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的關鍵工程因素之一［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優化的基礎［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律及不同鉆井參數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。

現行石油天然氣行業標準推薦的巖石可鉆性測定是基于常溫常壓環境的巖石可鉆性室內實驗［6］，由于室內測定環境與深部地層環境差異較大，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優化需求。近年來，國內外學者開展了溫度、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，無法有效指導現場鉆井參數優化。

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律，為深井超深井鉆頭選型提供依據。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律，為鉆井參數優化提供指導。

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、鉆井測量系統、真三軸系統、控制系統等構成，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

鉆井系統主要包括鉆進升降系統、高壓轉聯裝置、鉆頭和鉆桿、機械給進裝置、支撐平臺、鉆井液動密封元件、其他控制系統及軟件等。其中，鉆進升降系統升降速度通過計算機進行控制，高壓轉聯裝置用于真三軸系統內鉆進時的鉆桿動力傳輸。鉆井系統可以實現恒壓、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°。

鉆井測量系統主要由重力傳感器、位移傳感器及計時系統等組成，通過各種傳感器實現對鉆井過程中轉速、鉆壓、扭矩、位移等數據的測量。各傳感器數據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。

真三軸系統由3個方向分別獨立的壓力系統組成，實現真三軸條件。系統可施加最大壓力為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，配置電加熱和聲發射探頭，模擬井下巖石高溫高壓環境。

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、鉆頭結構、實驗環境等多因素影響［11-13］。巖石可鉆性級值可以消除實驗中鉆井參數、鉆頭結構對破巖效率的影響，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，根據鉆進時間與巖石可鉆性級值測試數據回歸模型，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°，側傾角 15°。

(2)調試校準實驗裝置計時系統、重力傳感器、位移傳感器。

(3)通過控制系統設定鉆井參數，固定動載鉆壓500 N，旋轉鉆速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隨溫度先升高后降低現象。

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降低現象。

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、鉆井參數優化提供依據，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、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構、鉆井參數、實驗環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、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，通過設定不同轉速，讀出實驗測試過程中實際鉆壓值，優選鉆壓、轉速參數范圍。

(2)安裝鉆頭、巖樣，調試校準實驗裝置計時系統、重力傳感器、位移傳感器。

(3)通過控制系統設定鉆壓、轉速參數，調節真三軸系統巖樣圍壓、溫度值，啟動鉆進，鉆進過程系統實時采集鉆壓傳感器數據(0.5 s采集1次)，對鉆壓進行實時調整，實現恒鉆壓鉆進。

(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之一，對破巖效率有直接影響［18-21］。實驗設定鉆頭轉速30 r/min，鉆壓 800 N，圍壓 50 MPa，測試常溫 20 ℃、高溫 150 ℃ 環境下，不同后傾角 10°、20°、30°對應的破巖效率。實驗結果如圖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。在后續實驗中優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，不同鉆井參數組合對應的破巖效率。

如圖5所示，固定轉速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(低轉速)，50 r/min(高轉速)下破巖效率對溫度敏感性降低。

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

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，不同鉆井參數組合對應的破巖效率。

如圖7所示，固定轉速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

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

3.5 鉆井參數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°，測試不同鉆井參數組合對應的破巖效率。實驗結果如圖9所示。

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

實驗結果顯示，在溫度150 ℃、圍壓50 MPa環境下，破巖效率與鉆壓、轉速正相關，且與轉速近似呈線性關系。高溫高壓地層鉆井過程，合理強化鉆井參數，可以經濟有效地提升破巖效率。

4 結論與認識

(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、轉速的增加而提高，且鉆壓、轉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，可以經濟有效地提升破巖效率。

(3)深層巖石可鉆特性受地質環境影響，同時受巖石類型、巖石物性等參數的影響，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。