1、地层抗钻特性评价地层抗钻特性评价与钻头选型技术与钻头选型技术1 软件环境、安装和运行软件环境、安装和运行2 软件功能和特点软件功能和特点3 软件各模块简介软件各模块简介钻头性能评估模块钻头性能评估模块u钻头资料录入钻头资料录入u标准井钻头建立标准井钻头建立测井资料处理模块（标准测井数据文件的建立）测井资料处理模块（标准测井数据文件的建立）地层岩石力学特性参数模块地层岩石力学特性参数模块u地层岩石力学特性参数评估地层岩石力学特性参数评估u地层岩石力学特性参数统计地层岩石力学特性参数统计u标准井岩石力学特性参数建立标准井岩石力学特性参数建立钻头优选模块钻头优选模块u区块选型区块选型u邻井选型邻井选
2、型u效益指数法选型效益指数法选型，标准井：标准井：由研究区由研究区块效益指数最大的块效益指数最大的钻头所对应的地质钻头所对应的地质层位从上到下人为层位从上到下人为组合而成的一口假组合而成的一口假想井，该井各个层想井，该井各个层位所对应的钻头效位所对应的钻头效益指数最大。益指数最大。标准井：标准井：bbF VECbE2(/)/mh元V/m hFmbC元只钻头效益指数，钻头机械钻速，钻头总进尺，钻头费用，max(max 5)(max 5)(min 5)(min 5)max(,)RMRMRMRMRMmax0.8iRMRM maxmax(max 5)5HHHHRMRMRM 标准井：标准井：区块井：区块
3、井：文件名扩展名文件名扩展名牙轮钻头现场使用数据BFRBit Field Roller生产厂家牙轮钻头数据RBFPDC钻头现场使用数据BFPBit Field PDC生产厂家PDC钻头数据PBF测井数据log地质层位FMDFormation D标准井岩石力学参数统计值，区块井岩石力学参数统计值前者含有钻头型号，后者无STRStatic Rock标准井钻头STBStandard Bit岩石力学参数(计算的每米八大参数)txt岩石力学参数统计值RSTRock Static岩石可钻性数据文件ROBRock Bit钻头选型结果文件BRSBit Result 高德利高德利中国石油大学（北京）中国石油大学
4、（北京）20042004年年3 3月月岩石硬度岩石硬度 本实验中，千斤顶活塞直径为3.4cm，压头直径为1.18mm。则岩石硬度换算关系为：PH3022.82/mmkgfP3616.81MPa一、地层岩石力学参数实验测定一、地层岩石力学参数实验测定原理和方法原理和方法岩石可钻性微钻头直径：31.75mm钻压：v牙轮钻头：890N20NvPDC钻头：500N20N转速：55r/min1r/min钻孔深度：v牙轮钻头：2.6mm（预钻深度：0.2mm；计时钻孔深度：2.4mm）vPDC钻头：4mm（预钻深度：1.0mm；计时钻孔深度：3.0mm）试验时的各项技术指标如下：一、地层岩石力学参数实验测
5、定一、地层岩石力学参数实验测定1.2 岩石硬度实验结果 抽取2、4、6、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、30号等16块岩心进行硬度试验。实验结果如表1-1。岩心编号井深(m)压力表平均读数（kgf/cm2)岩石硬度(MPa)岩石硬度级别岩心编号井深(m)压力表平均读数（kgf/cm2)岩石硬度(MPa)岩石硬度级别21430.9216.3111327.105172215.7651.3004173.85941432.2715.7911284.775192216.9050.2454088.05961436.4412.6331027.875212217.9234.
6、4062799.3277977.3317.1001391.285232485.7816.6231352.4859979.2922.7711852.726252487.0119.3921577.796111439.1211.100903.114272487.8232.2562624.377132210.8642.5333460.588292490.0213.0331060.415152214.4145.1553673.858302840.8113.7001114.655表1-1 岩石硬度实验结果一、地层岩石力学参数实验测定一、地层岩石力学参数实验测定 抽取2、4、6、7、9、11、13、15、1
7、7、19、21、23、25、27、29、30号等16块岩心进行抗压强度试验。试验结果如表1-2所示。岩心编号井深(m)岩样破坏时的载荷(kN)岩样截面积(mm2)单轴抗压强度(MPa)岩心编号井深(m)岩样破坏时的载荷(kN)岩样截面积(mm2)单轴抗压强度(MPa)21430.9270.51 1438.72 49.01 172215.76186.15 1438.72 129.39 41432.2730.55 1438.72 21.24 192216.90138.44 1438.72 96.22 61436.4416.70 471.44 35.42 212217.9283.33 1438.72
8、 57.92 7977.33109.70 1438.72 76.25 232485.7819.95 475.29 41.98 9979.29135.54 1438.72 94.21 252487.01110.21 1438.72 76.60 111439.1214.94 471.44 31.69 272487.82206.06 1438.72 143.22 132210.86145.42 1438.72 101.07 292490.026.88 483.05 14.23 152214.41220.17 1438.72 153.03 302840.8158.05 1438.72 40.35 表1
9、-2 岩石抗压强度实验结果一、地层岩石力学参数实验测定一、地层岩石力学参数实验测定 抽取编号为：1、3、5、8、10、12、14、16、18、20、22、24、26、28号等14块岩心进行可钻性实验。实验结果如表1-3。岩心岩心编号编号井深（井深（m）牙轮钻头牙轮钻头可钻性级值可钻性级值PDC钻头钻头可钻性可钻性级值级值岩心岩心编号编号井深（井深（m）牙轮钻头牙轮钻头可钻性级值可钻性级值PDC钻头钻头可钻性级值可钻性级值11430.074.132.33162215.1455.242.6131431.3254.832.10182216.1455.872.9051435.2455.293.1720
10、2217.326.474.018977.795.364.91222218.867.4810.0010981.9055.422.82242486.3655.644.89122210.335.333.05262487.536.9610.00142212.376.003.88282489.266.252.75表1-3 牙轮岩石可钻性实验结果一、地层岩石力学参数实验测定一、地层岩石力学参数实验测定综合上述结果，可得到表1-4所示的实验结果。层位抗压强度（MPa）硬度（MPa）牙轮岩石可钻性PDC岩石可钻性延长组85.231622.005.393.87纸坊组35.121305.944.752.53刘家沟
11、组107.533639.136.073.29石千峰组109.912101.086.283.82下石盒子组40.351114.65一、地层岩石力学参数实验测定一、地层岩石力学参数实验测定根据根据弹性波理论，无限介质中纵波和横波的传播速度为根据根据弹性波理论，无限介质中纵波和横波的传播速度为：)21)(1()1(ddddPEV)1(2ddSEV纵波速度，纵波速度，m/s 横波速度，横波速度，m/s 动态泊松比动态泊松比 介质密度，介质密度，动态弹性模量，动态弹性模量，MPaMPa pVsVd3/cmgdE1)(4)(3222SPSPSdVVVVVE 1)/(22)/(22sPsPdVVVV由前面两
12、式由前面两式可以导出可以导出minmaxmin)(GRGRGRGRVorgsh1212)(CURCURorgshGGVshV校正前地层泥质含量，校正前地层泥质含量，%；校正后地层泥质含量，校正后地层泥质含量，%；自然伽玛值；自然伽玛值；自然伽玛最大值；自然伽玛最大值；自然伽玛最小值；自然伽玛最小值；Hilchie指数，指数，3.7为第三纪地层，为第三纪地层，2为老地层。为老地层。)(orgshVshVGRmaxGRminGRCURG地层泥质含量地层泥质含量岩石抗压强度，岩石抗压强度，MPa 岩石动弹性模量，岩石动弹性模量，MPa其余符号意义同前。其余符号意义同前。UCSdEshshdVVEUC
13、S008.0)1(0045.05.0UCSbeUCSaRH 地层硬度，MPa 回归系数，可由岩心实验数据回归得到。RHba,本研究中，a=20,b=-0.002其余符号意义同前。岩石抗剪强度，MPa SS264624)11)(78.01(10)10()21(105.1ddshpdVVSS3/cmg岩石密度，shV地层泥质含量，%d动泊松比02.23)1(log414.22210MMIAFSSM812.22668.55地层岩石内摩擦角，度；地层岩石内摩擦角，度；其余符号意义同前。其余符号意义同前。IAF对牙轮钻头：UCSbdrockeUCSaK 牙轮钻头岩石可钻性；回归系数，可由岩心实验数据回归
14、得到。本研究中：0.0769a0.0045bUCSMPa无围压抗压强度，ba,drockK对PDC钻头：)21()1()exp(shdpdcBVEAK 牙轮钻头岩石可钻性；方程系数；泥质含量影响系数；岩石抗张、抗剪、抗压系数；对于本研究：dpdcKAB,995.0A01.0B00001.00004.0923.0 一口井乃至一个地区的钻头使用效果如何，需要对钻头使用效果进行事后评价。可以用钻头效益指数对钻头的使用效果进行评价，bbCVFEbE元/)/(2hmVhm/FmbC元只钻头效益指数，钻头机械钻速，钻头总进尺，钻头费用，应用该模型，可以建立某一地区钻头的优选系列，为该区新井钻头优选提供指导
15、。用该方法评估钻头时，效益指数越大说明该只钻头表现越好。因此，应优先选用效益指数高的钻头。标准井：标准井：由研究区块效益指数最大的钻头所对应的地质层位从上到下人为组合而成的井，该井各个层位所对应的钻头效益指数最大。五、计算软件系五、计算软件系统设计思路统设计思路主要包括以下模块：钻头数据库：钻头数据库：编辑和处理现场使用过的钻头数据库，为钻头选型提供基础数据；测井数据处理：测井数据处理：处理数字化测井得到的测井数据，并构造测井基础数据库。直接从有相同文件格式的测井数据盘中读取数据，并处理之；分析选型：分析选型：计算地层岩石力学特性参数、分段或全井段钻头选型、打印计算结果曲线等；参数输出：参数输
16、出：用表格形式输出中间计算结果及选型结果；生成报表：生成报表：根据同一区块各口井的岩石可钻性数据和钻头选型数据生成该区块的岩石可钻性及钻头选型报告；帮助：帮助：本系统的主帮助文件；35003000250020001500100050000100200300 SS(MPa)Depth(m)080160240 UCS(MPa)24 28 32 36 40 44 48 IFA(degrees)0800 160024003200 RH(MPa)35003000250020001500100050001.21.41.61.8 coepDepth(m)0306090 Vsh(%)02468 RockDR2
17、46810 PdcDR 富古1井岩石力学参数计算结果 SS 抗剪强度；UCS 无围压抗压强度；IFA 内摩擦角；RH 岩石硬度；coep 塑性系数；Vsh 泥质含量；RockDR 牙轮岩石可钻性；PdcDR PDC钻头岩石可钻性 35003000250020001500100050000100200300 SS(MPa)Depth(m)060 120 180 240 UCS(MPa)28 32 36 40 44 48 IFA(degrees)0850 1700 2550 3400 RH(MPa)35003000250020001500100050001.21.41.6 coepDepth(m)
18、020 40 60 80 100 Vsh(%)246810 RockDR246810 PdcDR 富古2井岩石力学参数计算结果 井号：富古6井 井别：预探井 设计井深：2950米 地理位置：陕西省洛川县旧县镇厢寺川霍家塘 构造位置：鄂尔多斯盆地陕北斜坡东南部 目的层：马家沟组、山西组、下石盒子组、延长组等 完钻层位：马家沟组1、试验井基本情况、试验井基本情况2、试验井井身结构示意图、试验井井身结构示意图3、试验井工程设计的钻头、试验井工程设计的钻头地 层井 段(m)钻头直径(mm)牙轮钻头型号PDC钻头型号延 安 组、富 县 组0300444.5P2延长组1125215.9HJ517H517纸
19、坊组1615PDCG536XLG547和尚沟组1735刘家沟组2080HJ517HA537石千峰组2340上石盒子组2530下石盒子组2630山西组2740太原组2770本溪组2790马家沟组29504、试验井段、试验井段本次试验井段为：286.00m2500m序号钻头直径(mm)型号厂家钻进井段所钻地层进尺(m)纯钻时间(h)机械钻速(m/h)钻头磨损情况从(m)到(m)1215.9XHPBC江西286.00590.83延长组304.8325.9311.76掉齿3颗，断1颗。轴承尚好。596.95759.27延长组162.3213.0012.49764.90776.18延长组11.281.0
20、011.28782.09865.01延长组82.928.509.762215.9G436XL川克865.01941.72延长组76.7117.654.35完好1409.451933.31纸坊组刘家沟组523.86145.003.613215.9XHP2C江西941.721172.18延长组纸坊组230.4646.204.99三个牙轮内圈齿断完4215.9HJ517G江汉1172.181409.45纸坊组237.2771.803.30无断掉齿，轴承尚好5215.9HJ537L江汉1933.312126.10刘家沟组石千峰组192.7998.251.96无断掉齿，轴承尚好6215.9HA537江汉
21、2126.102357.32石千峰组231.22103.402.24牙齿断5颗，轴承尚好7215.9HA537LG江汉2357.322507.00石千峰组上石盒子149.6886.101.74钻头仍在钻进中5、试验井钻头使用情况、试验井钻头使用情况井号井号钻头钻头直径直径(mm)钻头用量钻头用量(只只)钻进井段钻进井段（m）进尺进尺(m)纯钻纯钻时间时间(h)机械机械钻速钻速(m/h)备注备注牙轮牙轮钻头钻头PDC钻头钻头合合计计从从到到富古富古1井井241.313114234.002505.212245.05652.503.44表中表中进尺进尺数据数据为钻为钻进井进井段总段总长减长减去该去该
22、井段井段的取的取芯进芯进尺而尺而得得富古富古2井井214.3718295.902609.002313.10627.253.69富古富古3井井241.312113393.802497.302103.50565.663.72富古富古4井井241.311213300.002548.152203.59641.753.43富古富古5井井215.96410346.502485.132086.48531.013.93富古富古6井井215.9617286.002507.002203.34616.833.576、试验井钻头使用与本区块其它井比较情况、试验井钻头使用与本区块其它井比较情况7、钻头试验结果分析、钻头
23、试验结果分析1)试验井（富古6井）钻头用量比本区块所有井都少，节约的钻头用量在14.29%100%之间。试验井平均机械钻速比富古2、富古3、富古5稍低，而比富古1、富古4都高。2)试验证明，所推荐的PDC钻头类型（川克G36XL系列）适合所钻遇的地层，所使用的牙轮钻头也适用于对应的地层，这可以从钻头使用结果看出来。3)试验井平均机械钻速比本区块有的井低，主要是由于所使用的PDC钻头未能得到较高的机械钻速所致。同时也反映了各口井岩石力学性质的差异。4)现场所使用的PDC钻头型号为G436XL，而经过对该区块地层岩石力学特性进行细致分析后，我们推荐的PDC钻头型号是G536XL。这两种型号的钻头差
24、别在PDC切屑块直径上，G436XL型号钻头PDC切屑块直径为1/2，而G536XL型号钻头PDC切屑块直径为3/4，两种钻头型号有相同的布齿密度（均为中密布齿），这样G536XL型号钻头的齿数比G436XL要少一些，相同钻压下单齿受力要比G436XL型号钻头大，钻头齿吃入地层要深，从而单位时间切屑量比G436XL型号钻头要大。因此，可以预计，如果选用推荐型号为G536XL的PDC钻头的话，机械钻速会比型号为G436XL的PDC钻头要高。5)在钻头型号和地层相匹配的情况下，PDC钻头应该配合螺杆或涡轮钻具使用才能取得好的效果。6)延长组可钻性很好，是快速钻井之基础。如果二开开始就使用PDC钻头
25、配合螺杆钻具钻进的话，则可以得到较高的机械钻速。本井为了卡准取芯层位，设计规定延长组过后才能使用PDC钻头。1、通过室内岩心试验，结合测井资料建立了研究区块各口井的岩石力学参数剖面，以此为基础结合现场钻头使用实际情况优选出了适合研究区块各个层位的钻头型号，并在现场试验得到验证，取得了较好的效果。2、总体而言，富县区块2300米以前地层强度随井深增加逐渐增大。23002700米左右地层岩石强度逐渐减小。此后，岩石强度又恢复增大的趋势，到马家沟组达到本区块的最大值。3、现场试验证明，用效益指数法对现场使用过的钻头进行初选，然后结合研究井地层可钻性综合值（地层综合系数）和岩石力学参数计算结果确定钻头型号，符合地层实际情况。4、现场试验证明，优选出的PDC钻头型号，即川石克里斯坦森公司型号为G36XL的PDC钻头适合在该区块钻进，具体选择时应根据岩石力参数学评价结果来确定PDC钻头的切屑块直径。5、本研究区块的延长组可钻性较好，为快速钻进之基础，可以用517系列的牙轮钻头或切屑块直径较大的PDC钻头配合螺杆或涡轮钻具钻进，以获得高的机械钻速。
