溫度壓力對巖石可鉆性和破巖效率影響實驗

周波 汪海閣 張富成 紀國棟 韓澤龍 武強

中國石油集團工程技術(shù)研究院有限公司

0 引言

深部地層鉆井破巖效率低是制約深層超深層油氣高效勘探開發(fā)的關(guān)鍵工程因素之一［1-2］。深層巖石可鉆特性分析是深井超深井鉆頭選型和鉆井參數(shù)優(yōu)化的基礎［3-5］，準確測定深部地層巖石可鉆性級值，揭示溫度、壓力對巖石可鉆特性的影響規(guī)律及不同鉆井參數(shù)下破巖效率對地層溫度、壓力的敏感性，對于提高深井超深井機械鉆速、降低鉆井成本具有重要意義。

現(xiàn)行石油天然氣行業(yè)標準推薦的巖石可鉆性測定是基于常溫常壓環(huán)境的巖石可鉆性室內(nèi)實驗［6］，由于室內(nèi)測定環(huán)境與深部地層環(huán)境差異較大，導致巖石可鉆性測定值與井底實際存在偏差，無法滿足深井超深井鉆頭選型及鉆井參數(shù)優(yōu)化需求。近年來，國內(nèi)外學者開展了溫度、壓力等因素對巖石可鉆性影響的研究。如楊瑋、楊迎新等［7-8］采用PDC微型鉆頭測試分析了圍壓因素對南充砂巖可鉆性的影響，采用牙輪微型鉆頭測試分析了溫度因素對武勝砂巖可鉆性的影響；魏山棟、Mao Shuai等［9-10］通過室內(nèi)模擬測試分析了井底壓力對巖石可鉆性的影響。受測試條件和分析方法等限制，目前對于巖石可鉆性級值測定以溫度或壓力單因素測試為主，無法判定溫度、壓力因素耦合作用下影響巖石可鉆性級值的主控因素，同時未見對溫度、壓力等影響因素開展破巖效率敏感性分析，無法有效指導現(xiàn)場鉆井參數(shù)優(yōu)化。

本文基于高溫高壓巖石可鉆性測試和鉆井模擬裝置，開展了高溫、高壓耦合環(huán)境下巖石等效可鉆性級值測試分析，揭示了溫度、壓力耦合作用下影響可鉆性級值的主控因素及巖石可鉆特性變化規(guī)律，為深井超深井鉆頭選型提供依據(jù)。通過高溫高壓破巖模擬實驗，揭示了深層超深層鉆井破巖效率對溫度、壓力因素的敏感性規(guī)律，為鉆井參數(shù)優(yōu)化提供指導。

1 實驗裝置及巖樣

1.1 高溫高壓鉆井綜合實驗裝置

實驗采用高溫高壓鉆井綜合實驗裝置，該實驗裝置主要由鉆井系統(tǒng)、鉆井測量系統(tǒng)、真三軸系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 高溫高壓鉆井模擬實驗裝置示意圖Fig. 1 Sketch of high temperature and high pressure drilling simulator

鉆井系統(tǒng)主要包括鉆進升降系統(tǒng)、高壓轉(zhuǎn)聯(lián)裝置、鉆頭和鉆桿、機械給進裝置、支撐平臺、鉆井液動密封元件、其他控制系統(tǒng)及軟件等。其中，鉆進升降系統(tǒng)升降速度通過計算機進行控制，高壓轉(zhuǎn)聯(lián)裝置用于真三軸系統(tǒng)內(nèi)鉆進時的鉆桿動力傳輸。鉆井系統(tǒng)可以實現(xiàn)恒壓、恒速兩種鉆井模式。鉆頭為兩切削齒小型PDC鉆頭，其中復合片的后傾角分別為10°、20°、30°。

鉆井測量系統(tǒng)主要由重力傳感器、位移傳感器及計時系統(tǒng)等組成，通過各種傳感器實現(xiàn)對鉆井過程中轉(zhuǎn)速、鉆壓、扭矩、位移等數(shù)據(jù)的測量。各傳感器數(shù)據(jù)通過計算機進行自動采集記錄。其中重力傳感器用于測量鉆頭下行的壓力，即為鉆壓；位移傳感器用于測量鉆頭鉆進深度。

真三軸系統(tǒng)由3個方向分別獨立的壓力系統(tǒng)組成，實現(xiàn)真三軸條件。系統(tǒng)可施加最大壓力為50 MPa，壓力控制精度±0.1 MPa。安裝的巖樣尺寸為400 mm×400 mm×400 mm (備選尺寸為 300 mm×300 mm×300 mm)。采用硅油作為加壓介質(zhì)，配置電加熱和聲發(fā)射探頭，模擬井下巖石高溫高壓環(huán)境。

1.2 實驗巖樣

采用花崗巖作為實驗巖樣，巖樣顏色為灰白色，內(nèi)部致密、無裂紋，巖樣尺寸加工為400 mm×400 mm ×400 mm。防止初始時刻鉆頭切削齒在巖樣表面的側(cè)向滑動，采用取心鉆頭在巖樣表面預置5 mm深的鉆孔，保證鉆頭能夠準確吃入地層。

2 高溫高壓巖石等效可鉆性級值評價

巖石的破巖效率受地層巖性、鉆井參數(shù)、鉆頭結(jié)構(gòu)、實驗環(huán)境等多因素影響［11-13］。巖石可鉆性級值可以消除實驗中鉆井參數(shù)、鉆頭結(jié)構(gòu)對破巖效率的影響，是反映巖樣可鉆特性的綜合性指標［14-15］。采用高溫高壓鉆井模擬實驗裝置，測定某一固定進尺下微型鉆頭的鉆進時間，根據(jù)鉆進時間與巖石可鉆性級值測試數(shù)據(jù)回歸模型，如式(1)所示，可得高溫高壓巖石等效可鉆性級值

式中，Kd為巖石可鉆性級值，無量綱；t為鉆進時間平均值，s。

高溫高壓環(huán)境下巖石等效可鉆性級值測試參照巖石可鉆性測定及分級方法行業(yè)標準，同時增加溫度、圍壓測試條件對巖石可鉆性級值進行測定。實驗步驟與流程如下：

(1)連接微型PDC鉆頭，微型PDC復合片鉆頭直徑 32 mm，后傾角 20°，側(cè)傾角 15°。

(2)調(diào)試校準實驗裝置計時系統(tǒng)、重力傳感器、位移傳感器。

(3)通過控制系統(tǒng)設定鉆井參數(shù)，固定動載鉆壓500 N，旋轉(zhuǎn)鉆速50 r/min。

(4)鉆進，記錄鉆深3 mm所需鉆進時間，并停鉆。

(5)每種試樣按上述程序重復3次。

不同圍壓下溫度對巖石等效可鉆性級值影響如圖2所示，在20～300 ℃，圍壓為0時，巖石等效可鉆性級值隨溫度升高而降低，圍壓超過30 MPa，巖石等效可鉆性級值出現(xiàn)隨溫度先升高后降低現(xiàn)象。

不同溫度下壓力對巖石等效可鉆性級值影響如圖3所示。在0～50 MPa范圍，巖石等效可鉆性級值隨圍壓增加整體呈升高趨勢，相對于200 ℃，當溫度升高為300 ℃時，巖石等效可鉆性級值出現(xiàn)降低現(xiàn)象。

圖2 等效可鉆性級值隨溫度的變化Fig. 2 Variation of equivalent drillability grade with temperature

圖3 等效可鉆性級值隨圍壓的變化Fig. 3 Variation of equivalent drillability grade with confining pressure

在 20～300 ℃、0～50 MPa范圍，溫度、壓力單因素作用下，巖石等效可鉆性級值隨溫度升高而降低，隨壓力增加而升高；溫度、壓力耦合作用下，壓力因素對巖石等效可鉆性級值大于溫度因素的影響。

3 鉆頭破巖效率影響因素實驗分析

為進一步分析深井超深井溫度、壓力對鉆頭破巖效率的影響，為PDC鉆頭設計選型、鉆井參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，通過高溫高壓鉆井綜合實驗裝置開展鉆頭破巖效率影響實驗。

鉆井速度是地質(zhì)、工程綜合因素作用下鉆頭破巖效率的直接表征［16-17］。對于相同的巖樣，為進一步分析鉆頭結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)、實驗環(huán)境對鉆頭破巖效率影響，實驗采用高溫高壓鉆井綜合實驗裝置模擬井筒高溫高壓環(huán)境下鉆頭破巖過程，測定記錄不同實驗條件下的鉆井速度值，通過鉆井速度分析切削齒后傾角、鉆井參數(shù)、巖樣溫度、巖樣圍壓等因素對破巖效率的影響。

3.1 實驗步驟與流程

(1)采用實驗巖樣進行預鉆井實驗，設置恒定鉆速，通過設定不同轉(zhuǎn)速，讀出實驗測試過程中實際鉆壓值，優(yōu)選鉆壓、轉(zhuǎn)速參數(shù)范圍。

(2)安裝鉆頭、巖樣，調(diào)試校準實驗裝置計時系統(tǒng)、重力傳感器、位移傳感器。

(3)通過控制系統(tǒng)設定鉆壓、轉(zhuǎn)速參數(shù)，調(diào)節(jié)真三軸系統(tǒng)巖樣圍壓、溫度值，啟動鉆進，鉆進過程系統(tǒng)實時采集鉆壓傳感器數(shù)據(jù)(0.5 s采集1次)，對鉆壓進行實時調(diào)整，實現(xiàn)恒鉆壓鉆進。

(4)鉆進進尺3 mm停鉆，記錄鉆進過程平均速度值。

(5)每種試樣按上述程序重復3次。

3.2 切削齒后傾角對破巖效率的影響

切削齒后傾角是鉆頭設計的重要參數(shù)之一，對破巖效率有直接影響［18-21］。實驗設定鉆頭轉(zhuǎn)速30 r/min，鉆壓 800 N，圍壓 50 MPa，測試常溫 20 ℃、高溫 150 ℃ 環(huán)境下，不同后傾角 10°、20°、30°對應的破巖效率。實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 切削齒后傾角對破巖效率的影響Fig. 4 Influence of cutter’s back rake angle on rock breaking efficiency

實驗結(jié)果顯示，當后傾角由10°增至30°，鉆頭破巖效率(鉆速)先增加再降低。在后續(xù)實驗中優(yōu)選鉆頭切削齒后傾角為20°。

3.3 溫度對破巖效率的影響

實驗設定鉆頭切削齒后傾角20°，圍壓50 MPa，測試20、150、300 ℃溫度下，不同鉆井參數(shù)組合對應的破巖效率。

如圖5所示，固定轉(zhuǎn)速30 r/min，鉆壓分別為400、800 N，在20～300 ℃溫度范圍，鉆頭破巖效率均隨溫度的升高而增加，相對于400 N(低鉆壓)，800 N(高鉆壓)破巖效率對溫度敏感性升高。

如圖6所示，固定鉆壓800 N，轉(zhuǎn)速分別為30、50 r/min，在20～300 ℃溫度范圍，鉆頭破巖效率均隨溫度的升高而增加，相對于30 r/min(低轉(zhuǎn)速)，50 r/min(高轉(zhuǎn)速)下破巖效率對溫度敏感性降低。

實驗結(jié)果顯示，在20～300 ℃溫度范圍，不同鉆井參數(shù)下鉆頭破巖效率隨溫度的升高而增加。鉆壓、轉(zhuǎn)速對溫度的敏感性存在差異，鉆壓對溫度的敏感性大于轉(zhuǎn)速對溫度的敏感性。

圖5 不同鉆壓下溫度對破巖效率的影響Fig. 5 Influence of temperature on rock breaking efficiency at different weights on bit

圖6 不同轉(zhuǎn)速下溫度對破巖效率的影響Fig. 6 Influence of temperature on rock breaking efficiency at different rotation speeds

3.4 圍壓對破巖效率的影響

實驗設定鉆頭切削齒后傾角20°，溫度150 ℃，測試0、20、50 MPa圍壓下，不同鉆井參數(shù)組合對應的破巖效率。

如圖7所示，固定轉(zhuǎn)速30 r/min，鉆壓分別為400、800 N，在 0～50 MPa圍壓范圍，鉆頭破巖效率均隨圍壓的升高而降低。

圖7 不同鉆壓下圍壓對破巖效率的影響Fig. 7 Influence of confining pressure on rock breaking efficiency at different weights on bit

如圖8所示，固定鉆壓800 N，轉(zhuǎn)速分別為30、50 r/min，在0～50 MPa圍壓范圍，鉆頭破巖效率均隨圍壓的升高而降低。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下圍壓對破巖效率的影響Fig. 8 Influence of confining pressure on rock breaking efficiency at different rotation speeds

實驗結(jié)果顯示，在0～50 MPa圍壓范圍，不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下，圍壓與鉆頭破巖效率近似呈線性關(guān)系，鉆頭破巖效率隨圍壓增加而降低。

3.5 鉆井參數(shù)對于破巖效率的影響

實驗過程設定溫度150 ℃、圍壓50 MPa、切削齒后傾角20°，測試不同鉆井參數(shù)組合對應的破巖效率。實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 鉆井參數(shù)對破巖效率的影響Fig. 9 Influence of drilling parameters on rock breaking efficiency

實驗結(jié)果顯示，在溫度150 ℃、圍壓50 MPa環(huán)境下，破巖效率與鉆壓、轉(zhuǎn)速正相關(guān)，且與轉(zhuǎn)速近似呈線性關(guān)系。高溫高壓地層鉆井過程，合理強化鉆井參數(shù)，可以經(jīng)濟有效地提升破巖效率。

4 結(jié)論與認識

(1)在溫度 0～300 ℃、圍壓 0～50 MPa范圍，溫度、壓力單因素作用下，巖石等效可鉆性級值隨溫度升高而減小，隨壓力增加而增大。溫度、壓力耦合作用下，壓力因素對花崗巖巖石等效可鉆性級值大于溫度因素的影響，花崗巖等效可鉆性級值升高1～2級，在深層超深層鉆頭選型或設計時，應考慮溫度、壓力對巖石可鉆性的影響。

(2)鉆頭破巖效率受地層溫度、壓力、鉆井參數(shù)等因素的綜合影響。在20～300 ℃溫度范圍，鉆頭破巖效率隨溫度的升高而增加；在0～50 MPa圍壓范圍，鉆頭破巖效率隨圍壓增加而降低；破巖效率隨鉆壓、轉(zhuǎn)速的增加而提高，且鉆壓、轉(zhuǎn)速對破巖效率的敏感性大于溫度、圍壓對破巖效率的敏感性。高溫高壓地層鉆井過程，合理強化鉆井參數(shù)，可以經(jīng)濟有效地提升破巖效率。

(3)深層巖石可鉆特性受地質(zhì)環(huán)境影響，同時受巖石類型、巖石物性等參數(shù)的影響，可鉆特性及破巖效率敏感性因巖石類型的限制具有局限性，需進一步開展其他種類巖石高溫高壓可鉆特性研究。