深井巖石破碎規(guī)律及破碎的分形機(jī)理研究.pdf

1、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和計(jì)算巖石的力學(xué)性質(zhì)和可鉆性是有針對(duì)性地優(yōu)選鉆頭、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，從而提高鉆井速度的重要依據(jù)。而針對(duì)深井井底條件下的巖石可鉆性進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算是專家和工程界同行們都很重視但又沒(méi)有解決的問(wèn)題，因此本文的工作就是基于大慶深井鉆井情況，開(kāi)展了針對(duì)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(píng)定方法，是通過(guò)鉆井取心，并進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和測(cè)定得到巖石可鉆性級(jí)值，但是室內(nèi)試驗(yàn)有滯后于實(shí)際鉆進(jìn)、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，而且井下巖性復(fù)雜、

2、巖心變化大，不可能對(duì)整個(gè)地層都取心，難以建立連續(xù)剖面，導(dǎo)致鉆頭選型和使用上存在很多問(wèn)題。由此本文提出通過(guò)對(duì)鉆井過(guò)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(píng)價(jià)指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)巖石可鉆性的實(shí)時(shí)測(cè)定和鉆頭類型的實(shí)時(shí)優(yōu)選提供依據(jù)。 首先，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文建立了巖石可鉆性級(jí)值和巖石的硬度、強(qiáng)度等巖石力學(xué)參數(shù)的相關(guān)性模型，從相關(guān)性分析可以說(shuō)明：巖石的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)參數(shù)是

3、巖石可鉆性級(jí)值的綜合反映，該模型的建立，為確定圍壓下巖石可鉆性級(jí)值打下了基礎(chǔ)。 其次，針對(duì)井底條件，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題。通過(guò)圍壓條件下巖石力學(xué)參數(shù)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，建立了巖石力學(xué)參數(shù)與圍壓之間的定量關(guān)系；通過(guò)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(jí)值的計(jì)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(jí)值計(jì)算方法，其結(jié)果表明，在井底圍壓

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

5、進(jìn)，結(jié)果表明，優(yōu)選和改進(jìn)后的鉆頭使機(jī)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(cè)方法中來(lái)，為鉆井過(guò)程中實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可鉆性級(jí)值開(kāi)辟了一個(gè)方向。 在這方面首先開(kāi)展了將室內(nèi)微鉆頭巖石可鉆性巖屑進(jìn)行分形分析，結(jié)果表明微鉆頭試驗(yàn)巖屑的粒度分布符合分形分布，統(tǒng)計(jì)的分布模型相關(guān)性在0.9以上；同時(shí)進(jìn)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(jì)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(qiáng)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(duì)上返巖屑?jí)K度分布的影響，對(duì)石油鉆井井底上返巖屑進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，即在相同條件下對(duì)上返巖屑進(jìn)行二次破碎，巖石碎屑?jí)K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(guò)程中，巖石破碎后的巖屑符合分形破碎規(guī)律。 對(duì)微鉆頭可鉆性試驗(yàn)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(qiáng)