巖石可鉆性指標的定義及參數(shù)獲取新概念

巖石可鉆性指標的定義及參數(shù)獲取新概念

1巖石可鉆性及能量傳遞方式分析根據(jù)巖石鉆孔的定義，代表巖石物理力學性質(zhì)的指標包括抗壓強度、壓入硬度、點負荷強度、彈性模量、聲波速度等?？茁?、鉆頭入量、單位重量破碎單位體積的能量（如pu碎屑法和ba屑法），微孔法的孔率、孔深、孔時間等。這些指標通?？梢愿爬閺姸戎笖?shù)、位移指數(shù)和能量指數(shù)。物理力學性質(zhì)指標雖然在一定程度上反映了巖石抵抗破壞或被破碎的能力,但它們不能反映鉆進時巖石的破碎過程;抗壓強度指標,即使是三軸抗壓強度指標也不能完全模擬鉆孔內(nèi)實際的圍巖應力狀態(tài),且?guī)r石取樣也具有很大的離散性,加壓測試過程及壓頭與巖石端面的接觸情況也與實際的鉆鑿條件不一致;壓入硬度及點載荷強度等指標,由于實驗本身的限制,接觸面非常狹小,如此小的點、線或面難以代表巖石的整體情況;彈性模量是通過應力-應變曲線間接獲得的,同樣受到強度指標測試的限制.因而,不考慮巖石結(jié)構(gòu)的復雜性以及脫離孔內(nèi)圍壓及溫度等環(huán)境而進行的不恰當?shù)膮?shù)化,對巖石可鉆性的反映是極不準確的.聲波速率(嚴格說,為縱波速率或聲波時差)是通過測井數(shù)據(jù)獲得的.由于巖石本身是一種非完全彈性介質(zhì),巖石的礦物成分、顆粒大小、膠結(jié)狀態(tài)、孔隙率及松散程度等,會造成聲速差異,聲波速率也難以反映巖石的實際可鉆性.一定條件下的實際穿孔速率雖然能反映穿透地層的圍巖應力狀態(tài)以及試件的離散性問題,但受地層、鉆頭類型及鉆進參數(shù)的影響,條件性很強,度量標準不準確.破碎比能是指破碎單位體積巖石所需要的能量.一方面,實際巖石鉆孔時,鉆頭、鉆桿不僅和孔壁、巖屑存在摩擦,而且還有沖洗液的作用,其能量的傳遞方式與破碎比能實驗模擬條件大相徑庭,因而破碎比能實驗模擬不能反映孔底巖石的應力狀態(tài),同時也不能反映孔內(nèi)的應力狀態(tài);另一方面,無論是搗碎法還是砸碎法,破巖原理均屬沖擊破碎,而勘探鉆進為回轉(zhuǎn)式,其破巖機理完全不同,也難以反映旋轉(zhuǎn)破碎的情況.微鉆法是由Rollow提出的一種研究巖石可鉆性的方法,20世紀80年代在我國石油行業(yè)得到了推廣.該方法采用微型鉆頭及實際巖芯,在實驗室鉆進臺上模擬鉆進的實際過程.可鉆性指標可以是穿孔速率、設定時間內(nèi)的進尺或設定深度內(nèi)的時間.但和其他巖芯實驗法一樣,微鉆法脫離了孔內(nèi)的溫度場、應力場等實際環(huán)境,無法模擬孔內(nèi)應力狀態(tài),而且,可鉆性數(shù)據(jù)隨機、離散、有限,測試工作滯后于實際鉆進,不能隨鉆隨測,周期長,費用高.巖屑能量法是基于能量破碎原理的,其不足與破碎比能實驗模擬法相同.A,B法則適用于鉆頭的抗研磨性設計.實際鉆進過程中,鉆具存在磨損不均,實際鉆頭磨損量的體積測量也十分復雜,且在薄層、軟地層及磨蝕性差的地層中,鉆具磨損量甚微,因而分級及級差會受到限制,從而影響可鉆性分級的精度.此外,鉆孔錄井實時數(shù)據(jù)已被用來優(yōu)化采礦作業(yè)參數(shù),新的可鉆性指標和概念也不斷被提出.綜上分析,從巖芯實驗和原位實測來看,可鉆性指標宜以實際鉆鑿來衡量.因為實際鉆鑿與地層、標準的鉆鑿工具、鉆孔方式、孔底環(huán)境場以及實際用于鉆孔巖石破碎的能量有關(guān),所以實際鉆鑿反映了地層巖性、鉆頭以及環(huán)境的關(guān)系.因此,巖石的可鉆性可定義為在一定的外力和鉆具條件下巖石抵抗鉆頭破壞的能力.可鉆性指標不僅應反映巖石抵抗尖銳工具入侵的能力,而且要反映所穿透地層的巖石與鉆具間的相互作用關(guān)系.無論是沖擊還是旋轉(zhuǎn)式破巖,鉆頭端面及側(cè)向與巖石間的相互作用最終可通過能量消耗的形式來表現(xiàn),因此可鉆性指標應為單位能量下的穿孔速率.事實上,盡管每種巖石的破碎比功不同,但在標準條件下特定巖石的破碎比功是不變的.不管采用什么樣的鑿巖工具,只要破碎的表面積和粒度分布相同,破碎單位體積的巖石所需消耗的能量就是一樣的.也就是說,巖石的破碎比功只與輸入的能量有關(guān),與工具無關(guān).不同的鉆鑿工具,在同一地層的巖石中具有不同的穿孔速率,那是因為不同的鉆具對能量的傳遞效率不同.這進一步解析了采用單位能量下穿孔速率作為可鉆性指標的科學性.2鉆機產(chǎn)生的能量根據(jù)可鉆性指標的定義,設任意時刻的穿孔速率為Vp,鉆孔破碎巖石所消耗的能量為Es,則可鉆性指標Kd可表示為:Κd=VpEs(1)Kd的物理意義為:在一定條件下,巖石吸收Es大小的能量,破碎單位體積的巖石,并使鉆孔推進一個單位的深度.若從時刻t1到時刻t2,鉆頭位移從H1到H2,則:Vp=Η2-Η1t2-t1=ΔΗΔt(2)鉆頭破碎的體積Vb為:Vb=πΔΗ4(D22-D21)(3)式中,當巖芯鉆進時,D2為鉆孔外徑,與所鉆鑿地層的巖性有關(guān);D1為巖芯外徑,當為破壞性鉆進時,D1=0.又設t時刻施加在鉆具或鉆頭上的有效軸壓為Te,則:Te=WOB·cosα+Td-Tu(4)式中,WOB為t時刻鉆具的重量;α為鉆孔軸線方向與鉛直線的夾角.垂直鉆孔時,鉆孔軸線與鉛直線重合,α=0;水平鉆孔時,鉆孔軸線與鉛直線垂直,α=90°.Td,Tu分別為t時刻作用于鉆具上的下向軸推力及上向調(diào)壓力.鉆機所產(chǎn)生的能量由兩部分組成:由鉆具重力、軸壓力及調(diào)壓力組成的有效軸推力隨鉆頭鉆進位移所做的功Ee;由鉆機旋轉(zhuǎn)所做的功Er.根據(jù)能量守恒原理,鉆機所產(chǎn)生的能量用以克服鉆具與孔壁、鉆井液及巖屑之間的摩擦阻力;鉆頭與孔底巖石、鉆頭體側(cè)向與孔壁等的摩擦阻力所需要的能量Ef,以及破碎巖石所需要的能量Ep.用公式表示為:Ee+Er=Ef+Ep(5)則Ep=Ee+Er-Ef(6)考慮到能量的傳遞效率,上式可進一步簡化為:Ep=K1Ee+K2Ef(7)式中,K1,K2分別為有效軸推力和轉(zhuǎn)矩所做的功對巖石破碎的貢獻率.從時刻t1到時刻t2的Δt時間內(nèi),有效軸推力和轉(zhuǎn)矩用于破碎巖石所消耗的功分別由下式確定:ET=TeVpΔt(8)Er=MNrΔt(9)式中,M為作用于鉆頭的力矩,Nr為鉆頭轉(zhuǎn)速.將式(8),(9)代入(7),可得破碎單位體積所需的能量,即比能公式為:Es=4(Κ1ΤeVp+Κ2ΜΝr)π(d22-d21)Vp(10)式中,d1,d2為鉆頭的內(nèi)直徑及外直徑.同樣,當破壞式鉆孔時,d2=0.將式(10)代入(1),得可鉆性指標的計算公式如下:Κd=4(Κ1ΤeVp+Κ2ΜΝr)π(d22-d21)(11)因為力矩和有效軸壓呈線性關(guān)系,則可鉆性指標可進一步表示為:Κd=4Τe(Κ1Vp+Κ2Κ3Νr)π(d22-d21)(12)式中,K3為力矩與軸壓之間的比例系數(shù).式(12)可進一步用自然對數(shù)表示為:ln(Κd)=ln[4Τe(Κ1Vp+Κ2Κ3Νr)π(d22-d21)](13)式(12)即是有效軸壓、轉(zhuǎn)數(shù)和穿孔速率耦合的可鉆性指標預測模型.一旦K1,K2及K3確定,就可直接根據(jù)鉆進工作參數(shù)確定所穿透地層的可鉆性指標.從式(12)可知,對于一定的鉆頭而言,所穿透地層巖石的可鉆性由有效軸壓、轉(zhuǎn)速和穿孔速率確定.也就是說,有效軸壓、轉(zhuǎn)速和穿孔速率的變化將反映地層巖性的變化,根據(jù)這些參數(shù)的變化,可以實現(xiàn)對地層的實時識別.這為DPM系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的地層識別奠定了重要的理論基礎(chǔ).3地層巖性變化時的敏感性對于標準化的鉆具(鉆頭)和鉆鑿方式,在特定的巖石中,穿孔速率是恒定不變的,且比功為常量.兩個不變量的比值仍是常量.說明在特定的地層巖性中,可鉆性指標所反映的特征值是恒定的.相反,如果地層巖性發(fā)生了改變,穿孔速率和破碎比能也將隨之發(fā)生改變.由于穿孔速率隨巖石強度和硬度指標的增高而降低,破碎比能隨巖石強度及硬度指標的增高而增大.所以,穿孔速率與比能隨地層巖石的物理力學性質(zhì)的變化是互逆的.可見,穿孔速率與比能的比值——可鉆性指標的梯度降——將隨巖石強度及硬度指標的增大而減小,敏感性是非常顯著的.可鉆性指標對地層識別的分辨能力可由敏感性進行檢驗.根據(jù)定義,利用公式(1),設在深度H或t時刻,鉆頭從A地層到B地層,穿孔速率由Vp改變?yōu)閂p+ΔVp,破碎比能由Ep改變?yōu)镋p+ΔEp,則敏感性Ks為:Κs=Κd,B-Κd,AΚd,A=ΔVpVA-ΔEsEA1+ΔEsEA(14)根據(jù)式(14),若鉆鑿地層從軟地層A到硬地層B,則VB<VA,ΔVp<0;而EB>EA,ΔEs>0.所以,式(14)的分子ΔVpVA-ΔEsEA恒小于0,而分母1+ΔEsEA恒大于1.可鉆性指標的敏感性系數(shù)恒小于0.若鉆鑿地層從硬(A)到軟(B),則VB>VA,ΔVp>0;而EB<EA,ΔEs<0,式(14)的分子ΔVpVA-ΔEsEA恒大于0,而分母1+ΔEsEA=EBEA恒小于1,可鉆性指標的敏感性系數(shù)恒大于0.因此,當?shù)貙訋r性發(fā)生變化時,可鉆性指標的敏感性系數(shù)就不可能等于0.這意味著只要地層巖性發(fā)生改變,可鉆性指標將隨之發(fā)生改變.可見,可鉆性指標對地層巖性的識別是顯著的.若在不同巖性的地層中,具有相同的穿孔速率,但破碎比能不同(因構(gòu)成巖石的顆?；蚓Ц?、膠結(jié)狀態(tài)、物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)不同).可鉆性指標的識別能力同樣按上述兩種情況進行分析.若從相似地層A到地層B,但VB=VA,ΔVp=0;如果EB>EA,則ΔEs>0.所以,式(14)的分子ΔVpVA-ΔEsEA還是恒小于0,而分母1+ΔEsEA恒大于1.可鉆性指標的敏感性系數(shù)恒小于0.此時,如果EB<EA,則ΔEs<0.所以,公式(14)的分子ΔVpVA-ΔEsEA恒大于0,而分母1+ΔEsEA=EBEA恒小于1.可鉆性指標的敏感性系數(shù)恒大于0.綜上分析,即使穿孔速率相同,可鉆性指標的敏感性系數(shù)也不可能等于0.可見,在地層巖性不同,但物理力學特性相似,穿孔速率相同的地層中穿孔時,可鉆性指標的敏感性也是顯著的,同樣可以對地層進行識別.以上也進一步說明了用穿孔速率作為可鉆性指標在理論和應用上存在的問題.4地層界面識別參數(shù)3g.在地層鉆進中,有效軸壓Te,鉆頭轉(zhuǎn)速Nr,穿透速率Vp均可以看作是孔深h的函數(shù).因此,可鉆性指標可用鉆孔深度h的函數(shù)表示.設Kd=f(h),則f(h)為隱函數(shù).顯然,可鉆性指標變化的程度,可用其在單位孔深上的變化率來表征.在Kd-h曲線中,即為曲線斜率的變化或梯度的改變.如圖1,設從孔深i位置變化到i+1位置,則變化率為:ΔΚd,iΔhi=Κd,i+1-Κd,ihi+1-hi(16)當Δh→0時,可用f(h)的導數(shù)K′d表示為:Κ′d=limΔh→0ΔΚdΔh=f′(h)(17)由于f(h)為隱函數(shù),因此式(17)可進一步用偏導數(shù)表示為:Κ′d=f′(h)=?Τd?h??Νr?h??Vp?h(18)式(18)確定了可鉆性指標隨鉆孔深度變化的梯度.K′d的物理意義為:在某一地層中,當孔深的變化趨于無限小時可鉆性指標的變化.K′d的幾何意義為:Kd-h曲線的斜率,其角度為α=arctan(K′d).根據(jù)梯度變化的大小可對所鉆地層進行區(qū)劃.設識別地層的分辨率為Δh,同一地層內(nèi)許可的可鉆性指標的變化幅度——級值,為ΔGd,則由公式(18)得識別公式為:|ΔK′d|=|f′(Δh)|=|f′(hi+Δh)-f′(hi)|≥ΔGd(19)這里,分辨率是指系統(tǒng)能識別的最小厚度.當Δh→0時,為連續(xù)、動態(tài)識別模式.ΔGd的物理意義為:當孔深發(fā)生Δh的變化時,屬于同一巖性地層的可鉆性指標所允許變化的最大幅度.若超出了ΔGd值,則屬于另一巖性的地層.其幾何意義為:在Κ?dh曲線中,當自變量發(fā)生的變化為Δh時,曲線斜率變化所允許的最大值.根據(jù)圖1,式(19)可用角度表示為:|Δαd|=|arctan(α2)-arctan(α1)|≥arctan(ΔGd)(20)式(20)反映了從孔深hi到hi+1時,Kd-h曲線方向的變化.如果孔深發(fā)生的變化量為Δh時,Kd-h曲線的方向改變了arctan(ΔGd),則說明地層的巖性發(fā)生了顯著變化,可以判為另一屬性的地層.在地層界面處,巖性的改變有兩種情況:一是發(fā)生根本性的改變,巖體的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)等完全不同,物理力學性質(zhì)截然不同.因此,在界面處巖體抵抗機械破壞的性質(zhì)也完全不同.在Kd-h曲線上,表現(xiàn)為曲線的方向發(fā)生突變.二是漸變形式,物質(zhì)分異面并不明顯,在界面附近存在過渡帶或區(qū).在Kd-h曲線上,表現(xiàn)為曲線沿原來的方向走向,沒有明顯的改變.此外,結(jié)構(gòu)面、滑移面以及水、氣、油等的與巖體的分界面,也可視為物質(zhì)分異面.廣義地,可以歸為第一種情況.地層界面識別參數(shù)ΔGd的設置必須滿足突變界面和漸變界面的有效標識.理論上,ΔGd的設置不受任何限制,可設置為無限小.ΔGd越小,精度越高.但從應用的角度,ΔGd設置太小,標識的界面多,不能把主界面和次界面有效地分開.因此,ΔGd的設置以滿足研究目標或工程要求為前提,通過實際鉆進標定后確定.傳統(tǒng)的可鉆性分級只針對巖石,且鉆孔的可