深井巖石破碎規(guī)律及破碎的分形機理研究.pdf

1、準確預(yù)測和計算巖石的力學性質(zhì)和可鉆性是有針對性地優(yōu)選鉆頭、優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，從而提高鉆井速度的重要依據(jù)。而針對深井井底條件下的巖石可鉆性進行預(yù)測和計算是專家和工程界同行們都很重視但又沒有解決的問題，因此本文的工作就是基于大慶深井鉆井情況，開展了針對深井井底條件下巖石可鉆性確定的方法研究。由于現(xiàn)行的巖石可鉆性評定方法，是通過鉆井取心，并進行室內(nèi)實驗和測定得到巖石可鉆性級值，但是室內(nèi)試驗有滯后于實際鉆進、周期長、費用高等缺點，而且井下巖性復(fù)雜、

2、巖心變化大，不可能對整個地層都取心，難以建立連續(xù)剖面，導致鉆頭選型和使用上存在很多問題。由此本文提出通過對鉆井過程中上返巖屑的粒度分布研究，建立用分形特征表示的巖石可鉆性分形模型和方法，制定用巖石的分形特征表示的巖石可鉆性的評價指標，為實現(xiàn)巖石可鉆性的實時測定和鉆頭類型的實時優(yōu)選提供依據(jù)。 首先，在實驗基礎(chǔ)上，本文建立了巖石可鉆性級值和巖石的硬度、強度等巖石力學參數(shù)的相關(guān)性模型，從相關(guān)性分析可以說明：巖石的強度、硬度等力學參數(shù)是

3、巖石可鉆性級值的綜合反映，該模型的建立，為確定圍壓下巖石可鉆性級值打下了基礎(chǔ)。 其次，針對井底條件，采用室內(nèi)實驗和理論分析相結(jié)合的方法研究圍壓條件下巖石可鉆性問題。通過圍壓條件下巖石力學參數(shù)的室內(nèi)實驗，建立了巖石力學參數(shù)與圍壓之間的定量關(guān)系；通過圍壓條件下的巖石可鉆性分析，建立了在不同圍壓條件下的巖石可鉆性級值的計算方法。并以大慶油田的深井鉆井為例，確定了不同巖性、不同滲透率條件下的巖石可鉆性級值計算方法，其結(jié)果表明，在井底圍壓

4、下的巖石可鉆性級值與常溫常壓下的可鉆性級值比較，差值可達到1～3級，即常壓下微鉆時為128秒，而在圍壓下微鉆時可達到256秒，井底壓力對巖石可鉆性的影響相當大。 另外，本論文還首次研究了高溫高壓對巖石可鉆性級值的影響，結(jié)果表明，高壓對可鉆性級值影響較大，而在井底溫度范圍內(nèi)的高溫對巖石可鉆性級值的影響較小。 然后，應(yīng)用可鉆性計算模型，結(jié)合鉆井的實際參數(shù)，計算了大慶深井巖石可鉆性剖面，在此基礎(chǔ)上，對大慶深井鉆頭進行了優(yōu)選和改

5、進，結(jié)果表明，優(yōu)選和改進后的鉆頭使機械鉆速大幅提高。 本文創(chuàng)造性地將分形理論用于研究巖石可鉆性的預(yù)測方法中來，為鉆井過程中實時預(yù)測可鉆性級值開辟了一個方向。 在這方面首先開展了將室內(nèi)微鉆頭巖石可鉆性巖屑進行分形分析，結(jié)果表明微鉆頭試驗巖屑的粒度分布符合分形分布，統(tǒng)計的分布模型相關(guān)性在0.9以上；同時進行了鉆井上返巖屑的塊度分布的分形分析，分析結(jié)果表明，其分布完全符合分形分布，統(tǒng)計的分形函數(shù)相關(guān)性在0.9左右，其分形維數(shù)與

6、鉆屑深度具有很強的相關(guān)關(guān)系；為了排除不同破巖工具、不同鉆井液條件等對上返巖屑塊度分布的影響，對石油鉆井井底上返巖屑進行標準化處理，即在相同條件下對上返巖屑進行二次破碎，巖石碎屑塊度分形維數(shù)線性回歸分析表明，其破碎粒度符合分形特征，相關(guān)性在0.95以上。 于是基于巖石等概率破碎的假設(shè)，從理論上證明了油氣鉆井過程中，巖石破碎后的巖屑符合分形破碎規(guī)律。 對微鉆頭可鉆性試驗后鉆屑的分形維數(shù)、上返巖屑顆粒分布分形維數(shù)與其各巖心的強