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文章编号 16730836 2005 06 091503 根据岩屑硬度和塑性系数确定地层岩石的力学性质 李 斌 , 杨春雷 , 刘 勇 西南石油学院岩石破碎学与钻头研究实验室, 四川 成都 610500 摘 要 在石油钻井和开发过程中准确掌握地层岩石的力学性质是非常重要的工作。本 文通过对新疆油田部分油气井在钻井过程中获得的岩屑, 在实验室测得了岩屑的硬度和塑性 系数, 在大量试验数据基础上, 建立了岩屑硬度和塑性系数与岩石可钻性、 抗压强度和研磨性 的相关关系, 从而获得钻井地层岩石的力学性质。 关键词 岩屑; 硬度; 塑性系数; 岩石; 试验 中图分类号 TD313 文献标识码A Rock Mechanical Properties According to Hardness and Plasticity Coefficient of Rock Cuttings LI Bin , YANG Chunlei , LIU Yong The Rock Fragmentation and Bit Laboratory, South- West Petroleum Institute, Chengdu 610500, China Abstract It is important to know about the ation mechanical properties during the process of oil drilling and ex ploitation. The relevant relations between hardness and plasticity coefficient of rock cuttings and drilling rock capability, compressive strength and grinding are described based on the data of the experimenta on the rock cuttings from the Xinjiang Oil field. With the relevant relations, the mechanical properties of rock in the drilling ation can be gained. Keywords rock cuttings; hardness; plasticity coefficient; rock; test 1 引言 钻井地层岩石的力学性质是油气田钻井和开 发所必需的基础技术参数, 常常应用于井眼稳定性 分析、 钻头选型和钻井参数优选、 油井出砂分析、 油 井压裂酸化的措施选取等领域。特别是在钻井现 场要进行钻头合理选型和钻井参数优选, 最重要的 工作就是能及时准确地掌握钻井地层岩石的力学 性质。如果能在钻井现场能及时地获得地层岩石 的力学特性, 我们就可以确定钻头在具体井段用最 适合地层岩石特点的钻头类型, 从而提高钻井速 度, 节省大量的钻井成本。 获得地层岩石力学特性的方法有岩芯试验法 和测井资料预测法。岩芯试验法需要获得不同构 造、 不同层位、 不同井深的岩芯, 而钻井工程中钻取 岩芯的主要目的是为了地质和油藏的解释, 往往钻 取岩芯的层位都是含油气段, 获得岩芯的成本和难 度都很大, 即使获得的岩芯都需到实验室进行试 验, 需要的时间和周期都很长。测井资料预测法需 要一定数量已钻井的测井资料, 同时也需要实测一 些地层岩石的力学性能, 并且声波测井是在钻井完 成后获得的, 而不能在钻井过程中获得地层岩石的 特性。因此迫切需要一种既不受岩芯和测井资料 限制的岩屑试验法来获得地层岩石的力学性质。 岩屑试验法采用的试验方法主要有岩屑声波 法和岩屑压入法, 岩屑声波法获得岩石的力学性质 是利用岩石的声学特性, 但它不能通过直接测量来 获得岩石的力学特性, 需要建立岩石力学性质和岩 石声学特性的关系式, 由于岩石的不均匀性和各向 异性, 很难建立可靠的关系式, 往往建立的关系式 第 1卷 第 6 期 2005 年 12月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 Chinese Journal of Underground Space and Engineering Vol. 1 Dec. 2005 收稿日期 200508 05 修改稿 作者简介 李 斌 1963 , 男, 四川南充人, 副教授, 博士研究生, 从事岩石力学与钻头工作力学的教学与研究。 误差都很大, 同时对于一些岩石声学特性差的岩石 如井下的泥岩及页岩等 试验误差更大。岩屑压 入法是在岩屑上直接进行压入硬度试验, 可准确获 得岩石的硬度和塑性系数, 同时从岩石可钻性、 抗 压强度及研磨性的试验原理和方法可知, 它们同岩 石的硬度和塑性系数有很大的相关性, 这样就能准 确地获得地层岩石的力学性质。 2 岩屑压入法的试验原理 岩石硬度是指岩石抵抗其它物体压入的破碎 强度, 即是在压头压入岩石后, 岩石产生第一次体 积破碎时接触面上单位面积的载荷。塑性系数是 指岩石在压头压入后, 岩石产生第一次体积破碎时 破碎消耗的总功与弹性变形功的比值。两种参数 的试验原理均采用圆柱压入法, 即用一定直径的平 底圆柱体压头压入岩屑表面, 随着载荷的增加, 压 头吃入岩屑的深度也逐渐增加, 直到岩屑产生第一 次体积破碎为止。因此岩屑压入法的试验原理可 概述如下 选择合适的岩屑表面, 在一个恒定载荷 作用下, 用一定直径的平底圆柱体压头压入岩屑表 面, 并且在恒定增加的载荷下达到所确定的最大载 荷和压入深度, 同时用数据采集和处理装置获得加 载 位移曲线, 最后获得岩屑的硬度和塑性系 数。岩屑压入法的试验装置见图 1所示。 图 1 岩石硬度和塑性系数的试验装置 Fig. 1 The test devices for the rock hardness and plastic coefficient 3 岩屑压入法的试验过程 1 首先在泥浆震动筛处获得井下岩屑, 筛分 出颗粒较大的岩屑, 然后将清洗、 晾干后的岩屑用 快干胶固结在岩屑盒中, 并保证岩屑的平整表面露 出, 同时在实验进行中保证压头压入凹痕垂直于岩 屑表面; 2 用液压方式对岩屑表面施加载荷, 直到岩 屑产生第一次体积破碎, 从而获得最大的破碎载荷 和压入深度; 3 在试验过程中, 通过压力传感器、 位移传 感器, 用计算机数据采集系统自动获得压头压入岩 屑的载荷 位移变化曲线, 并通过数据处理软件 自动获得岩石的硬度和塑性系数; 4 根据岩屑硬度和塑性系数与岩石可钻性、 抗压强度及研磨性的关系式, 获得钻井地层岩石的 力学性质。 新疆油田高泉井塔河组钻井地层岩屑的岩性 主要是泥岩、 石膏质泥岩及粉砂质泥岩, 获得的岩 屑颗粒较小, 为了准确测得地层岩石的力学性质, 在试验前首先将岩屑颗粒用高强度粘胶固结在岩 屑盒中 如图 2 所示 , 然后用试验机测试岩屑的硬 度和塑性系数。 图 2 岩屑颗粒在岩屑盒中的分布情况 Fig. 2 Distribution of rock cuttings in the rock cuttings box 4 关系式的建立 在钻头选型和钻井参数优选中常用的地层岩 石力学参数是岩石可钻性、 硬度、 塑性系数、 抗压强 度和研磨性。从岩石可钻性、 抗压强度及研磨性的 试验原理和方法可知, 它们同岩石的硬度和塑性系 数有很大的相关性。因此用压入法获得了岩屑的 硬度和塑性系数后, 重要的工作就是建立岩屑硬度 和塑性系数与地层岩石可钻性、 抗压强度和研磨性 之间的相关关系。为了建立这些关系式, 我们用 5 个油田的 12 种泥岩及砂泥岩岩芯首先测定了岩石 的可钻性、 抗压强度和研磨性, 然后用机械撞击的 方法, 在每块岩心上取近百个岩屑测定岩屑的硬度 和塑性系数, 最后对获得的试验数据进行了统计和 回归分析, 获得了岩石力学参数之间的关系式。 916 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1卷 c 0. 237H- 0. 016K Ks 1. 024c 9. 258K- 0. 075H 式中 c为岩石单轴抗压强度, MPa; H 为岩石 硬度, MPa; K 为岩石塑性系数; Ks为岩石可钻性, 秒; 为岩石的研磨性, mg。 回归分析表明 岩石抗压强度与岩石的硬度和 塑性系数的相关性最好, 相关性较差的是岩石研磨 性。但它们的复相关因数最差的为 0. 523, 显著性 检验值 F 20. 16远大于 7. 47。T 检验结果表明, 岩石抗压强度的显著性水平最高, 而岩石可钻性的 显著性水平也较高。 5 试验结果及分析 在本次试验研究中, 准确获得了新疆油田高泉 井塔河组钻井地层岩屑的硬度和塑性系数 获得的 试验曲线见图 3 所示 , 然后利用建立的岩屑硬度 和塑性系数与岩石力学性质的关系, 即可获得地层 岩石的力学性质。 由获得的试验结果可知 新疆油田高泉井塔河 组地层岩石在大部分井段其硬度级值都是 2 级, 可 钻性级值是 2、 3 级, 抗压强度级值是 1、 2 级, 塑性 系数级值是3、 4级, 属于中塑性、 低强度、 中研磨性 的软岩石, 只是在井段 3250m 到 3260m 的石膏质 泥岩和井段 4 150 m 到 4 160 m 的泥岩可钻性级值 是4 级, 抗压强度级值是 3 级, 塑性系数级值是 2 级, 属于低塑性、 低强度、 低研磨性的软- 中软岩 石。 图 3 岩屑硬度和塑性系数的试验曲线 Fig. 3 The experimental curve of the hardness and plasticity coefficient of rock cuttings 新疆油田高泉井塔河组地层岩石的力学性能 随钻井井深的变化曲线见图 4所示。 图 4 新疆油田高泉井塔河组岩石力学性质 随钻井井深的变化曲线 Fig. 4 The curve of mechanical proferty variayion of rock from Ta River of Gao Quan well in XinJiang oil field with the well depth 6 结论 本文通过对新疆油田部分油井开展钻井岩屑 的试验研究, 获得了下面一些结论 1 利用钻井岩屑来测定钻井地层岩石的力 学性质方法是可行的, 这为钻井井场实测地层岩石 的力学性质提供了新途径, 为及时准确掌握地层岩 石的力学性质提供了新的方法。 2 岩屑压入法能直接测定钻井岩屑的硬度 和塑性系数, 这项技术可在钻井现场进行实地测 量, 对钻井地层岩石进行实时评价。 3 通过岩屑和岩石的力学性质试验, 建立了 钻井岩屑与地层岩石力学性质之间的关系, 为应用 岩屑压入法预测地层岩石的力学性质奠定了基础。 4 建立的关系式主要是针对软 中软地 层的砂泥岩, 若要应用于其它地层岩石则需要更多 的相关试验。 参考文献 [1] 程远方, 梁何生. 大港油田重点勘探区块地层坍塌压 力研究[ R] . 东营 石油大学 华东 石油工程学院 1998 下转第 939页 917 2005 年第 6期 李 斌, 等 根据岩屑硬度和塑性系数确定地层岩石的力学性质 由以上分析可知, 导致隧道施工工期延误的主 要因素是刀盘、 刀头磨损, 地基处理不当, 管片就位 不准, 液压推进系统漏油, 注浆压力控制不当和管 片质量不合格。对这几个基本事件, 无论是仅与事 故树结构有关的结构重要度或是仅与基本事件的 概率敏感度有关的概率重要度, 包括与敏感度和自 身发生概率均有关的临界重要度的值都比其它基 本事件的值大, 说明这些基本事件无论从哪一个方 面来说, 都是比较重要的。因此, 我们在进行日常 风险管理的过程中, 需要重点注意这几个风险因 素, 控制住这几个风险因素, 就能大大减少工期延 误的概率。 4 结论 通过利用事故树法对影响隧道工期的风险进 行分析, 得出以下结论 1 影响隧道工期的风险因素较多, 且因素间 的逻辑关系比较复杂, 利用事故树法能够较全面的 列出各种因素, 并且能够简洁、 形象的描述其逻辑 关系。 2 经分析, 刀盘、 刀头磨损, 地基处理不当, 管 片就位不准, 液压推进系统漏油, 注浆压力控制不 当和管片质量不合格等风险因素是关键风险因素, 在风险管理过程中, 要针对这些因素提出合理的控 制措施, 有效的控制这些因素, 工期延误的风险就 会大大降低。 参考文献 [1] 同济大学. 崇明越江通道工程风险分析研究总报告 [ R]. 2002 [2] 陈龙博士论文 城市软土盾构隧道施工期风险分析与 评估研究[R]. 2004 [3] 史定华, 王松瑞. 故障树分析技术方法和理论[M] . 北 京师范大学出版社. 1993 [4] 罗云, 樊运晓, 马晓春. 风险分析与安全评价[M]. 化 学工业出版社 . 2004 [5] 李宁军, 张小荣. 隧道施工计划的分析法[ J]. 广东公 路交通. 1998, 54 [6] 徐上进. 风险管理方法在隧道施工中的应用[J]. 山西 建筑 2003, 29 [7] 陈计明. 浅论隧道盾构施工离进站的技术措施[J] . 隧 道地下工程 2002, 7 [8] By GinaK. 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