集地质资料、钻井资料，统计分析不同地层的钻井方式；在研究确定钻井方式优 选标准的前提下，研究建立不同地层钻井方式的优选方法。针对川东北海相地层特性， 优选出适合该地层高效钻进的钻井方式。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 适合碳酸盐地层高效破岩p d c 钻头设计 ，一 针对川东北海相碳酸盐岩地层特性，研究设计新型高效破岩p d c 钻头。采用室内 试验和理论分析相结合的方法，优选适合海相地层的p d c 切削齿尺寸和后倾角等布齿 参数。结合试验优选结果，从剖面形状设计、布齿设计、力平衡设计和水力设计等方面 对新型p d c 钻头进行优化设计，以提高钻头的机械钻头和使用寿命。 1 4 技术路线 本文拟采取的技术路线如图1 - 1 所示。 图1 - 1 技术路线图 f i g l - 1t e c h n o l o g i c a lr o u t es h e e t 7 第二章碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究 第二章碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究 地层抗钻特性是反映地层岩石抵抗钻头破碎能力的各种性质的总称，包括岩石的可 钻性、研磨性和脆塑性等。地层抗钻特性参数( 包括岩石可钻性级值、研磨性指数和塑 性系数) 是优化钻头设计、优选钻头类型和钻进参数、预测机械钻速和钻头寿命的重要 依据。 长期以来，在钻井工程领域人们一直利用实测岩心的抗钻特性来研究整个地层剖面 岩石的抗钻特性，并以此作为优选钻头类型、预测机械钻速等的基本依据。但由于不能 实现全井段的取心，难以建立地层的连续抗钻特性剖面，故所得资料很难反映整个地区 地层岩石的抗钻特性强。 ，一 f 测井资料和钻井资料能够连续反映整个地层剖面岩石的抗钻特性，且具有来源广、 易获取、数据量大等特点。利用测井资料预测地层岩石抗钻特性参数，不需要做大量的 岩心试验，而且可以建立连续的地层岩石抗钻特性剖面，为钻头设计和钻头选型提供有 实际参考价值的地层资料。 利用测井资料预测地层岩石的抗钻特性参数，首先要研究测井资料与地层抗钻特性 参数的相关关系。因此，本文通过室内岩心试验测定可钻性级值、抗压强度、内摩擦角、 硬度与塑性系数等岩石力学参数和声波特性参数，研究分析测井资料与地层抗钻特性参 数的相关关系，建立利用测井资料预测碳酸盐岩地层抗钻特性参数的方法。 2 1 岩心试验 2 1 1 试验目的 本次试验研究的目的是通过室内岩心试验，测定岩石的可钻性级值、抗压强度、内 摩擦角、硬度与塑性系数等岩石力学参数和声波特性参数，研究建立碳酸盐岩地层的抗 钻特性参数与测井资料的关系模型。 2 1 2 岩心试验 一 2 1 2 1 岩石可钻性试验 收集了取自川东北海相地层不同深度、不同地质年代的岩心1 0 块。岩性包括灰岩、 自云岩、硅质岩等，基本能够代表碳酸盐岩地层钻探所遇到的各种岩性。利用华石型 岩石可钻性测定仪( 如图2 - 1 ) 和标准微钻头测定岩样的可钻性，在每块岩样表面钻3 个孔，对钻时的几何平均值取以2 为底的对数作为岩样的可钻性代表值，试验结果见表 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 所示。 2 1 2 2 抗压强度试验 收集了取自川东北海相地层不同深度、不同地质年代的岩心1 0 块，岩性包括灰岩、 白云岩、硅质岩等。利用中国石油大学岩石力学实验室的单轴抗压强度试验机( 如图2 2 ) 测定每块岩样的单轴抗压强度，试验结果见表2 1 所示。 图2 - 1 岩石可钻性试验装置 f i 9 2 - 1t h et e s td e v i c eo fr o c kd r i l l a b i l i t y 图2 2 单轴抗压强度试验装置 f i 9 2 - 2t h et e s td e v i c e o fc o m p r e s s i v es t r e n g t h 2 1 2 3 硬度与塑性系数试验 收集了取自川东北海相地层不同深度、不同地质年代的岩心1 0 块，岩性包括灰岩、 白云岩、硅质岩等。利用中国石油大学岩石力学实验室的岩石硬度测定装置( 如图2 3 ) 来测定每块岩样的硬度，根据压入试验所得的变形曲线计算岩样的塑性系数，试验结果 见表2 - 1 所示。 图2 - 3 硬度与塑性系数试验装置 f i 9 2 - 3t h et e s td e v i c e o fh a r d n e s sa n dp l a s t i c i t yc o e f f i c i e n t 2 1 2 4 声波时差试验 收集了取自川东北海相地层不同深度、不同地质年代的岩心1 0 块，岩性包括灰岩、 9 第二章碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究 ， 白云岩、硅质岩等。利用中国石油大学岩石力学实验室的h f f 型智能超声p s 波综合 测试仪( 如图2 4 ) 测定每块岩样的纵波速度和横波速度，试验结果见表2 1 所示。 图2 _ 4 声波速度试验装置 f 蟾2 4t h et e s td e v i c eo fa c o u s t i cv e l o c i t y 2 1 2 5 密度试验 收集了取自川东北海相地层不同深度、不同地质年代的岩心1 0 块，岩性包括灰岩、 白云岩、硅质岩等。采用称重法测定每块岩样的密度，结合前面试验测定的岩样的声波 速度计算岩样的弹性模量和泊松