李慶峰, 董麗新, 何麗

(中國石油集團(tuán)測(cè)井有限公司大慶分公司, 黑龍江 大慶 163412)

0 引 言

×盆地深部地層是天然氣勘探、開發(fā)的主要區(qū)塊,地層巖石研磨性強(qiáng),可鉆性差,機(jī)械鉆速慢,鉆井周期長,是鉆井需要提速主要地層。為加快該區(qū)的鉆探進(jìn)程,解決制約鉆井提速難題,亟需開展深部地層巖石可鉆性評(píng)價(jià)研究。地層可鉆性是描述地層巖石抗鉆特性的一個(gè)指標(biāo)[1-2],它是鉆頭選型、優(yōu)化鉆井施工參數(shù)和實(shí)現(xiàn)高效鉆井的重要因素[3-4],而可鉆性級(jí)值又是評(píng)價(jià)巖石可鉆性主要參數(shù)。本文通過對(duì)×盆地深部地層巖石可鉆性進(jìn)行深入研究,以巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn)為依據(jù),建立了牙輪鉆頭和PDC鉆頭巖石可鉆性級(jí)值、硬度及研磨性的計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了×盆地深部地層巖石可鉆性評(píng)價(jià)由原來定性描述向定量刻畫的轉(zhuǎn)變,為新鉆井優(yōu)選鉆頭及鉆井工藝,合理設(shè)計(jì)鉆具組合與鉆井參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐,實(shí)現(xiàn)了高效鉆井施工與縮短鉆井周期、降低勘探成本。

1 巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn)

為了將反映巖石綜合物理性質(zhì)的測(cè)井曲線與代表巖石可鉆性的特征參數(shù)聯(lián)系起來,開展了室內(nèi)巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)巖心取自×盆地深部地層14口井,巖心覆蓋性較全面,實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包括巖石硬度、塑性、研磨性、牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值、PDC鉆頭可鉆性級(jí)值等機(jī)械破碎特性參數(shù)。

圖1 不同巖性巖石的硬度與聲波時(shí)差交會(huì)圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

巖石硬度、塑性系數(shù)的實(shí)驗(yàn)原理均采用圓柱壓入法,即用一定直徑的平底圓柱體壓頭壓入巖石表面,隨著載荷的增加,壓頭壓入巖石的深度也逐漸增加,直到巖石產(chǎn)生第1次體積破碎為止,通過測(cè)量加載—位移曲線獲得巖石的硬度和塑性系數(shù)。

巖石研磨性是指巖石磨損鉆井工具(鉆頭)的能力,巖石研磨性分為7個(gè)級(jí)別,依次為1級(jí)(低研磨性,相對(duì)磨損率<0.3)、2級(jí)(中低研磨性,相對(duì)磨損率0.3～0.65)、3級(jí)(中研磨性,相對(duì)磨損率0.65～1.0)、4級(jí)(中高研磨性,相對(duì)磨損率1.0～1.8)、5級(jí)(較高研磨性,相對(duì)磨損率1.8～4.5)、6級(jí)(高研磨性,相對(duì)磨損率4.5～6.0)、7級(jí)(極高研磨性,相對(duì)磨損率≥6.0)。

巖石可鉆性是指鉆井過程中巖石抗破碎強(qiáng)度的能力,它表征巖石破碎的難易程度。在生產(chǎn)實(shí)踐中常采用數(shù)量指標(biāo),如鉆時(shí)、鉆速等表示巖石的可鉆性,并用數(shù)量的大小劃分好鉆、難鉆(或軟、硬地層)的可鉆性范圍。本文采用鉆速評(píng)價(jià)巖石的可鉆性,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)以鉆孔深度為定值(即2.4 mm深度),以鉆時(shí)大小表示地層被破碎時(shí)的難易程度。為了統(tǒng)計(jì)研究的需要,對(duì)鉆時(shí)T作對(duì)數(shù)變換,便可得巖石可鉆性級(jí)值(Kd)與鉆時(shí)之間的關(guān)系式

T=2Kd

(1)

實(shí)驗(yàn)室用牙輪和PDC這2類鉆頭鉆進(jìn)取心,測(cè)定巖石可鉆性級(jí)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 部分巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

2 利用測(cè)井曲線計(jì)算巖石可鉆性參數(shù)

2.1 計(jì)算巖石硬度

聲波在巖石中的傳播速度與巖石的硬度、抗壓強(qiáng)度存在著較好的相關(guān)關(guān)系[1]。實(shí)驗(yàn)室分析深部地層的硬度與聲波時(shí)差相關(guān)性也較好,因此,建立了利用聲波測(cè)井曲線計(jì)算地層巖石硬度方法(見圖1)。按照深部地層巖性不同,分別建立了砂泥巖、砂礫巖和火成巖巖性的巖石硬度計(jì)算模型。

砂泥巖模型Hd=7000000e-0.1386Δt

(2)

砂礫巖模型Hd=322829e-0.0875Δt

(3)

火成巖模型Hd=117139e-0.0656Δt

(4)

式中,Hd為巖石硬度,MPa;Δt為聲波時(shí)差,μs/ft。

14口井39塊巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)量硬度與模型計(jì)算的硬度進(jìn)行對(duì)比,平均絕對(duì)誤差為179.48 MPa,平均相對(duì)誤差為9.92%。

2.2 計(jì)算巖石研磨性

將實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的巖石研磨性和測(cè)井曲線進(jìn)行相關(guān)性分析,巖石研磨性與聲波時(shí)差具有很好的相關(guān)性(見圖2)。因此,應(yīng)用聲波時(shí)差,按照深部地層巖性不同,分別建立了砂泥巖、砂礫巖和火成巖巖石研磨性計(jì)算模型。

砂泥巖模型Gd=3000000e-0.2336Δt

(5)

圖2 不同巖性巖石的研磨性與聲波時(shí)差交會(huì)圖

砂礫巖模型Gd=700000000e-0.3151Δt

(6)

火成巖模型Gd=299452e-0.1825Δt

(7)

式中,Gd為研磨性,mg/cm3;Δt為聲波時(shí)差,μs/ft。

將14口井39塊巖心模型計(jì)算的研磨性與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,平均絕對(duì)誤差為2.03。

2.3 建立巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算模型

2.3.1 巖石可鉆性級(jí)值與其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)相關(guān)性

巖石可鉆性好壞常用巖石可鉆性級(jí)值表示,將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖石可鉆性級(jí)值與其他巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(見圖3)。由圖3可見,巖石可鉆性級(jí)值與硬度、塑性、研磨性相關(guān)性較好。巖石硬度決定初始機(jī)械鉆速,巖石研磨性決定持續(xù)鉆進(jìn)時(shí)間和鉆頭進(jìn)尺。

2.3.2 巖石可鉆性級(jí)值與測(cè)井參數(shù)相關(guān)性

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖石可鉆性級(jí)值與測(cè)井參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析(見圖4),應(yīng)用對(duì)可鉆性級(jí)值敏感測(cè)井參建立可鉆性級(jí)值計(jì)算模型。研究發(fā)現(xiàn),與巖石可鉆性聯(lián)系比較緊密的是聲波時(shí)差、彈性模量、有效應(yīng)數(shù),力[7];聲波時(shí)差和剪切模量或彈性模量能比較好地反映地層剪切變形、拉伸和壓縮變形及強(qiáng)度特性,與巖石硬度、抗壓強(qiáng)度存在著較好的相關(guān)性。另外,有效應(yīng)力在某種程度上可以直接反映巖石可鉆性好壞。由圖4可見,巖石可鉆性級(jí)值與聲波、彈性模量、有效應(yīng)力相關(guān)性較好。

圖3 巖石可鉆性級(jí)值與機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn)參數(shù)相關(guān)性分析圖

圖4 巖石可鉆性級(jí)值與測(cè)井參數(shù)相關(guān)性分析圖

2.3.3 巖石可鉆性級(jí)值與測(cè)井參數(shù)相關(guān)性

利用測(cè)井資料計(jì)算巖石可鉆性的模型主要有3大類,即單因素測(cè)井參數(shù)與巖石可鉆性的回歸關(guān)系模型、多因素測(cè)井參數(shù)與巖石可鉆性的回歸關(guān)系模型以及地層埋深與巖石可鉆性的回歸關(guān)系模型[5]。由圖3、圖4可見,×盆地深部地層巖石可鉆性與硬度、地層有效應(yīng)力[6]、彈性模量相關(guān)性較好。因此,本文采用多因素參數(shù)與巖石可鉆性的回歸關(guān)系模型,利用硬度、地層有效應(yīng)力、彈性模量參數(shù),分別建立了砂泥巖、砂礫巖和火成巖3種巖性牙輪鉆頭、PDC鉆頭巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算模型。

牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值砂泥巖Kdc=0.8028σ+0.0011Hd+1.3049

(8)

砂礫巖Kdc=0.0454σ+0.0014Hd+0.0203Y+0.6964

(9)

火成巖Kdc=0.1132σ+0.0014Hd-0.3675

(10)

PDC鉆頭可鉆性級(jí)值

砂泥巖Kdp=0.1138σ+0.0004Hd+1.3520

(11)

砂礫巖Kdp=0.1155σ+0.0014Hd+0.0343Y-3.0672

(12)

火成巖Kdp=0.1786σ+0.0009Hd-1.6842

(13)

有效應(yīng)力σ=po-pp

(14)

上覆地層壓力po=GoD

(15)

孔隙壓力pp=GφD

(16)

式中,Kdc為牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值,無量綱;Kdp為PDC鉆頭可鉆性級(jí)值,無量綱;σ為地層有效應(yīng)力,MPa;po為上覆地層壓力,MPa;pp為地層孔隙壓力,MPa;Go為上覆地層壓力梯度,MPa/m;Gφ為地層孔隙壓力梯度,MPa/m;Hd為硬度,MPa;Y為彈性模量,MPa;D為地層深度,m。

將14口井39塊巖心實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與模型計(jì)算的可鉆性級(jí)值進(jìn)行對(duì)比,牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值平均相對(duì)誤差為8.9%;PDC鉆頭可鉆性級(jí)值平均相對(duì)誤差為14.4%。

3 利用可鉆性級(jí)值參數(shù)優(yōu)選鉆頭

由于牙輪鉆頭與PDC鉆頭破巖方式不同,牙輪鉆頭與PDC鉆頭的可鉆性級(jí)值有差異[2],根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1),建立了兩者的相關(guān)性關(guān)系

(17)

式中,Kdc為牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值,無量綱;Kdp為PDC鉆頭可鉆性級(jí)值,無量綱。

圖5 牙輪鉆頭與PDC鉆頭可鉆性級(jí)值相關(guān)性圖

圖5為牙輪鉆頭與PDC鉆頭可鉆性級(jí)值相關(guān)性圖。由圖5可見,可鉆性級(jí)值大約在7以下,PDC鉆頭的可鉆性級(jí)值低于牙輪鉆頭;大約在7以上,PDC鉆頭可鉆性級(jí)值高于牙輪鉆頭。因此,可鉆性級(jí)值在7以下的地層,用PDC鉆頭鉆進(jìn)的可鉆性更好,而可鉆性級(jí)值在7以上的地層,用牙輪鉆頭鉆進(jìn)的可鉆性更好。

4 巖石可鉆性區(qū)域分布規(guī)律

應(yīng)用研究形成的×盆地深部地層巖石可鉆性級(jí)值測(cè)井評(píng)價(jià)方法,對(duì)區(qū)域119口井進(jìn)行評(píng)價(jià),并根據(jù)計(jì)算結(jié)果編制了巖石可鉆性級(jí)值等值線分布圖(見圖6),確定了巖石可鉆性區(qū)域分布特征,為新鉆井進(jìn)行了巖石可鉆性級(jí)值預(yù)測(cè),有效指導(dǎo)了鉆井過程中的鉆頭優(yōu)選,為實(shí)現(xiàn)高效鉆井提供了技術(shù)支撐。

5 應(yīng)用實(shí)例

圖7為××25井巖石可鉆性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)成果圖。在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用巖石可鉆性預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化鉆頭序列:二開至泉二段頂部,預(yù)計(jì)1只T1951DB鉆頭一趟鉆完鉆;三開泉二段～營城組上部巖性主要為砂泥巖,可鉆性級(jí)值3～6,硬度為軟～硬,低塑性,使用液動(dòng)旋沖工具會(huì)有明顯的提速效果;營城組中部雖然鉆遇火成巖,但可鉆性級(jí)值6～7,硬度為中硬～硬,低塑性,使用液動(dòng)旋沖工具提速;基底巖性為變質(zhì)巖,可鉆性達(dá)到級(jí)值8～10,硬度為堅(jiān)硬,且變質(zhì)巖研磨性強(qiáng),不適合使用提速工具,使用高速牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

××25井依據(jù)鉆井設(shè)計(jì)施工,該井完鉆井深度為3 710.0 m,鄰井完鉆井深度在3 500.0～3 921.0 m段之間,平均完鉆井深為3 753.2 m,與該井相當(dāng);該井鉆進(jìn)周期為53 d,鄰井平均鉆井周期為80.42 d,比鄰井縮短33.37%;該井平均機(jī)械鉆速達(dá)到8.11 m/h,鄰井平均機(jī)械鉆速為4.82 m/h,比鄰井提高了68.3%,提速效果顯著,達(dá)到縮短鉆井周期、降低鉆井成本的目標(biāo),同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了巖石可鉆性計(jì)算模型預(yù)測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖6 巖石可鉆性級(jí)值平面等值線圖

圖7 ××25井巖石可鉆性評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)成果圖

6 結(jié) 論

(1) ×盆地深部地層巖石硬度大、研磨性差、可鉆性級(jí)值大、可鉆性差,且深部地層可鉆性隨著硬度、可鉆性級(jí)值增大而變差。

(2) 以巖石機(jī)械破碎特性實(shí)驗(yàn)為依據(jù),建立了利用測(cè)井曲線連續(xù)求取深部地層不同巖性巖石可鉆性參數(shù)方法,且依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定可鉆性級(jí)值在7以下的地層,用PDC鉆頭鉆進(jìn);可鉆性級(jí)值在7以上的地層,用牙輪鉆頭鉆進(jìn)。

(3) 形成的×盆地深部地層不同巖性巖石硬度、研磨性及可鉆性級(jí)值區(qū)域分布特征,為新鉆井提供了巖石可鉆性預(yù)測(cè),在新鉆井中應(yīng)用效果顯著,有效指導(dǎo)了鉆井過程中的鉆頭優(yōu)選,達(dá)到縮短鉆井周期、降低鉆井成本的目標(biāo)。

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