基于分形理论的岩石可钻性分级方法

为满足优质高速钻井的要求，需要对岩石可钻性做出更加精确的测定。为此，利用分形几何理论，研究了钻井过程中岩石破碎机理及形成过程，提出了一种以井底返出的岩屑为对象的岩石可钻性测试方法。室内实验表明：微钻头岩石可钻性级值和岩石压入硬度值与破碎岩屑分形维数存在着明显的相关性，由此制定了一个基于岩屑粒度分布分形维数表示的岩石可钻性预测指标。经现场试验检验，分形法确定岩石可钻性级值具有很高的精度。这表明钻井过程中上返岩屑的分形维数能反映岩石可钻性程度，可以用分形维数衡量岩石可钻性的大小。     

油气钻井中上返岩屑的分形分析

上返岩屑是钻头破岩的产物,是油气井岩石破碎机理研究的重要部分,是油气钻井中岩石破碎程度的重要信息。充分利用这种上返岩屑的信息,应用分形几何理论,从等破碎概率角度研究了上返岩屑分布规律问题,从而建立了等概率条件下上返岩屑的破碎规律描述模型。该模型将岩石的破碎概率、粒度分形维数和破碎基数紧密联系起来。以等概率破碎模型为基础进行室内实验,结果显示上返岩屑粒度分布规律良好,统计计算的分形维数的相关性系数达到了0．96以上,钻井岩屑粒度分形维数分布在2．2～2．6之间,岩石的破碎概率分布在0．3-0．7之间,且深井砂岩破碎体分形维数大于泥岩与页岩,为进一步应用分形几何研究岩石破碎规律奠定了基础。     

地层岩石可钻性的分形表示方法

石油钻井中测量岩石可钻性的主要方法是以井下取心为对象来测量岩石的力学性能和进行微钻法可钻性试验,但这种方法采样费用高,试验周期长,不能在现场直接应用.对石油钻井过程中岩石破碎的分形机理及形成过程进行了研究,提出了一种以井底返出的岩屑为对象测试岩石可钻性的新方法.在室内实验基础上,确定了不同井深岩石破碎后的块度分布函数,计算了岩石破碎的分形维数,分形维数的相关性系数在0.95以上.结合岩石硬度、强度和可钻性级值的实验结果,确定了岩石强度、硬度及可钻性与岩石分形维数的统计模型.     

基于分型理论和神经网络的页岩气可钻性研究

随着页岩气的大力开发,页岩气钻井过程中的机械钻速低、钻井周期长以及钻头磨损严重等问题日益突出,因此,预测地层岩石可钻性和建立地层岩石可钻性剖面有着十分重要的意义。文章结合分形理论对分形维数进行推导与分析,确定出上返岩屑的分形维数与岩屑质量和岩屑尺寸之间的联系。并以岩屑分形维数和测井数据作为输入参数,可钻性极值作为输出参数,利用BP神经网络建立涪陵页岩气区块输入参数与输出参数之间的映射关系。最后,进行了实例验证,结果与现场实际吻合,表明该方法具有现场实用性,对实际生产开发有一定指导意义。     

分形理论及地层岩石抗钻特性参数的分形表示方法

介绍了分形、分维的基本概念及四种分维数的确定方法，探讨了分形几何在岩石破碎方面的研究成果，说明分形几何能很好地描述岩石破碎过程的不规则性和不确定性，指出分形维数是岩石微观结构、空隙结构、粉碎方式的综合反映。在室内实验基础上，确定了岩石破碎后的块度分布函数，计算了岩石破碎的分形维数。指出岩屑的分形维数与地层的抗钻特性参数（强度、硬度、可钻性等）有内在的联系，并对分形维数在地层可钻性预测中的应用进行了初步讨论。     

分形理论及其在地层可钻性预测中的应用

为了及时方便地预测岩石的可钻性,首次用分形理论来描述岩石破碎过程,从而确定岩石的可钻性。介绍了分形、分维的基本概念及4种分维数的确定方法,阐述了岩石破碎的分形特征和岩石破碎碎块的分形度量方法。在室内实验基础上,确定了岩石破碎后的块度分布函数,计算了岩石破碎的分形维数,并分别采用直线、幂函数、对数、指数、多项式5种数学模型对实验数据进行了回归分析处理,结果表明直线回归方程综合指数最高,相关系数均在0.96以上。说明岩屑的分形维数与地层的抗钻特性参数(强度、硬度、可钻性等)有内在的联系,分形几何能很好地描述岩石破碎过程的不规则性和不确定性,分形维数是岩石微观结构、空隙结构、粉碎方式的综合反映,其在地层可钻性预测中的应用效果较好,预测误差小于12%。     

钻井参数实时优选方法的研究与应用

目前常用钻速模式中的岩石可钻性系数、钻压指数、转速指数和水功率指数等参数,是通过现场试验或处理大量的完井资料数据获得的,因此这些方程的应用局限于已钻井地区,而无法用于新探区,给新探区钻井参数的优选带来很大困难.通过分析大庆油田深井钻井上返岩屑的分形,计算了用上返岩屑分形特征表示的岩石可钻性级值,建立了可以实时预测岩石可钻性级值的模型.将该模型应用于分形表示的钻速模式并结合Amoco钻头寿命磨损模式,建立了以单位进尺成本模式为目标的目标函数,以钻进参数及相互间的配合在钻井工艺上应满足的条件为约束条件,组成了钻井参数实时优选的不等式约束多元非线性规划模型.应用该模型对大庆油田深井钻井参数进行了优选.     

基于分形岩石破碎比功方程的钻井优化

利用分形岩石破碎比功方程研究了深部地层岩石破碎产物的分形特征对单位进尺成本及钻头优选的影响。以大庆徐家围子火山岩地层钻井数据为基础,将分形岩石破碎比功方程与进尺成本函数结合起来,给出了具有分形参数的进尺成本分析方程,再根据岩石破碎比功方程和进尺成本分析方程计算数据,应用层次分析法对大庆徐深使用钻头进行优选。研究结果表明：岩石破碎比功及分形参数对单位进尺成本及钻头选型具有明显影响,深部地层岩屑粒度分布的分形维数越大,进尺成本越大;岩屑最大尺寸越小,进尺成本越小;破碎比功越大,进尺成本越高,钻头使用效果越好。     

鲁迈拉石膏夹层岩石可钻性预测

鲁迈拉油田岩心数量少,钻头优选主要依靠施工和设计人员的经验。针对这一问题,以钻速方程为基础,通过逆推回归和数据拟合的方式,建立起鲁迈拉地区岩石可钻性与测井数据对应关系,并以岩屑分形理论为依据对结果进行验证,找出最能反映岩石破碎难易的特征量,确定岩石强度、硬度及可钻性与岩石的这些分形维数的统计模型。根据岩石可钻性预测结果,开展了KM533X复合钻头现场提速试验,单只钻头平均进尺提高214.70%,机械钻速提高29.90%,从而保障了该地区钻井作业顺利高效完成。     

×盆地深部地层岩石可钻性测井评价方法及应用

×盆地深部地层研磨性强,岩石可钻性差,机械钻速慢,钻井周期长,是钻井需要提速的主要地层。以岩石机械破碎特性实验为基础,建立利用测井资料计算砂泥岩、砂砾岩和火成岩岩石可钻性级值、硬度和塑性及研磨性方法,依据实验结果确定可钻性级值在7以下的地层,用PDC钻头钻进;可钻性级值在7以上的地层,用牙轮钻头钻进,形成一套深部地层岩石可钻性测井评价技术。利用该项技术确定了×盆地不同岩性岩石可钻性级值区域分布特征,并对新钻井进行钻前可钻性预测,为钻井过程中优选钻头提供技术指导。     

PDC钻头布齿参数与地层适应性的试验研究

根据地层性质合理选择或设计PDC钻头可以显著提高钻井效率。为指导PDC钻头合理选型及个性化设计,选取21只试验钻头,在6种不同可钻性级别的岩石上进行钻进试验,研究了在钻进不同可钻性级别的岩石中切削齿尺寸、后倾角、布齿密度的合理取值问题。结果表明:(1)当岩石可钻性级别小于Ⅲ时,破岩效率随切削齿尺寸的增大而增大;(2)当岩石可钻性级别大于Ⅲ时,16 mm切削齿的破岩效率最高;(3)切削齿尺寸对破岩效率产生不同影响规律的岩石可钻性级值分界点为3.11;(4)在6种不同可钻性级别的岩石中,随切削齿后倾角增大,破岩效率均呈线性规律降低,但随着岩石可钻性级别的增大,后倾角对破岩效率的影响程度降低;(5)在不同可钻性级别的岩石中,随着布齿密度增大,破岩效率均呈幂函数规律降低。该研究成果为按岩石可钻性级别合理选择PDC钻头提供了依据。     

利用分形理论评价地层可钻性

利用分形理论研究了大庆徐家围子地区火山岩地层可钻性的评价方法。根据现场声波测井资料及岩心资料,通过室内实验和回归分析建立了声波测井资料与地层可钻性解释模型,结合变尺度分析法分析了该地区声波测井资料的分形特征及长程相关性。依据传统一维、二维随机中点分形插值理论,提出了加权改进随机中点插值法,并结合地层对比技术及深度归一化方法,构建了声波时差测井参数分布场,根据已建立的可钻性解释模型得到地层可钻性分布场。研究结果表明：声波测井资料与地层可钻性之间具有相关关系,且具有很好的分形特征及长程相关性。分形理论可以定量确定地层可钻性分布场。该方法精度高,推广能力强,预测结果符合实际地层变化规律。     

可钻性能量法的岩屑破碎机理

将分形理论用于解释岩石可钻性能量测试方法中岩屑试样的破碎机理，证实了分形理论可以更深刻，更全面地揭示岩屑试样破碎过程与产物分布的联系，利用分维数计算出试样破碎后的平均粒度与实测结果一致。     

库车坳陷山前构造超深井岩石可钻性研究

根据地层岩石可钻性级值预测钻井速度、制订钻井计划是科学钻井的一项重要内容。精确地预测地层可钻性是实现超深井优质高效钻井的重要基础之一,对提高钻井速度、降低钻井成本具有十分重要的意义。应用数理统计的方法,依据库车坳陷山前构造已完钻井的钻井、录井、测井资料,以及室内微钻头可钻性实验数据统计分析,建立了库车坳陷山前构造超深井横向、纵向地层岩石可钻性剖面,较精确地预测了地层可钻性级值,满足了现场钻井工作的需要。并编制了设计计算软件,现场应用表明预测值与实测值误差为5%～8%,具有广泛的推广应用价值,对于不同地区、不同构造,应对地层岩石可钻性剖面进行修正,以获得最佳的技术经济效益。     

徐深气田气体钻井破岩机理的初步研究

根据气体钻井实钻情况及其与常规钻井方式的差异,借鉴前人研究成果,提出了一种新的破岩机理——内能释放破碎机理,即气体钻井依靠岩石脱离巨大压持作用而将岩石内积聚的巨大内能进行释放的破碎理论。岩石破碎过程为:原始岩石内能积聚;径向岩石受力变化产生的内能膨胀;径向岩石膨胀及微裂纹产生;钻头敲击裂纹扩展及延伸阶段;钻头齿吃入岩石并旋转使裂纹延伸;剪切岩石使其产生脆性炸裂。因此,使岩石破碎由常规钻井的塑性破碎转变为脆性炸裂。在徐深气田进行了现场实钻,初步验证了该机理的准确性。依据该机理可以进行气体钻井的优化设计以及实钻中钻头和钻井参数的优选。