重庆长寿区嘉陵江组和须家河组岩石研磨性及可钻特征研究

＊罗增 陈帅 杨华建

（1.中国石油西南油气田分公司工程技术研究院 四川 610000 2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川 610500）

引言

钻头广泛应用于地质勘探、矿山开采以及油气钻井破碎领域[1]，其中岩石的研磨性是钻井过程中评价钻头磨损最重要的因素之一[2]，为了能够准确预测地层的研磨性，也为不同地层可以选择合适的破岩工具，开展不同地层岩石的研磨性研究具有重要意义。岩石可钻性是衡量岩石的破碎难易程度的重要指标之一[3]，是进行钻头优化设计、钻头优选、提速工艺参数优化等钻井工程设计的重要依据。影响岩石可钻性的因素较多，仅从岩石单一的力学性质或所处的环境特征很难对其准确预测。目前来看，针对大多数岩石，随着井筒压力的增加，岩石的可钻性基本呈指数型增加，但是砂岩却有三种压实效应[4-5]。关于井筒压力对可钻性的影响目前还没有形成统一的认识，还需要更多的实验数据去发现其中蕴含的规律。因此我们在本文中将继续研究井筒压力对可钻性的影响。目前来看关于须家河组岩石可钻性的研究较多，须家河组致密砂岩地层石英含量高、硬度可达8级、研磨性强，钻进过程中容易造成钻头过早磨损，单只钻头进尺少、机械钻速低，严重影响了其勘探开发进程[6-7]。很少有涉及关于嘉陵江组岩石可钻性的研究，颗粒灰岩主要发育在嘉一段和嘉三段的顶部，颗粒类型有鲕粒、砂屑和少量生屑。颗粒由泥晶方解石组成，磨圆中等，分选较差，多为点—线接触，粒间被亮晶方解石和灰泥基质充填[8]。为了比较不同地层可钻性及其它属性的差异，我们选用了嘉陵江组灰岩和须家河组砂岩作为研究对象，并为此开展岩石硬度、研磨性和可钻性等研究。

1.实验方法

本文研究所选用岩石取自重庆地区嘉陵江组和须家河组露头（见图1），为了研究该地区的岩石力学及可钻特征，我们开展了岩石的里氏硬度、研磨性和可钻性测试实验。

图1 实验所选的岩石母体

硬度实验通过里氏硬度计测得，测试的基本原理是具有一定质量的冲击体在一定的试验力条件下冲击岩样表面，测量冲击体距岩石表面1mm处的冲击速度与回弹速度，通过公式（1）计算得到岩石的里氏硬度值。SeferBeranÇelik等[9]发现里氏硬度和可钻性之间有较好的相关关系，并给出了单轴抗压强度的预测模型。具体计算方法如公式（2）所示。

式中，HLD—里氏硬度值；

VB—冲击体回弹速度；

VA—冲击体冲击速度；

UCS—单轴抗压强度。

岩石研磨性实验测试过程中钢针针尖的作用力设定为70N，岩石和钢针相对速度为1mm/s，每次测试的时间为10s，通过高倍光学显微镜观察钢针的磨损情况，测量磨损后的直径d，通过公式（3）计算其CAI值。

式中，CAI—研磨性值；

d—钢针磨损后的直径。

岩石可钻性测试采用的是石油天然气钻井工程岩石可钻性测定及分级方法[10]（SY/T5426-2016），本文实验选用PDC微钻头进行岩石可钻性测试，实验中钻头转速为55r/min，钻压500N，有效钻深3mm，记录钻进有效钻深所花费的时间t为有效钻时，最后通过公式（4）计算得到岩石的可钻性级值。

式中，Kd—可钻性级值；

t—有效钻时。

2.结果和讨论

通过实验得到的里氏硬度和抗压强度分布情况如图2所示。嘉陵江组里氏硬度分布较为集中，其中有95%以上的数据分布在677～695HLD之间，相比较嘉陵江组，须家河组里氏硬度的非均质性表现的更强，仅有60%左右的数据分布在660～682HLD之间。从嘉陵江组灰岩的抗压强度来看，嘉陵江组灰岩的强度较为均值，大致分布在100MPa左右，须家河组砂岩的强度分布离散型较强。总体表现为须家河组砂岩岩性特征更为复杂，而嘉陵江组灰岩岩石强度更高。

图2 不同地层里氏硬度和抗压强度分布情况

通过对嘉陵江组10块灰岩和须家河组10块砂岩进行研磨性实验，得到实验前后钢针的直径变化情况（见图3）。并通过公式（2）计算得到其CAI值。图4为不同地层CAI值的分布情况，研究发现，嘉陵江组灰岩的研磨性要小于须家河组砂岩，对于在钻井工程中选择破岩工具时，钻遇须家河组地层要充分考虑破岩工具的耐磨性。嘉陵江组灰岩CAI值集中分布在0.8～1.3之间，而须家河组砂岩CAI值集中分布在 2.0～2.5之间。岩石矿物组分及粒径的差异是导致这两个地层研磨性显著性差异的原因。岩石中的矿物成分中具有高硬度的颗粒（如石英），随着石英含量的增高，则其研磨性加大，或者组成岩石的胶结物性质不同，也会明显地影响着岩石的研磨性。在岩石中，石英颗粒的形状与尺寸也对岩石研磨性起着影响，即使石英含量相同，但如颗粒形状不同、粒径不同、配比的均匀度不同，则表现的研磨性也有很大的 差异[11]。

图3 研磨性实验前后钢针变化情况

图4 不同地层研磨性分布情况

为了研究井筒压力对可钻性的影响，我们测试了不同井筒压力下岩石的可钻性级值，实验结果如图5所示。研究发现井筒压力对可钻性的影响分为两个阶段：第一个阶段中井筒压力对不同岩石的影响有显著性差异，对于嘉陵江组灰岩来说，是否施加井筒压力对于岩石的可钻性影响显著，出现这种现象的原因主要是灰岩脆性较强，钻头在破碎岩石时裂纹扩展程度较大，但是施加井筒压力会大幅度抑制这种裂纹的扩展，进而大幅度提高岩石的可钻性。但是对于须家河组砂岩来说，施加10MPa的井筒压力并没有对其可钻性产生较大影响。这主要是因为岩石受到表面压实和压力突破阶段的综合影响。表面压实阶段使岩石可钻性增加，压力突破阶段使岩石可钻性降低，二者的综合影响导致了井筒压力10MPa下的可钻性级值和单轴情况下的可钻性级值较为接近[5]；第二个阶段中井筒压力的增加会使岩石可钻性呈线性增加趋势，但是砂岩的可钻性增加幅度要大于灰岩的增加幅度。出现这种现象的原因是砂岩进入了骨架压实阶段，随着井筒压力的增加，砂岩的强度会持续增加，因此岩石的可钻性也会持续增加。但是灰岩在第二个阶段中裂纹扩展已经在很大程度上被抑制，因此可钻性增幅也就不再那么明显。Shuai Chen等[12]研究了井筒压力对五种砂岩可钻性的影响，但是他们没有考虑把井筒压力对可钻性的影响分为两个阶段，因此得出的规律是砂岩可钻性随着井筒压力的增加成指数型增加趋势。综合两个地层来看，随着井筒压力的增加，砂岩的可钻性级值增加幅度要高于灰岩的可钻性级值增加幅度，但是在50MPa以内，灰岩的可钻性级值始终高于砂岩的可钻性级值。

图5 不同地层岩石可钻性级值随井筒压力变化规律

3.结论

（1）须家河组砂岩比嘉陵江组灰岩的非均质性更强，但是里氏硬度更小。

（2）须家河组砂岩比嘉陵江组灰岩的研磨性更强，在选择须家河组地层破岩工具时要充分考虑工具的耐磨性。

（3）井筒压力对两个地层岩石的可钻性的影响分为两个阶段，在第一个阶段，井筒压力对嘉陵江组灰岩要比须家河组砂岩的影响更大。在第二个阶段，随着井筒压力的增加，须家河组砂岩的增加幅度要比嘉陵江组灰岩的增加幅度更大。