[发明专利]一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法

说明书

一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置及实验方法，其特征在于：测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压连接装置、岩石加持装置，位移传感器。本发明提供一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，能够模拟钎头冲击方式破碎岩石过程，为岩石冲击条件下可钻性测试提供装备；实验方法中考虑到岩石在冲击破碎过程中脆性特点，采用固定微型钎头的作用时间，通过微型钎头的位移来区分不同岩样的可钻性级别，同时考虑钎头静态与动态冲击两种模式，测试结果与实际钻井条件更加吻合。

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探工程、矿山工程、地质钻探、隧道工程等技术领域，具体而言，涉及一种冲击方式下岩石可钻性测试装置及实验方法。

背景技术

岩石可钻性的概念是在石油钻井实践中逐步形成的，用以说明岩石与破岩工具之间的关系。目前在石油行业中，对于岩石的可钻性有以下三种定义：(1)在一定技术条件下，破岩工具钻进岩石的难易程度；(2)钻井过程中，岩石抵抗破碎的能力，它表征岩石破碎的难易度；(3)岩石的强度在钻孔方面的表现。

上述三种说法都包含了以下几层意思：(1)钻进的对象——岩石；(2)钻进岩石的工具。主要是指旋转(或冲击)钻井的各种类型的钻头，其属于机械法破碎岩石的范围，钻进工具实际上也包括了钻进方法、工具和技术条件等。(3)破碎岩石的难易程度。它是岩石可钻性的核心概念，表明了破岩工具钻进岩石的综合结果，同时也是岩石可钻性概念的定性表示方法(常用易钻、难钻或软、硬表示岩石可钻性，包含的范围较大)。岩石可钻性反映了破岩工具和岩石之间的相互关系，表征了地层岩石抵抗外部破岩工具破碎难易程度。在油气田的开发过程中，岩石可钻性的测定是油气钻井工程中的一项基础性工作，是指导地质分层、确定最优钻井参数、钻头选型及预测钻井效果等的重要依据。同时，可钻性的准确评定对于提高机械钻速，降低钻井成本具有重要的影响。

现有岩石的可钻性包括PDC钻头和牙轮钻头，PDC钻头和牙轮钻头的岩石可钻性级值测定及计算方法相似，采用机械钻速表示岩石可钻性的指标时，测得的钻进速度V、钻进时间t和钻进深度H之间的关系可以表示为：V＝H/t

其中，t/H是钻进单位钻深所用时间(简称钻时或可钻性指标)。

可钻性标准测试岩石可钻性时，钻进深度为定值(牙轮微钻头微2.6mm，PDC微钻头为4mm)，因此可将钻时或可钻性指标用T表示，这样岩石的可钻性就与测量得到的钻进时间t联系在一起，并用钻时T的大小来表示岩石破碎的难易程度。根据统计方法的需要，对钻时做对数变化，即可用定量的方式来表示岩石的可钻性，得到可钻性级值Kd与钻时T之间的关系式：Kd＝log2T。

PDC钻头主要是依靠切削齿在钻压的作用下剪切破碎岩石，克服岩石的剪切强度，牙轮钻头依靠大的钻压挤压压碎岩石，克服岩石的抗压强度，而钎头依靠大的冲击功和一定的冲击频率来破碎岩石，依靠冲击产生的应力波来诱发岩石内部裂纹的扩展、贯通，克服岩石的抗拉强度，这三种钻头的破岩方式和机理显然不同，因此不能用PDC钻头、牙轮钻头对岩石的可钻性来评价冲击破岩的钎头，因此需要建立冲击方式下岩石可钻性的测试方法和装置。

发明内容

现有PDC钻头、牙轮钻头的岩石的可钻性分级标准都不适应冲击方式岩石破碎的可钻性级值，为了定量的区分在冲击方式下，不同岩石的可钻性级值，需要建立一种冲击方式下岩石的可钻性测试装置，其特征在于：测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压连接装置、岩石加持装置，位移传感器。

上述方案中，一种冲击方式下岩石可钻性测试装置，测试装置包括机架、电锤、连杆、微型钎头、扶正器、加压装置、岩石加持装置，位移传感器。岩石加持装置用来固定岩样，加压连接装置通过万能试验机对微型钎头施加钻压，机架包括底座和支撑杆，固定电锤，扶正器保证微型钎头与电锤之间的连接，位移传感器用来测定微型钎头钻进的距离，连杆用来连接电锤与机架，测试装置模拟钎头冲击破岩过程，对不同岩石在冲击方式的可钻性极值进行定量的测试，为钎头选型与钎头个性化设计提供基础数据。