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1、岩石力学,ROCK MECHANICS,第5章 岩石力学在钻井工程中的应用,本 章 内 容 提 要,5.1 岩石的研磨性与硬度,5.2 岩石可钻性,5.5 钻井参数优选方法研究,5.3 钻头优选方法研究,5.5 井壁稳定的力学机理,5.1 岩石的研磨性与硬度,岩石的研磨性：,5.1.1 岩石的研磨性,岩石磨损与之摩擦材料能力的大小称为岩石的研磨性。,钻井工具（例如钻头、钎子等） 制造钻头的材料：淬火钢、硬质合金、金刚石,钻头刃的研磨性磨损：,钻头工作刃与岩石相摩擦的过程中产生微切削、刻划、擦痕。,影响因素：,摩擦付材料的性质（例如化学组成和结构）摩擦的类型和特点摩擦表面的形状和尺寸（例如表面的
2、粗糙度）摩擦面的温度、速度、接触压力磨损产物的性质和性状及其清除情况参与摩擦的介质等因素,5.1 岩石的研磨性与硬度,岩石的研磨性的研究方法,5.1.1 岩石的研磨性,关于研究岩石的研磨性，许多学者采用了各种不同的方法。但是迄今尚未有一个统一的测定岩石研磨性的标准方法，所以许多研究成果还很难进行比较。这些方法，归纳起来不外乎有以下几类：（1）钻磨法（2）磨削法（3）微钻头钻进法（5）摩擦磨损法（前苏联学者史立涅尔）,研磨性对于正确地设计和选择使用钻头，提高钻头的进尺，延长其工作面的寿命，对于提高钻井速度乃是极为重要的问题。,5.1 岩石的研磨性与硬度,5.1.1 岩石的研磨性,摩擦磨损法（史立
3、涅尔）1-旋转的金属环；2-平移的岩样；P-加在圆环上的载荷,岩石的研磨性质可以用一个比例常数来表示，可称为研磨系数，即有：,式中：Vs为金属的单位摩擦路程的磨损，cm3/m；为研磨系数；S为接融面积，mm2；pc为接触压力，N/mm2；P为摩擦面上的接触载荷，N。Vs可通过称重获得，它等于金属环磨损后的失重除以该金属的比重，再除以摩擦总路程。,5.1 岩石的研磨性与硬度,5.1.1 岩石的研磨性,1）晶质岩石的研磨性(淬火钢),摩擦磨损法（史立涅尔）结论：,研磨性由小到大的顺序:硫酸盐类岩石（石膏、重晶石），碳酸盐岩（石灰岩和白云岩）、硅质岩石（玉髓和燧石）、铁-镁长石岩、石英岩。,晶质岩石
4、的研磨性是与组成它的矿物的微硬度成正比。 多晶矿物岩石研磨性决定于这些组成矿物的平均硬度。 多晶岩石和单晶岩石的矿物硬度相同的情况下，前者的研磨性略高于后者,5.1 岩石的研磨性与硬度,5.1.1 岩石的研磨性,摩擦磨损法（史立涅尔）结论：,2）碎屑岩石的研磨性(淬火钢),钢的单位路程磨损与碎屑岩中石英含量的关系,2.0,1.5,1.0,0.5,50,50,30,20,10,0,石英含量，,磨损体积Vs，107cm3/m,砂岩的研磨性与其压入硬度成反比 硬度不大的石英碎屑岩的研磨性要比晶质岩石中研磨性最高的石英岩的研磨性还要大,各种岩石按单位摩擦路程磨损的研磨性分类表,5.1 岩石的研磨性与硬
5、度,5.1.1 岩石的研磨性,5.1.2 岩石的硬度与塑性系数,5.1 岩石的研磨性与硬度,对岩石进行压入破碎实验。岩石分为脆性岩石、塑脆性岩石、塑性岩石三大类。,硬度Py即为脆性破碎时接触面上单位面积上的载荷，用下式计算：,5.1.2 岩石的硬度与塑性系数,5.1 岩石的研磨性与硬度,用岩石的塑性系数作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数,塑性系数为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。,KP=AF/AE =OABC的面积ODE的面积,塑性系数：,岩石按硬度的分类,5.1.2 岩石的硬度与塑性系数,5.1 岩石的研磨性与硬度,5.2 岩石可钻性,5.2.1 岩石可钻性的基本
6、概念,岩石可钻性概念有以下几种定义方法：（1）在一定技术条件下钻进岩石的难易程度；（2）岩石可钻性为钻井过程中岩石抗破碎的强度，岩石破碎的难易；（3）岩石的坚固性在钻孔方面的表现，称为岩石可钻性。,岩石可钻性硬度分级法,5.2 岩石可钻性,5.2.2 岩石可钻性的预测方法,（1）室内岩心试验法,1）取样 钻井时一般会钻遇多套地层，典型的岩性有泥岩、页岩、砂岩、石灰岩、白云岩、盐岩、石膏、砾岩、火成岩等，不同岩性岩石的物理力学性质是不同的。因此，在取样时，应尽可能地取全取准不同岩性的岩样，使测试结果具有广泛的代表性。,5.2 岩石可钻性,（1）室内岩心试验法,2）测试微钻头31.75mm，907
7、.2N 钻压、转速55r/min，钻三深2.5mm孔，取其平均钻时。 钻压和转速不变，孔深一定，可钻性级值，以Kd表示：,必须确保每块岩样的实验条件不变,5.2.2 岩石可钻性的预测方法,5.2 岩石可钻性,3）可钻性分级 岩石可钻性分级的目的就是将岩石可钻性数值按大小排列，并划分成各区间，以方便矿场应用。见下表。,岩石可钻性的微钻头试验分级法,一种岩样就代表一类地层，根据测定的岩石可钻性级值，就可以选择相应的岩石破碎工具，进行钻头选型。根据不同地区实际地层的岩石可钻性级值的大小，我国生产的牙轮钻头就有对应的不同系列，如：极软（JR）、软（R）、中软（ZR）、中（Z）、中硬（ZY）、硬（Y）、
8、极硬（JY）等。,5.2.2 岩石可钻性的预测方法,5.2 岩石可钻性,（2）岩石可钻性的实钻数据分析方法,五点钻速法:,式中：Vpc钻速，m /h； W钻压，kN；Mo门限钻压，kN； n转速，r/min； 转速指数，一般小于1，数值大小与岩石性质有关；C2钻头的牙齿磨损系数，与钻头齿型结构和岩石性质有关；ht牙齿磨损量，以牙齿的相对磨损高度表示，新钻头时为0，牙齿全磨损为1；Cp压差影响系数，为实际钻速与零压差条件下的钻速比；CH水利净化系数，为实际钻速与净化完善时的钻速比；Kd比例系数，称之为地层可钻性系数。,五点钻速试验求门限钻压和转速指数的过程，其较适合于钻速较快的地层。,5.2.2
9、 岩石可钻性的预测方法,5.2 岩石可钻性,（3）声波时差法,纵波速度与地层力学参数之间存在关系：,纵波速度与纵波时差的关系：,岩石声波时差与岩石可钻性关系模型:,5.2.2 岩石可钻性的预测方法,5.2 岩石可钻性,（3）岩石破碎分形法,牙轮钻头破碎岩石后，收集所有碎块，应用分级筛网称其不同尺寸下的累计质量分布，质量统计法求称之为破碎分形维数。,钻头破碎后得出岩心碎屑粒度分形规律：,以大庆油田升深2-7井岩屑为例进行试验，试样筛的筛孔是方形，孔径分级为1.0、1.6、2.0、5.0、10.0mm；天平主要是称量每级筛上的上返岩屑质量，进而计算出每一级筛下的质量百分比。,5.2.2 岩石可钻性
10、的预测方法,微钻头可钻性级值与分形维数之间的关系:,5.2 岩石可钻性,（3）岩石破碎分形法,岩屑分形维数与可钻性级值对应关系,5.2.2 岩石可钻性的预测方法,5.2 岩石可钻性,5.2.3 PDC钻头可钻性与牙轮钻头可钻性的关系,与牙轮钻头相对应的PDC钻头可钻性级值,5.3 钻头优选方法研究,5.3.1钻头选型的原则,（1）选择哪种型号、规格的钻头，最重要的依据就是地层。设计者应从地质部门提供的地层柱状剖面图上找到岩性描述，根据所钻岩石的机械性能，包括岩石硬度、塑脆性、研磨性、可钻性等数据，作为选择钻头类型的依据；（2）不同的钻头类型，其破岩机理及适用的地层有所不同，设计者应对各种类型钻
11、头的工作原理有充分的了解，这是合理选择钻头的重要环节；（3）对设计井所在地区已使用的钻头资料进行详细分析、评价，作为钻头选型的比较标准，这是合理选择和使用好钻头的重要依据。,除上述原则之外，钻头选型时还应考虑：（1）浅井段：由于岩石胶结疏松，宜选择能获得高机械钻速的钻头；（2）深井段：由于起钻时间长，宜选用获得较大进尺的钻头；（3）若所钻地层含有砂岩夹层时，则应考虑用镶齿保径钻头；（5）对易产生井斜的地层，宜选用无移轴、无保径、齿多而短的钻头；（5）若起出钻头的外排齿磨损严重而中间齿的磨损较轻时，则应改选带保径齿的钻头；（6）若牙齿磨损速率比轴承磨损速率低得多，应选择一种较长牙齿，较好的轴承设
12、计，或在使用中施加更大的钻压。,5.3 钻头优选方法研究,5.3.1钻头选型的原则,5.3 钻头优选方法研究,5.3.2钻头优选方法,（1）定性方法,钻头类型与地层级别对应关系表,5.3 钻头优选方法研究,（2）定量方法,1）经济效益指数法,每米钻井成本计算模型：,2）比能法（HussainRabia.1985 ）,将钻头比能作为衡量钻进效果好坏的主要因素。钻头比能越低,表明钻头的破岩效率越高,钻头使用效果越优。,5.3.2钻头优选方法,5.3 钻头优选方法研究,3）模糊聚类分析法,（2）定量方法,以成本为函数：,把钻井过程中很多不确定性因素如地层“软硬”，钻头寿命“长短”，机械钻速“快慢”等
13、，这些集合的模糊随机的边界约束为概率密度函数。 模型优化能够给出钻进方案中各参数的最大可靠度。这就意味着钻井过程将会以最大的可靠概率来完成。,进尺约束,可靠性约束,失效概率约束,影响因素,进尺约束,可靠性约束,5.3.2钻头优选方法,5.3 钻头优选方法研究,选型步骤及依据:(1) 建立已知地层的岩石力学参数与钻头类型数据库。(2) 计算所钻地层岩石力学参数，并加入到已建立好的数据库中。(3) 参照最接近的已知地层所使用的钻头进行钻头选型。 根据上述方法确定的地层亲疏关系，就可参照与所钻地层最接近的某一或某儿种己知地层的钻头选用情况选择钻头。,5.3.2钻头优选方法,5.4 基于岩石可钻性的钻
14、井参数优选方法研究,5.4.1 基于可钻性的钻速模式建立,钻速方程：,大庆地区部分完井数据和岩石可钻性级值,运用回归分析方法，建立了钻压指数、转速指数、水力指数、钻井液密度差系数和钻速系数和地层可钻性级值之间的函数关系。,5.4.2 钻井参数优选目标函数的建立,（1）进尺成本模式建立,（2）多元优化模型的目标函数分析,变量本身应满足的约束条件,钻头轴承负荷约束,泵功率约束,钻头寿命约束,5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究,5.4.2 钻井参数优选目标函数的建立,根据惩罚函数的原理，将上述多元化模型变成无约束的优化模型。惩罚函数的目标函数建立如下:,用模式搜索法解上式，就可得出最优解,
15、5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究,5.4.3 水力参数设计,泵压,钻头水功率,喷嘴当量直径,喷嘴组合结构,最大水功率,最优,立压,最优,喷嘴方向，井底流场结构分析,排量,对于215.9mm的钻头，大庆中深井满足携岩最小上返速度和冷却钻头切削齿、清洁井底的需要，获得最大钻头水功率，井眼的排量应在2832Ls，环空上返速度在1.01.5ms。,按照最大钻头水功率标准优选排量：,最优排量,5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究,5.4.3 水力参数设计,喷嘴组合: 理论和实践业已证明，在相同的钻头水力功率条件下，不同尺寸的优选喷嘴组合，能改善井底流场和压力分布状况，提高漫流的清岩作
16、用，减少钻头对井底岩屑的重复破碎，从而提高破岩效率和机械钻速。喷嘴选择的原则是：（1）215.9mm钻头在软地层中，可采用二大一小，直径比为0.5的组合；在中硬地层中，可用一大一小双喷嘴，直径比为0.5的组合。（2）大直径钻头，如311钻头，可采用一个中心喷嘴加两个不等径喷嘴。（3）应尽可能选加长喷嘴、斜喷嘴和脉冲喷嘴等。（5）设计中先求出水眼总面积，再确定最小直径喷嘴（为了防堵，喷嘴直径，一般不小于7mm），然后再配最大直径喷嘴，使直径差尽可能拉大，而总面积不变。 喷嘴组合直径级差多大合适，尚需进一步研究，目前一般采用直径级差（两喷嘴直径之差）为12mm，或用直径比值q=（0.50.62）进
17、行组合。,5.4 基于岩石可钻性的钻井参数优选方法研究,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.1井眼围岩应力分布,井壁稳定问题影响着钻井的速度、质量及成本，对部分新探区还会因井壁不稳定而无法达到目的层延误勘探开发的速度，影响其综合经济效益。,井壁失稳有两种基本形式：压缩剪切破坏和拉伸破坏。破坏形式：井径扩大（垮塌）、缩径、漏失。,（1）井径扩大通常发生在低强度的脆性地层，井壁破坏后，在环空钻井液流体的冲刷作用下井壁岩石坍塌、崩落掉块。井径扩大对测井和固井极其不利，坍塌一般是钻头或钻具卡钻的原因之一。（2）缩径一般发生在泥页岩、砂岩和盐膏岩等塑性地层，地层在高应力差的作用下产生不同程度的塑性变形，引
18、起井眼直径减小。钻井作业需要不断划眼以避免卡钻的发生。（3）拉伸破坏或水力压裂裂缝是造成钻井液漏失的主要原因。严重的井漏可使钻井液柱压力大幅度降低，为井喷埋下了隐患。,5.5井壁稳定的力学机理,井壁失稳的原因: 在岩石强度较高且正常地应力的地层，一般不会发生井壁失稳问题。导致井壁失稳问题的原因很多，包括天然和人为两个方面：（1）天然因素：有地质构造类型和原地应力、地层的岩性和产状、含粘土矿物的类型、弱面的存在及其倾角、层面的胶结情况、地层强度、裂隙节理的发育、孔隙度、渗透率及孔隙流体压力等。（2）人为因素：钻井液的性能、钻井液和泥页岩化学作用的强弱、井眼周围钻井液侵入带的深度和范围、井眼裸露的
19、时间、钻井液的环空返速对井壁的冲刷作用、循环波动压力和起下钻的抽吸压力、井眼轨迹的形状及钻柱对井壁的摩擦和碰撞等。 解决井壁失稳的问题，要从钻井液化学和岩石力学入手，抓住主要因素进行分析才能获得满意的结果。,5.5.1井眼围岩应力分布,5.5井壁稳定的力学机理,假设条件：地层均质各向同性线形弹性，小变形轴向平面应力或平面应变三维问题转化为二维问题,5.5.1井眼围岩应力分布,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.1井眼围岩应力分布,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.2 井壁坍塌压力计算,井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态、围岩的强度特性等密切相关，主要表现为坍塌或缩径。,（1）岩石的强度条件（强度准
20、则）,井壁稳定力学分析中，Mohr-Coulomb破坏判据表示为：,5.5井壁稳定的力学机理,井壁坍塌处的应力：,有最大值，此时井壁坍塌处的有效应力公式为：,5.5.2 井壁坍塌压力计算,（3）利用库伦-摩尔强度准则计算坍塌压力,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.2 井壁坍塌压力计算,泥浆密度低，井壁坍塌椭圆井眼长轴在最小水平地应力方位,（3）利用库伦-摩尔强度准则计算坍塌压力,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.2 井壁坍塌压力计算,5.5.3 井壁破裂压力计算,5.5井壁稳定的力学机理,井壁岩石拉伸破坏是应满足以下不等式：,当 井壁岩石处于张性极限平衡状态。求解该方程可以保证井壁不发生张性破
21、裂的液柱压力极限，称为张性破坏压力（Pf）。破裂发生在 最小处， 带入井眼围岩应力分布公式知=0和180 时有如下公式 ：,因 变成拉伸，非线性修正系数不考虑。另外，由于破裂主要发生在砂岩层，且井内压力远大于孔隙压力，因此井壁的周向应力要较大地受到钻井液向地层渗透产生渗透压力的影响，钻井液向地层渗透产生的渗透压力可用下式计算，即：,综合考虑地应力及渗透压力的综合作用时，有效周向应力为:,5.5.3 井壁破裂压力计算,5.5井壁稳定的力学机理,5.5.3 井壁破裂压力计算,5.5井壁稳定的力学机理,将 代入拉伸破坏准则，得求得拉伸破裂时，井内破裂压力为,综合考虑地应力及渗透压力的综合作用时，有效周向应力为:,若不考虑地层的渗透作用(对低渗泥页岩地层)，则地层破裂压力的计算公式为：,5.5.4 温度对井壁稳定的影响井壁稳定的影响分析,5.5井壁稳定的力学机理,影响井壁温度的主要因素为钻井液比热及热传导系数，地层比热及热传导系数，其中两个传热系数的影响比较明显。,经过推导得出考虑温变应力影响下井壁坍塌压力的计算模型为 ：,井壁温度升高时，井壁坍塌压力升高，不利于井壁稳定 井壁温度降低时，坍塌压力降低，利于井壁稳定,5.5.5 弱面地层的钻井液安全窗口的确定,5.5井壁稳定的力学机理,Adony提出当弱面满足下面关系时 , 弱面先于岩石本体破坏。,弱面产生滑动的条件是：,
