松辽盆地深层火成岩破碎机理及破岩效率评价

【摘要】松辽盆地深层火成岩分布广泛，含有大段中酸性火山喷发岩、流纹岩、砂砾岩、凝灰岩、玄武岩、角砾岩以及安山岩等，上述火成岩地层具有高硬度，强研磨性、高可钻性、沿纵向和横向强非均质性等特征，给钻井作业带来了很多大困难，造成现有钻头适应性差，破岩效率不高，钻头事故频出，单只钻头进尺少，寿命短等。如近2年松辽盆地北部徐家围子气田所钻的气井，平均井深3725米，平均钻井周期120.1天，营城组及以下平均400～700m，平均单只钻头进尺仅56.21m，需牙轮钻头9～13只，行程钻速只有0.92m/h，严重影响制约深层油气的勘探和开发。针对上述问题，本文深入开展了深层火成岩破碎机理研究，主要的工作和研究成果如下：（1）开展了不同岩性火成岩的基本物理力学特性研究。不同岩性火成岩具有不同的测井响应特征，本文借助测井资料、录井资料和岩心资料，运用神经网络理论，建立了火成岩岩性识别方法；通过室内实验分析了火成岩的密度特性、热力学特性、Biot参数、全应力-应变关系曲线，计算了抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角和抗拉强度等变形参数和强度参数，结合室内实验和测井数据，建立的火成岩物理力学参数的测井解释模型，并计算了了松辽盆地北部徐深44等井的岩石力学参数剖面。（2）开展了不同岩性火成岩抗钻特性研究。测试了松辽盆地深层火成岩硬度、塑性系数、可钻性级值和研磨性等抗钻特性参数，并建立基于测井解释的抗钻特性参数预测模型，计算了徐深41、44等井的抗钻特性剖面，并运用模糊聚类方法，建立了基于地层可钻性的地层分层的方法；针对抗钻特性的钻前预测问题，建立了基于有限单元插值方法的抗钻特性预测方法，并对松辽盆地北部兴城气田营城组进行了应用。（3）开展了区域地应力场特性研究。对松辽盆地兴城气田火成岩进行了取心，并运用古地磁实验和差应变实验测试了单井点的地应力大小和方向，结合地应力测井解释信息和区域地质特征，运用多源信息集成和融合的地应力场反演方法，计算了松辽盆地兴城气田营城组的现今三维地应力场。（4）开展了火成岩地层/钻头牙齿的接触耦合作用机理分析。基于弹性力学和接触力学，分析了不同齿形牙齿与地层岩石接触过程的弹性应力状态、侵入过程和岩石破碎机理，并建立了牙齿/地层岩石作用过程中从弹塑性变形、压实体形成及体积破碎形成等不同阶段的产生条件和判别模型，结合单齿破岩模拟实验，获得了破岩效率的影响因素和影响规律。（5）开展了火成岩地层钻头适配性研究。对松辽盆地北部深层火成岩地层的钻头使用情况进行了统计，并进行了标准化处理，形成了钻头使用数据库。然后通过钻速、钻时、进尺等技术指标的对比，分析了现有钻头与地层的适配性，并利用改进的主成分算法，对现有的钻头进行了优选分析，并针对钻头的失效情况和失效原因，提出了相应的改进方案。（6）基于钻头牙齿/地层耦合作用模型，建立了孕镶金刚石钻头破岩效率和磨损评价理论，形成了金刚石粒度、浓度、胎体强度等参数的设计方法，并针对火成岩地层特性优选了高速研磨-切削钻头参数，在古深3井和达深15井进行了现场应用，取得了较好的提速效果。上述研究成果深入揭示了松辽盆地深层火成岩的基本物理力学特性、抗钻特性、地应力特性和基本的破碎规律，为火成岩气藏的有效开发，提高钻井速度，减少作业成本，提供了技术支撑。
【作者】张立刚；
【导师】闫铁；
【作者基本信息】东北石油大学，石油与天然气工程，2014，博士
【关键词】火成岩；破碎机理；物理力学特性；抗钻特性；破岩效率；

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