專利名稱：測定巖石研磨性的方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉆井技術(shù)，尤其涉及評價巖石研磨性的方法。
背景技術(shù)：
在石油勘探、開采等的領(lǐng)域中，廣泛地進行鉆井。鉆井是利用鉆頭鉆進巖層的過程。在鉆井的過程中，鉆頭受到巖石的磨損而變鈍，從而在使用一段時間之后需要更換。巖石的研磨性是影響鉆頭磨損的一個重要因素。準(zhǔn)確地掌握巖石的研磨性，對于鉆井工程中的鉆頭選型、參數(shù)優(yōu)化以及各項技術(shù)措施制定等都有著重要的意義。 巖石的研磨性是巖石磨損鉆頭切削刃材料的能力?，F(xiàn)有的測定巖石研磨性的方法主要包括鉆磨法、磨削法、微鉆頭鉆進法和摩擦磨損法。這幾種方法均屬室內(nèi)實驗法，存在著許多問題，比如①所得結(jié)果難以反映巖石在地下所處的高溫高壓環(huán)境難以全面反映不均質(zhì)地層巖石性質(zhì)的變化受巖心資料的限制，在巖性變化大的區(qū)域測得的數(shù)據(jù)可能缺乏對比性；④難以建立地區(qū)巖石研磨性連續(xù)剖面；⑤花費大量的人力和資金。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題而提出的。本發(fā)明的發(fā)明人從巖石的微觀結(jié)構(gòu)入手，根據(jù)巖石的研磨性與巖石的內(nèi)摩擦角的 關(guān)系，結(jié)合巖石力學(xué)特性參數(shù)測試結(jié)果，將分形幾何理論應(yīng)用于巖石研磨性的測定中。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)過大量的研究，發(fā)現(xiàn)巖石內(nèi)摩擦角與巖石顆粒粒度分形維數(shù)存在密切的相關(guān)性。在本發(fā)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(yù)先確定巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系；步驟2 :取得現(xiàn)場巖石樣本，測定其粒度分形維數(shù)；步驟3 :根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及所述預(yù)先確定的關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。在本發(fā)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(xiàn)場巖石樣本，測定其粒度分形維數(shù)；步驟2 :根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及預(yù)先確定的巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。在本發(fā)明的另一個方面中，提出了一種測定巖石的研磨性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括存儲部，其存儲預(yù)先確定的巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系；粒度分形維數(shù)測定部，其測定現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)；計算部，其根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及所述存儲部中存儲的所述關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。根據(jù)本發(fā)明，能夠現(xiàn)場利用巖屑(砂樣)來隨鉆評價巖石研磨性。本發(fā)明對于鉆井工程中的鉆頭選型、參數(shù)優(yōu)化以及各項技術(shù)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(xì)管壓力曲線的一例；圖2示出了圖I所示數(shù)據(jù)的線性回歸的殘差分布；圖3示出了巖石內(nèi)摩擦角和孔隙分形維數(shù)的線性回歸結(jié)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(shù)據(jù)的線性回歸結(jié)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(shù)與內(nèi)摩擦角的線性回歸結(jié)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(fā)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(fā)明第三實施方式的巖石研磨性測定系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細(xì)說明。巖石的研磨性與巖石的內(nèi)摩擦角有很好的相關(guān)性，巖石的內(nèi)摩擦角越大，則巖石的研磨性越大。因此，普遍采用巖石的內(nèi)摩擦角來作為衡量巖石研磨性的指標(biāo)。另一方面，分形理論是由法國數(shù)學(xué)家曼德布羅特(B. B. Mandelbrot)于二十世紀(jì)七十年代提出來的。目前，巖石力學(xué)的分形研究已初步形成三個基本方向，一是基于巖石自然結(jié)構(gòu)可抽象地看成分形結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)，探討分形空間中巖石力學(xué)研究的數(shù)學(xué)力學(xué)基礎(chǔ)，構(gòu)造其基本的數(shù)學(xué)力學(xué)框架，包括重新認(rèn)識和建立分形空間中的物理力學(xué)量和物理力學(xué)定律；二是深入研究巖石力學(xué)中的分形現(xiàn)象、分形性質(zhì)和分形機理，重點揭示和定量描述巖石力學(xué)中的一些復(fù)雜物理力學(xué)行為的分形機理和形成過程；三是巖石力學(xué)分形研究的工程應(yīng)用，將研究成果應(yīng)用于解決工程實際問題，促進或?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜巖石力學(xué)問題的定量化、精確化和可預(yù)測性。但是在相關(guān)領(lǐng)域中還沒有提出在巖石研磨性的測定中應(yīng)用分形的概念。本發(fā)明的發(fā)明人對巖石顆粒的分形特征與研磨性(即巖石的內(nèi)摩擦角)之間的關(guān)系進行了研究。巖石顆粒的分形特征可包括孔隙分形維數(shù)和顆粒粒度分形維數(shù)。首先，發(fā)明人對巖石孔隙分形維數(shù)與巖石內(nèi)摩擦角之間的相關(guān)性進行了研究。根據(jù)分形幾何原理，若巖石孔隙分布符合分形結(jié)構(gòu)，則巖石中孔隙半徑大于r的孔隙數(shù)目N(r)與r有如下冪函數(shù)關(guān)系
權(quán)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(yù)先確定巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系； 步驟2 :取得現(xiàn)場巖石樣本，測定其粒度分形維數(shù)； 步驟3 :根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及所述預(yù)先確定的關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。
2.根據(jù)權(quán)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，采集多個巖石樣本，測定各個巖石樣本的內(nèi)摩擦角； 步驟12，將各巖石樣本破碎后進行粒度分析，得到各巖石樣本的粒度分形維數(shù)； 步驟13，根據(jù)各巖石樣本的內(nèi)摩擦角與各巖石樣本的粒度分形維數(shù)，進行線性擬合，得到內(nèi)摩擦角與粒度分形維數(shù)的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)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(jù)式
4.根據(jù)權(quán)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(xiàn)場巖石樣本破碎后進行粒度分析，根據(jù)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(xiàn)場巖石樣本，測定其粒度分形維數(shù)； 步驟2 :根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及預(yù)先確定的巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。
6.根據(jù)權(quán)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(xiàn)場巖石樣本破碎后進行粒度分析，根據(jù)式
7.—種測定巖石的研磨性的系統(tǒng),該系統(tǒng)包括 存儲部，其存儲預(yù)先確定的巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系； 粒度分形維數(shù)測定部，其測定現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)； 計算部，其根據(jù)所測定的所述現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及所述存儲部中存儲的所述關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)摩擦角。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測定巖石的研磨性的系統(tǒng)，其中， 所述粒度分形維數(shù)測定部將所述現(xiàn)場巖石樣本破碎后進行粒度分析，根據(jù)式 進行線性回歸分析，確定系數(shù)a的值，然后由式D2=3_a得到所述現(xiàn) 場巖石樣本的粒度分形維數(shù)D2, 其中，M(R)是直徑小于R的顆粒累計質(zhì)量，Mt是所有顆粒的總質(zhì)量，0是與平均直徑有關(guān)的量，a為Weibull模量。
全文摘要
本發(fā)明提供了測定巖石研磨性的方法及系統(tǒng)。本發(fā)明的測定巖石研磨性的方法包括以下步驟預(yù)先確定巖石的內(nèi)摩擦角與巖石的粒度分形維數(shù)之間的關(guān)系；取得現(xiàn)場巖石樣本，測定其粒度分形維數(shù)；根據(jù)所測定的現(xiàn)場巖石樣本的粒度分形維數(shù)以及所述預(yù)先確定的關(guān)系，確定所述現(xiàn)場巖石樣本的內(nèi)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(yōu)先權(quán)日2012年7月6日
發(fā)明者張輝, 高德利 申請人:中國石油大學(xué)(北京)