岩石可钻性分级研究进展
岩石可钻性分级的讨论及可钻性精确测量
不大 ， 难精 确评价钻 头 的选 择与设 计 是 否正确 。不 很 能 充分挖 掘钻 头的潜 力和提 高 地质 勘探 速 度 。
性 ， 果仍 无 明显进 展 。 结 现在 又有 人用 多项 力学 指标 、
现 场 数据 及 室 内模 拟试 验 结 果 来综 合 评 定 岩 石 可钻
ｆ ｒ ｔ ｎ ｒ ｏ ｋ ｓ ｍ ｐ ｅ ｃ ｍ ｐ ｒｓ ｎ ｍｅ ｈ ｎ ｄ ａ ｏ ｅ ｓ ａ ｄａ ｄ ｒ ｃ ａ ｌ ｏ ａ ｉ ｏ ｔ ｏｄ ｉ ｉ ｍｏｎ ａ ｃ ｔ ｉ ｇ ａ ｃ ｏ ｄｉｍ ｏ ｄ ｓ ｗ ｕ ｔｎ ｎｄ ｍｉｒ ａ ｎｄ ｃ ｍ ｐ ｒｓ ｔ ｄ ｒ ｅ ｏｍｍ ｅ ｅ Ｏ ｃ ｎ ｉｍ ｈｅ ｄ ｉｌｎｇ ｃ ｒ ｃ ｅ ｆｒ ｃ ｎ ｔ ｅ ｐ — ｏ ａ ｉｏｎ ｍｅ ｈｏ ａ ｅ ｒ ｃ ｎｄ ｄ ｔ ｏ ｆｒ ｔ ｒｌｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｏ ｏ ｋ ｉ ｈ ａ ｐｒ Ｓ ｅ ． ｏｍｅ ａ ｔ ｌａ ｐｌｃ ｔｏ ａ ｅ ｖ ｅ ｔｆｅ ｈ ｕ ｈｏ ’ ｏ ｌ ｉ ｈ ｔ ｔ ｅ ｍｅ ｈ ｃ ｕａ ｐ ｉａ ｉ ｎ ｃ ｓ ｓ ｈａ ｅ ｔ ｓ ｉｉ ｄ ｔ ｅ ａ ｔ ｒ Ｓ ｃ ｎｃｕｓｏｎ ｔ ａ ｈ ｔ ｏｄ ｎ ｎｌ ｈ ｏｔｏ ｙ ｓ ｏｗｓ ｉ ａ ｍｉａ ｉ ｆｅ ｔｂｕ ｈ ｏ ｄｅ ｌｉ ｔ ｔｏｎ ｅ ｆ ｃ ｔ ｔ ｅ ｃ ｍｐａ ｉｏｎ ｓ ａ ａ ｄ ｉ ｌ ｏ ｓ ａ ｌ ． ｒｓ ｔ ｎｄ ｒ ｓ ａ ｓ ｔ ｂ ｅ
定性的比较标准 。
关 键 词 ： 刚石 钻 头 ； 石 ； 进 ； 钻 性 进 分 级 ； 金 岩 钻 可 测量
中图分 类号 ： Ｑｌ４ Ｔ ６
岩石可钻性分形法的检验与评价
目前确定可钻性指标 的方式是在室内通过测试岩 石试样的力学性能， 或模拟真实钻进条件用微钻头来研 究可钻性指标 。微钻头法测定结果符合程度高 ， 但 由于 室 内试验滞后于实际钻进， 费用高， 周期长 ， 妨碍钻井速 度 的提 高［ １ ］ 。为 解 决 以上 问题 ， 本 文 引 入 分 形 理 论Ｅ 。 ］ ， 提 出一 种用 岩 屑粒 度 分布 分 形维 数来 确 定 可钻 性 级值 的测试 方法 ， 简 称分形法 。该方 法 以井底 返 出岩 屑为研究对象， 可以边取样边测定 ， 实 现随钻随测 ， 从根 本上解决了传统取芯法 的滞后性 、 费用高等缺点 。笔者 研究 发 现Ｅ ： 上 返岩 屑 粒度 分 布不 仅具 有 良好 的分 形 性， 其 粒度 分形 维数 随深 度 增 大 ， 且 与微 钻 头岩 石 可 钻 性级 值呈线 性关 系 。本 文将 在 上述 研 究 基础 上 继 续 展 开工 作 。 １ 分 形概念 分形几何理论在 ２ ０ 世纪 ７ ０ 年代建立后 ， 迅速在物 理学 、 地理学、 冶金学、 材料科学和计算机 图形学等领域 得到应用 ， ２ Ｏ 世纪 ８ Ｏ 年代 ， 分形几何学在岩石 力学方 面得到 了广泛 应用 ， 开 始 应 用 于岩 石 力 学研 究 。例 如 ， 在结 榭 陛岩体 爆破 破碎 分 形 、 矿 山岩 体 断 裂 构造 分 形 、 岩石分形强度理论 、 岩石断裂、 岩石损伤分形等研究方 面， 近 几年 国 内外 都取得 了大 量研究 成果 。 分 形几 何学 是一种 定 量 研究 和描 述 自然 界 中极不 规则且 看似 无序 的复 杂结 构 、 现 象 或行 为 的新方 法 ， 它
第一作者简介 ： 李玮（ １ ９ ７ ９ 一 ） ， 男（ 汉族 ） ， 吉林榆树人， 博士 、 副教授 ， 现从 事油气井工程力学及岩石力学方面的教学和研究工作 。
岩石可钻性研究方法与发展前景
参考文献
随着研究进程的深入，人们希望用实验室
［1］ 鄢泰宁，等.岩土钻掘工程学[M].徐州：中国地质大学出版社，2001. ［2］ 尹宏锦.实用岩石可钻性[M].东营：中国石油大学出版社，1988.
测量手段，也就是用物理力学性质来表示岩石 ［3］ 鞍山黑色冶金矿山设计研究院，长沙矿山研究院.国外牙轮钻机[M].北京：冶金工
的理论及现实意义。
关键词：岩石可钻性；地质钻探；可钻性极值
中图分类号：TU452
文献标识码：B
文章编号：1007- 7359(2010)04- 0073- 02
试样 编号
某些矿岩可钻性试验结果
矿岩
试验 比重
次数
1 坚硬灰色细粒条带状磁铁矿 3.64 10
2
中硬细粒赤铁矿
3.43 10
3
坚硬细粒赤铁矿
验法测试岩石的可钻性级值。压入硬度是以平底压模在岩心平 速与轴压成正比变化。此外，室内实验测试需要大量的岩心，对
面上压出第一次破碎坑时的单位面积载荷表示，根据实验测得 于没有进行取心施工或者是岩心资料非常珍贵的区块，这种方
的岩石硬度值确定岩石的可钻性级值。随着研究的不断深入， 法的应用就受到了一定的限制。
可能单一的根据岩石的种类来确定它们的可钻性。在地质钻探
Ⅰ 极硬 白色 1.00 3.7~6.7 91.4~304.8 250 34020 35~60
过程中，岩石的可钻性评价通常方式主要分为传统法和统计法
Ⅱ 硬 白色 1.33 7.0~9.1 335.3~457.2 250 34020 35~60
两大类，前者是在室内通过测试岩石试样的物理力学性能，此 方法有滞后性、周期长、费用高等缺陷；后者是采用实际机械钻 速表示，影响因素主要有地层岩石性质、钻头类型等。
岩石可钻性与分形性关系研究
式中 曰 ， ） 表 示 由粒径 的碎 屑破 碎成粒径 为 的砂岩岩 心碎 屑 的质量分布 函数 。砂 岩碎屑的质量保持不变 。试验表 明， ５ ） ＝ Ｋ ｘ ， Ｂ （ ｘ ， ） ＝ Ｏ ） 。为简单起见 ， 令 一， ￡ ） ＝ １ ， 则式（ ３ — １ ） 变为 ： ｔ ） ＝ ｌ ￣ ｅ ｘ ｐ （ －ｋ ｘ ｔ ） （ ３ － ２ ） 令 向： ， 相当于度量尺寸， 可以假 ｘ ｃ ＝ １ 。所 以， 当 ＜ ｄ ＝ １ ） 时有：
４ 结 论
即 ＝Ｗ ／ Ｉ Ｖ ４ ． １通 过 系 统 研 究 表 明 ，岩 屑 的 分形 方法 的 可 钻 性 测定 结 果 式中 Ｗ ＝ ａ Ｖ ， ｄ 是一个含有 Ｄ和 ｄ的函数， 而且是 随 Ｄ递减 的指 与岩心实验测量值一致 ， 基本能满足钻井工程 的需要 。 数 函数， 而 ｄ可 以根据岩屑尺寸的实际情况来确定 。Ⅳ 为牙 轮钻 ４ ． ２通过钻 屑岩 屑分形 方法 确定地 层岩 石 的可钻性 实验 分 头破碎岩 石所 需 的功率 ， Ｎ＝Ｃ Ｐ ｎ Ｄ ｈ ， （ Ｐ为钻 压 为转速 ， 为钻 析 ， 需要大量 的的钻屑 的来 源 以满 足测定 的要求 ， 对 于缺乏 岩心 头直径 ） 。 或者测井资料的地区更加适合 。 既然前人 通过大量 的实验证 明 ， 岩屑的分形性与可钻性有 着 ４ ． ３岩屑分形对地层可钻性测定方法操作简易可行 ， 基本能满 联系 。 所 以我们准备通过实验将 大量 的露 头岩石 ， 建立起 关系。 将 足钻井现场应用的需要 ， 为现场 的工程技术人员提供理论指导 。 岩石 以不 同的种类 、 不 同的可钻 性与其破碎后岩屑 的分形性建立 ４ ． ４低成本的岩屑分形法确定岩石 的地层可钻性 ，可以为油 数据库 ， 通过 数据库 的建 立 ， 将不 同油 田的钻 井过程 中上返岩 屑 气勘探 开发的巨大的经济效益 。 通过数据库进行分 析 ， 建立 一种钻进 过程 中通过上返岩屑确立岩 ４ ． ５根据 前人 的实验钻头 的砂 岩破碎体是 分形， 且 等概率假 石可钻性的方法。 设条件下 ， 深 井砂 岩破碎体 Ｄ大于泥岩 、 页岩的 Ｄ 。 并且我们的分析方法是用岩屑粒度 ，可 以利用钻井过程 的固相 ４ ． ６基 于 Ｂ ｏ ｎ ｄ裂 纹 学 说 推 导 出 Ｄ 与 Ｋ ｄ之 间 的 函 数关 系 ， 并 处理来确立不同筛网的尺寸 ， 等数据库建立完整后 ， 可以同过此方法 制定 了一个 由岩屑 Ｄ表示 的岩石 可钻性预测标准， 使 用上返岩屑 推广到各大油 田。以后就可以直接根据固相处理分离 出的岩屑粒度 ， Ｄ 描述 可钻 性 的方 法 在 实 践 中是 可 行 的 。 加 上 岩屑 的迟 到时 间 ， 预 测钻 进油 层 的岩石 的可钻 『 生 级数。 ４ ． ７通过对岩 屑的分析可得 出钻屑 和废 钻井液 的主要成分 ， 进 而选 用适宜的处理剂 ， 来 实现钻井生产过程 中产生 的钻屑 和废 ３牙轮 钻 头的 破岩 机理 分形 研究 钻井液全部处理 。 钻井（ ｄ ｉ ｒ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ） 是 利用机械设备 、 在地 层 中钻成具有 一定深度 参 考 文献 的圆柱形孔 眼的钻探 工程 。 钻 井是通过钻头进行对地下 的地层岩 ［ １ ］ ｚ ｈ ０ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｚ ｈ ａ ｏ ． Ｙ ｉ ｗ ａ ｎ ｇ ａ ｎ ｄ ． Ｘ ｉ ａ ｏ Ｈ ａ ｏ Ｌ ｉ ｕ Ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｌ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｏ 石 的破 碎过程。钻井钻头的破 碎岩石过程按 照研究对象大致可 以 ｃ ａ ｌ ａ ｃ ｌ ａ ｓ ｔ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ｋ ｓ １ ９ ９ ０ 分为以下几类 ： 【 ２ ］ Ｍａ ｎ ｄ ｅ ｌ ｂ ｒ ｏ ｔ Ｂ Ｂ ． Ｔ ｈ ｅ Ｆ ｒ ａ ｃ ｔ ａ ｌ Ｇ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ． Ｎ ｅ ｗ Ｙ ｏ ｒ ｋ ： Ｗ． Ｈ ． 钻头 的类 型 ： 可分 为牙轮 钻头 、 Ｐ Ｄ Ｃ钻 头 、 刮刀钻头 等 ， 本文 Ｆｒ ｅ ｅ ｍａ ｎ ． １ ９ ８ ２ 我们 主要研究 的是牙 轮钻 头类 型 ； ［ ３ ］ Ｊ ａ ｅ ｇ ｅ ｒ Ｊ Ｃ， Ｃ ｏ ｏ ｋ Ｎ Ｇ Ｗ． Ｆ ｕ ｎ ｄ ａ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｆ ｒ ｏ ｃ ｋ ｘ ｎ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｉ ｃ ｓ ． ２ ｎ ｄ ｅ ｄ 地层 岩性 ： 砂岩 、 泥岩 、 页岩 、 碳 酸岩 和火 山岩等各种岩性 ； ［ Ｍ］ ． Ｌ ｏ ｎ ｄ ｏ ｎ ： ｃ ｈ ａ ｐ ｍａ ｎ＆ Ｈａ ｌ １ ． １ ９ ７ ６ 破碎过程 ： 可分为表面破碎阶段 或体 积破碎 阶段 ； 『 ４ 】 高峰， 谢和平， 赵鹏． 岩石块度分布 的分形性质及细观结构效应［ ． 『 ］ ． 钻 头在地层岩石 中的破碎形式 ： 钻头侧 向切 削破岩作用与轴 岩 石力 学与 工程学 报， １ ９ ９ ４ ， （ ３ ） ： ２ ４ ０— ２ ４ ６ ． 向切 削破岩作用 ； 【 ５ ｌ 高峰， 谢 和平， 赵鹏 ． 岩石块度分布 的分形性质及细观结构效应 破碎机理 ： 为压碎 、 冲击和剪切作用 。 【 Ｊ 】 ． 岩石力学与工程学报， １ ９ ９ ４ ， １ ３ ｆ ３ ） ： ２ ４ ０— ２ ４ ６ ． 本文选择 的是牙轮钻头 的典型破碎形式 ， 图３ － １是钻头破碎 ［ ６ ］ 姚宇新 ． 破碎能耗 的分维数【 Ｊ ］ ＿ 大连铁道学 院学报， ２ ０ ０ ４ ， ２ ５ （ ３ ） ： 一】 ３ ． 岩石 的示意 图，假设实验钻头是三牙轮钻头 ，地层岩性 主要为砂 ９ 岩， 轮齿对岩石的破碎形式有压碎 、 冲击和剪切作用 。 牙轮钻头破 ［ ７ ］ 马廷雷． 钻屑、 废 钻井液无 害化 处理技术研 究［ Ｄ ］ ． 辽宁： 大连海 岩产物 中多 以片状岩屑为主【 ｌ ０ ｌ 。 砂岩岩心破碎过程是分形过程 。 假 事大学 ， ２ ０ ０ ３ ． 设某时刻 ｔ ， 粒径 为 ｘ的砂岩岩心碎屑的质量分 布函数 为 批 ， ） 。 ［ ８ 】 李 士斌 ， 李玮． 岩石可钻性分形 法的可行性分析 ［ Ｊ ］ ． 大庆 石油 则 时 间内 ， 粒径介于 ～ ＋ 的砂岩岩心碎屑 的质量为 ： 学院学报， ２ ０ ０ ６ ， ３ ０ （ ３ ） ： ２ ４ —２ ６ ． ａ ／ ａ ｔ ｆａ． Ｈ’ （ｘ． ｔ） ／ Ｏ． ． ， ｒ ｆ ｄｘ ｄ ｔ 【 ９ 】 张厚 美， 薛佑 刚． 岩石可钻性表示方法探讨［ Ｊ １ ． 钻采工艺， １ ９ ９ ９ ， 这个碎 屑质量 同样可分为两部分 ：砂岩岩心碎屑 以速率 ｓ （ ｘ ） １ ３ （ １ ） ： １ ０ －１ ３ ． 破碎为下一级粒径 的碎屑和 由粒径为 的砂岩。 岩心碎屑破碎成 ［ １ Ｏ ］ 李士斌， 闫铁， 李 玮． 地层岩石 可钻性 的分 形表示方 法［ Ｊ Ｉ ． 石 粒径介于 ｘ ￣ ｘ ＋ ｄ ｘ出的砂岩岩心碎屑的质量 ： 油学报， ２ ０ ０ ６ ， ２ ７ （ １ ） ： １ ２ ４ —１ ２ ７ ． 作 者 简 介 ／ ａ ｔ ｌ ａ Ｍ（ ｘ ， Ｏ／ ＆ｌ ｄ ｘ － － － Ｓ ｌ ａ Ｍ（ ｘ ， Ｏ／ Ｏ ｘ ｌ ￣＋
对岩石可钻性的新看法
常用的可钻性级值的求取各有特点，无法直接认为哪种方法最优。
常用的方法得到是可钻性级值的一个剖面，在实际使用中是不可能、也没有必要逐一地去分析每一点的可钻性级值。
因此，建立不同岩性、不同地区的岩屑与岩心力学参数之间的相关关系模型，使之发展成为一套完整获取岩石可钻性级值等相关参数的体系。
然后建立标准程序及配套应用方案，对不同方法得到的可钻性级值进行分层处理之后，再对该层内的可钻性级值进行加权平均，得到新的可钻性级值。
此外，还可以结合实际钻进的岩石，确定分级模型的影响因素分别是为压入硬度、摆球塑性系数、金刚石钻进时效。
以正态分布函数作为隶属函数来计算模型的评价矩阵，模型类似一个转换器，通过输入确定的某一组影响因素和确定的权重，根据评价模型，就可以输出评价和预测结果，从而明确地确定出岩石所属的可钻性等级。
通过模型确定岩石的可钻性等级，运用matlab等有关的软件将计算过程实现程序化，模型计算结果表明该方法能够对岩石可钻性作出较客观精确的分析，这样求岩石可钻性的方法更为科学和便利，可节省大量的人力、物力和财力。
岩石可钻性分级研究进展
岩石可钻性分级研究进展摘要：文内综述介绍了近三十年来的国际岩石可钻性研究概况。
对一些典型的分级方法做了介绍，对于深人开展我国创造性的岩石可钻性研究应当有所裨益。
关键词：岩石；可钻性；分级1 石可钻性及可钻性分级研究概况岩石可钻性是在某种规定的指标和技术下，以一定量度来表示岩石破碎的难易程度，也即是岩石对钻头破碎岩石的一种阻抗程度。
岩石可钻性不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。
根据岩石本身固有抗钻能力的大小，结合不同碎岩方式，可对岩石可钻性做出定量划分。
可钻性级值是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要途径，岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素。
2 现有的岩石可钻性分级方法现有的岩石可钻性分级方法种类繁多，较有代表性的有下述几种。
2.1 传统法2.1.1压入硬度法压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。
压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力，而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的。
矿物颗粒在空间的排列是任意的，颗粒间存在很多空洞和缝隙，岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异，整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。
2.1.2点载法点载法是由点载仪测得的，用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标。
点载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。
点载法不能从可钻性上把岩石分开。
这是因为岩石在三向应力状态下，产生张性破坏，而各种岩石都存在许多缝隙，岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。
这样点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
2.1.3 微钻头钻进法微钻头钻进法是在室内运用可钻性测定仪确定岩石的可钻性，利用穿孔速度和牙轮磨损情况，压痕试验中确定的压痕器指数，以及抗压强度试验结果，对岩石的可钻性进行综合评定。
岩石的可钻性分级与技术参数
岩石的可钻性分级与技术参数岩石的可钻性，是指钻进时岩石抵抗压力和破碎的能力；也表示进尺效率的高低。
因此，岩石的可钻性是岩石各种特性的综合，是衡量岩石钻进难易程度的主要指标。
一般用单位时间的进尺数来表示可钻性的高低。
按照这个分级方法，常把岩石的可钻性，划分为十二个等级。
由于各种岩石具有不同的物理力学性质,对钻进速度有不同的影响。
在实际钻进过程中，在一定的技术条件下，测定出的各种岩石的钻进速度，通称为岩石的可钻性，也就是岩石被钻头破碎的难易程度。
岩心钻探时岩石的可钻性分级如下：一级：松散土、松软疏散的---代表性岩石为：次生黄土、次生红土、松软不含碎石及角砾的砂土、硅藻土、不含植物根的泥炭质腐殖层。
（可钻性：7.50 m/h，一次提钻长度：2.80 m/次）二级：较软松散岩、较松软疏散的---代表性岩石为：黄土层、红土层、松软的泥炭层、含10%-20%砾石、碎石的黏土质和砂土质、松软的高岭土类、含植物根的腐殖层。
（可钻性：4.00 m/h，一次提钻长度：2.40 m/次）三级：软岩、软的---代表性岩石为：强风化页岩、板岩、千枚岩和片岩，轻微胶结的砂层，含20%砾石、碎石的砂土，含20%礓结石的黄土层，石膏质土层，泥灰岩，滑石片岩、贝壳石灰岩、褐煤、烟煤。
（可钻性：2.45 m/h，一次提钻长度：2.00 m/次）四级：稍软岩、稍软的---代表性岩石为：页岩、砂质页岩、油页岩、炭质页岩、钙质页岩、砂页岩互层，较致密的泥灰岩、泥质砂岩。
块状石灰岩、白云岩、强风化的橄榄岩、纯橄榄岩、蛇纹岩和磷灰岩、中等硬度煤层、岩盐、结晶石膏、高岭土层、火山泥灰岩、冻结的含水砂层。
（可钻性：1.60 m/h，一次提钻长度：1.70 m/次）五级：稍硬岩、稍硬的---代表性岩石为：卵石、碎石及砾石层、崩级层、泥质板岩，绢云母绿泥石板岩、千枚岩和片岩、细粒结晶灰岩、大理石、较松软的砂岩、蛇纹岩、纯橄榄岩、风化的角闪石斑岩和粗面岩、硬烟煤、无烟煤、冻结的粗粒砂、砾层、冻土层。
岩石可钻性研究
岩石可钻性研究摘要:为满足优质高速钻井的要求,需要对岩石可钻性做出更加精确的观测。
本文对岩石力学参数和可钻性级值通过多元回归的方法得出了围压下岩石可钻性级值的相关模型,通过该模型,可以更准确的预测地层岩石可钻性。
关键词:钻井岩石可钻性级值岩石力学性质1 引言岩石可钻性的概念是在生产实践中形成,用以说明破碎岩石的工具与岩石之间的关系。
现代的岩石可钻性概念有以下几种提法[1]:(1)所谓岩石的可钻性,是指在一定技术条件下钻进岩石的难易程度;(2)可钻性可理解为钻井过程中岩石抗破碎强度的程度,它表征岩石破碎的难易程度;(3)岩石坚固性的钻孔方面的表现称为可钻性。
2 岩石可钻性及力学参数实验2.1 牙轮钻头与PDC岩石可钻性的关系对于岩石可钻性来讲,牙轮钻头的岩石可钻性同PDC钻头的岩石可钻性所反映的都是破岩工具破碎岩石的难易程度,所不同的只是使用的破岩工具不同而已,破岩方式及对不同地层的破岩速度也不同,但是牙轮钻头和PDC钻头的可钻性二者是紧密相连的,牙轮钻头可钻性级值高的地层,用PDC进行钻进可钻性级值同样高,根据实验结果对二者进行回归分析得到相关模型如下[2]:式中:KPDC为PDC钻头岩石可钻性级值;KD为牙轮钻头可钻性级值。
该式的相关系数为0.90。
从相关性模型中可以知道,二者的相关性很强,因此在后面的的研究中只研究牙轮钻头的可钻性,PDC钻头的可钻性与牙轮钻头相似。
2.2 岩石可钻性级值(微钻速/与岩石抗压强度的关系)(如表1)将表1中的岩石可钻性级值与抗压强度进行统计回归分析,可得到用抗压强度表示岩石可钻性级值,回归方程为:式中Kd为可钻性级值,бc为抗压强度(mPa),Vm为微钻速(m/H)式(1)的相关因数为:0.824,式(2)的相关系数为0.726(如图1图2)2.3 岩石可钻性级值与岩石力学参数的关系岩石可钻性级值与岩石物理性质的单元回归分析表明,可钻性和岩石抗压强度和硬度的关系较密切,而与朔性系数关系较差,即硬度和抗压强度是可钻性的综合反应,以下是把岩石的多种力学性质参数(其中包括岩石的抗压强度、硬度、泊松比、朔性系数、杨氏模量)通过多元逐步回归分析得到相关性模型[3、4、5]:式中Kd为牙轮钻头可钻性;бC为岩石抗压强度;Py为岩石硬度;E为杨氏模量;μ为泊松比;k为朔性系数。
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岩石可钻性分级研究进展
要文内综述介绍了近三十年来的国际岩石可钻性研究概况。
对一些典型的分级方法做了介绍，对于深人开展我国创造性的岩石可钻性研究应当有所裨益。
关键词岩石可钻性分级
1 石可钻性及可钻性分级研究概况
岩石可钻性是在某种规定的指标和技术下，以一定量度来表示岩石破碎的难易程度，也即是岩石对钻头破碎岩石的一种阻抗程度。
岩石可钻性不仅取决于岩石自身的物理力学性质，还与钻进的工艺技术措施有关，所以它是岩石在钻进过程中显示出来的综合性指标。
根据岩石本身固有抗钻能力的大小,结合不同碎岩方式，可对岩石可钻性做出定量划分。
可钻性级值是指导地质分层及钻头选型工作的重要参数，也是提高机械钻速、降低钻井成本的重要途径，岩石的可钻性是决定钻进效率的基本因素。
近几十年来，国内外对岩石可钻性研究的进程比较缓慢，仍然不能确切评价如何选取和设计钻头，不能充分挖掘钻头的使用潜力和提高地质钻探效率。
岩石可钻性是极其复杂的，不可能单一的根据岩石的种类来确定它们的可钻性。
在地质钻探过程中，岩石的可钻性评价通常方式主要分为传统法和统计法两大类，前者是在室内通过测试岩石试样的物理力学性能，此方法有滞后性、周期长、费用高等缺陷；后者是采用实际机械钻速表示，影响因素主要有地层岩石性质、钻头类型等。
2 现有的岩石可钻性分级方法
现有的岩石可钻性分级方法种类繁多,较有代表性的有下述几种。
2.1 传统法
2.1.1压入硬度法
压入硬度法是利用压入硬度计测出岩石的压入硬度值作为岩石的可钻性指标。
压入硬度法是测定岩石的某点或有限点抵抗外力入侵的能力,而岩石是由大大小小不规则的矿物颗粒组成的。
矿物颗粒在空间的排列是任意的,颗粒间存在很多空洞和缝隙,岩石结构上的这种特殊性决定了岩石各点的压入硬度值有很大的差异,整块岩石的可钻性不应该也不可能由某点或某几点的压入硬度值来确定。
2.1.2点载法
点载法是由点载仪测得的,用点载强度系数作为衡量岩石的可钻性指标。
点载强度系数由岩石样品在三向应力状态下产生破坏时的点载决定。
点载法不能从可钻性上把岩石分开。
这是因为岩石在三向应力状态下,产生张性破坏,而各种岩石都存在许多缝隙,岩石破坏是由于在缝隙处产生应力集中。
这样点载法的测定结果实际上是岩石裂隙发育程度的反映。
2.1.3 微钻头钻进法
微钻头钻进法是在室内运用可钻性测定仪确定岩石的可钻性，利用穿孔速度和牙轮磨损情况，压痕试验中确定的压痕器指数，以及抗压强度试验结果，对岩石的可钻性进行综合评定。
这是一种很直观的方法，利用取自于地层的岩心测试能够真实的反映地层的可钻性范围，为钻头的选型及地质分层提供了强有力的参数，也是检验其它计算地层可钻性级值准确性的依据。
微钻头实验，要求从软到硬岩中的钻头性能是足够的，但对必须使用硬
质合金齿钻头的极硬岩来说，则不完全可靠；实验所用的岩块试样必须具有充分的代表性，否则影响试验结果的真实性；试验中采用一种转速，当增大转速将提高钻速，可能增加钻头和轴承的磨损；试验中只考虑一种轴压，而实际上钻速与轴压成正比变化。
此外，室内实验测试需要大量的岩心，对于没有进行取心施工或者是岩心资料非常珍贵的区块，这种方法的应用就受到了一定的限制。
2.1.4 摇摆法
Rehinder和P.A.用摇摆硬度计测量岩石的相对硬度,曾经获得一定的成功此法又叫阻尼振荡法,实质在于将银有金刚石或硬质合金摆尖的摆,悬吊于被测岩石的光滑表面,使其运动后,由于岩石局部破碎所吸收的能量,加上空气摩擦,使系统阻尼。
阻尼大小与被测岩石的硬度H相关为
式中：为初始振幅；
为振幅随时间衰减的速率。
在六十年代中期，美国的Henis、R.W.和Street曾用精制的石灰岩及其它试块，做过检验性试验。
试验中采用了比Rehinder更先进的测试仪表，试验程序也非常严密。
试验后结论为用摇摆硬度法测得的岩石硬度随摆重而异。
如以获得最大硬度时的摆重叫临界摆重，那末轻于临界摆重的摆，阻尼仅为空气摩擦的函数高于临界摆重的摆，阻尼才主要是岩石破碎能量的函数。
只有重量等于临界摆重的摆，才能对被测岩石的硬度最为敏感。
因此,这种方法貌似简单，实甚烦杂，只有严格选择适应于各种被测岩石硬度的摆才有其使用价值。
2.2 统计法
2.2.1 钻速方程反求法
实践证明，采用通用钻速方程反求岩石可钻性的方法比室内岩心实验求岩石可钻性的方法更为科学和便利，可节省大量的人力、物力和财力。
用钻速方程反求法可以精确测量岩石的可钻性，可应用于现场计算。
通过测井资料对岩石可钻性进行计算，将计算结果与微可钻性试验结果比较，两者的相对误差较小，小于5%，说明利用钻速方程可以较为精确地测量岩石的可钻性，是作为实时监测岩石可钻性的有效方法，另外通过对钻井参数的数据收集，通过计算机的程序处理就可以实时显现岩石的可钻性级值。
但是在求取可钻性的时候需要大量的录井数据（如钻压、转速、钻井液密度和机械钻速等）和详实的井史资料，它同测量仪器仪表和钻井过程中的施工参数密切相关，所求取的可钻性级值不能完全代表地下岩石的真实情况。
2.2.2分形几何理论
分形几何学是一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法, 它的主要内容是研究一些具有自相似性的不规则曲线和形状( 称为线性分形) ; 具有自反演性的不规则图形; 具有自平方性的分形变换以及具有自仿射的分形集等等。
分形的基本特征是自相似性, 而且自然界中的自相似性或标度不变性常常是统计意义上的。
由于没有特征尺度, 分形体不能用一般测度( 如长、宽、高等) 进行度量, 描述分形的特征参数叫做分形维数, 也因其可以是分数而称其为分数维, 简称分维。
在实际应用中, 这种自相似可以是数学上的严格
自相似, 但更多的是考虑研究对象的自相似性。
更一般地, 我经常把几何上并不明显的自相似性转变成统计意义上的自相似性, 也就是虑研究对象的某些指标的局部概率分布与整体概率分布之间的相似关系。
分形几何理论在上世纪70 年代建立后, 迅速在物理学、地理学、冶金学、材料科学和计算机图形学等领域得到应用。
80 年代, 分形几何学在岩石力学方面得到了广泛应用, 例如, 在结构性岩体爆破破碎分形、矿山岩体断裂构造分形、岩石分形强度理论、岩石断裂、岩石损伤分形等研究方面, 近几年国内外都取得了大量研究成果。
尽管目前还没有人用分形理论研究钻井过程中的岩石破碎问题, 但毫无疑问钻头破碎岩石的过程是自相似过程, 可以用分形理论来描述钻井上返岩屑的分形规律, 进而由此确定岩石破碎的难易程度。
3 地层可钻性研究的发展趋势
随着研究进程的深入，人们希望用实验室测量手段，也就是用物理力学性质来表示岩石可钻性。
开始用单项力学性能指标来评定岩石可钻性，由于测量结果不准确，后改用多种物理力学性质来综合评定岩石可钻性，效果也不好。
又改用多项物理力学性能指标与现场数据相结合的方法来评定岩石可钻性，结果仍无明显进展。
现在又有人用多项力学指标、现场数据、室内模拟试验结果以及数理统计来综合评定岩石可钻性。
虽然测量方法越来越复杂，但一直没有研究出精确反映岩石可钻性的测量方法。
4 结论与建议
通过以上的论述已经可以看出，常用的可钻性级值的求取各有特点，无
法直接认为哪种方法最优。
以上方法得到是可钻性级值的一个剖面，在实际使用中是不可能、也没有必要逐一地去分析每一点的可钻性级值，然后选取和设计出适合每一点的钻头类型。
因此，建立不同岩性、不同地区的岩屑与岩心力学参数之间的相关关系模型，使之发展成为一套完整获取岩石可钻性级值等相关参数的实验体系。
然后建立标准程序及配套应用方案，对不同方法得到的可钻性级值进行分层处理之后，再对该层内的可钻性级值进行加权平均，得到新的可钻性级值，从而为下一步钻头选型提供比较准确的参考依据。