重慶長壽區嘉陵江組和須家河組巖石研磨性及可鉆特征研究

＊羅增 陳帥 楊華建

（1.中國石油西南油氣田分公司工程技術研究院 四川 610000 2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 四川 610500）

引言

鉆頭廣泛應用于地質勘探、礦山開采以及油氣鉆井破碎領域[1]，其中巖石的研磨性是鉆井過程中評價鉆頭磨損最重要的因素之一[2]，為了能夠準確預測地層的研磨性，也為不同地層可以選擇合適的破巖工具，開展不同地層巖石的研磨性研究具有重要意義。巖石可鉆性是衡量巖石的破碎難易程度的重要指標之一[3]，是進行鉆頭優化設計、鉆頭優選、提速工藝參數優化等鉆井工程設計的重要依據。影響巖石可鉆性的因素較多，僅從巖石單一的力學性質或所處的環境特征很難對其準確預測。目前來看，針對大多數巖石，隨著井筒壓力的增加，巖石的可鉆性基本呈指數型增加，但是砂巖卻有三種壓實效應[4-5]。關于井筒壓力對可鉆性的影響目前還沒有形成統一的認識，還需要更多的實驗數據去發現其中蘊含的規律。因此我們在本文中將繼續研究井筒壓力對可鉆性的影響。目前來看關于須家河組巖石可鉆性的研究較多，須家河組致密砂巖地層石英含量高、硬度可達8級、研磨性強，鉆進過程中容易造成鉆頭過早磨損，單只鉆頭進尺少、機械鉆速低，嚴重影響了其勘探開發進程[6-7]。很少有涉及關于嘉陵江組巖石可鉆性的研究，顆粒灰巖主要發育在嘉一段和嘉三段的頂部，顆粒類型有鮞粒、砂屑和少量生屑。顆粒由泥晶方解石組成，磨圓中等，分選較差，多為點—線接觸，粒間被亮晶方解石和灰泥基質充填[8]。為了比較不同地層可鉆性及其它屬性的差異，我們選用了嘉陵江組灰巖和須家河組砂巖作為研究對象，并為此開展巖石硬度、研磨性和可鉆性等研究。

1.實驗方法

本文研究所選用巖石取自重慶地區嘉陵江組和須家河組露頭（見圖1），為了研究該地區的巖石力學及可鉆特征，我們開展了巖石的里氏硬度、研磨性和可鉆性測試實驗。

圖1 實驗所選的巖石母體

硬度實驗通過里氏硬度計測得，測試的基本原理是具有一定質量的沖擊體在一定的試驗力條件下沖擊巖樣表面，測量沖擊體距巖石表面1mm處的沖擊速度與回彈速度，通過公式（1）計算得到巖石的里氏硬度值。SeferBeran?elik等[9]發現里氏硬度和可鉆性之間有較好的相關關系，并給出了單軸抗壓強度的預測模型。具體計算方法如公式（2）所示。

式中，HLD—里氏硬度值；

VB—沖擊體回彈速度；

VA—沖擊體沖擊速度；

UCS—單軸抗壓強度。

巖石研磨性實驗測試過程中鋼針針尖的作用力設定為70N，巖石和鋼針相對速度為1mm/s，每次測試的時間為10s，通過高倍光學顯微鏡觀察鋼針的磨損情況，測量磨損后的直徑d，通過公式（3）計算其CAI值。

式中，CAI—研磨性值；

d—鋼針磨損后的直徑。

巖石可鉆性測試采用的是石油天然氣鉆井工程巖石可鉆性測定及分級方法[10]（SY/T5426-2016），本文實驗選用PDC微鉆頭進行巖石可鉆性測試，實驗中鉆頭轉速為55r/min，鉆壓500N，有效鉆深3mm，記錄鉆進有效鉆深所花費的時間t為有效鉆時，最后通過公式（4）計算得到巖石的可鉆性級值。

式中，Kd—可鉆性級值；

t—有效鉆時。

2.結果和討論

通過實驗得到的里氏硬度和抗壓強度分布情況如圖2所示。嘉陵江組里氏硬度分布較為集中，其中有95%以上的數據分布在677～695HLD之間，相比較嘉陵江組，須家河組里氏硬度的非均質性表現的更強，僅有60%左右的數據分布在660～682HLD之間。從嘉陵江組灰巖的抗壓強度來看，嘉陵江組灰巖的強度較為均值，大致分布在100MPa左右，須家河組砂巖的強度分布離散型較強。總體表現為須家河組砂巖巖性特征更為復雜，而嘉陵江組灰巖巖石強度更高。

圖2 不同地層里氏硬度和抗壓強度分布情況

通過對嘉陵江組10塊灰巖和須家河組10塊砂巖進行研磨性實驗，得到實驗前后鋼針的直徑變化情況（見圖3）。并通過公式（2）計算得到其CAI值。圖4為不同地層CAI值的分布情況，研究發現，嘉陵江組灰巖的研磨性要小于須家河組砂巖，對于在鉆井工程中選擇破巖工具時，鉆遇須家河組地層要充分考慮破巖工具的耐磨性。嘉陵江組灰巖CAI值集中分布在0.8～1.3之間，而須家河組砂巖CAI值集中分布在 2.0～2.5之間。巖石礦物組分及粒徑的差異是導致這兩個地層研磨性顯著性差異的原因。巖石中的礦物成分中具有高硬度的顆粒（如石英），隨著石英含量的增高，則其研磨性加大，或者組成巖石的膠結物性質不同，也會明顯地影響著巖石的研磨性。在巖石中，石英顆粒的形狀與尺寸也對巖石研磨性起著影響，即使石英含量相同，但如顆粒形狀不同、粒徑不同、配比的均勻度不同，則表現的研磨性也有很大的 差異[11]。

圖3 研磨性實驗前后鋼針變化情況

圖4 不同地層研磨性分布情況

為了研究井筒壓力對可鉆性的影響，我們測試了不同井筒壓力下巖石的可鉆性級值，實驗結果如圖5所示。研究發現井筒壓力對可鉆性的影響分為兩個階段：第一個階段中井筒壓力對不同巖石的影響有顯著性差異，對于嘉陵江組灰巖來說，是否施加井筒壓力對于巖石的可鉆性影響顯著，出現這種現象的原因主要是灰巖脆性較強，鉆頭在破碎巖石時裂紋擴展程度較大，但是施加井筒壓力會大幅度抑制這種裂紋的擴展，進而大幅度提高巖石的可鉆性。但是對于須家河組砂巖來說，施加10MPa的井筒壓力并沒有對其可鉆性產生較大影響。這主要是因為巖石受到表面壓實和壓力突破階段的綜合影響。表面壓實階段使巖石可鉆性增加，壓力突破階段使巖石可鉆性降低，二者的綜合影響導致了井筒壓力10MPa下的可鉆性級值和單軸情況下的可鉆性級值較為接近[5]；第二個階段中井筒壓力的增加會使巖石可鉆性呈線性增加趨勢，但是砂巖的可鉆性增加幅度要大于灰巖的增加幅度。出現這種現象的原因是砂巖進入了骨架壓實階段，隨著井筒壓力的增加，砂巖的強度會持續增加，因此巖石的可鉆性也會持續增加。但是灰巖在第二個階段中裂紋擴展已經在很大程度上被抑制，因此可鉆性增幅也就不再那么明顯。Shuai Chen等[12]研究了井筒壓力對五種砂巖可鉆性的影響，但是他們沒有考慮把井筒壓力對可鉆性的影響分為兩個階段，因此得出的規律是砂巖可鉆性隨著井筒壓力的增加成指數型增加趨勢。綜合兩個地層來看，隨著井筒壓力的增加，砂巖的可鉆性級值增加幅度要高于灰巖的可鉆性級值增加幅度，但是在50MPa以內，灰巖的可鉆性級值始終高于砂巖的可鉆性級值。

圖5 不同地層巖石可鉆性級值隨井筒壓力變化規律

3.結論

（1）須家河組砂巖比嘉陵江組灰巖的非均質性更強，但是里氏硬度更小。

（2）須家河組砂巖比嘉陵江組灰巖的研磨性更強，在選擇須家河組地層破巖工具時要充分考慮工具的耐磨性。

（3）井筒壓力對兩個地層巖石的可鉆性的影響分為兩個階段，在第一個階段，井筒壓力對嘉陵江組灰巖要比須家河組砂巖的影響更大。在第二個階段，隨著井筒壓力的增加，須家河組砂巖的增加幅度要比嘉陵江組灰巖的增加幅度更大。