Question

岩石的可钻性及其分级

Answer 1

岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素，它反映了钻进时岩石破碎的难易程度。岩石可钻性及其分级在实际钻探生产中极为重要。它是合理选择钻进方法、钻头结构及钻进规程参数的依据，同时也是制订钻探生产定额和编制钻探生产计划的基础。

岩石可钻性是个综合性质，它是随生产技术的提高而变化的。在钻探生产中，通常用单位时间的钻头进尺（即机械钻速），作为衡量岩石可钻性的指标。而在石油钻井部门，有时以机械钻速和钻头进尺的乘积作为衡量的指标。

一、影响岩石可钻性的因素

影响岩石可钻性的因素有：岩石的矿物成分和结构构造、密度、孔隙度、含水性及透水性；力学性质有硬度、强度、弹性、脆性、塑性及研磨性等。一般地说，造岩矿物中石英多、胶结牢固、颗粒细小、结构致密、未经风化和蚀变时，岩石可钻性差；而岩石的硬度和强度高、研磨性强，岩石破碎就比较困难，岩石可钻性也差。

影响岩石可钻性的技术条件有：钻进方法，钻头的结构和质量，钻孔直径和深度，钻探设备的类型以及加在钻头上的压力、钻头的回转速度、冲洗液的类型和孔底岩粉排除情况等。例如，冲击钻进在坚硬的脆性岩石中具有较好的钻进效果，而回转钻进则在软的塑性岩石可以获得较高的碎岩效率。在采用一定类型的钻头破碎岩石时，如果钻进规程参数选择得当，孔底清洁适宜，就能够实现优化钻进，取得最佳的技术经济效果。

二、岩石可钻性分级的观点

1.用岩石力学性质评价岩石的可钻性

岩石力学性质是影响岩石可钻性的决定因素。在室内采用一定的仪器，测定能够反映碎岩实质的某一或某几种力学性质指标，是可以表征岩石的可钻性的。同时测定方法简便，测得的指标稳定，排除了实钻时人为操作因素的影响，因而测出的结果比较客观和可靠。问题在于较难选取完全能体现某种钻进方法碎岩实质的力学性质指标。

2.用实际钻进速度评价岩石可钻性

与生产实际联系紧密，则有可能判断自然因素和技术因素的综合影响。如在生产实际中所得的钻速指标即可直接用于制订生产定额，也可以利用实际钻进速度评价岩石的可钻性。但是不同的钻进方法要求不同的分级指标，具体做起来比较繁琐，标准条件难以保证。另外，随着钻进技术不断地更新，原定的分级指标变得陈旧而不适用，因此，要求不断地进行修正。

3.用微钻速度评价岩石的可钻性

用实钻速度划分岩石可钻性级别时，到现场进行标定比较麻烦，钻进结果可能因人而异。如果采用微型设备，以小代大在室内模拟钻进，微钻速度同样能够反映各种因素的综合影响。加之室内试验条件比较稳定，测试记录比较准确，在一定程度上可避免人为因素的干扰。问题在于模拟不可能十分完全，故微钻速度通常不等于实钻速度。

4.用碎岩比功评价岩石的可钻性

碎岩比功就是破碎单位体积岩石所输入的能量。从单位时间的碎岩量可以求得钻进速度。因此，碎岩比功这一指标既是物理量又是碎岩效率指标。通过碎岩比功这一指标还可以把各种钻进方法破碎岩石的有效性联系起来进行比较。问题在于每种钻进方法的碎岩比功本身，也不是一个常量，其变化规律尚待深入研究。

综上所述，划分岩石可钻性级别究竟采用何种指标作为准则，至今还没有统一结论。

目前，在地质勘探钻进中仍采用实际钻速来划分岩石可钻性级别。在冲击钻进中，有时采用单位体积破碎功（碎岩比功）进行岩石可钻性分级。而在室内研究工作中，往往采用岩石力学性质指标和微钻速度探讨岩石可钻性变化的规律，并试图把岩石力学性质指标、微钻速度数据与实钻速度联系起来，制订出适用于钻探生产的岩石可钻性分级表。

三、划分岩石可钻性级别的具体方法

以下列举几种有代表性的划分岩石可钻性级别的方法。

1.力学性质指标法

可用单一力学性质指标（如压入强度、冲击回弹硬度等）来划分岩石可钻性级别。例如按照压入硬度值的大小，岩石可分为6类12级，如表1-1-12所列。

表1-1-12 按压入硬度的岩石可钻性分级

由于单一力学性质指标难以全面地反映井底碎岩的状态，如实际钻进为双向力（垂直压力和水平剪切力），以及井底是动载荷。所以近年来趋向于采用综合力学性质指标表征岩石的可钻性。

有人认为，回转钻进时，对岩石可钻性起决定作用的力学性质是岩石的研磨硬度和抗剪强度。钻进速度是岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标的函数，即：v=f（W）。

式中：v为机械钻速，m／h；W为岩石研磨硬度和抗剪强度的综合指标。

综合指标W值可按下式计算：

碎岩工程学

式中：H_m为岩石的研磨硬度；σ_s为岩石的抗剪强度，kg·f/cm²。

岩石可钻性按综合指标W的分级情况，如表1-1-13所示：

表1-1-13 按综合指标W的岩石可钻性分级

前苏联已在固体矿产钻探生产中，应用动载强度系数F_d和磨蚀系数K_a的综合指标P_m来划分岩心钻探中岩石可钻性的级别。如：对回转钻进，取P_m=3·K_a；而对于冲击回转钻进，取P_m=2F_d·。

2.声波穿透速度法（波速法）

根据弹性理论，均质固体中声波传播速度主要与该物体的密度ρ、泊松比μ、弹性模量E、剪切模量G有关。因此，岩石可钻性与声波速度有关，但相关性差些。岩石愈硬，波速愈快，如花岗岩，波速为5000～6000 m/s，灰岩为2000～3000 m/s。声波速度可用专用的岩石声波检测仪器测定。常见沉积岩（大类）岩石的声波速度见表1-1-14。

表1-1-14 岩心钻探岩石分级表（按声波穿透速度法）

3.实际钻进速度法（实钻法）

按实际钻进速度划分岩石可钻性级别就是在规定的设备工具和技术规范的条件下，进行实际钻进，以所得的纯钻进速度（即机械钻速，m/h）作为岩石可钻性分级的指标。我国原地质部使用的可钻性分级表即在1955年、1957年先后两次，动用176台钻机，分布在39个地质队，实测了3950个回次钻进资料基础上制订的。由于工艺水平的不断提高，各级岩石可钻性等级间的绝对和相对关系也随之变动。因此，每隔几年便需要重新修订，而每次修订都要进行大量的试验和统计工作。

目前试行的新的岩石可钻性分级表；如表1-1-15所示。

4.模拟钻进速度（又称微钻速度法）

微钻速度是采用一定的微型孕镶金刚石钻头，在专用的微型钻机上，按一定的规程，对岩心试样进行试验，以平均钻速作为可钻性分级的指标。

用微钻速度划分岩石可钻性级别的情况如表1-1-16所示。

5.破碎比功法

图1-1-20 便携式凿测器

Л.А.史立涅尔曾提出，在用圆柱形压头作压入硬度试验时，可以通过压力与侵深曲线图求出破碎比功，并以破碎比功来划分岩石的可钻性。

我国东北理工大学岩石破碎研究室设计了便携式凿测器（图1-1-20）用以测定冲击式碎岩的比功，并以单位体积破碎功的数值来划分岩石可钻性级别。

凿测器用4kg·m（39.2N·m）的恒定功冲击钎头。钎头为一字形，直径为（40±0.1）mm，刃部镶嵌YG-11C的硬质合金片，刃角110℃。测试时，每冲击一次转角15°，每转一周（冲击24次）后清除孔中岩屑，如此反复冲击到480次（共转20周），再量取最终孔深。

表1-1-15 新的岩石可钻性分级

表1-1-16 按微钻速度的岩石可钻性分级

凿碎比功可按下式计算：

碎岩工程学

式中：A为总冲击功，N·m；V为破碎岩石的体积，cm³；n为冲击次数；A₀为每次冲击功，N·m；d为实际眼孔直径，cm；H为眼孔深度，cm。

按凿碎比功对岩石进行分级的结果如表1-1-17所示。

表1-1-17 按凿碎比功的岩石可钻性分级

图1-1-21 JZ-1型岩石可钻性测定仪

6.切槽法

我国原东北工学院研制成JZ-1型岩石可钻性测定仪，其工作原理见图1-1-21。它是在一段岩心上利用金刚石压头（类似孕镶块）进行切槽，岩心由仪器夹住回转，转速为106r/min，一次切槽转数为400周，金刚石压头的直径为φ6mm和φ8mm两种，分别加的静载力P为45和55 kg，每种岩样切槽总次数为10～12次（取平均值）。

以岩心直径的失去量Δd=d-d₀ 表示岩石可钻性；以金刚石压头的失重ΔG 表示岩石研磨性。离散系数分别为：Δd=7.65%；ΔG=23.25%。

岩石可钻性及其分级是一项理论和实践性都很强的问题。岩石可钻性的研究工作还有待加强。研究岩石的可钻性，不仅是为了选择碎岩工具、确定合理钻进规程参数或制订生产定额，而且是为了更深入地研究碎岩规律，以适应各种钻进条件下的数学模型，实现对钻进的最优化控制。因此，其意义深远，必须给以充分重视。