不同钻井方式下的井底岩石可钻性研究.pdf
第 3 8卷 第 2期 2 0 1 0年 3月 石 油 钻 探 技 术 P ETROl EUM DRI I I 1 NG TECH Nl QUES Vo1 .3 8 No . 2 M a r ., 2 01 0 钻 井与完 井 不 同钻 井方式 下的井底岩 石可钻性研 究 杨 谋 孟英峰 李 皋 李永杰 王延 民 1 .油气藏地质及开发工程 国家重 点实验 室 西南石 油大学 , 四川 成都 6 1 0 5 0 0 ; 2 .中国石 油塔里木油 田公司 博士后科 研工作 站 , 新疆 库尔勒8 4 1 0 0 0 摘 要 岩石可钻性指标是钻 井工程 中的一项基本数 据 , 当前 计算岩 石可钻 性 的方法很 少考 虑井底 围压对 岩 石可钻性 的影响 。首先 , 论述 了围压对 井底 岩石 强度 的影 响, 分析 了不 同渗透 性条 件 下求取 井底 围压 的差 异; 其 次, 建立 了围压下的岩石可钻性计 算模 型, 并对液体 测 井数 据进行 了校 正 以获取 气体 钻 井的岩石 力 学参数 ; 最后 , 应用 Ma t h C AD软件编程分析 了不 同钻井方式 下的 可钻性级值 。分析表明 , 气体 钻井与常规钻 井方 式相 比, 泥岩地 层可钻性级值 能减 小 1 ~2个级别 , 而砂岩地层可钻性级值 可减 小 2 ~4个级 别。理论分 析与试验 分析 结果吻合度 高 , 有 助 于钻 前预 测机 械 钻 速 。 关 键 词 岩 石 可 钻 性 ;渗 透 性 ;孔 隙压 力 ;封 闭压 力 ;气 体 钻 井 中图 分 类 号 TE 2 1 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 卜0 8 9 0 2 0 1 O 0 2 ~ O O 1 9 一 O 4 岩石 可 钻 性 指 标 在 钻 井 工 程 中有 重 要 的 应 用 价值 , 如 指 导 钻 头 选 型 、 用 于 优 选 钻 头 参 数 、 预 测 钻 速 、 制 订 生 产 定 额 等 口 。 ] 。在 钻 进 过 程 中 , 随 着 井深 的增 加 , 液 柱 压 力 越 来 越 大 , 井 底 岩 石 强 度 也 会 增 大 , 这 时 岩 石 可 钻 性 逐 渐 变 差 。 目前 计 算 岩 石 可 钻 性 仅 从 1 用 岩 石 的 物 理 力 学 特 性 评 价 , 2 用 微 钻 速 评 价 , 3 用 实 钻 速 度 评 价 , 4 用 破 碎 比功 评 价 等 4方 面 来 考 虑 ] , 还 没 有 形 成 一 套 有 效 的方 法 来 模 拟 井 底 条 件 下 的 岩 石 可 钻 性 流 程 , 而 且 基 本 上 没 有 模 拟 不 同钻 井 方 式 下 井 底 岩 石 可 钻 性 研 究 的 相 关 报 道 。 为 此 , 笔 者 在 推 导 渗 透 性 岩 石 和 非 渗 透 性 岩 石 井 底 围 压 计 算 公 式 的 基 础 上 , 建 立 了 围压 下 不 同 钻 井 方 式 的 井 底 岩 石 可 钻 性 模 型 。 1 计算井底 围压 图 1 为 Ma u r e r 在单 齿 冲 击试 验 中通 过 改 变 井 筒 液柱 压力 得到 的破 碎坑体 积 与井 底压 力 的关 系 曲 线 井底压 力 为液柱 压 力 与孔 隙 压力 之 差 。 由图 1 可看出 当井筒压力增加到高于地层孔隙压力时 , 破 碎坑 体积 会迅 速减 小 ; 当压差 保 持不 变 、 水 平方 向的 主应 力增 加 时 , 破 碎 坑 体 积 大 小 不 变 。在 Ya n g和 G r a y所 做 的试 验 中, 破 碎坑 体 积 随水 平 主应 力 的增 加 而有微 小增 加[ 1 。 。 。利 用 Ab a o u s 软 件模 拟井 下 岩 石应 力场 分布 发现 , 在钻 头底 部待 破碎 1 0 mm 的 范 围内井 底 岩 石 强 度 受 水 平 应 力 的影 响 很 小 “ ] 。这 些试 验 和理 论研 究证 明了井 底岩 石强 度 主要受 轴 向 上应 力 的控 制 。 图 1 井底 压 力 和 水 平 应 力 对 破 碎 岩 屑 体 积 的 影 响 当钻 进低 渗透 性 岩 层 时 , 由于 钻井 液 难 以渗入 到 低 非 渗 透性 的岩 层 孔 隙 , 不 能 及 时 平 衡 岩 屑上 下 的压差 , 压 差作 用 阻碍 了井底 岩 屑 的及 时清 除 , 影 响 了破岩 效 率_ 1 。但在 钻 进渗 透 性 地 层 时 , 孔 隙压 力 对 井底 产生 向上 的“ 推 力 ” , 即 岩石 受 到轴 向上 的 收稿 习期 2 0 0 9 一 l l 一 1 2 ; 改回 日期 2 O 1 0 - 0 卜2 O 基金项 目 国家重大专项“ 大型油气田及 煤层气开发” 子项 目“ 气 体钻 井关键 工 艺理 论及 钻柱 力学研 究” 编号 2 O O 8 Z xO 5 O 2 2 0 0 5 0 0 4 HZ 资 助 作 者 简 介 杨 谋 1 9 8 2 , 男 , 湖 北 潜 江 人 , 2 0 0 6年 毕 业 于 长 江 大 学石油2 - 程专业 , 油气井专业在读博士研 究生, 主要从事 欠平衡钻 井 、 气体 钻 井提 逮 机 理 及 工 艺 方 面 的研 究 。 联系方式 0 2 8 8 3 0 3 5 4 5 0 , y m5 2 8 9 1 9 1 2 6 . C O F II 石 油 钻 探 技 术 拉 应力 , 减小 了岩 石 的可钻 性级 值 , 有 利 于破岩 。依 据 地质 学界定 , 渗 透 率 大 于 0 . 0 0 1 1 0 ff m。为 渗 透 性岩层 , 渗 透率 小 于 等 于 0 . 0 0 1 1 0 / a m 的 为 低 非 渗 透性 岩层 。因此 , 岩 石 的渗透 性不 同 , 求 取 井底 岩石 围压 也存 在着 较大 的差异 。 1 . 1渗透 性岩 石 井底 围压 对 于井 眼 底 部 的 岩 石 , 因 为 在 流 体 和 岩 石 之 间 没有 剪 应力 存 在 , 所 以 , 一 个 主应 力 与 井 眼 底 部 垂直 , 对于大部分岩石来 讲是最小主应力 , 并且是 由井 眼压力 与 局 部 孔 隙压 力 的 压 力 差 。而 另 外 两 个 主应 力 平 行 于 井 眼 底 部 表 面 , 岩 石 的 强 度 主 要 由最 小 主应 力 决 定 , 这 样 对 于 渗 透 性 岩 石 , 由 于 井 深 的增 加而 引 起 岩 石 强 度 增 加 是 由于 井 眼压 力 和 原 地 孔 隙 压 力 共 同 作 用 的 结 果 。 因 此 井 底 的 围 压 为 P 一 Ph P 一 0. 0 09 81 p H P 1 式 中, P 为 井 底 围 压 , MP a ; P 。为 地 层 孔 隙 压 力 , MP a ; H 为 井 筒 中液 柱高 度 , m; P 为井 筒 中的循 环 介 质密度 , k g / L 。 1 . 2非渗 透 性岩石 井底 围压 对 于非 渗 透 性 岩石 , 没有 水 源 与孔 隙 连接 来 填 充 孔隙体 积 , 任何 局 部 孔 隙体 积 的 变化 都 是 由于 上 覆 岩层 压 力 的 减小 , 导 致 岩 石 骨架 体 积 膨 胀 、 孔 隙 间流体膨胀 、 孔 隙体积减小 。因此 , 计算非渗透性 岩 石 的孔 隙 压力 与计 算 渗 透 性 岩 石 的 孔 隙 压 力 不 同, 需要研 究总 体积 和孔隙体 积 的变 化对 孔隙压 力 的影 响 。 在钻 井 过 程 中 , 地 层 被 揭 开 , 上 覆 岩 层 压 力 减 小 , 岩石 的 总体积 、 孔 隙体 积 都减 小 , 由于岩 石 为 弹 性体 , 其 总体 积 的变 化应 该是 平均 应力 变化 的 函数 , 平 均应力 被定 义为 [ 1 一 l 2 3 / 3一p。 2 式 中 , 、 可 以 由现场水 力压 裂试 验法 测 定或 者 声 发射 凯赛 尔效应 测 定 以及 分 层 方 法来 求 取 , 为 液 柱压 力 。 孔 隙岩石 总体 积 的变化 是平 均有 效应力 变化 以 及岩 石骨 架体 积压 缩 率 的函 数 , 有 效应 力 为 平 均 应 力减 去孔 隙压 力 , 岩 石 总体 积 的 变 化取 决 于 有 效应 力 。一般 情况 下 , 随着有 效应 力 的减 小 , 岩石 的压缩 率降低 , 岩 石就 会 膨 胀 。孔 隙 体 积 变化 与 岩 石 体 积 压缩率 的变化关 系 为 AV 一 吉 [ c b 一 1 c R ] △ 一 吉 c b c R △ 3 式 中 , V 为 流 体 体 积 , m。 ; 为 岩 石 的 孔 隙度 , 无 因 次 ; C b 为 岩 石 总 体 积 压 缩 系数 , MP a ; C 为 岩 石 骨架 压 缩 系 数 , MP a ; △ 户 。 为 孔 隙压 力 的变 化 值 , MP a ; △ 为 平均 应力 的变化 值 , MP a 。 对 于非 渗 透性 岩 石 , 孔 隙体 积 变化 引起 孔 隙压 力变 化 。对于 给定孔 隙体 积变 化而 引起 的孔隙 压力 变化的大小取决于孔隙流体 的压缩率 。对于给定物 质 的流体 , 压力 和孔 隙体积 的关 系为 一一 △p 。 c 4 式 中 , C 为孔 隙水 的压 缩 系数 , MP a _ 。 。 结 合式 3 和 式 4 , 推 导 出非 渗 透性 岩 石 在 给 定平均 压力 变化 下孔 隙压力 的变 化值 为 一 ㈤ 即非渗 透性岩 石井 底岩 石 的围压 为 P 一 ph P 一0 . 0 09 81 p H ~ △户。 6 2 围压下井底岩石可钻性模 型 根 据莫 尔一 库仑 准则 , 强度 直线 与最大 主应 力 圆 相 切 , 该 直线 与应 力轴 的夹 角为 内摩 擦 角 , 在 剪切 轴 r上 的截 距 C 。为 内聚力 。根 据 几 何关 系 可 求得 直 线型包 络线 的强 度公式 为口 一 。 7 一 s 十『 二 ⋯ 通过 室 内试 验 或 者测 井 数 据 求 出 和 C, 即可 得 到 围压 下 的岩石 强度 。 笔 者所 研 究 的岩 心 选 自川 西 某 地层 , 采 用 全 自 动 岩石 可钻性 测 试 仪 进 行 可 钻性 试 验 。试 验 条 件 钻压 8 9 0 - - 2 0 N 牙轮钻 头 、 5 0 0 1 0 N P DC钻 头 ; 转速 5 5 士 1 r / mi n 位 移 分 辨 率 0 . 0 1 mm 计 时 精 度 0 . 0 1 S ; 岩样 规格试 4 o 1 o o m mN 3 0 8 0 mm或 1 0 0 mm 1 00 m m 2 0~ 1 0 0 m m 。 将岩 石 围压下抗 压强 度 与可钻 性级值 采用 乘幂 关 系式进 行 回归 , 得 到 的关 系式 为 Kd一 1 . 2 6 。 ” 8 式 中 , d r 为 岩石 的抗压 强度 , MP a ; 相关 系数 为 0 . 9 3 。 把围压下岩石 强度计算式代人 到抗压强度与 可 钻性 关 系 模 型 中 , 即将 式 7 代 入 式 8 中 , 就 得 到 用岩 石 内聚力 和 内摩 擦 角 来 表 示 的 围 压 下 岩 石 可 钻性 模 型 第 3 8卷第 2 期 杨 谋 等 不 同钻 井方式下的井底 岩石可钻性研 究 K 1 . 2 6 。 一 。。 。 9 、1 一si n 1 一sl 1 3 . 式 中 , 为 内摩擦 角 , 。 ; C为 内聚 力 , MP a ; 为岩 石所受 的围压 , MPa 。 利 用 录 井 和 测 井 资 料 对 岩 石 渗 透 性 做 出判 断 后 , 对 不 同岩性 的岩 石求 取井 底 围压 ; 将井 底 围压 和 岩石 内聚 力 、 内摩擦 角代 入式 9 可得 围压 下岩 石可 钻性级 值 剖面 。 3 不 同钻井方式下井底岩石可钻性 3 . 1测 井数据 校正 分析 水 基钻 井液 侵人 对 泥岩 地层产 生 的影 响体 现在 两个 方 面 1 井壁 岩 石 的应 力 分布 发生 改变 ; 2 井底 岩石强度 降低。气体钻井 由于其特殊的工况及井筒 的循 环介 质 与其他 钻 井 方式 有 着 较 大 的差 异 , 无 法 利用 测井 数 据直 接来 计算 井底 岩石 力 学性质 。但 气 体钻 井 和其 他钻井 方 式 主要是 循环 介 质对测 井 曲线 存在 着 响应 , 因此 可 以通 过 室 内对 比分析 干岩 心 及 液体浸泡后岩心的声波速度 , 室 内模拟钻井液环境 及岩 心在 地 下 的温度 和压力 。通过 对 比分析 岩 心在 浸泡 前后 的声 波速 度 , 寻找 两 者之 间 的关系 , 并对 现 场测井数据进行适 当修正 , 来计 算气体钻井 的测井 数据 。试 验数 据见 表 1 。 由表 1可知 , 泥 岩 岩 心 在 水 中浸 泡 2 4 h后 , 岩 心 的长度 、 直 径和 质量 都有 不 同程度 的增加 , 而声 波 表 1 泥岩岩心饱和水前后 的声 波试 验数据 注 ①干岩心表示未经液体浸泡 , 其他 同; ②湿岩心表示用液体浸泡 2 4 h 、 已饱和水的泥岩岩心 , 其他同 ; ③ 时间指对应频 率的声波通过 岩 心柱和探头所需要 的时间; ④为探 头频率 。 时差有 增 加 的趋 势 。说 明泥 岩 岩 心 在水 中浸 泡 时 , 自发吸水 , 泥岩膨胀 , 岩石强度降低。干岩心的声波 时差要 小 于湿 岩心 的声 波 时 差 , 二 者 之 间 存 在 明显 的相关 性 , 关 系式如 下 Y 一 6 .8 3 9 x。 1 0 式 中 , Y为 干岩 心 的声 波 时 差 , t s / m; z为 湿 岩 心 的 声 波 时差 , t s / m; 二者 相关 性系 数 为 0 . 8 7 。 应 用式 1 0 来 校 正现 场 声 波 测 井 数 据 , 这 样 就 可 以用 来评 价分 析气体 钻 井岩 石力 学性 质 以及可 钻 性参 数 。 3 . 2可钻 性级 值 对 比分 析 利用 测 井数 据 和 围压 下 的岩 石 可 钻 性模 型 , 采 用 Ma t h C AD 软件 编程计 算分 析 不 同钻井 方 式 下 的 可钻 性级值 , 如 图 2所示 。 图 2表 明 , 不 同 的岩 性 在不 同 的钻井 方式 下 其 岩石 可 钻 性 级 值 差 异 较 大 , 原 因 是 由 岩 石 渗 透 性 决 定 的 。在泥 岩 和 砂 岩 层 段 中 , 当渗 透 率 很 低 时 , 常规 钻 井方 式 下 的 可 钻 性 级 值 与 气 体 钻 井 方 式 的 差值较小 , 在 泥 岩 层 中差 值 更 小 约 1 ~2个 级 鲁 \ 赚 鞍 图 2 常规 钻井和气体钻 井岩石可钻 性级 值对比分析 别 , 其 原 因 为 泥 岩 在 成 岩 过 程 中 压 实 致 密 , 渗 透 性差 或 者 根 本 无 渗 透 性 ; 当 地 层 渗 透 率 较 高 或 钻 遇 裂缝 时 , 气 体 钻 井 大 大 减 小 了 地 层 可 钻 性 级 值 约 2 ~4个 级 别 。 2 2 石 油 钻4 g - 技 术 2 0 1 0年 3月 4 结 论 1 地层 的渗 透 性对 计 算 出 的 岩石 可 钻 性 级 值 影 响较 大 。 2 气 体 钻 井 能 有 效 减 小 岩 石 的 可 钻 性 级 值 。 在 泥岩 和砂 岩地层 中 , 与常 规钻 井方 式相 比, 气 体钻 井 能减 小地层 可 钻性级 值 1 ~4 个 级别 。 3 对非 渗 透性地 层 , 气体 钻井 对 可钻 性 级值 的 减 小程 度不是 很 明显 , 但 由 于气 体 钻 井 具 有对 井 底 无压 持作 用 、 岩屑 清洁效 率 高 、 破 岩体 积大 等优 点也 能满 足提 高机 械钻 速 的要 求 。 E l i E 2 ] E 3 ] 参 考 文 献 刘向君 , 宴建军 , 罗平亚 , 等. 利用 测井资料评 价岩石 可钻性研 究E J ] . 天然气 工业 , 2 0 0 5 , 2 5 7 6 9 - 7 1 . 李士斌 , 张立刚 , 荆玲 , 等. 钻井参 数优选 新方法 [ J ] . 石油钻探 技术 , 2 0 0 7 , 3 5 4 9 - 1 1 . 梁启 明, 邹德永 , 张华卫 , 等. 利用 测井资料综 合预测 岩石可钻 性的试验研究 [ J ] . 石油钻探技术 , 2 0 0 6 , 3 4 1 1 7 - 1 9 . 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[ 审稿 管 志川] I n v e s t i g a t i o n o f Ro c k Dr i l l a b i l i t y u n d e r Di f f e r e nt Pe ne t r a t i n g M e t h o d Ya n g Mo u Me n g Yi n g f e n g Li Ga o L i Yo n g j i e Wa n g Ya n mi n ’ 1 .S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f 0i l a n d Ga s Ge o l o gy a n d Ex pl o r a t i o n,S o u t h we s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y,Ch e n g du,S i c h u a n, 6 1 0 5 0 0,C h i n a;2 .Po s t d o c t o r a l Wo r k s t a t i o n o f Ta r i m Oi l f i e l d Co mpa n y, Ku e r l e ,Xi n j i a n g,8 4 1 0 0 0,Ch i n a Ab s t r a c t I t i s e s s e n t i a l t o o bt a i n r oc k d r i l l a bi l i t y i n d r i l l i ng .Cu r r e nt l y t he r e a r e a l o t o f m e t ho ds f o r c a l c ul a t i ng r o c k d r i l l a bi l i t y,whi l e mos t o f t he m d i d n ot c on s i d e r t he i m p a c t o f c o nf i ni n g pr e s s u r e on r oc k dr i l l a b i l i t y . Thi s p a p e r d i s c us s e s t he i mp a c t of c o nf i ni ng pr e s s ur e on r oc k s t r e n gt h,a nd a na l y s e s t he di f f e r e n c e o f o bt a i ni n g c o nf i ni n g p r e s s ur e un de r v a r i ou s r oc k p e r me a b i l i t y .A d r i l l a bi l i t y m o d e l i s e s t a bl i s he d c o ns i d e r i n g c o nf i ni n g p r e s s ur e . Fl u i d l o gg i ng da t a a r e c o r r e c t e d t o o bt a i n r o c k m e c h a ni c s pa r a m e t e r s f o r ga s dr i l l i n g. Fi na l l y,r o c k d r i l l a bi l i t y g r a de i nd e xe s a r e a na l yz e d us i ng M a t hCAD s o f t wa r e .An a l ys i s i nd i c a t e s t ha t t h e dr i l l a b i l i t y l e v e l o f s ha l e c a n b e de c r e a s e d by 1 t o 2 gr a d e i n g a s d r i l l i ng we l l c ompa r e d wi t h l i q ui d dr i l l i n g。a nd s a nd s t one c a n be r e d uc e d 2 t o 4 g r a de s . Th e t he or e t i c a 1 a na l y s i s a gr e e s wi t h e x pe r i m e nt a l d a t a,a nd c a n be us e d t o pr e d i c t t he r a t e o f pe n e t r a t i on . Ke y wo r d s r o c k d r i l l a bi l i t y;p e r me a b i l i t y;p or e pr e s s u r e;c o nf i ni n g pr e s s u r e;g a s d r i l l i ng 幺 采 宋 一 一 一 一 { i 1 l { 1 i ’ ’ i i ’ . ; l l 1 { ’ . } ’ ’ 筇 ’ 尔 ’ 乔 ’ f 尔 ’ 尔 尔 尔 吻 J , 旎 尔 薪 尔 “ 教授专家专栏“ 征文启事 为 推动 我 国石油 工程 技术 的不 断发 展 , 促 进 国 内石 油 工程 界 科研 人 员 间 的不 断 交 流 , 本 刊 自 2 0 0 1年第 3期开始 , 开辟 了“ 教授专家专栏” 栏 目。该栏 目主要 刊登 国内外石油工程界知名教授 、 专家的文稿 , 以期能 对我国石油工程技术 的发展起到一定的导向作用 。为此 , 本刊向社会征稿 , 只要具有一定的理论高度或一定 的导向性 , 石油钻井 、 完井 、 钻井液、 采油 、 机械方面的稿件均可。所有稿件一经采用 , 稿费从优。来稿请注明 “ 教 授专 家专 栏” 栏 目征文 。 石 油钻探技 术 编辑部