深部井眼岩石可钻性与岩石力学特性实验研究

论文摘要

深部硬地层快速钻井问题是深井超深井钻井中的一大技术难题,是制约深井超深井钻井发展的技术关键。深部井眼岩石力学特性的研究,特别是深部井眼岩石可钻性的研究是实现这一技术的关键。只有清楚的了解和掌握地层岩石的可钻性规律,才可能有针对性的优选钻头、优化设计参数,从而提高钻井速度。而针对深井井底条件下的岩石可钻性进行预测和计算是专家和工程界同行们都很重视但尚没有完全解决的问题。因此本文在实验和理论分析的基础上,从研究深部地层井壁岩石力学性质入手,对深部井眼岩石的可钻性规律进行了研究。由于现行的岩石可钻性评定方法,是通过钻井取芯,并进行室内实验和测定得到岩石可钻性级值,但是室内实验需要大量的现场岩芯且由于经济和技术的原因,不可能对整个地层取芯,难以建立连续剖面,不能反映不均匀地层岩石性质的变化以及岩石在地下所处的高温、高压情况,导致钻头选型和使用上存在很多问题。因此本文最后提出了一种利用声波测井资料预测岩石可钻性的方法。本文的主要内容归纳如下:首先,系统的开展了深部井眼钻井围岩应力分布规律研究;分析了深部井眼岩石的原始应力状态,给出了原始地应力的计算方法;分析了深部直井眼围岩应力状态,建立了深部直井眼钻井围岩应力的基本方程,研究了深部直井眼钻井围岩应力的分布规律;通过对深部斜井眼钻井围岩应力状态的分析,得出了深部斜井眼围压应力的分布规律,为研究深部井眼的岩石可钻性等参数奠定了基础。其次,开展了深部井眼岩石可钻性及岩石力学参数实验研究;常温常压下,通过深部井眼岩石可钻性、岩石弹性参数、岩石硬度和塑性系数的室内实验及分析,建立了岩石可钻性与岩石力学参数间的相关关系,得出了深部井眼岩石可钻性与岩石力学参数间的相关方程。然后,对深部井眼围压条件下岩石可钻性等力学参数进行了研究;通过围压条件下岩石力学参数的室内实验,建立了岩石力学参数与围压之间的定量关系;通过围压条件下的岩石可钻性分析,建立了不同围压条件下的岩石可钻性计算模型。另外,本文还研究了高温高压对岩石可钻性的影响,结果表明,高压对岩石可钻性级值影响较大,而在井底温度范围内的高温对岩石可钻性级值影响较小。最后,通过井眼岩石可钻性与声波速度的室内实验,建立了深部井眼岩石可钻性与声波速度间的相关关系,从而建立了一种利用声波速度预测岩石可钻性的方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.1.1 研究的背景
• 1.1.2 研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 岩石可钻性表示方法的研究
• 1.2.2 岩石研磨性的研究
• 1.2.3 围压下岩石破碎过程的研究
• 1.2.4 提高深井硬地层钻井技术研究
• 1.3 课题研究的主要目的和内容
• 1.3.1 研究的目的
• 1.3.2 研究的内容
• 2 深部井眼围压应力分析
• 2.1 深部井眼围岩的原始应力状态
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 垂向地应力计算模型
• 2.1.3 水平地应力计算模型
• 2.2 深部直井眼围岩应力分析
• 2.2.1 基本假设
• 2.2.2 基本方程
• 2.2.3 井眼围岩应力分布
• 2.3 深部斜井眼围岩应力分析
• 2.4 本章小结
• 3 常温常压下岩石可钻性与岩石力学特性实验研究
• 3.1 常温常压下岩石可钻性室内实验研究
• 3.1.1 岩石可钻性的概述
• 3.1.2 岩石可钻性模拟实验方法及室内实验研究
• 3.2 常温常压下岩石硬度和塑性系数室内实验
• 3.3 常温常压下岩石弹性常数和抗压强度室内实验研究
• 3.3.1 岩石力学性质表述
• 3.3.2 岩石弹性参数室内实验
• 3.4 常温常压下岩石可钻性级值与岩石力学参数的相关性研究
• 3.4.1 岩石可钻性级值与岩石抗压强度的关系
• 3.4.2 岩石可钻性级值与岩石硬度的关系
• 3.4.3 岩石可钻性级值与塑性系数的关系
• 3.4.4 岩石可钻性级值与岩石力学参数之间的关系
• 3.5 本章小结
• 4 模拟井底条件下岩石可钻性与岩石力学特性研究
• 4.1 围压下岩石力学参数实验研究
• 4.1.1 围压下岩石力学参数实验准备
• 4.1.2 岩石力学参数与围压的关系
• 4.2 围压下岩石可钻性级值计算模型
• 4.2.1 一般围压下岩石可钻性级值计算模型
• 4.2.2 模拟井底压力的岩石可钻性级值计算模型
• 4.3 模拟井底温度和压力的岩石可钻性及岩石力学参数室内实验研究
• 4.4 本章小结
• 5 声波岩石可钻性研究
• 5.1 声波在岩石中的传播特性
• 5.2 岩石可钻性与声波速度之间的关系
• 5.2.1 数理统计的特征值
• 5.2.2 地层岩性与声波速度之间的关系
• 5.2.3 岩石可钻性与纵波速度之间的关系
• 5.3 纵波速度岩石可钻性分级
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录