淺談地層巖石力學(xué)性質(zhì)

地層巖石力學(xué)特性的獲得方法井巖石的力學(xué)特性是氣田井和開發(fā)所需的基本技術(shù)。通常用于井眼穩(wěn)定分析、鉆孔選擇和鉆孔參數(shù)選擇、油氣砂分析、油氣壓裂氧化措施的選擇等領(lǐng)域。特別是在鉆井現(xiàn)場要進行鉆頭合理選型和鉆井參數(shù)優(yōu)選,最重要的工作就是能及時準確地掌握鉆井地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。如果能在鉆井現(xiàn)場能及時地獲得地層巖石的力學(xué)特性,我們就可以確定鉆頭在具體井段用最適合地層巖石特點的鉆頭類型,從而提高鉆井速度,節(jié)省大量的鉆井成本。獲得地層巖石力學(xué)特性的方法有巖芯試驗法和測井資料預(yù)測法。巖芯試驗法需要獲得不同構(gòu)造、不同層位、不同井深的巖芯,而鉆井工程中鉆取巖芯的主要目的是為了地質(zhì)和油藏的解釋,往往鉆取巖芯的層位都是含油氣段,獲得巖芯的成本和難度都很大,即使獲得的巖芯都需到實驗室進行試驗,需要的時間和周期都很長。測井資料預(yù)測法需要一定數(shù)量已鉆井的測井資料,同時也需要實測一些地層巖石的力學(xué)性能,并且聲波測井是在鉆井完成后獲得的,而不能在鉆井過程中獲得地層巖石的特性。因此迫切需要一種既不受巖芯和測井資料限制的巖屑試驗法來獲得地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。巖屑試驗法采用的試驗方法主要有巖屑聲波法和巖屑壓入法,巖屑聲波法獲得巖石的力學(xué)性質(zhì)是利用巖石的聲學(xué)特性,但它不能通過直接測量來獲得巖石的力學(xué)特性,需要建立巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石聲學(xué)特性的關(guān)系式,由于巖石的不均勻性和各向異性,很難建立可靠的關(guān)系式,往往建立的關(guān)系式誤差都很大,同時對于一些巖石聲學(xué)特性差的巖石(如井下的泥巖及頁巖等)試驗誤差更大。巖屑壓入法是在巖屑上直接進行壓入硬度試驗,可準確獲得巖石的硬度和塑性系數(shù),同時從巖石可鉆性、抗壓強度及研磨性的試驗原理和方法可知,它們同巖石的硬度和塑性系數(shù)有很大的相關(guān)性,這樣就能準確地獲得地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。體積破碎試驗原理巖石硬度是指巖石抵抗其它物體壓入的破碎強度,即是在壓頭壓入巖石后,巖石產(chǎn)生第一次體積破碎時接觸面上單位面積的載荷。塑性系數(shù)是指巖石在壓頭壓入后,巖石產(chǎn)生第一次體積破碎時破碎消耗的總功與彈性變形功的比值。兩種參數(shù)的試驗原理均采用圓柱壓入法,即用一定直徑的平底圓柱體壓頭壓入巖屑表面,隨著載荷的增加,壓頭吃入巖屑的深度也逐漸增加,直到巖屑產(chǎn)生第一次體積破碎為止。因此巖屑壓入法的試驗原理可概述如下:選擇合適的巖屑表面,在一個恒定載荷作用下,用一定直徑的平底圓柱體壓頭壓入巖屑表面,并且在恒定增加的載荷下達到所確定的最大載荷和壓入深度,同時用數(shù)據(jù)采集和處理裝置獲得加載——位移曲線,最后獲得巖屑的硬度和塑性系數(shù)。巖屑壓入法的試驗裝置見圖1所示。巖屑壓入法破碎(1)首先在泥漿震動篩處獲得井下巖屑,篩分出顆粒較大的巖屑,然后將清洗、晾干后的巖屑用快干膠固結(jié)在巖屑盒中,并保證巖屑的平整表面露出,同時在實驗進行中保證壓頭壓入凹痕垂直于巖屑表面;(2)用液壓方式對巖屑表面施加載荷,直到巖屑產(chǎn)生第一次體積破碎,從而獲得最大的破碎載荷和壓入深度;(3)在試驗過程中,通過壓力傳感器、位移傳感器,用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動獲得壓頭壓入巖屑的載荷——位移變化曲線,并通過數(shù)據(jù)處理軟件自動獲得巖石的硬度和塑性系數(shù);(4)根據(jù)巖屑硬度和塑性系數(shù)與巖石可鉆性、抗壓強度及研磨性的關(guān)系式,獲得鉆井地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。新疆油田高泉井塔河組鉆井地層巖屑的巖性主要是泥巖、石膏質(zhì)泥巖及粉砂質(zhì)泥巖,獲得的巖屑顆粒較小,為了準確測得地層巖石的力學(xué)性質(zhì),在試驗前首先將巖屑顆粒用高強度粘膠固結(jié)在巖屑盒中(如圖2所示),然后用試驗機測試巖屑的硬度和塑性系數(shù)。巖屑硬度和塑性系數(shù)的關(guān)系式在鉆頭選型和鉆井參數(shù)優(yōu)選中常用的地層巖石力學(xué)參數(shù)是巖石可鉆性、硬度、塑性系數(shù)、抗壓強度和研磨性。從巖石可鉆性、抗壓強度及研磨性的試驗原理和方法可知,它們同巖石的硬度和塑性系數(shù)有很大的相關(guān)性。因此用壓入法獲得了巖屑的硬度和塑性系數(shù)后,重要的工作就是建立巖屑硬度和塑性系數(shù)與地層巖石可鉆性、抗壓強度和研磨性之間的相關(guān)關(guān)系。為了建立這些關(guān)系式,我們用5個油田的12種泥巖及砂泥巖巖芯首先測定了巖石的可鉆性、抗壓強度和研磨性,然后用機械撞擊的方法,在每塊巖心上取近百個巖屑測定巖屑的硬度和塑性系數(shù),最后對獲得的試驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和回歸分析,獲得了巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系式。=0.237=9.258式中:回歸分析表明:巖石抗壓強度與巖石的硬度和塑性系數(shù)的相關(guān)性最好,相關(guān)性較差的是巖石研磨性。但它們的復(fù)相關(guān)因數(shù)最差的為0.523,顯著性檢驗值地層巖石力學(xué)性質(zhì)評價在本次試驗研究中,準確獲得了新疆油田高泉井塔河組鉆井地層巖屑的硬度和塑性系數(shù)(獲得的試驗曲線見圖3所示),然后利用建立的巖屑硬度和塑性系數(shù)與巖石力學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,即可獲得地層巖石的力學(xué)性質(zhì)。由獲得的試驗結(jié)果可知:新疆油田高泉井塔河組地層巖石在大部分井段其硬度級值都是2級,可鉆性級值是2、3級,抗壓強度級值是1、2級,塑性系數(shù)級值是3、4級,屬于中塑性、低強度、中研磨性的軟巖石,只是在井段3250m到3260m的石膏質(zhì)泥巖和井段4150m到4160m的泥巖可鉆性級值是4級,抗壓強度級值是3級,塑性系數(shù)級值是2級,屬于低塑性、低強度、低研磨性的軟-中軟巖石。新疆油田高泉井塔河組地層巖石的力學(xué)性能隨鉆井井深的變化曲線見圖4所示。地層巖石力學(xué)性質(zhì)的實測本文通過對新疆油田部分油井開展鉆井巖屑的試驗研究,獲得了下面一些結(jié)論:(1)利用鉆井巖屑來測定鉆井地層巖石的力學(xué)性質(zhì)方法是可行的,這為鉆井井場實測地層巖石的力學(xué)性質(zhì)提供了新途徑,為及時準確掌握地層巖石的力學(xué)性質(zhì)提供了新的方法。(2)巖屑壓入法能直接測定鉆井巖屑的硬度和塑性系數(shù),這項技術(shù)可在鉆井現(xiàn)場進行實地測量,對鉆井地層巖