温度压力对岩石可钻性和破岩效率影响实验

周波 汪海阁 张富成 纪国栋 韩泽龙 武强

中国石油集团工程技术研究院有限公司

0 引言

深部地层钻井破岩效率低是制约深层超深层油气高效勘探开发的关键工程因素之一［1-2］。深层岩石可钻特性分析是深井超深井钻头选型和钻井参数优化的基础［3-5］，准确测定深部地层岩石可钻性级值，揭示温度、压力对岩石可钻特性的影响规律及不同钻井参数下破岩效率对地层温度、压力的敏感性，对于提高深井超深井机械钻速、降低钻井成本具有重要意义。

现行石油天然气行业标准推荐的岩石可钻性测定是基于常温常压环境的岩石可钻性室内实验［6］，由于室内测定环境与深部地层环境差异较大，导致岩石可钻性测定值与井底实际存在偏差，无法满足深井超深井钻头选型及钻井参数优化需求。近年来，国内外学者开展了温度、压力等因素对岩石可钻性影响的研究。如杨玮、杨迎新等［7-8］采用PDC微型钻头测试分析了围压因素对南充砂岩可钻性的影响，采用牙轮微型钻头测试分析了温度因素对武胜砂岩可钻性的影响；魏山栋、Mao Shuai等［9-10］通过室内模拟测试分析了井底压力对岩石可钻性的影响。受测试条件和分析方法等限制，目前对于岩石可钻性级值测定以温度或压力单因素测试为主，无法判定温度、压力因素耦合作用下影响岩石可钻性级值的主控因素，同时未见对温度、压力等影响因素开展破岩效率敏感性分析，无法有效指导现场钻井参数优化。

本文基于高温高压岩石可钻性测试和钻井模拟装置，开展了高温、高压耦合环境下岩石等效可钻性级值测试分析，揭示了温度、压力耦合作用下影响可钻性级值的主控因素及岩石可钻特性变化规律，为深井超深井钻头选型提供依据。通过高温高压破岩模拟实验，揭示了深层超深层钻井破岩效率对温度、压力因素的敏感性规律，为钻井参数优化提供指导。

1 实验装置及岩样

1.1 高温高压钻井综合实验装置

实验采用高温高压钻井综合实验装置，该实验装置主要由钻井系统、钻井测量系统、真三轴系统、控制系统等构成，如图1所示。

图1 高温高压钻井模拟实验装置示意图Fig. 1 Sketch of high temperature and high pressure drilling simulator

钻井系统主要包括钻进升降系统、高压转联装置、钻头和钻杆、机械给进装置、支撑平台、钻井液动密封元件、其他控制系统及软件等。其中，钻进升降系统升降速度通过计算机进行控制，高压转联装置用于真三轴系统内钻进时的钻杆动力传输。钻井系统可以实现恒压、恒速两种钻井模式。钻头为两切削齿小型PDC钻头，其中复合片的后倾角分别为10°、20°、30°。

钻井测量系统主要由重力传感器、位移传感器及计时系统等组成，通过各种传感器实现对钻井过程中转速、钻压、扭矩、位移等数据的测量。各传感器数据通过计算机进行自动采集记录。其中重力传感器用于测量钻头下行的压力，即为钻压；位移传感器用于测量钻头钻进深度。

真三轴系统由3个方向分别独立的压力系统组成，实现真三轴条件。系统可施加最大压力为50 MPa，压力控制精度±0.1 MPa。安装的岩样尺寸为400 mm×400 mm×400 mm (备选尺寸为 300 mm×300 mm×300 mm)。采用硅油作为加压介质，配置电加热和声发射探头，模拟井下岩石高温高压环境。

1.2 实验岩样

采用花岗岩作为实验岩样，岩样颜色为灰白色，内部致密、无裂纹，岩样尺寸加工为400 mm×400 mm ×400 mm。防止初始时刻钻头切削齿在岩样表面的侧向滑动，采用取心钻头在岩样表面预置5 mm深的钻孔，保证钻头能够准确吃入地层。

2 高温高压岩石等效可钻性级值评价

岩石的破岩效率受地层岩性、钻井参数、钻头结构、实验环境等多因素影响［11-13］。岩石可钻性级值可以消除实验中钻井参数、钻头结构对破岩效率的影响，是反映岩样可钻特性的综合性指标［14-15］。采用高温高压钻井模拟实验装置，测定某一固定进尺下微型钻头的钻进时间，根据钻进时间与岩石可钻性级值测试数据回归模型，如式(1)所示，可得高温高压岩石等效可钻性级值

式中，Kd为岩石可钻性级值，无量纲；t为钻进时间平均值，s。

高温高压环境下岩石等效可钻性级值测试参照岩石可钻性测定及分级方法行业标准，同时增加温度、围压测试条件对岩石可钻性级值进行测定。实验步骤与流程如下：

(1)连接微型PDC钻头，微型PDC复合片钻头直径 32 mm，后倾角 20°，侧倾角 15°。

(2)调试校准实验装置计时系统、重力传感器、位移传感器。

(3)通过控制系统设定钻井参数，固定动载钻压500 N，旋转钻速50 r/min。

(4)钻进，记录钻深3 mm所需钻进时间，并停钻。

(5)每种试样按上述程序重复3次。

不同围压下温度对岩石等效可钻性级值影响如图2所示，在20～300 ℃，围压为0时，岩石等效可钻性级值随温度升高而降低，围压超过30 MPa，岩石等效可钻性级值出现随温度先升高后降低现象。

不同温度下压力对岩石等效可钻性级值影响如图3所示。在0～50 MPa范围，岩石等效可钻性级值随围压增加整体呈升高趋势，相对于200 ℃，当温度升高为300 ℃时，岩石等效可钻性级值出现降低现象。

图2 等效可钻性级值随温度的变化Fig. 2 Variation of equivalent drillability grade with temperature

图3 等效可钻性级值随围压的变化Fig. 3 Variation of equivalent drillability grade with confining pressure

在 20～300 ℃、0～50 MPa范围，温度、压力单因素作用下，岩石等效可钻性级值随温度升高而降低，随压力增加而升高；温度、压力耦合作用下，压力因素对岩石等效可钻性级值大于温度因素的影响。

3 钻头破岩效率影响因素实验分析

为进一步分析深井超深井温度、压力对钻头破岩效率的影响，为PDC钻头设计选型、钻井参数优化提供依据，通过高温高压钻井综合实验装置开展钻头破岩效率影响实验。

钻井速度是地质、工程综合因素作用下钻头破岩效率的直接表征［16-17］。对于相同的岩样，为进一步分析钻头结构、钻井参数、实验环境对钻头破岩效率影响，实验采用高温高压钻井综合实验装置模拟井筒高温高压环境下钻头破岩过程，测定记录不同实验条件下的钻井速度值，通过钻井速度分析切削齿后倾角、钻井参数、岩样温度、岩样围压等因素对破岩效率的影响。

3.1 实验步骤与流程

(1)采用实验岩样进行预钻井实验，设置恒定钻速，通过设定不同转速，读出实验测试过程中实际钻压值，优选钻压、转速参数范围。

(2)安装钻头、岩样，调试校准实验装置计时系统、重力传感器、位移传感器。

(3)通过控制系统设定钻压、转速参数，调节真三轴系统岩样围压、温度值，启动钻进，钻进过程系统实时采集钻压传感器数据(0.5 s采集1次)，对钻压进行实时调整，实现恒钻压钻进。

(4)钻进进尺3 mm停钻，记录钻进过程平均速度值。

(5)每种试样按上述程序重复3次。

3.2 切削齿后倾角对破岩效率的影响

切削齿后倾角是钻头设计的重要参数之一，对破岩效率有直接影响［18-21］。实验设定钻头转速30 r/min，钻压 800 N，围压 50 MPa，测试常温 20 ℃、高温 150 ℃ 环境下，不同后倾角 10°、20°、30°对应的破岩效率。实验结果如图4所示。

图4 切削齿后倾角对破岩效率的影响Fig. 4 Influence of cutter’s back rake angle on rock breaking efficiency

实验结果显示，当后倾角由10°增至30°，钻头破岩效率(钻速)先增加再降低。在后续实验中优选钻头切削齿后倾角为20°。

3.3 温度对破岩效率的影响

实验设定钻头切削齿后倾角20°，围压50 MPa，测试20、150、300 ℃温度下，不同钻井参数组合对应的破岩效率。

如图5所示，固定转速30 r/min，钻压分别为400、800 N，在20～300 ℃温度范围，钻头破岩效率均随温度的升高而增加，相对于400 N(低钻压)，800 N(高钻压)破岩效率对温度敏感性升高。

如图6所示，固定钻压800 N，转速分别为30、50 r/min，在20～300 ℃温度范围，钻头破岩效率均随温度的升高而增加，相对于30 r/min(低转速)，50 r/min(高转速)下破岩效率对温度敏感性降低。

实验结果显示，在20～300 ℃温度范围，不同钻井参数下钻头破岩效率随温度的升高而增加。钻压、转速对温度的敏感性存在差异，钻压对温度的敏感性大于转速对温度的敏感性。

图5 不同钻压下温度对破岩效率的影响Fig. 5 Influence of temperature on rock breaking efficiency at different weights on bit

图6 不同转速下温度对破岩效率的影响Fig. 6 Influence of temperature on rock breaking efficiency at different rotation speeds

3.4 围压对破岩效率的影响

实验设定钻头切削齿后倾角20°，温度150 ℃，测试0、20、50 MPa围压下，不同钻井参数组合对应的破岩效率。

如图7所示，固定转速30 r/min，钻压分别为400、800 N，在 0～50 MPa围压范围，钻头破岩效率均随围压的升高而降低。

图7 不同钻压下围压对破岩效率的影响Fig. 7 Influence of confining pressure on rock breaking efficiency at different weights on bit

如图8所示，固定钻压800 N，转速分别为30、50 r/min，在0～50 MPa围压范围，钻头破岩效率均随围压的升高而降低。

图8 不同转速下围压对破岩效率的影响Fig. 8 Influence of confining pressure on rock breaking efficiency at different rotation speeds

实验结果显示，在0～50 MPa围压范围，不同钻压、转速条件下，围压与钻头破岩效率近似呈线性关系，钻头破岩效率随围压增加而降低。

3.5 钻井参数对于破岩效率的影响

实验过程设定温度150 ℃、围压50 MPa、切削齿后倾角20°，测试不同钻井参数组合对应的破岩效率。实验结果如图9所示。

图9 钻井参数对破岩效率的影响Fig. 9 Influence of drilling parameters on rock breaking efficiency

实验结果显示，在温度150 ℃、围压50 MPa环境下，破岩效率与钻压、转速正相关，且与转速近似呈线性关系。高温高压地层钻井过程，合理强化钻井参数，可以经济有效地提升破岩效率。

4 结论与认识

(1)在温度 0～300 ℃、围压 0～50 MPa范围，温度、压力单因素作用下，岩石等效可钻性级值随温度升高而减小，随压力增加而增大。温度、压力耦合作用下，压力因素对花岗岩岩石等效可钻性级值大于温度因素的影响，花岗岩等效可钻性级值升高1～2级，在深层超深层钻头选型或设计时，应考虑温度、压力对岩石可钻性的影响。

(2)钻头破岩效率受地层温度、压力、钻井参数等因素的综合影响。在20～300 ℃温度范围，钻头破岩效率随温度的升高而增加；在0～50 MPa围压范围，钻头破岩效率随围压增加而降低；破岩效率随钻压、转速的增加而提高，且钻压、转速对破岩效率的敏感性大于温度、围压对破岩效率的敏感性。高温高压地层钻井过程，合理强化钻井参数，可以经济有效地提升破岩效率。

(3)深层岩石可钻特性受地质环境影响，同时受岩石类型、岩石物性等参数的影响，可钻特性及破岩效率敏感性因岩石类型的限制具有局限性，需进一步开展其他种类岩石高温高压可钻特性研究。