D01:10.13374j.isml00103x.206.9.001 第28卷第9期 北京科技大学学报 Vol.28 Na 9 2006年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2006 基于岩石可钻性指标的地层界面识别理论与方法 谭卓英蔡美峰)岳中琦)谭国焕李焯芬2 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室.北京1000832)香港大学土木工程系中国香港 摘要岩石可钻性指标是石油，矿山及地质部门广泛用于钻头选择和制定生产定额的重要参 数，但现行可钻性指标的定义及参数获取的实验方法还存在许多问题.通过分析，重新定义了岩石 的可钻性，提出了以单位能量下的穿孔速率作为可钻性指标的新概念：基于钻进过程中有效轴压、 转速，穿孔速率和可钻性指标间的耦合关系，建立了可钻性指标的计算公式。同时，对新的可钻性 指标在地层识别中的敏感性进行了分析，阐述了可钻性指标在地层识别中的物理意义.研究表明， 新的可钻性指标克服了传统可钻性指标在判层中存在的盲区，并可实现沿钻孔剖面的连续判层. 关键词岩石可钻性，地层界面：识别：钻孔参数：耦合关系 分类号TU41362 声波速率（严格说为纵波速率或声波时差） 1 岩石的可钻性 是通过测井数据获得的.由于岩石本身是一种非 根据岩石可钻性的定义1，表征可钻性的 完全弹性介质，岩石的矿物成分、颗粒大小、胶结 指标可以是岩石的物理力学性质（如抗压强度、压 状态，孔隙率及松散程度等，会造成声速差异，声 入硬度、点载荷强度、弹性模量及声波速率等)、穿 波速率也难以反映岩石的实际可钻性 孔速率、钻头进尺、破碎单位体积的能量（如普氏 一定条件下的实际穿孔速率虽然能反映穿透 捣碎法及巴氏砸碎法)及微钻法的穿孔速率、钻深 地层的围岩应力状态以及试件的离散性问题但 及钻时等指标.这些指标大体上可归纳为强度指 受地层、钻头类型及钻进参数的影响。条件性很 标、位移指标及能量指标 强。度量标准不准确 物理力学性质指标虽然在一定程度上反映了 破碎比能是指破碎单位体积岩石所需要的能 岩石抵抗破坏或被破碎的能力，但它们不能反映 量.一方面，实际岩石钻孔时，钻头、钻杆不仅和 钻进时岩石的破碎过程：抗压强度指标，即使是三 孔壁、岩屑存在摩擦，而且还有冲洗液的作用，其 轴抗压强度指标也不能完全模拟钻孔内实际的围 能量的传递方式与破碎比能实验模拟条件大相径 岩应力状态，且岩石取样也具有很大的离散性，加 庭因而破碎比能实验模拟不能反映孔底岩石的 压测试过程及压头与岩石端面的接触情况也与实 应力状态，同时也不能反映孔内的应力状态：另一 际的钻凿条件不一致：压入硬度及点载荷强度等 方面，无论是捣碎法还是砸碎法，破岩原理均 指标，由于实验本身的限制，接触面非常狭小，如 属冲击破碎，而勘探钻进为回转式，其破岩机理完 此小的点、线或面难以代表岩石的整体情况：弹性 全不同，也难以反映旋转破碎的情况. 模量是通过应力一应变曲线间接获得的，同样受 微钻法是由Roow提出的一种研究岩石可 到强度指标测试的限制.因而，不考虑岩石结构 钻性的方法，20世纪80年代在我国石油行业得 的复杂性以及脱离孔内围压及温度等环境而进行 到了推4？.该方法采用微型钻头及实际岩芯， 的不恰当的参数化，对岩石可钻性的反映是极不 在实验室钻进台上模拟钻进的实际过程.可钻性 准确的 指标可以是穿孔速率、设定时间内的进尺或设定 深度内的时间.但和其他岩芯实验法一样，微钻 收稿日期：2005-06-28修回日期：20060306 基金项目：国家自然科学基金重大项目(Na.50490271)和香港特 法脱离了孔内的温度场、应力场等实际环境，无法 别行政区政府研究基金和香港赛马会慈善基金(Na.HKU7005/ 模拟孔内应力状态，而且，可钻性数据随机、离散、 01E 有限，测试工作滞后于实际钻进，不能随钻随测， 作者简介：谭卓英(1965一)，男，教授，博士 周期长费用高网.基于岩石可钻性指标的地层界面识别理论与方法 谭卓英1) 蔡美峰1) 岳中琦2) 谭国焕2) 李焯芬2) 1) 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室, 北京 100083 2) 香港大学土木工程系, 中国香港 摘 要 岩石可钻性指标是石油、矿山及地质部门广泛用于钻头选择和制定生产定额的重要参 数, 但现行可钻性指标的定义及参数获取的实验方法还存在许多问题.通过分析, 重新定义了岩石 的可钻性, 提出了以单位能量下的穿孔速率作为可钻性指标的新概念;基于钻进过程中有效轴压、 转速、穿孔速率和可钻性指标间的耦合关系, 建立了可钻性指标的计算公式.同时, 对新的可钻性 指标在地层识别中的敏感性进行了分析, 阐述了可钻性指标在地层识别中的物理意义.研究表明, 新的可钻性指标克服了传统可钻性指标在判层中存在的盲区, 并可实现沿钻孔剖面的连续判层. 关键词 岩石可钻性;地层界面;识别;钻孔参数;耦合关系 分类号 TU 413.6 +2 收稿日期:2005 06 28 修回日期:2006 03 06 基金项目:国家自然科学基金重大项目( No .50490271) 和香港特 别行政区政府研究基金和香港赛马会慈善基金( No .HKU7005/ 01E) 作者简介:谭卓英( 1965—) , 男, 教授, 博士 1 岩石的可钻性 根据岩石可钻性的定义[ 1 2] , 表征可钻性的 指标可以是岩石的物理力学性质( 如抗压强度 、压 入硬度、点载荷强度 、弹性模量及声波速率等) 、穿 孔速率 、钻头进尺、破碎单位体积的能量(如普氏 捣碎法及巴氏砸碎法)及微钻法的穿孔速率、钻深 及钻时等指标.这些指标大体上可归纳为强度指 标、位移指标及能量指标 . 物理力学性质指标虽然在一定程度上反映了 岩石抵抗破坏或被破碎的能力, 但它们不能反映 钻进时岩石的破碎过程;抗压强度指标, 即使是三 轴抗压强度指标也不能完全模拟钻孔内实际的围 岩应力状态, 且岩石取样也具有很大的离散性, 加 压测试过程及压头与岩石端面的接触情况也与实 际的钻凿条件不一致 ;压入硬度及点载荷强度等 指标, 由于实验本身的限制, 接触面非常狭小, 如 此小的点 、线或面难以代表岩石的整体情况;弹性 模量是通过应力-应变曲线间接获得的, 同样受 到强度指标测试的限制.因而, 不考虑岩石结构 的复杂性以及脱离孔内围压及温度等环境而进行 的不恰当的参数化, 对岩石可钻性的反映是极不 准确的. 声波速率(严格说, 为纵波速率或声波时差) 是通过测井数据获得的.由于岩石本身是一种非 完全弹性介质, 岩石的矿物成分、颗粒大小 、胶结 状态 、孔隙率及松散程度等, 会造成声速差异, 声 波速率也难以反映岩石的实际可钻性. 一定条件下的实际穿孔速率虽然能反映穿透 地层的围岩应力状态以及试件的离散性问题, 但 受地层 、钻头类型及钻进参数的影响, 条件性很 强, 度量标准不准确 . 破碎比能是指破碎单位体积岩石所需要的能 量.一方面, 实际岩石钻孔时, 钻头 、钻杆不仅和 孔壁 、岩屑存在摩擦, 而且还有冲洗液的作用, 其 能量的传递方式与破碎比能实验模拟条件大相径 庭, 因而破碎比能实验模拟不能反映孔底岩石的 应力状态, 同时也不能反映孔内的应力状态 ;另一 方面, 无论是捣碎法还是砸碎法[ 3] , 破岩原理均 属冲击破碎, 而勘探钻进为回转式, 其破岩机理完 全不同, 也难以反映旋转破碎的情况. 微钻法是由 Rollow 提出的一种研究岩石可 钻性的方法, 20 世纪 80 年代在我国石油行业得 到了推广[ 4 5] .该方法采用微型钻头及实际岩芯, 在实验室钻进台上模拟钻进的实际过程 .可钻性 指标可以是穿孔速率 、设定时间内的进尺或设定 深度内的时间.但和其他岩芯实验法一样, 微钻 法脱离了孔内的温度场、应力场等实际环境, 无法 模拟孔内应力状态, 而且, 可钻性数据随机、离散、 有限, 测试工作滞后于实际钻进, 不能随钻随测, 周期长, 费用高[ 6] . 第 28 卷 第 9 期 2006 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .28 No.9 Sep.2006 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2006.09.001