用声波法评价地层可钻性各向异性的实验研究

地层可钻性各向异性的评价对井眼轨迹控制具有重要意义。通过室内实验分别测定了岩芯垂直于和平行于地层层面方向的可钻性及声波速度，得到了岩石可钻性各向异性指数和波速各向异性系数，并对结果进行了讨论。用数理统计方法研究分析了牙轮钻头岩石可钻性各向异性指数、牙轮钻头垂直于和平行于地层层面方向岩石可钻性差值和PDC钻头岩石可钻性各向异性指数与纵波波速各向异性系数的相关关系，建立了用纵波波速各向异性系数评价地层可钻性各向异性的模型。利用所建立的模型，采用地震资料或测井资料可以方便地对地层可钻性各向异性进行评价。对河南油田AN2004井进行评价，其结果表明，用该方法评价出的地层可钻性各向异性能正确反映被评价地层的特性。     

岩屑声波法评价岩石可钻性的试验研究

岩石可钻性是石油钻井中优选钻头类型的重要依据。岩屑声波法评价岩石可钻性以容易获取、来源充足的钻井岩屑为研究资料，通过测定岩屑的声波波速，来定量计算岩石的可钻性级值，可以获得连续的地层信息，实现钻头类型的优选。试验分析了毫米级岩屑波速测量的可行性和岩屑波速与岩石可钻性级值的相关性，表明岩屑波速具有良好的代表性，且岩屑波速与岩石可钻性级值(Kd)有着密切的关系。测定了26块有代表性的岩芯的可钻性级值及相应岩屑的声波速度，建立了岩石可钻性级值(Kd)与岩屑波速的关系模型。在一口预探井进行了随钻检测地层可钻性的现场试验，证明该方法是有效的。     

碳酸盐岩地层抗钻特性预测方法研究及应用

 碳酸盐岩地层是目前我国富含油气资源的主要地层,其地层抗钻特性参数的准确合理预测是油气资源高效合理开发的重要保证。通过室内岩芯试验,结合现场测井资料,运用数理统计方法研究分析碳酸盐岩地层岩石可钻性、抗压强度与声波时差,塑性系数与泊松比以及地面声波时差与测井声波时差、纵波时差与横波时差的相关关系,建立利用测井资料预测碳酸盐岩地层抗钻特性参数的预测模型。通过室内实测资料对预测模型进行验证,预测精度达90%,能够满足工程需要。利用已建立的地层抗钻特性参数测模型对川东北元坝区块海相碳酸盐岩地层的抗钻特性进行研究和分析,为该地区海相地层钻头类型和钻进参数的优选提供合理依据。     

环脊式PDC钻头破岩机理实验研究

环脊式PDC钻头是一种采用不连续布齿原理在井底形成易破碎岩石环脊的钻头技术新思想。在不同岩性、不同岩脊尺寸等条件下,开展了针对岩脊的牙轮牙齿的单齿静压和PDC齿刮切破岩单元实验,以及针对平整表面岩石的对比实验;设计制造了全尺寸可变参数实验钻头,并进行了环脊式PDC钻头与常规PDC钻头的室内钻岩对比实验。实验研究结果表明:与平整岩样的实验相比,牙轮牙齿和PDC齿在岩脊上的切削破碎载荷和破碎比功均显著降低;在全尺寸钻头钻岩实验中,与同等布齿密度条件下的常规PDC钻头相比,环脊式钻头的破岩比功显著降低,破岩效率明显提高;环脊式PDC钻头在钻进过程中有明显的体积性破碎现象,岩屑的尺寸或粒度显著增大,有利于地质录井。     

定向钻井PDC钻头三维钻速预测方法

综合考虑PDC钻头的切削作用、钻具组合的力学作用和地层岩石可钻性各向异性,根据钻头力平衡原理,建立一种新的PDC钻头三维钻速预测方法。在钻头瞬态力平衡计算中,不仅考虑钻具组合的力学作用,还考虑钻头冠部的侧向不平衡力和保径受力对PDC钻头切削作用的影响。结果表明:井眼轨迹的预测结果与实测结果有较高的吻合度,说明方法合理;根据具体的钻头结构参数和地层可钻性各向异性,通过数值计算可获得钻头的轴向和侧向钻速,不需要取得地层法向钻进效率;在钻头瞬态力平衡计算中,钻头侧向不平衡力过大将增大井眼轨迹控制的难度,对PDC钻头布齿参数的进行优化设计可以减小钻头的侧向不平衡力,进而减小钻头漂移角和工具面变化范围,增强井眼轨迹控制能力。     

PDC钻头岩石可钻性测定与分级新方法研究

PDC钻头作为最重要的油气钻井破岩工具,其岩石可钻性级值是进行钻头个性化设计与选型、优化钻井参数的关键依据,在中硬以上的地层价值尤为重要。然而,我国2000年颁布实施的石油天然气行业标准《岩石可钻性测定及分级方法》却存在明显的缺陷,对中硬以上的岩石经常出现测试无效、无法获得可钻性级值数据的现象。通过对不同岩性岩石试样的大量微钻头可钻性实验测试,发现标准钻压过低、PDC微钻头结构参数不合理是中硬以上岩石测试无效的主要原因。针对这些问题,首先,研究了微钻头切削齿安装角度对其干涉状态的影响规律,提出了最优的微钻头侧转角,消除了微钻头切削齿与岩石发生干涉的可能性;其次,开展了5种岩石在不同钻压下的微钻头钻岩实验,实验数据表明变压可钻性级值与钻压之间呈线性关系,提出了采用钻压分档测试、当量转化分级或分档独立分级的可钻性测试与分级新方法。该方法既能有效解决中硬以上岩石的可钻性测试问题,又能与过去的软岩测试数据相兼容。主要研究成果已经被2016版行业标准《岩石可钻性测定及分级》所采纳。     

川西须家河组岩心可钻特性研究与实验评价

川西坳陷须家河组是四川盆地天然气勘探开发的重点层位。该地层埋藏深、岩性致密、岩石硬度和抗压强度高,特别是须四底和须二段地层岩石可钻性级值高、研磨性强,导致机械钻速低、钻头使用寿命短,钻井成本高。针对须四底和须二段井下岩心,通过环境扫描电镜SEM和全岩分析测试XRD评价了岩石的微观结构特征及矿物组分识别,开展室内可钻特性试验测试获取了岩石硬度、研磨性和可钻性级值等可钻特性参数,并分析三者间的统计关系。分析结果认为,地层可钻性级值与岩石硬度和研磨性的相关性极小,传统微可钻级值不只是地层可钻特性的单一表现,应寻求一个新的可钻特性函数来描述地层可钻性与钻头破岩力学性态。该实验事实和分析结果为深刻分析岩石可钻特性和钻头选型提供实验支撑和技术参考。     

川东北地区地层特征研究与钻头选型

为勘探开发我国川东北地区油气资源,介绍了结合该地区地层及钻井难度研究该地区地层特征及应用岩石可钻性选择钻头类型的最新研究成果,在国内首次提出了IADC编码与地层可钻性的对应关系及用IADC编码选择钻头类型的实例.     

野猫井岩石可钻性钻前预测方法研究

岩石可钻性是石油钻井中钻头优选、钻进参数制定的重要依据，岩石可钻性钻前预测对于提高深井、超深井钻井效率，降低钻井综合成本具有重要意义。目前，国内外关于新探区野猫井的岩石可钻性钻前预测方面的研究很少。现有评价方法不能满足对缺少测井资料和岩心资料的野猫井的岩石可钻性进行钻前预测的需要。因此，在相似构造选择的基础上，提出了一种对野猫井岩石可钻性进行钻前预测的方法。该方法首先应用已钻相似构造井的地震资料、测井资料以及岩心测试资料，建立岩石可钻性钻前预测遗传神经网络模型，然后将神经网络与遗传算法有机结合起来，以神经网络理论为基础，利用遗传算法优化隐含层神经元个数和网络连接权值，最后利用野猫井的地震资料进行岩石可钻性钻前预测。应用该方法对新疆油田MXI井的岩石可钻性进行了钻前预测，预测结果与测井资料评价结果相比，平均相对误差为9．8％。比较结果表明，该方法具有较高的预测精度，是合理的。     

川东北地区岩石纵波速度分布特征和影响因素的试验研究

 岩石的矿物组分、微构造和其所处的温度围压状态是岩石声波速度的决定性因素。针对中石化川东北重点勘探区全层位的砂泥岩和碳酸盐岩地层,选取具有代表性的49种岩样,开展常温常压、常温围压和温度围压条件下的岩石声波速度测试,系统地分析中石化川东北重点勘探区全层位岩石波速的分布规律和在温度围压条件下的变化特征,得出川东北地区砂泥岩、碳酸盐岩纵波速度的均值和变化范围;采用多种数学模型研究川东北地区砂泥岩、碳酸盐岩和全层位岩石纵波速度与地层埋深、密度的相关关系,确定最优回归方程。探讨影响川东北地区砂泥岩、碳酸盐岩纵波速度的主要因素,建立温度、围压和层位与纵波速度的定性定量关系并进行初步的机制分析。综合分析表明：川东北地区砂泥岩呈现出正常沉积压实特征;碳酸盐岩的微构造复杂,微构造是决定碳酸盐岩岩声学响应特性的重要因素。     

空气冲旋钻井冲击力和机械钻速仿真研究

在钻井机械钻速预测研究中，以前常根据现场数据或试验数据统计拟合得出经验或半经验方程，方程一般含有一些很难确定的系数甚至是不可靠的。为此，借鉴三牙轮钻头仿真理论，建立了冲击旋转钻井系统仿真模型，包括冲击器动力学模型、冲旋钻头真实仿真模型、动态变化的真实井底模型和牙齿与井底岩石相互作用模型，用计算机仿真方法预测出冲击器活塞的冲击力、冲击功和空气冲旋钻井机械钻速。仿真结果和试验数据吻合较好，模型可靠，研究成果可用于冲旋钻头、冲击器设计和钻井参数优选。     

基于小波变换的岩芯卸荷扰动声学反应分析

 现行国家规范将岩体与岩块的纵波速度比的平方定义为岩体的完整性，这是由于通常情况下原位岩体的纵波波速低于其中岩块的波速，岩体越破碎，波速低得越多。通过对南京地铁工程围岩声波测井及岩芯声波测量发现，用通常手段得到的一部分岩体的测井波速反而大于岩芯波速，分析其原因主要是岩芯受卸荷及钻取扰动影响造成的。为更好地对岩芯卸荷扰动的声学反应进行分析，基于小波变换方法，将岩芯声波信号分解成不同频带通道的小波分量，进而对其进行时频分析，得到的各频带分量及其加权频谱参数与岩芯卸荷扰动敏感程度具有良好的相关性，表明该方法在分析岩芯卸荷扰动问题上具有优越性。     

岩石隧道掘进机的施工预测模型

分析了岩石隧道掘进机的破岩机理,介绍了自上世纪70年代以来发展的一系列施工预测模型,包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型和NTNU模型)、岩体分类预测模型(QTBM模型)、概率模型、模糊神经网络模型。单因素预测模型中包括的主要岩石材料参数有岩石单轴抗压强度、抗拉强度及岩石的总硬度;CSM模型主要是基于线性切割试验机岩石试验数据,其初始预测模型中包括岩石单轴抗压强度及抗拉强度;NTNU模型是一套完整的预测模型,包括掘进速度、进度预测、刀具的磨损预测及经济分析,在它的施工进度预测模型中,考虑到了岩石的可钻性、孔隙度及岩体节理的密度及方向;QTBM模型源自于Q系统,加入了一些与隧道掘进机及与掘进速度相关的参数;概率模型是基于一个庞大数据库的类比模拟模型;模糊神经网络模型是一种黑箱模型,克服了输入与输出之间的不确定性关系。     

岩石力学试验中缺陷岩样抗压强度修正方法

由于岩石形成过程以及所经历的地质历史作用,岩石内部微观裂纹、裂隙、孔隙等缺陷是客观存在的,而这些缺陷正是导致岩石力学试验结果离散的根本原因。在以往岩石力学试验现象统计分析基础上,详细分析了岩石内部缺陷对应力-应变曲线的影响,提出了显式缺陷和隐式缺陷岩样的概念;结合岩石的地质本质性和室内试验条件,选取岩石的密度和纵波波速作为衡量岩样缺陷程度和强度预测的基本参数,建立了岩石纵波波速、密度和抗压强度预测经验公式;针对显式缺陷和隐式缺陷岩样的试验结果分别提出了抗压强度修正方法,该修正方法的核心就是采用纵波波速和密度作为衡量岩样内部缺陷的定量指标,将岩样的缺陷修正到同一水平,这样将更好地把握岩石力学试验的规律。验证结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正由于岩样内部缺陷导致的抗压强度离散值。     

隧道中用陆地声纳法在开挖的岩面或衬砌表面测围岩松弛带深度

陆地声纳法在浅层勘查、隧道地质预报等方面已有大量应用,它可用锤击震源在隧道壁测量围岩松弛带的深度,经与双孔对穿声波测量法对比,二者所测结果相符。陆地声纳法现场采集简便,所需时间远少于声波测量法,还可在钢筋混凝土衬砌完成后进行。陆地声纳法可在围岩面、喷层表面或衬砌表面测出松弛带的界线及其反射时,并用折射波法或共中心点法测出松弛带岩体的平均波速,由此计算松弛带的深度。