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深井岩石破碎规律及破碎的分形机理研究

作　者: 李士斌
导　师: 闫铁
学　校: 大庆石油大学
专　业: 油气井工程
关键词: 钻井高温高压可钻性岩石力学性质分形维数块度分布统计模型岩屑
分类号: TE21
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

准确预测和计算岩石的力学性质和可钻性是有针对性地优选钻头、优化设计参数,从而提高钻井速度的重要依据。而针对深井井底条件下的岩石可钻性进行预测和计算是专家和工程界同行们都很重视但又没有解决的问题,因此本文的工作就是基于大庆深井钻井情况,开展了针对深井井底条件下岩石可钻性确定的方法研究。由于现行的岩石可钻性评定方法,是通过钻井取心,并进行室内实验和测定得到岩石可钻性级值,但是室内试验有滞后于实际钻进、周期长、费用高等缺点,而且井下岩性复杂、岩心变化大,不可能对整个地层都取心,难以建立连续剖面,导致钻头选型和使用上存在很多问题。由此本文提出通过对钻井过程中上返岩屑的粒度分布研究,建立用分形特征表示的岩石可钻性分形模型和方法,制定用岩石的分形特征表示的岩石可钻性的评价指标,为实现岩石可钻性的实时测定和钻头类型的实时优选提供依据。首先,在实验基础上,本文建立了岩石可钻性级值和岩石的硬度、强度等岩石力学参数的相关性模型,从相关性分析可以说明:岩石的强度、硬度等力学参数是岩石可钻性级值的综合反映,该模型的建立,为确定围压下岩石可钻性级值打下了基础。其次,针对井底条件,采用室内实验和理论分析相结合的方法研究围压条件下岩石可钻性问题。通过围压条件下岩石力学参数的室内实验,建立了岩石力学参数与围压之间的定量关系;通过围压条件下的岩石可钻性分析,建立了在不同围压条件下的岩石可钻性级值的计算方法。并以大庆油田的深井钻井为例,确定了不同岩性、不同渗透率条件下的岩石可钻性级值计算方法,其结果表明,在井底围压下的岩石可钻性级值与常温常压下的可钻性级值比较,差值可达到1~3级,即常压下微钻时为128秒,而在围压下微钻时可达到256秒,井底压力对岩石可钻性的影响相当大。另外,本论文还首次研究了高温高压对岩石可钻性级值的影响,结果表明,高压对可钻性级值影响较大,而在井底温度范围内的高温对岩石可钻性级值的影响较小。然后,应用可钻性计算模型,结合钻井的实际参数,计算了大庆深井岩石可钻性剖面,在此基础上,对大庆深井钻头进行了优选和改进,结果表明,优选和改进后的钻头使机械钻速大幅提高。本文创造性地将分形理论用于研究岩石可钻性的预测方法中来,为钻井过程中实时预测可钻性级值开辟了一个方向。在这方面首先开展了将室内微钻头岩石可钻性岩屑进行分形分析,结果表明微钻头试验岩屑的粒度分布符合分形分布,统计的分布模型相关性在0.9以上;同时进行了钻井上返岩屑的块度分布的分形分析,分析结果表明,其分布完全符合分形分布,统计的分形函数相关性在0.9左右,其分形维数与钻屑深度具有很强的相关关系;为了排除不同破岩工具、不同钻井液条件等对上返岩屑块度分布的影响,对石油钻井井底上返岩屑进行

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-18
  1.1 钻井岩石破碎理论研究的主要内容  9-10
  1.2 钻井岩石破碎机理的国内外研究现状  10-15
  1.3 用分形理论研究钻井岩石可钻性的可行性分析  15-16
  1.4 论文的主要工作  16-18
第2章常温常压下岩石可钻性和岩石力学特性研究  18-42
  2.1 常温常压下岩石力学性质试验准备  18-24
  2.2 常温常压下岩石可钻性实验研究  24-31
  2.3 常温常压下岩石硬度和塑性系数室内实验研究  31-36
  2.4 常温常压下岩石的抗压强度和弹性参数室内实验研究  36-39
  2.5 常温常压下岩石可钻性级值与岩石力学参数的相关性研究  39-41
  2.6 本章小结  41-42
第3章模拟井底条件的岩石可钻性和岩石力学特性研究  42-64
  3.1 围压下岩石力学参数试验研究  42-48
  3.2 围压下岩石可钻性级值计算模型  48-53
  3.3 模拟井底压力的可钻性级值模型应用  53-58
  3.4 模拟井底温度和压力的岩石可钻性及岩石力学参数室内实验研究  58-60
  3.5 模拟井底条件的可钻性级值模型在钻头类型改进及优选中的应用  60-63
  3.6 本章小结  63-64
第4章钻井岩石破碎分形机理  64-99
  4.1 分形理论及分形维数  64-71
  4.2 分形岩石力学和破碎学研究  71-76
  4.3 岩石破碎的块度分布与分形理论  76-79
  4.4 微钻头破碎岩屑的块度分布与分形维数研究  79-83
  4.5 钻井上返岩屑块度分布及分形维数研究  83-92
  4.6 岩屑标准化之后的块度分布及分形维数研究  92-96
  4.7 等概率破碎的岩屑分布特征研究  96-97
  4.8 有限尺度破碎体分形的特征  97-98
  4.9 本章小结  98-99
第5章岩屑分形维数与岩石物理力学性质相关性研究  99-108
  5.1 岩屑标准化后的块度分形维数与岩石性质相关性研究  100-101
  5.2 上返岩屑块度分布分形维数与岩石性质相关性研究  101-104
  5.3 微钻头岩石可钻性试验岩屑分形维数与岩石性质相关性研究  104-106
  5.4 微钻头岩屑分形维数表示的可钻性分级指标  106-107
  5.5 本章小结  107-108
结论  108-110
参考文献  110-116
攻读博士学位期间发表的学术论文  116-117
攻读博士学位期间开展的科研项目及获奖成果  117-118
致谢  118-119
中文详细摘要  119-133

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