一種利用巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值的方法

陳軍海, 王 怡, 韓艷濃, 曾義金, 孫連環(huán)

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100101; 2.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

一種利用巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值的方法

陳軍海1,2, 王 怡1,2, 韓艷濃1,2, 曾義金1,2, 孫連環(huán)1,2

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室,北京 100101; 2.中國石化石油工程技術(shù)研究院,北京 100101)

基于微鉆巖石可鉆性試驗與巖石強度刻劃試驗破巖機制一致性,通過開展試驗獲得兩種試驗巖石破碎比功的轉(zhuǎn)化關(guān)系,結(jié)合巖石PDC鉆頭可鉆性級值求取方法,建立利用刻劃巖石破碎比功求取巖石PDC鉆頭可鉆性級值模型,形成一種通過刻劃巖心表面得到巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面的方法。結(jié)果表明,該方法不但與微鉆可鉆性試驗結(jié)果具有很好的一致性,還充分表征了礦物組分、膠結(jié)強度、微觀結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素變化對巖石PDC鉆頭可鉆性級值的影響,且不破壞巖心的整體結(jié)構(gòu),提高了巖心的利用率,推廣應(yīng)用價值高。

刻劃試驗; PDC鉆頭; 破碎比功; 巖石可鉆性級值; 巖石破碎

巖石可鉆性是表征巖石破碎難易程度的一種綜合性指標,是進行鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井工藝參數(shù)優(yōu)選、機械鉆速預(yù)測等工作的主要依據(jù)[1]。研究者建立了石油鉆井中地層巖石可鉆性的微鉆試驗方法和可鉆性級值分級方法[2-4],長期以來有效支撐了石油鉆井提速技術(shù)的發(fā)展。但微鉆巖石可鉆性試驗為單點測試,無法有效表征巖石非均質(zhì)性帶來的影響。筆者基于試驗與統(tǒng)計分析,建立利用刻劃巖石破碎比功求取巖石PDC鉆頭可鉆性級值模型,形成一種利用刻劃巖心表面得到沿刻劃軌跡的巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面的方法,以充分表征巖石的非均質(zhì)性。

1 試驗裝置及測試方法

研究采用中國石化石油工程技術(shù)研究院試驗中心的巖石可鉆性測試儀與全尺寸巖心強度連續(xù)刻劃測試系統(tǒng)。巖石可鉆性測試儀及測試方法嚴格執(zhí)行《SY/T 5426—2000巖石可鉆性測定與分級方法》,可以獲得測試位置的巖石PDC可鉆性級值Kd。全尺寸巖心強度連續(xù)刻劃測試系統(tǒng)產(chǎn)自美國TerraTek公司,由動力裝置、載荷測量模塊、位移測量模塊、刻劃刀具(圖1)、數(shù)據(jù)采集模塊等組成。試驗時,刻劃刀以恒定速率和恒定深度刻劃巖石表面(見圖2),通過實時記錄刻劃刀的位移、受力等數(shù)據(jù)得到巖石強度參數(shù)剖面[5],通常開展3次以上的刻劃,并取其平均值作為試驗結(jié)果。刻劃試驗關(guān)鍵參數(shù):刻劃寬度wk為5、10 mm,刻劃深度dk為0.1～0.3 mm,刻劃速率vk為2.0～5.0 mm/s?？虅澦俾逝c刻劃深度的選取與巖石強度有關(guān),保證在塑性破壞模式下刻劃。

圖1 刻劃刀具示意圖Fig.1 Schematic of scratch assembly for scratch test

圖2 全尺寸巖心強度連續(xù)刻劃Fig.2 Scratch test for full-size core

2 刻劃試驗確定石PDC鉆頭可鉆性級值方法

巖石破碎比功是破碎單位體積巖石所消耗的能量,是巖石抗破碎能力和碎巖綜合性能的體現(xiàn),反映了巖石的硬度、強度、彈塑性等巖石力學參數(shù),也反映了鉆進時鉆頭受力、鉆速、鉆時等參數(shù)之間的綜合關(guān)系[6],因此可基于巖石破碎比功開展巖石可鉆性級值求取方法研究。

2.1 微鉆巖石可鉆性試驗及巖石強度刻劃試驗內(nèi)在機制

微鉆巖石可鉆性試驗及巖石強度刻劃試驗的破巖方式均為切削破巖,PDC微鉆頭在鉆壓和扭矩作用下回旋切削巖石,刻劃刀則是在軸壓和水平驅(qū)動力作用下切削破壞巖石。大量試驗發(fā)現(xiàn)巖石切削破壞分脆性破壞和塑性破壞兩種模式(圖3),當切削深度小于門限深度時即為塑性破壞模式,此時破壞產(chǎn)生的巖屑均勻細小,切削過程連續(xù),切削消耗的能量與切削巖屑體積成正比[7-11],即巖石破碎比功與巖石固有的力學強度及可鉆性緊密相關(guān),這是該兩種試驗方法的基礎(chǔ)?；谝陨戏治?巖石產(chǎn)生切削塑性破壞條件下,巖石破碎比功可以將兩種試驗方法有機關(guān)聯(lián)起來,即可以利用巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC可鉆性級值。

圖3 巖石切削破壞模式Fig.3 Rock cutting failure modes

2.2 微鉆巖石可鉆性試驗的巖石破碎比功

PDC微鉆頭在鉆壓和扭矩作用下回旋切削巖石時,PDC復(fù)合片表面與水平切削方向保持固定傾角α,PDC復(fù)合片受切應(yīng)力Fs和與正應(yīng)力Fn(圖4),結(jié)合切削面積、切削半徑等參數(shù)可計算得到PDC微鉆頭破碎巖石所做的功。由于PDC微鉆頭結(jié)構(gòu)、PDC復(fù)合片尺寸及鉆深等參數(shù)固定,可以采用下式計算PDC微鉆頭鉆達目的鉆深的做功[12],

W=Ppt=2.61FpDpnφt.

(1)

式中,W為PDC微鉆頭破碎巖石所做的功,J;Pp為PDC微鉆頭破碎巖石所需的功率,W;Fp為鉆壓,kN;Dp為PDC微鉆頭直徑,cm;n為轉(zhuǎn)速,r/min;φ為經(jīng)驗系數(shù),取0.6;t為PDC微鉆頭鉆達目的鉆深需要的時間(簡稱鉆時),s。

PDC微鉆頭破碎巖石所做的功W除以切削破碎體積V為微鉆可鉆性試驗巖石破碎比功ε。翟應(yīng)虎等[13-15]研究表明,切削破碎體積計算非常復(fù)雜,祝效華等[16-18]則采用破碎投影體積Vt代替切削破碎體積,其等于切削投影面積與切削截面中心點所在圓周長的乘積,

(2)

式中,V和Vt分別為PDC微鉆頭切削破碎巖石體積及投影體積,mm3;R為切削截面中心點所在圓半徑,mm;r為PDC復(fù)合片半徑,mm;d為鉆深,mm;α和β分別為PDC復(fù)合片后傾角和側(cè)傾角,(°)。

圖4 PDC復(fù)合片受力示意圖Fig.4 Schematic of force acting on a cutter of PDC drill bit

由巖石可鉆性測定與分級方法行業(yè)標準知Fp、Dp、n、φ、R、r、d、α、β等參數(shù)為定值,也就決定了PDC微鉆頭破碎巖石所需的功率Pp及切削破巖體積V亦為定值,微鉆可鉆性試驗巖石破碎比功ε即為鉆時t的函數(shù):ε=(Pp/V)t。由于巖石可鉆性級值Kd為鉆時t的函數(shù),即Kd=log2(t),因此巖石可鉆性級值可由巖石破碎比功表征,

(3)

2.3 巖石強度刻劃試驗的巖石破碎比功

刻劃試驗中刻劃刀表面與水平刻劃方向保持固定傾角,Detournay等[7-8,11]研究分析了塑性破壞模式下刻劃刀受力情況,忽略刻劃刀底部受到的摩擦力,將刻劃刀受到的合力Fk分解成沿刻劃方向的切應(yīng)力Fsk和垂直刻劃方向的正應(yīng)力Fnk(圖5),計算公式為

(4)

式中,Fsk為切應(yīng)力,N;Fnk為正應(yīng)力,N;εk為刻劃巖石破碎比功,MPa;Ak為刻劃面橫切面積mm2;wk為刻劃刀寬度,mm;dk為刻劃深度,mm;ζ為系數(shù),ζ=

tan(θ+ψ);θ和ψ分別為刻劃刀后傾角和界面摩擦角,(°)。

圖5 刻劃刀受力示意圖Fig.5 Schematic of force acting on a scratch cutter

刻劃試驗可得到刻劃刀經(jīng)過巖石表面各點的切應(yīng)力和正應(yīng)力,刻劃刀寬度和刻劃深度等參數(shù)為固定值,可以得到對應(yīng)巖石表面各點的刻劃巖石破碎比功εk。

2.4 巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC可鉆性級值模型

(1)試驗樣品及測試研究位置優(yōu)選。巖石組分及結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜,不同巖心位置的巖石可鉆性級值與巖石強度具有差異性。為便于試驗數(shù)據(jù)準確統(tǒng)計和分析,選用均質(zhì)性較好的東北某地區(qū)4口井的15塊營城組砂巖巖心作為研究對象,首先刻劃巖心得到破碎比功剖面,優(yōu)選刻劃破碎比功擾動較小的區(qū)域作為微鉆可鉆性試驗位置,同時還要保證可鉆性試驗鉆進方向與刻劃方向一致。

(2)根據(jù)巖石強度刻劃試驗建立巖石PDC可鉆性級值模型。巖石強度刻劃試驗選用5 mm的刻劃寬度、0.18 mm的刻劃深度及3 mm/s的刻劃速率,微鉆巖石可鉆性試驗按照行業(yè)標準執(zhí)行。針對15塊砂巖巖心進行刻劃試驗和微鉆可鉆性試驗,圖6為B202-7號巖心刻劃得到的巖石破碎比功剖面(利用式(4)處理得到)及優(yōu)選的微鉆可鉆性試驗位置,圖7為優(yōu)選位置的微鉆可鉆性試驗結(jié)果。表1為試驗結(jié)果,其中微鉆巖石可鉆性試驗的巖石破碎比功由式(1)和(2)處理得到,平均刻劃巖石破碎比功為與微鉆巖石可鉆性試驗相對應(yīng)區(qū)域的刻劃巖石破碎比功的平均值。

圖6 B202-7號巖心刻劃巖石破碎比功剖面及微鉆試驗位置Fig.6 Crushing work ratio profile of core sample No. 7 from well B202 measured with scratch test

對表1中的試驗結(jié)果進行分析,得到微鉆可鉆性與刻劃兩試驗巖石破碎比功間的關(guān)系,結(jié)果如圖8所示。

圖7 B202-7號巖心微鉆可鉆性試驗結(jié)果Fig.7 Core sample No.7 from well B202 after micro-drilling tests

表1 東北某地區(qū)營城組砂巖微鉆試驗及刻劃試驗結(jié)果Table 1 Results of scratch tests and micro-drill tests of case study

聯(lián)立式(3)和圖8中擬合式得到巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值模型為

(5)

利用式(5)可將刻劃試驗得到的破碎比功剖面轉(zhuǎn)換成巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面,圖9為B202-7號巖心的巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面,可鉆性級值為4.30～5.96。表2為15塊巖心對應(yīng)位置的刻劃試驗與微鉆可鉆性試驗得到的巖石PDC鉆頭可鉆性級值,刻劃試驗得到的巖石可鉆性級值誤差為1.61%～13.21%,平均誤差為6.12%,證明該模型和方法可行。

圖8 微鉆可鉆性與刻劃兩試驗巖石破碎比功關(guān)系Fig.8 Strong correlation between crushing work ratio for PDC bit and crushing work ratio for scratch test

圖9 B202-7號巖心巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面Fig.9 Continuous drillability profile of core sample No.7 from well B202

表2 刻劃得到的巖石PDC鉆頭可鉆性級值Table 2 Drillability results of scratch test

3 現(xiàn)場應(yīng)用

巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值方法在四川涪陵、華北渭北、東北松南等地區(qū)進行了應(yīng)用。圖10為刻劃得到的四川涪陵JY41井龍馬溪組致密砂巖的巖石PDC鉆頭可鉆性級值剖面,從圖10中看出，沿刻劃方向破碎比功為150～390 MPa,巖石PDC鉆頭可鉆性級值為6.0～7.8,體現(xiàn)出較大的差異性,充分表征了礦物組分、膠結(jié)強度、微觀結(jié)構(gòu)等因素對巖石可鉆性級值的影響,這種情況下開展幾個點的微鉆可鉆性試驗不能代表該巖心段的可鉆性級值。表3為這幾個地區(qū)兩種試驗方法得到的巖石PDC鉆頭可鉆性級值結(jié)果對比。與微鉆可鉆性試驗結(jié)果相比,刻劃得到的巖石PDC鉆頭可鉆性級值誤差為0.46%～7.42%,說明刻劃確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值方法具有適用性。

圖10 刻劃確定的JY41井致密砂巖PDC可鉆性級值剖面Fig.10 Nonuniform distribution of specific energy and drillability of a tight-sandstone core sample from well JY41

表3 四川涪陵等地區(qū)應(yīng)用情況Table 3 Application of Sichuan Fuling and other regions

4 結(jié) 論

(1)巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值方法與微鉆可鉆性試驗結(jié)果具有很好的一致性。

(2)巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值方法可以得到沿刻劃軌跡的可鉆性級值剖面,充分表征了礦物組分、膠結(jié)強度、微觀結(jié)構(gòu)等復(fù)雜因素變化對巖石PDC鉆頭可鉆性級值的影響。

(3)巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值方法不破壞巖心的整體結(jié)構(gòu),提高了巖心的利用率,推廣應(yīng)用價值高。

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(編輯 李志芬)

A new method for assessing rocks drillabity for PDC bits via a scratch testing

CHEN Junhai1,2, WANG Yi1,2, HAN Yannong1,2, ZENG Yijin1,2, SUN Lianhuan1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismsandEffectiveDevelopment,Beijing100101,China;2.SINOPECResearchInstituteofPetroleumEngineering,Beijing100101,China)

A new method for assessing rocks drillabity for PDC bits via a scratch testing was proposed in coupling with the rock breaking mechanisms using micro PDC bits and scratch blades. In this study, a large numbers of micro PDC bit drilling and scratch testing experiments were conducted in order to establish the correlation of the crushing work ratio between the two types of rock breaking processes, and a new rocks drillability model for PDC bits was established based on the crushing work ratio of the rock scratch test. The new method can provide precise assessments of rocks drillability for PDC bits and is in consistency with the micro PDC bit testing. The scratch testing not only can capture the effects of intrinsic heterogeneity of rocks on drillability, but also can keep the integrity of the rock cores.

scratch test; PDC dill bit; crushing work ratio; rocks dillability; rock breaking

2016-08-03

“十二五”國家重大專項(2011ZX05005-006)；國家自然科學基金項目(51490653)

陳軍海(1979-)，男，高級工程師，博士，研究方向為石油鉆井工程地質(zhì)環(huán)境因素描述。E-mail：chenjh.sripe@sinopec.com。

1673-5005(2017)02-0094-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.02.011

TE 21

A

陳軍海,王怡,韓艷濃,等.一種利用巖石強度刻劃試驗確定巖石PDC鉆頭可鉆性級值的方法[J].中國石油大學學報(自然科學版),2017,41(2):94-99.

CHEN Junhai, WANG Yi, HAN Yannong, et al. A new method for assessing rocks drillabity for PDC bits via a scratch testing[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(2):94-99.