岩石可钻性测试实验
油页岩性能检测及其结果分析
油页岩性能检测及其结果分析朱文鉴1王镇泉2（1.北京探矿工程研究所，北京，100083；2.中国石油大学（北京），北京，102249）摘要：本文介绍了吉林扶余矿区和辽宁野马套海矿区的油页岩物理特性和力学特性的检测结果，结合油页岩的物理力学特性数据，作者分析了在油页岩矿区进行钻探施工采用PDC钻头的适应性和泥浆体系的优选结果。
为油页岩矿区进行地质勘探施工的钻头选型和泥浆体系优选提供一定的参考。
关键词：油页岩、适应性、试验分析油页岩是一种高灰分(>40%)的固体可燃有机矿产，低温干馏可获得类似天然石油。
它由无机物和有机物组成，常见的无机物有石英、粘土、长石碎屑物、碳酸盐等，有时还含有铜、钴、镍、钛、钒等化合物。
含油率＞３.５％，有机质含量较高，主要为腐泥质、腐殖质或混合型，其发热量一般大于4186.8kJ/kg，仅次于煤的发热量。
油页岩是一种重要的能源，又属非常规油气资源，在提供动力燃料和热电等方面发挥着较大的作用。
我国油页岩资源丰富，居世界第4位。
我国油页岩主要分布在20个省和自治区、47个盆地，共有80个含矿区。
全国油页岩资源为7199.37亿T，如果将油页岩折算成页岩油，全国页岩油资源为476.44亿T，如果扣除油页岩开发和干馏过程中的损失，全国页岩油可回收资源为119.79亿T。
随着我国经济社会高速的发展，能源需求日益增大，油气资源又相对缺乏，急切需要寻找和开发可替代能源，因此开发利用油页岩是重要的可行的发展之路。
1 油页岩力学特性测试解决油页岩地层的钻探工程问题是加快油页岩勘探开发进程的必要条件。
为解决油页岩钻探中存在的技术问题，采集了吉林和辽宁省油页岩矿区的油页岩（见表1、图1），进行了油页岩的物理化学性质、力学性能等指标严格测试。
为油页岩钻井液优选、破岩工具研制、钻进规程优化、油页岩开采等提供基础数据。
图1 野外采集的油页岩样品1.1 压入硬度、塑性系数测试岩石硬度是岩石抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，其衡量单位是Pa（帕）或者MPa （兆帕）。
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 。
硬地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法
地层取芯中的岩石可钻进性与钻进方法引言：在地层取芯中不同岩石理化特性有很大差异。
从宏观到微观通过研究岩石的理化特征，以及相应的钻进手段对对岩石钻进的影响对岩石钻进时钻进效率进行分析，做到高效钻进。
本文主要讨论的是硬地层取芯中的诸多问题。
首先我们探讨岩石的可钻性。
对不同岩石的理化性质进行逐步分析。
然后介绍目前常见的取芯钻进方式，在不同岩石和不同钻进方式之间建立对应关系，对不同岩是做到对症下药逐个击破。
钻进效率最优。
最后，会讨论一些钻进时的辅助手段，从另一个侧面提高钻进效率做到百尺竿头更进一步。
岩层的钻进方法钻进方法的分类方法很多，有的根据钻进目的分类，有的根据碎岩方式分类，还有的根据冲洗介质的种类以及循环方式分类。
根据钻进目的可分为地质钻进、石油钻进、水进钻进、工程施工钻进等。
根据机械碎岩方式可分为回转钻进、冲击钻进、螺旋钻进、振动钻进等。
在回转钻进中，根据所用的钻头不同又可分为金刚石钻进、硬质合金钻进、牙轮钻进以及钢粒钻进等岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石在外力作用下表现出来的特性。
主要有变形特性、强度特性和表面特性。
变形特性：弹性、塑性和脆性强度特性：抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度表面特性：硬度和研磨性岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。
破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。
根据受力条件不同，岩石强度又可分为抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度。
有单向应力状态下的强度，多向应力状态下的强度。
岩石的硬度：岩石表面对工具压入的反抗特性。
岩石硬度与抗压强度有一定联系，又有很大区别。
岩石抗压强度是岩石整块抗破碎的能力。
岩石抗压入硬度为单向抗压强度的（1+2π）倍。
测定压入硬度实际上使岩样产生局部破碎，而这种局部破碎是在多向受压状态下进行的。
岩石的研磨性：在用机械方法破碎岩石的过程中，钻头与岩石产生连续的或间断的接触和摩擦。
钻头破碎岩石的同时，其自身也受到岩石的磨损而逐渐变钝。
岩石可钻性的测定
岩石可钻性的测定一、实验目的1．了解岩石的可钻性；2．掌握岩石可钻性的测量方法。
二、实验原理1．实验设备实验中使用岩石可钻性测试仪来测量岩石的可钻性，如下图 1 所示。
设备的具体技术指标参见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
图1 岩石可钻性测试仪2．测量原理使用特制微钻头（牙轮钻头或PDC 钻头），以一定的钻压（牙轮钻头为890N ±20NPDC 钻头为500N ±10N ）和转速（55r/min ±1r/min ）在岩样上钻三个特定深度的孔（牙轮钻头为2.4mm ，PDC 钻头为3mm ），取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（t d ），对t d 取以2 为底的对数值作为该岩样的可钻性级值K d 计算公式如下所示：K d =log 2 t求得可钻性级值后，再查岩石可钻性分级标准对照表（如下表1 所示）进行定级。
表1 岩石可钻性分级对照表三、实验步骤1. 试样用石油钻井所取井下岩心或地面采的岩石，岩样制备成圆柱体（直径40-100mm，高度30-80mm）或长方体（长宽各100mm，高度20-100mm），端面平行度公差值≤0.2mm，试验前将试样放在温度设定为105-110℃的干燥箱内烘烤24 小时；2. 将手轮上移至最上端，取下岩心支架、钻头和接屑盘并清扫干净；3. 装上接屑盘，将所选的微型钻头安装在花键轴上端（注意：钻头上键槽应对准花键轴上端的键！），安装好钻头后，将岩心支架回归原位；4. 关闭所有钻进模式（牙轮模式和PDC 模式），打开总电源，打开相应的钻进模式开关（牙轮模式或PDC 模式，开关如图2 所示），打开电机调速器上的电机开关，开动电机，调电机至规定转速55 转/分（注意：教师进行此项调速操作，学生请不要调电机转速，避免产生危险！），然后关闭电机开关；图2 钻进模式开关示意图5. 选择好相应的钻压砝码（牙轮钻头用两个砝码，PDC 钻头只用一个下部大砝码），放在砝码支架上；6. 将准备好的试样放在岩心支架上，手轮下移，稍用力夹紧岩样，如果钻头高出岩心支架，应在轻轻夹紧岩样的同时，逆时针转动小手摇泵手轮，卸掉液压系统压力（注意：要确保岩样的钻进面一定为平面！）。
基于分形方法的深部砂岩地层岩石可钻性分析
基于分形方法的深部砂岩地层岩石可钻性分析王海淼【摘要】石油钻井中测量岩石可钻性的主要方法是以井下取心为对象.测量岩石的力学性能和微钻法可钻性试验,但这种方法采样费用高,试验周期长,不能在现场直接应用,这对实际应用造成了很大困难.用筛析法分析不同围压下砂岩岩心碎屑的分布,发现砂岩岩心破碎碎屑是分形分布.不同围压的实验中,碎屑分布的分维值不同.随着围压的增加,砂岩破碎碎屑的分维增大.解释了砂岩碎屑分维增大的原因,研究了碎屑分形分布的物理机制.并进一步分析了砂岩岩心分形维数与可钻性和围压之间关系,为使用实际钻进过程中产生的上返岩屑描述可钻性指标奠定基础,为可钻性研究提供一条新的途径.%The primary method of measuring rock driUability is selecting well coring as object, measuring rock mechanical property and doing driUability test in micro-drilling method during drilling. However, field application shows that the sampling cost is high and the test period is long. It can't be directly used on field and makes great difficulty to field application. Sandstone coring clastics distribution in different confining pressure using filter approaches is analyzed and find that it is fractal distribution in sandstone coring breakage clastics. The fractal dimension D value of elastics distribution is different under different confining pressure tests. The fractal dimension of sandstone fragment distribution augments with the increasing of confining pressure. The causes of fractal dimension increasing are explained and physical mechanics of elastics fractal distribution are studied. Furthermore the relationship among coring fractal dimension, driUability and confining pressure is analyzed. It is theelements of describing driUability using upturned detritus during driUing.It is a new approach of studying driUability.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)024【总页数】4页(P5917-5920)【关键词】岩石可钻性;围压;分形;分形维数【作者】王海淼【作者单位】大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院,大庆163318【正文语种】中文【中图分类】TE22岩石可钻性是指在一定钻井技术条件下，岩石抵抗工具破碎的能力，是表示岩石被钻进时所表现出的难易程度。
SY-T 5426-2000 岩石可钻性测定及分级方法
ｓ Ｙ汀 ５ ２ － ２ 佣 ４６ ０
ｂ ）确保动载钻压为５Ｏ ２Ｎ； ０Ｎ士 ０ ｃ 主轴旋转速度为 ５ｒ ｉ ｌ ｍｎ ） ５／ ｎ ／ ｉ ｍ １ ａ ｒ ３２２ 深度测量仪器 ．． 测量钻深值， 精度为 ＯＯｍ ．ｌｍｏ ３２３ 计时仪表 ．．
２１３ 试样两端面的平行 度公差值 小于或等于 ０ ２ ｍａ ．． ．ｍ
２１４ 试验前， ．． 将试样放在温度 设置为 １ 一１ ℃干燥箱内烘烤 ２ｈ ０ １ ５ ０ ４． ２２ 试验仪器设备 ． ２２１ 旋转加载装置， ．． 应满足下列要求 ： ａ 确保静载钻压为 ８０ ＩＮ 其标定量具精度为０５６ ） ９Ｎ士 Ｏ ， ． ； ９ ｂ ）确保动载钻压为 ８Ｏ １ ； ９Ｎ ０ ２Ｎ ｃ 主轴旋转速度为５ｒ ｉ士 ｒ ｉ ） ５ ｍｎ ｌ ｍｎ ／ ／ ｏ ２２２ 深度测量仪器： ．． 测量钻深 值，精度为ＯＯｍ ｏ ． ｍ ｌ ２２３ 计时仪表： ．． 精度为ＯＯｓ ｌ ． ２２４ 微型钻头： ．． 微型 钻头 是用刀片轴将 ８ 片刀片和 ９ 片间隔垫片穿在钻头体上构成。组装后直径为 ３． ｍ ， １ ５ｍ ７
３ Ｄ Ｐ Ｃ钻头岩石可钻性测定 方法
国家石油和化学工业局 ２０ 一 ３ ３ 批 准 ００ ０ 一 １
２０ 一１ 一 １实施 ０１ ０ ０ ）
Ｓ Ｔ ４２ Ｙｉ ５ ６－ ２０ ０ ０
刀片
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图 １ 牙轮微型钻头组装示意 图
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本 标准起草单位 ：石油勘探 开发科学 研究 院钻井 工艺研究 所。
本标准主要起草人 杨德凤 樊冀安 高 学之
本标准首次发布时间为 １９ 年 １ ，本版本为第一次修订。 ９２ 月
火成岩岩石可钻性的微钻头试验研究
通过回归分析，可得到以下经验关系： 对于牙轮钻头：K d=17.248e-0.0113t ；对于PDC钻头：Kd=23.965e-0.0203t 由图知测井曲线较好的体现岩石的物理 特性，其中纵波时差反映了地层的拉伸和压 缩变形特性及强度特性。而地层的岩石可钻 性反映了岩石抵抗钻头冲击与剪切破坏的能 力。因此，岩石可钻性级值及抗压强度与声 波时差的相关性最好。
⑥数据采集控制系统：包括计算机打印 机，数据采集板卡，数据采集控制软件，相 应外围电路等。用于采集监控钻压，钻深等 数据，并根据设定要求驱动相应的受控部件 保证测试的进行。
3 实验方法与步骤
3.1 牙轮钻头岩石可钻性确定方法
圆柱形试样：高度30-80m m：直 径40-100m m；方形试样：长×宽为 100m m×100m m：高度20-100m m。同时要求 岩样两端面的平行度公差值小于或等于 0.2m m。试验前，将岩样放在温度设置为
③旋转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ置：由电机通过减速系统给定 钻头旋转速度，转速可以调节并给于显示。
④钻压模拟控制系统：主要包括钻压模 拟部分和钻压控制部分，钻压模拟采用液压 加载方式，钻压控制部分由压力调节，压力 监测，自动恒压控制等功能，由计算机控制 完成。
⑤钻深测量系统：使用高精度位移传感 器跟踪计量钻进深度，计算机会自动根据设 定参数进行计时。
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105-110℃干燥箱内烘烤24小时。 ⑴微型钻头： 微型钻头是用刀片轴将8片刀片和9片
间隔垫片穿在钻头体上构成。组装后直径为 31.75mm。
⑵试验程序 ①装好试样，测探和测时仪表调零，启 动试验装置。 ②钻深达0.2m m时开始计时，再钻探 2.4mm，记录钻进时间，并停钻。 ③每种岩样按上述程序重复三次。
基于测井资料的岩石可钻性研究
声波时 燕Ｉ ，－ ｐｓｍ
图１ 岩 石可 钻性 与声 波 时差 的统 计 关系
重点 ，但 是声波 时差是 岩石 力学性 质 的动 力学 响应参
数 ，岩 石 的 声 波 时差 在很 大 程 度 上 受 到 泥 质 含 量 、矿 物 成 分 、埋 藏 深 度 等 因 素 的影 响 ，因此 必 须 寻 找 一 种新 的 厅法 解 决 这一 问题 。
讲 ，利用测井资料的声 波时差可 以建立地层 的可钻性剖 面。其实现方法如下 ：在室 内利用可钻性测定仪确定地 层 岩石 的可钻性级值 ，结合测井资料 中的声波时差进行
信 息系统 工程 Ｉ２ ｌ ．． ０ １ ２ ９０
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（ ４）岩石埋深 和地质年代 ：正常情况下 ，随埋深 的增加 和年代 的久远 ，岩石压实程度不断增加 ，可钻性
变差 ，声波时差 随之下降。
根据 以上分析可知 ，岩石声波时差能够体现岩石的
可钻性 。因而 ，可以运用声波时差曲线进行岩石可钻性
预测 ，但仅用它作为岩石可钻性预测 的唯一变量可能会
造成 同一声波时差曲线对地层岩石可钻性多解的情况 ， 因此 ，还必须辅 以其他测井资料 ，即基于测井参 数预测
岩 石 可钻 性 。
机 的 ，它们不能反映层间以及整个井剖面岩石可钻性变
化 情 况 ，不 能 够 建立 起 岩 石 可 钻 性 连续 的变 化 剖 面 另 一
方 面 ，井下 的岩层 与试样 的岩心是有区别 的；此外 ，建
立地区岩石可钻性剖 面需要进行大量 的岩石性质测定 实 验 ，这将花费大量 的人力和资金。基 于以上不足 ，所 以
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中国石油大学（岩石可钻性的测定）实验报告
实验日期： 2014.10.21 成绩：
班级： 石工11-11 学号：11021525 姓名： 徐银亮 教师： 郭辛阳 同组者： 夏平 张栋 杜顺明 刘磊
岩石可钻性的测定
一、实验目的
1、了解岩石的可钻性；
2、掌握岩石可钻性的测量方法。
二、实验原理
1、实验设备
实验中使用岩石可钻性测试仪来测量岩石的可钻性，如下图1所示。
设备的具体技术指标参见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
2、测量原理
使用特制微钻头（牙轮钻头或PDC 钻头），以一定的钻压（牙轮钻头为890N±20N ，PDC 钻头为500N±10N ）和转速（55r/min±1r/min ）在岩样上钻三个特定深度的孔（牙轮钻头为2.4mm ，PDC 钻头为3mm ），取三个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时（d t ），对d t 取以2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值d K ，计算
公式如下所示：
t K d 2l o g
求得可钻性级值后，再查岩石可钻性分级标准对照表（如下表1所示）进行定级。
测量原理详见《岩石可钻性测定及分级方法-SY/T 5426-2000》。
三、实验步骤
1、试样用石油钻井所取井下岩心或地面采的岩石，岩样制备成圆柱体（直径40-100mm ，高度30-80mm ）或长方体（长宽各100mm ，高度20-100mm ），端面平行度公差值≦0.2mm ，试验前将试样放在温度设定为105-110℃的干燥箱内烘烤24小时；
2、将手轮上移至最上端，取下岩心支架、钻头和接屑盘并清扫干净；
3、装上接屑盘，将所选的微型钻头安装在花键轴上端（注意：钻头上键槽应对准花键轴上端的键！），安装好钻头后，将岩心支架回归原位；
4、关闭所有钻井模式（牙轮模式和PDC 模式），打开总电源 ，打开相应钻进模式开关（牙轮模式或PDC 模式，开关如图2所示），打开电机调速器上的电机开关，开动电机，调电机至规定转速55转/分（注意：教师进行此项调速操作，学生请不要调电机转速，避免产生危险！），然后关闭电机开关；
5、选择好相应的钻压砝码（牙轮钻头用两个砝码，PDC 钻头只用一个下部大砝码），放在砝码支架上；
6、将准备好的试样放在岩心支架上，手轮下移，稍用力夹紧岩样，如果钻头高出岩心支架，应在轻轻夹紧岩样的同时，逆时针转动小手摇泵手轮，卸掉液压系统压力（注意：要确保岩样的钻井面一定为平面！）。
7、转动手摇泵给活塞缸和储能器加压，先使钻头上移顶在岩样底面上，后顶砝码至最高点（注意：该过程中应特别注意观察压力表，不能使压力表超过0.9MPa ！），然后，回摇手摇泵，使砝码下行，观察压力表，停摇手摇泵后，压力能够反弹至试验规定值后即可；
8、待压力稳定后，按清零按钮，待位移、时间清零后，再按清零按钮复位；
9、打开电机开关进行实验；
10、当位移显示至规定值（牙轮钻头模式2.6mm，PDC钻头模式4mm），电机停转后立即关闭电机开关；
11、记录钻进时间；
12、逆时针转动手摇泵手柄，先后使砝码和钻头下行至最底部（注意：当压力降至将近零点时，应缓慢斜压，不要使压力表承受过大负压！）；
13、松开手轮，卸下岩样；
14、取下岩心支架，抱住接屑盘外圈，向上同时取下接屑盘和钻头（注意：不要直接抓着钻头向上拔出，以免撞伤手部！）；
15、清理后，将接屑盘和钻头装回原位；
16、应及时对手轮和手摇泵丝杠、砝码支架活塞、液缸活塞、花键轴加油和维护，保证活动顺畅。
四、实验数据
钻头模式牙轮模式
钻时/s
1 73
2 65
3 57
4 83 平均钻时/s 69.5
五、数据处理（需列出详细计算过程）
根据实验中测得的钻进时间，结合实验原理中岩石可钻性的计算方法及分级标准，计算岩石可钻性并将结果填入表2中（注意：要求列出计算过程！）。
表2 岩石可钻性试验记录表
钻头模式牙轮模式
钻时/s
1 73
2 65
3 57
4 83 平均钻时/s 69.
5 岩石可钻性等级中6
12.65.69log log 22===t K d
六、思考题
1．实验过程中哪些步骤对测量结果精度影响较大，如何操作才能提高测量 结果的精度？
答：岩样，桌面平整光滑度，手轮转动力度，钻速的调整，钻压的施加，未清零或未复位等环节，应该如下操作1，将准备好的试样放在岩心支架上，手轮下移，稍用力夹紧岩样，如果钻头高出岩心支架，应在轻轻夹紧岩样的同时，逆时针转动小手摇泵手轮，卸掉液压系统压力（注意：要确保岩样的钻井面一定为平面！）。
,2，转动手摇泵给活塞缸和储能器加压，先使钻头上移顶在岩样底面上，后顶砝码至最高点（注意：该过程中应特别注意观察压力表，不能使压力表超过0.9MPa ！），然后，回摇手摇泵，使砝码下行，观察压力表，停摇手摇泵后，压力能够反弹至试验规定值后即可；,3待压力稳定后，按清零按钮，待位移、时间清零后，再按清零按钮复位；
2．调研并简要介绍岩石可钻性是如何应用于工程实践？ 思考岩石可钻性的 其它应用？
答;在岩土钻掘工程设计与实践中，人们常常希望能事先知道所施工岩石的破碎难易程度，以便正确选择合理的钻（掘）进方法、钻（钎）头的结构及工艺规程参数，制定出切合实际的岩土钻掘工程生产定额。
岩石的可钻性及坚固性指标，在实际应用中占有重要地位。
其外岩石可钻性在凿岩，破岩和钻头选取也有广泛的应用。