第17卷第3期1995年9月江汉石油学院学报JO〔IRNALOFJIANGHANPETROLEUMINSTI7,U7,EVol.17No.3SePt.1995可钻性能量法的岩屑破碎机理杜镰杨雄水运震邢纪国(江汉石油学院机械工程系,荆沙434102)摘要将分形理论用于解释宕石可钻性能量测试方法中岩屑试样的破碎机理。证实了分形理论可以更深刻、更全面地揭示岩屑试样破碎过程与产物分布的联系。利用分维数计算出试样破碎后的平均粒度与实测结果一致。主题词钻井工程;岩石可钻性;破岩机理;岩石破碎;分形学中图法分类号TE21第一作者简介杜镰,男,1956年生,1982年大学毕业,硕士,讲师岩石可钻性表征钻进过程中岩石抗破碎的能力。由于地层的复杂性,使得国内外一直没有统一的岩石可钻性测试方法和定量的评价指标。研究者主要采用以井下取心岩样为对象的岩石力学性能测定和微钻头法可钻性实验等方法研究岩石可钻性[1,“〕,但因这些方法采样费用大,实验周期较长,难于在现场广泛使用。目前,我国钻井工程上仍主要采用经验法定性评价地层可钻性。1993年,笔者提出了一种以返出的井下岩屑为对象的岩石可钻性能量测试方法(简称“可钻性能量法”)的新思想,并建立了一整套测试流程、装置和评价指标阁。经过钻井现场实验研究表明闭,测试结果优于微钻头法可钻性指标。本文将在文献[3,4〕基础上对可钻性能量法岩屑破碎的机理进行分析研究。1岩屑破碎过程分析岩石可钻性能量法的测试装置为自制岩屑捣碎器(图1)。lm。将采集的钻井返出岩屑筛分,取239粒度为2.5~5mm的岩屑作为试样,干燥后装入捣碎器料筒,冲捣25次后,取出试样再次筛分称量,将粒度1.25mm岩屑组分重量记为G,(g),粒度0.63一1.25mm岩屑组分质量记为GZ(g)。则适用于较硬岩性的可钻性能量法指标闭Kn,为捣碎器落锤质量1kg,落高日户落、!’尸一-,一捣棒Kn!一矗G:+GZ适用于较软岩性的可钻性能量法指标Kn:为(1)10、,人nZ=丽行‘犷试“秘/,料筒!/底座称K。,为第一种可钻性能量法指标,Kn:(2)为第二种可钻性能图1岩屑捣碎器示意图收稿日期1995一05一02。第3期杜镰等:可钻性能量法的岩屑破碎机理量法指标,将Kn;,Kn;统称为K。。岩屑在岩屑捣碎器料筒中被破碎的过程是一种在瞬间被挤碎压实的过程。对岩屑破碎过程的动态应力进行测试和岩屑破碎前后形态变化的观察[sj,分析岩屑破碎过程如下。钻井返出的岩屑试样经过筛分,粒度均匀的岩屑试样形状近似四面锥体,放入料筒后比较松散,颗粒间空隙很多。当受到向下的冲击力作用时,发生压密现象,岩屑之间相互挤压,颗粒尖角部位应力集中,最先达到破碎极限应力而破碎,填充空隙。脱落尖角的大颗粒岩屑发生压缩位移且又与其他颗粒相互挤压。因此,这一瞬间测得应力值较低,且波动较大,压缩位移量最显著;当压缩量达到一定值后,压密的试样料层相当于固定端,应力值急剧上升,促使已脱落尖角的岩屑大颗粒达到破碎极限应力而破碎,达到破碎极限应力的小颗粒岩屑继续发生破碎;.当破碎颗粒吸收了全部冲击能量后,应力迅速下降为零,随之存储在颗粒中的弹性能迅速释放掉。这一切均发生在一瞬间。据测定,一次冲击作用时间在6一30邵之间,岩性的变化与压密期间的位移量、冲击应力波幅度的高低及粒度分布有关,而岩屑颗粒在破碎前后的形状符合统计上的相似性。由于压密的料层不能自动松弛,因此,随着冲击次数的增加,料层压缩位移越来越小,最后达到一个稳定的常数。2岩屑破碎机理2.1岩屑破碎粒度分布规律对岩石破碎粒度分布的研究,通常是用实验得出的分布曲线与已知分布函数对照,确定出岩石破碎粒度分布的近似规律。习惯上用粒度为X的筛下百分率Y来表示粒度分布,常用的已知分布函数有3种困:1)加庭一舒曼函数(简称G一S函数)Y=100(X/K)a(3)式中,a为常数;K为最大粒度尺寸。2)罗申一拉莫勒函数(简称R一R函数)Y=100〔1一exp(一(X/b)2)〕a(4)式中,a,b为常数。3)对数正态分布函数卜{)xa抓,nX,d(‘nX’(5)式中,弋为平均粒度;沪(lnX)为粒度对数正态分布频率。1{甲气In人,=丁决于,exP}一V乙7t口(InX一InX。)22口2(6)在可钻性能量法测试时,采用四川地区香二砂岩、重二砂岩、前震旦系花岗岩、嘉一灰岩4种标准岩石的碎屑为试样进行试验,测出其破碎粒度的筛下百分率(如图2)。经对比分析认为,G一S函数与实测结果最接近...
