青海野马泉矿区岩石可钻性的分析和应用

段隆臣，刘 鹏，高元宏，徐国辉

(1.中国地质大学〈武汉〉工程学院，湖北 武汉430074;2.青海省岩心钻探工程技术中心，青海 西宁810000)

0 前言

青海省野马泉矿区属柴达木盆地西南缘半干旱荒漠化草原区，位于东昆仑山脉西段。总体地势南高北低，南部为浅山，北部为平原区，平均海拔3900 m。区内上部覆盖层主要为第四系冲积物、洪积物、风积砂、强风化花岗岩和砂砾岩等，厚度40.0～160.0 m不等。覆盖层以下的常见岩层为矽卡岩、泥碳质灰岩、碳质灰岩、结晶灰岩、花岗闪长岩、二长花岗岩、大理岩、硅化大理岩等。由于该区地质作用强烈，破碎、裂隙地层所占比例较高。在前期的钻探施工中，钻头的寿命普遍不高，钻探成本高。为了提高钻进技术经济指标，需要了解该区的岩石可钻性，以进行钻头的优选。

常用的岩石可钻性测试方法有岩石力学性质指标法、实际钻进速度法、模拟钻进速度法和碎岩比功法等［1、2］。由于该区大部分地层裂隙发育，所取得的岩心难以进行岩石力学性质测试或微钻试验。因此，常用的力学性质指标法难以采用。研究发现［3、4］，确定岩石中的石英含量、石英粒度、长石含量、长石粒度等4个指标，通过计算可以初步得出岩石的可钻性，用于金刚石钻头的选型。

1 室内试验

由图1岩样图片可以看出，该矿区岩石比较破碎，难以用常规力学实验得出岩石的可钻性。但通过计算可初步得出岩石的可钻性［5～7］。通过薄片分析进行岩石定名、确定矿物粒径;并通过XRD半定量测试确定岩石中矿物的含量［8］。

1.1 薄片分析

通过岩石薄片分析法进行岩石定名、结构分析等。显微镜下的岩石薄片(偏光镜)如图2和图3，定名后岩石如表1所示。根据薄片分析，可以大致了解野马泉矿区各个孔段的岩石名称以及矿物粒度，详细的矿物含量分析通过XRD测试确定。

从图2、图3中可以看出，4、6、7、8、10号岩样中矿物质的粒度均较大，1、2、3、5、9、11、12号岩样晶粒都比较细，计算岩石可钻性需要测定上述岩石中各个矿物的含量。

图1 现场岩样图片

图2 显微镜下岩石薄片1(偏光镜)

1.2 XRD 检测

岩石样品在德国Bruker AXS D8－Focus X射线衍射仪上进行物相半定量分析。测试条件:CuKα射线，Ni滤波，40 kV，40 mA，LynxEye192 位阵列探测器，扫描步长 0.01°2θ，扫描步速 0.05 s/步;环境条件:温度24℃;湿度36%。

XRD检测结果如表2所示。

1.3 可钻性分级

中国地质大学(武汉)工程学院岩石可钻性实

图3 显微镜下岩石薄片2(偏光镜)

表1 岩石名称及结构表

表2 XRD检测表 /%

验室在全国范围内收集了96种岩石，进行了一系列的试验研究，并研究了岩石的组成结构和岩石表面性质之间的关系。通过薄片分析和XRD测试确定矿物含量、结构和粒度;通过研磨性试验和硬度试验，得出了在一定条件下岩石的研磨性和硬度等岩石表面性质与岩石主要矿物含量、岩石结构之间的关系，得出了试验数据，并建立了模型［9］。

在建立的模型的基础上，在岩石类别相同的情况下，只需要测定待测岩样的石英含量、石英粒度、长石含量、长石粒度等4个指标，即可计算得到待测岩样的可钻性级别［10］。1、9号岩样中没有石英和长石，采用HRC55的钢锯条刻划测定;其它岩样采用模型计算得出。可钻性级别如表3。

表3 所取岩样可钻性级别

2 钻头初步优选试验

青海野马泉矿区在以往的钻探生产中，钻头平均寿命在40 m左右，在确定了青海野马泉矿区岩石可钻性的条件下，结合矿区大压力、高线速度的施工工艺条件，设计并制造了一批试用钻头，进行现场试钻。

2.1 试验一

在ZK8017进行试验，设计孔深300 m，终孔口径75 mm;钻机采用北京天和众邦YDX－3A型全液压动力头钻机;采用金刚石绳索取心钻进;钻压20 kN，转速 840 r/min，泵压 1.5 MPa，泵量 65 L/min;采用胎体硬度HRC30的孕镶金刚石钻头;平均钻进寿命217 m，平均机械钻速6 m/h。

钻头使用后在基恩士表面形貌仪下的形貌观察如图4，由于胎体硬度较大，胎体对金刚石的包镶能力好;如图5所示，金刚石出刃高度通常在172 μm左右，很少存在金刚石脱落现象，钻头寿命长，但是金刚石出刃较慢，磨钝的金刚石不容易脱落，导致机械钻速较低。

图4 HRC30金刚石钻头表面形貌

图5 HRC30钻头金刚石出刃高度图

2.2 试验二

在相同的工艺条件下进行，采用了胎体硬度HRC20的孕镶金刚石钻头，平均钻进寿命150.4 m，平均机械钻速8 m/h。通过图6可以发现，金刚石掉落比较严重，掉落后留下的凹坑深有289 μm，如图7所示;由于胎体硬度较小，胎体对金刚石的包镶能力较弱，金刚石出刃快，机械钻速高，但是钻头寿命较短。

图6 HRC20金刚石钻头表面形貌图

图7 HRC20钻头金刚石出刃高度图

2.3 试验三

采用了胎体硬度HRC25的孕镶金刚石钻头，平均钻进寿命184.2 m，平均机械钻速7 m/h。从图8和图9中可以看出，金刚石出刃高度在220 μm左右，很少存在非正常掉落情况。

图8 HRC25金刚石钻头表面形貌图

图9 HRC25钻头金刚石出刃图

2.4 小结

通过野马泉矿区野外试钻，发现HRC30的金刚石钻头寿命长，但是机械效率较低;HRC20的金刚石钻头机械效率高，但是寿命较短;综合考虑，选用HRC25的金刚石钻头最能满足施工单位高效长寿命的要求。

3 结论

(1)岩石可钻性分级是一个复杂的课题，研究它的目的在于指导生产。在建立有数据库的情况下，通过计算和比对，简便易行，能够取得工程实践满意的结果。

(2)在有限的条件下，例如岩样小、岩石不规则等特征情况下，可以利用岩石的组成、结构等因素，得出岩石的可钻性。岩石虽然有地域性的差异，但是计算确定的岩石可钻性可以达到指导钻头选型的目的。

(3)对于生产单位而言，钻进效率和钻头寿命一样重要，可以通过调整胎体硬度或相关力学性质来实现。在实验室研究时可用基恩士表面形貌仪观察金刚石的出刃，了解胎体对金刚石的包镶能力。通过室内外试验找到了适合野马泉矿区胎体硬度等力学性质的合理值。它既能满足高效率，也能满足长寿命的要求。

［1］李玮.岩石可钻性的分形表示方法研究［D］.黑龙江大庆:大庆石油学院，2006.

［2］李天相.钻井手册(甲方)［M］.北京:石油工业出版社，1990.

［2］李士斌，闫铁，李玮.地层岩石可钻性的分形表示方法［J］.石油学报，2006，27(1):124 －127.

［3］熊继有，蒲克勇，周健.库车坳陷山前构造超深井岩石可钻性研究［J］.天然气工业，2009，29(11):59 －61.

［4］李士斌，阎铁，等.岩石可钻性级值模型及计算［J］.大庆石油学院学报，2002，26(3):26 －28.

［5］薛亚东，高德利.基于人工神经网络的实钻地层可钻性预测［J］.石油钻采工艺，2001，23(1):26 －29.

［6］何龙，朱澄清.川西地层可钻性级值研究［J］.钻采工艺，2006，29(3):98－99.

［7］邹德永，陈永红.利用声波时差资料确定岩石可钻性的研究［J］.石油钻采工艺，1996，18(6):27 －30.

［8］刘向君，宴建军，罗平亚，等.利用测井资料评价岩石可钻性研究［J］.天然气工业，2005，25(7):69 －71.

［9］孙坤忠.提高鄂西渝东地区钻井速度的有益探索［J］.江汉石油科技，2004，14(3):36 －42.

［10］李俊萍，段隆臣，李谦.模糊综合评判法在岩石可钻性分级中的应用［J］.地质科技情报，2012，1(31).