測定巖石研磨性的方法及系統的製作方法

2023-10-19 10:46:27 1

專利名稱：測定巖石研磨性的方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及鑽井技術，尤其涉及評價巖石研磨性的方法。
背景技術：
在石油勘探、開採等的領域中，廣泛地進行鑽井。鑽井是利用鑽頭鑽進巖層的過程。在鑽井的過程中，鑽頭受到巖石的磨損而變鈍，從而在使用一段時間之後需要更換。巖石的研磨性是影響鑽頭磨損的一個重要因素。準確地掌握巖石的研磨性，對於鑽井工程中的鑽頭選型、參數優化以及各項技術措施制定等都有著重要的意義。 巖石的研磨性是巖石磨損鑽頭切削刃材料的能力。現有的測定巖石研磨性的方法主要包括鑽磨法、磨削法、微鑽頭鑽進法和摩擦磨損法。這幾種方法均屬室內實驗法，存在著許多問題，比如①所得結果難以反映巖石在地下所處的高溫高壓環境難以全面反映不均質地層巖石性質的變化受巖心資料的限制，在巖性變化大的區域測得的數據可能缺乏對比性；④難以建立地區巖石研磨性連續剖面；⑤花費大量的人力和資金。

發明內容
本發明就是鑑於現有技術中的這些問題而提出的。本發明的發明人從巖石的微觀結構入手，根據巖石的研磨性與巖石的內摩擦角的 關係，結合巖石力學特性參數測試結果，將分形幾何理論應用於巖石研磨性的測定中。本發明的發明人經過大量的研究，發現巖石內摩擦角與巖石顆粒粒度分形維數存在密切的相關性。在本發明的一個方面中，提出了一種測定巖石的研磨性的方法，該方法包括以下步驟步驟I :預先確定巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係；步驟2 :取得現場巖石樣本，測定其粒度分形維數；步驟3 :根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及所述預先確定的關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。在本發明的另一個方面中，提出了一種測定巖石的研磨性的方法，該方法包括以下步驟步驟I :取得現場巖石樣本，測定其粒度分形維數；步驟2 :根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及預先確定的巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。在本發明的另一個方面中，提出了一種測定巖石的研磨性的系統，該系統包括存儲部，其存儲預先確定的巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係；粒度分形維數測定部，其測定現場巖石樣本的粒度分形維數；計算部，其根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及所述存儲部中存儲的所述關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。根據本發明，能夠現場利用巖屑(砂樣)來隨鑽評價巖石研磨性。本發明對於鑽井工程中的鑽頭選型、參數優化以及各項技術措施制定等都具有重要的實際意義。


圖I示出了 巖樣的毛細管壓力曲線的一例；圖2示出了圖I所示數據的線性回歸的殘差分布；圖3示出了巖石內摩擦角和孔隙分形維數的線性回歸結果的一例；圖4示出了圖3所示線性回歸的殘差分布；圖5示出了巖樣的粒度分析數據的線性回歸結果的一例；圖6示出了圖5所示線性回歸的殘差分布；圖7示出了巖石粒度分形維數與內摩擦角的線性回歸結果的一例；圖8示出了圖7所示線性回歸的殘差分布；圖9示出了本發明第一實施方式的巖石研磨性測定方法的流程圖；圖10示出了本發明第三實施方式的巖石研磨性測定系統的框圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行詳細說明。巖石的研磨性與巖石的內摩擦角有很好的相關性，巖石的內摩擦角越大，則巖石的研磨性越大。因此，普遍採用巖石的內摩擦角來作為衡量巖石研磨性的指標。另一方面，分形理論是由法國數學家曼德布羅特(B. B. Mandelbrot)於二十世紀七十年代提出來的。目前，巖石力學的分形研究已初步形成三個基本方向，一是基於巖石自然結構可抽象地看成分形結構的基本假設，探討分形空間中巖石力學研究的數學力學基礎，構造其基本的數學力學框架，包括重新認識和建立分形空間中的物理力學量和物理力學定律；二是深入研究巖石力學中的分形現象、分形性質和分形機理，重點揭示和定量描述巖石力學中的一些複雜物理力學行為的分形機理和形成過程；三是巖石力學分形研究的工程應用，將研究成果應用於解決工程實際問題，促進或實現複雜巖石力學問題的定量化、精確化和可預測性。但是在相關領域中還沒有提出在巖石研磨性的測定中應用分形的概念。本發明的發明人對巖石顆粒的分形特徵與研磨性(即巖石的內摩擦角)之間的關係進行了研究。巖石顆粒的分形特徵可包括孔隙分形維數和顆粒粒度分形維數。首先，發明人對巖石孔隙分形維數與巖石內摩擦角之間的相關性進行了研究。根據分形幾何原理，若巖石孔隙分布符合分形結構，則巖石中孔隙半徑大於r的孔隙數目N(r)與r有如下冪函數關係
權利要求
1.一種測定巖石的研磨性的方法，該方法包括以下步驟 步驟I:預先確定巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係； 步驟2 :取得現場巖石樣本，測定其粒度分形維數； 步驟3 :根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及所述預先確定的關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。
2.根據權利要求I所述的測定巖石的研磨性的方法，其中，所述步驟I包括 步驟11，採集多個巖石樣本，測定各個巖石樣本的內摩擦角； 步驟12，將各巖石樣本破碎後進行粒度分析，得到各巖石樣本的粒度分形維數； 步驟13，根據各巖石樣本的內摩擦角與各巖石樣本的粒度分形維數，進行線性擬合，得到內摩擦角與粒度分形維數的關係。
3.根據權利要求2所述的測定巖石的研磨性的方法，其中，在所述步驟12中，根據式
4.根據權利要求I所述的測定巖石的研磨性的方法，其中， 在所述步驟2中，將所述現場巖石樣本破碎後進行粒度分析，根據式
5.一種測定巖石的研磨性的方法，該方法包括以下步驟 步驟I :取得現場巖石樣本，測定其粒度分形維數； 步驟2 :根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及預先確定的巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。
6.根據權利要求5所述的測定巖石的研磨性的方法，其中， 在所述步驟I中，將所述現場巖石樣本破碎後進行粒度分析，根據式
7.—種測定巖石的研磨性的系統,該系統包括 存儲部，其存儲預先確定的巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係； 粒度分形維數測定部，其測定現場巖石樣本的粒度分形維數； 計算部，其根據所測定的所述現場巖石樣本的粒度分形維數以及所述存儲部中存儲的所述關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。
8.根據權利要求7所述的測定巖石的研磨性的系統，其中， 所述粒度分形維數測定部將所述現場巖石樣本破碎後進行粒度分析，根據式 進行線性回歸分析，確定係數a的值，然後由式D2=3_a得到所述現 場巖石樣本的粒度分形維數D2, 其中，M(R)是直徑小於R的顆粒累計質量，Mt是所有顆粒的總質量，0是與平均直徑有關的量，a為Weibull模量。
全文摘要
本發明提供了測定巖石研磨性的方法及系統。本發明的測定巖石研磨性的方法包括以下步驟預先確定巖石的內摩擦角與巖石的粒度分形維數之間的關係；取得現場巖石樣本，測定其粒度分形維數；根據所測定的現場巖石樣本的粒度分形維數以及所述預先確定的關係，確定所述現場巖石樣本的內摩擦角。由此可確定巖石的研磨性。
文檔編號G01N33/24GK102735821SQ201210235720
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月6日 優先權日2012年7月6日
發明者張輝, 高德利 申請人:中國石油大學(北京)