深井巖石破碎規(guī)律及破碎的分形機理研究.pdf

1、準確預測和計算巖石的力學性質和可鉆性是有針對性地優(yōu)選鉆頭、優(yōu)化設計參數，從而提高鉆井速度的重要依據。而針對深井井底條件下的巖石可鉆性進行預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。由于現行的巖石可鉆性評定方法，是通過鉆井取心，并進行室內實驗和測定得到巖石可鉆性級值，但是室內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。 首先，在實驗基礎上，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的相關性模型，從相關性分析可以說明：巖石的強度、硬度等力學參數是

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。 其次，針對井底條件，采用室內實驗和理論分析相結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的室內實驗，建立了巖石力學參數與圍壓之間的定量關系；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，結果表明，高壓對可鉆性級值影響較大，而在井底溫度范圍內的高溫對巖石可鉆性級值的影響較小。 然后，應用可鉆性計算模型，結合鉆井的實際參數，計算了大慶深井巖石可鉆性剖面，在此基礎上，對大慶深井鉆頭進行了優(yōu)選和改

5、進，結果表明，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測方法中來，為鉆井過程中實時預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微鉆頭巖石可鉆性巖屑進行分形分析，結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，分析結果表明，其分布完全符合分形分布，統(tǒng)計的分形函數相關性在0.9左右，其分形維數與

6、鉆屑深度具有很強的相關關系；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線性回歸分析表明，其破碎粒度符合分形特征，相關性在0.95以上。 于是基于巖石等概率破碎的假設，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、上返巖屑顆粒分布分形維數與其各巖心的強