庹海洋
(中海石油(中國)有限公司天津分公司,天津 300459)
近年來,國際油價(jià)的持續(xù)低迷嚴(yán)重制約著油田的勘探開發(fā)腳步,降本增效成為國內(nèi)各大油田的生存之道。為實(shí)現(xiàn)降本增效,鉆井提速研究一直是石油鉆井領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
實(shí)現(xiàn)鉆井提速的前提是清楚了解鉆井區(qū)域的地層抗鉆特性。用來表征地層抗鉆特性的參數(shù)主要包括地層抗壓強(qiáng)度、硬度和可鉆性等[1-2]。目前,確定這些參數(shù)的主要方法是借助測井?dāng)?shù)據(jù)建立計(jì)算模型和利用地震資料反演。
基于地層的抗鉆特性,可以對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選以獲得最優(yōu)的機(jī)械鉆速。前人對(duì)機(jī)械鉆速模型已經(jīng)進(jìn)行了深入地研究:W.C.Maurer[3],E.M.Galle[4]和Eckel[5]等人基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立了機(jī)械鉆速與鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭尺寸等因素的相關(guān)關(guān)系,但是考慮因素仍然不夠全面,準(zhǔn)確性較低。Bourgoyne和Young[6]綜合考慮了鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆頭牙齒磨損及水力因素等8個(gè)影響因素,建立了機(jī)械鉆速計(jì)算的B-Y方程,后經(jīng)過多次修改與歸納形成了應(yīng)用最為廣泛的楊格機(jī)械鉆速模型[7],取得了一定的應(yīng)用效果。1965年,R.Teale[8]將破碎單位體積巖石所需能量與鉆頭的破巖效率關(guān)聯(lián)起來,定義機(jī)械比能來描述鉆頭破巖效率,從而實(shí)現(xiàn)鉆井效率的量化評(píng)價(jià);基于R.Teale提出的機(jī)械比能理論,Pessier[9]、樊洪海[10]和陳緒躍[11]等人進(jìn)行了大量的研究以優(yōu)化與改進(jìn)機(jī)械比能模型,都取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。
渤中A油田位于渤海渤中區(qū)塊,其沙河街組和東營租發(fā)育有火成巖地層,其巖性復(fù)雜、可鉆性差,嚴(yán)重影響了機(jī)械鉆速,制約著鉆井效率。該研究基于測井?dāng)?shù)據(jù)與巖心實(shí)驗(yàn),建立了適合于研究區(qū)域的火成巖地層的抗鉆特性的計(jì)算模型;應(yīng)用此模型建立了火成巖地層的抗鉆特性參數(shù)剖面,并提出了鉆頭選型建議。然后依據(jù)Chen模型對(duì)火成巖地層進(jìn)行了鉆井參數(shù)優(yōu)化,確定了各火成巖井段的最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)。最后將此方法應(yīng)用于研究區(qū)域的8口井,通過與之前的井進(jìn)行對(duì)比,認(rèn)為通過該方法優(yōu)化后的鉆井參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)該區(qū)域火成巖地層的鉆井提速。
渤中A油田位于渤海海域南部黃河口凹陷中洼南部斜坡帶,為渤海海域新生界火成巖下優(yōu)質(zhì)油田。黃河口凹陷中洼南部斜坡帶新生界古近系從沙三段、沙一段和沙二段到東三段、東一段和東二段均發(fā)育多套火成巖,但縱向上不同層系火成巖厚度差別很大。東一、東二段火成巖最為發(fā)育,探井鉆遇多套厚層火成巖,單層厚度為80~120 m;東三段和沙一、沙二及沙三段則零星鉆遇火山巖,一般單層厚度均小于10 m,累計(jì)厚度不超過30 m。通過調(diào)研渤中A油田若干口井的新生界火成巖巖心、巖屑和薄片觀察資料(如圖1所示),油田區(qū)發(fā)育的火成巖主要包括溢流相的玄武巖、安山巖,火山通道相的輝綠巖及與火山爆發(fā)活動(dòng)相關(guān)的凝灰?guī)r、沉凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂泥巖等中基性火成巖。
圖1 巖石微觀顯示圖Fig.1 Microscopic diagram of rock
渤中A油田地質(zhì)條件復(fù)雜,沙河街組和東營組沉積時(shí)期存在多期火山活動(dòng),造成火山巖地層巖性復(fù)雜且地層厚度大。同時(shí),由于火成巖地層本身硬度大,地層可鉆性級(jí)值高,因此在鉆進(jìn)過程中機(jī)械鉆速低,相比于全井段,火成巖井段的機(jī)械鉆速降低了約52%。另外,由于火成巖地層非均質(zhì)性強(qiáng),鉆頭極易發(fā)生非均勻旋轉(zhuǎn),造成憋跳鉆現(xiàn)象,導(dǎo)致鉆頭先期破壞,發(fā)生崩齒、斷齒,更加降低了機(jī)械鉆速,嚴(yán)重制約著鉆井進(jìn)度。
對(duì)取自渤中A油田A-a井的火成巖巖心(約為2 960 m)進(jìn)行了巖石礦物組分分析實(shí)驗(yàn)和巖石力學(xué)特征實(shí)驗(yàn),以分析研究區(qū)域火成巖地層的基礎(chǔ)物性以及抗鉆特性。
2.1.1 火成巖礦物組分
對(duì)上述巖心進(jìn)行了若干組X射線衍射實(shí)驗(yàn),確定了火成巖的全巖礦物組分,表1所示為火成巖的礦物組分及平均含量。可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域火成巖以斜長石和黏土礦物為主,其中斜長石占比為67.06%,黏土礦物占比為14.44%;硬度較高的斜長石組分占比超過2/3,導(dǎo)致火成巖地層的硬度和強(qiáng)度都較大,地層鉆進(jìn)難度也相應(yīng)較大;同時(shí),存在約15%的黏土礦物,可能填充于火成巖地層的天然裂縫中,進(jìn)一步增加了火成巖地層的非穩(wěn)定性和非均質(zhì)性。
表1 巖石礦物組分含量數(shù)據(jù)表Table 1 Rock mineral content data
2.1.2 火成巖巖石力學(xué)特征
1)巖石三軸測試:利用美國MTS公司生產(chǎn)的巖石三軸測試實(shí)驗(yàn)裝置(如圖2所示)進(jìn)行了巖石力學(xué)參數(shù)的物理實(shí)驗(yàn),重點(diǎn)研究了與地層抗鉆特性相關(guān)的參數(shù)如抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、粘聚力等。
圖2 巖石三軸測試實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Rock triaxial test experimental device
對(duì)取自A-a井的6塊巖心進(jìn)行了2組三軸實(shí)驗(yàn),分別設(shè)置圍壓為0(相當(dāng)于單軸實(shí)驗(yàn))、15 MPa和30 MPa(接近巖心所在地層的實(shí)際圍壓),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。在巖心處于近似原地應(yīng)力條件時(shí)(約為30 MPa),可以發(fā)現(xiàn)火成巖地層的抗壓強(qiáng)度超過240 MPa,地層的抗壓強(qiáng)度較大;彈性模量超過25 GPa,泊松比為0.224~0.232,表明火成巖地層具有明顯的硬脆性;粘聚力為70.419~78.522 MPa,表明火成巖膠結(jié)性較好,不易分散破壞。另外,可以發(fā)現(xiàn)即使深度接近的火成巖地層,其巖石力學(xué)性質(zhì)差異較大,地層的均質(zhì)性較差。
表2 巖石力學(xué)參數(shù)表Table 2 Date of rock mechanics parameters
2)史氏壓入硬度測定方法:將巖樣加工成厚圓餅狀,利用巖石硬度試驗(yàn)儀對(duì)2塊巖樣進(jìn)行了硬度測試,實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示,實(shí)驗(yàn)照片如圖4所示,載荷曲線如圖5所示。
圖3 巖石硬度實(shí)驗(yàn)儀Fig.3 Rock hardness test experimental device
圖4 硬度測試照片F(xiàn)ig.4 Hardness test photos
圖5 硬度測試載荷曲線Fig.5 Hardness test load curve
通過對(duì)圖5硬度測試載荷曲線的觀察可以發(fā)現(xiàn),載荷加載到峰值后瞬間卸壓,巖石會(huì)表現(xiàn)出明顯的硬脆性。2塊巖石的硬度均比較大,分別為865.80 MPa和1091.80 MPa(見表3)。
表3 硬度測試數(shù)據(jù)表Table 3 Date of hardness test
物理實(shí)驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地說明地層巖心的性質(zhì)與特征,但是通過巖心實(shí)驗(yàn)得到整個(gè)井段地層的性質(zhì)是不現(xiàn)實(shí)的。測井?dāng)?shù)據(jù)具有連續(xù)性的特征,通過建立測井?dāng)?shù)據(jù)與巖石力學(xué)參數(shù)的關(guān)系可以計(jì)算得到連續(xù)的地層巖石力學(xué)參數(shù)剖面。
對(duì)于巖石力學(xué)參數(shù)的測井計(jì)算,國內(nèi)外專家學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過深入的研究。結(jié)合該區(qū)域的實(shí)際情況,該文建立了巖石力學(xué)參數(shù)的測井計(jì)算模型,包括單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)、粘聚力(C)、硬度(RH)、牙輪鉆頭可鉆性極值(Kdrock)和PDC鉆頭可鉆性極值(Kdpdc)等。
1)測井時(shí),由于只有縱波時(shí)差數(shù)據(jù),因此需要進(jìn)行橫波時(shí)差的預(yù)測。根據(jù)斯倫貝謝公司的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,橫波時(shí)差可以表示為:
Δts=a+bΔtp+cH
(1)
利用聲波測量儀對(duì)取自2 963.50~2 964.50 m的19塊火成巖巖心進(jìn)行了縱橫波時(shí)差測試,其聲波數(shù)據(jù)如圖6所示。
圖6 聲波測試數(shù)據(jù)Fig.6 Date of acoustic test results
以橫波時(shí)差作為因變量,縱波時(shí)差和巖心深度作為自變量,利用多元回歸求得各回歸系數(shù)分別為a=119.993,b=1.352,c=-0.008 41。
2)根據(jù)彈性波理論,利用縱橫波聲波時(shí)差數(shù)據(jù)和密度測井?dāng)?shù)據(jù),得到動(dòng)態(tài)彈性模量和動(dòng)態(tài)泊松比的計(jì)算模型[12]:
(2)
(3)
3)泥質(zhì)含量根據(jù)自然伽馬數(shù)據(jù)計(jì)算得到[13]:
(4)
(5)
式中:ΔG為泥質(zhì)含量指數(shù);GCUR為Hilchie指數(shù),第三紀(jì)地層為3.7,老地層為2;GRMAX和GRMIN分別為自然伽馬的最大和最小值。
4)根據(jù)Deer和Miller利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立的單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算關(guān)系式[12]
UCS=0.004 5Ed+0.003 5EdVsh
(6)
取2 963.50~2 963.77 m和2 963.87~2 964.50 m井段的測井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行了各參數(shù)的計(jì)算,得到兩井段的平均單軸抗壓強(qiáng)度分別為94.866 MPa和115.104 MPa,與上述實(shí)驗(yàn)測得的單軸抗壓強(qiáng)度的誤差分別為2.69%和4.56%,表明該模型可以滿足該區(qū)域火成巖地層單軸抗壓強(qiáng)度的計(jì)算。
5)根據(jù)前人的研究,地層硬度與地層的單軸抗壓強(qiáng)度具有如下關(guān)系式[12]:
RH=m×UCS×en×UCS
(7)
根據(jù)對(duì)該區(qū)域火成巖特性的調(diào)研,通過不斷調(diào)整m和n的數(shù)值,確定m=20,n=-0.002。將對(duì)應(yīng)深度的UCS計(jì)算值(2 963.50~2 963.77 m井段,UCS=94.866;2 963.87~2 964.50 m井段,UCS=115.104)代入公式,計(jì)算得到兩深度點(diǎn)的硬度分別為843.81 MPa和1 066.11 MPa,其與實(shí)測數(shù)據(jù)的誤差分別為2.54%和2.35%,表明該模型可以滿足該區(qū)域火成巖地層硬度的計(jì)算。
6)根據(jù)Coates提出的粘聚力與單軸抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,得到粘聚力[12]:
0.78Vsh)
(8)
式中:p為與巖性相關(guān)的參數(shù)。分別將上述2個(gè)深度點(diǎn)的火成巖數(shù)據(jù)代入上式得到p的平均值為0.002 54。
7)前人基于各參數(shù)與地層可鉆性級(jí)值的相關(guān)關(guān)系建立的牙輪鉆頭和PDC鉆頭可鉆性級(jí)值模型如下[12]:
(9)
(10)
通過微鉆頭可鉆性實(shí)驗(yàn)獲得了上述火成巖巖心的可鉆性級(jí)值數(shù)據(jù),回歸分析得到各參數(shù)分別為y=0.076 9;z=0.004 5;α=0.995;β=0.01;γ=0.000 01;δ=0.000 4;ε=0.923。
通過上述計(jì)算模型,計(jì)算了地層連續(xù)的巖石力學(xué)參數(shù)剖面,圖7所示為該油田A-1井的連續(xù)力學(xué)參數(shù)剖面。以該井為例,簡單分析該井地層的力學(xué)特征與抗鉆特性。
圖7 鉆井參數(shù)優(yōu)化結(jié)果圖Fig.7 Drilling parameter optimization results
整體來看,隨著地層深度的增加,地層的抗壓強(qiáng)度、硬度以及粘聚力都有明顯的增加,與之對(duì)應(yīng)的地層可鉆性級(jí)值也有明顯的增加,地層的鉆進(jìn)難度增大。
東一段和東二段地層的單軸抗壓強(qiáng)度為40~50 MPa,部分井段的單軸抗壓強(qiáng)度甚至可以超過200 MPa,變化極其劇烈;東三段—沙二段地層火成巖的單軸抗壓強(qiáng)度波動(dòng)減小,整體的單軸抗壓強(qiáng)度由40~50 MPa增大至65~75 MPa。
東一段和東二段地層的硬度在700~900 MPa,部分井段的硬度甚至超過2 000 MPa,變化極其劇烈;東三段—沙二段地層火成巖的硬度波動(dòng)減小,整體的地層硬度由700~900 MPa增大至1 100~1 200 MPa。
東一段和東二段地層的粘聚力約為60 MPa,部分井段的粘聚力甚至超過80 MPa,變化極其劇烈;東三段—沙二段地層火成巖的粘聚力波動(dòng)減小,整體的粘聚力由約60 MPa增大至75~90 MPa。
對(duì)應(yīng)于單軸抗壓強(qiáng)度、地層硬度和粘聚力的變化情況,地層可鉆性級(jí)值也逐漸增大,而且在東一、東二段地層可鉆性變化劇烈,可鉆性具有明顯的非均質(zhì)性。
結(jié)合模型計(jì)算結(jié)果,對(duì)研究區(qū)域的8口探井的地層巖石力學(xué)特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,各地層的巖石力學(xué)參數(shù)的平均值見表4。
表4 各地層參數(shù)數(shù)據(jù)表Table 4 Parameter of each layer
續(xù)表4
整體來看,不同地層的抗鉆特性差異性大,非均質(zhì)性強(qiáng)。基于此,對(duì)各火成巖井段進(jìn)行了地層抗鉆特性評(píng)價(jià),并提出了鉆頭的選型建議:東一段屬于軟至中軟硬度地層,研磨性較低;東二段屬于中等強(qiáng)度地層,研磨性較低;東三段屬于中等強(qiáng)度至中硬地層,中高研磨性;沙一段屬于中等強(qiáng)度至中硬地層,中高研磨性;沙二段屬于中硬地層,較高研磨性;沙三段屬于中硬地層,較高研磨性;沙四段屬于中硬至硬地層,高研磨性。其中,東一段到東二段地層單軸抗壓強(qiáng)度約為40~50 MPa,硬度為700~900 MPa,粘聚力約為60 MPa,屬于強(qiáng)度和硬度較小、研磨性較低的地層,結(jié)合該區(qū)域的鉆井經(jīng)驗(yàn),選用五刀翼、19 mm直徑PDC復(fù)合片,且采用中密度布齒的PDC鉆頭效果最佳;東三段到沙四段地層單軸抗壓強(qiáng)度約為60~70 MPa,硬度為1 000~1 200 MPa,粘聚力為70~90 MPa,屬于強(qiáng)度和硬度較大、研磨性較高的地層,結(jié)合該區(qū)域的鉆井經(jīng)驗(yàn),選用六刀翼、16 mm直徑PDC斧型齒復(fù)合片,且采用高密度布齒的PDC鉆頭效果最佳,以加強(qiáng)鉆頭的攻擊性和抗研磨性。
鉆井作業(yè)中優(yōu)化鉆井參數(shù)的目的是優(yōu)化鉆壓、轉(zhuǎn)速,以獲得最大的機(jī)械鉆速。機(jī)械比能模型為一種常見的鉆井參數(shù)優(yōu)化模型,它可以用來描述及評(píng)價(jià)鉆頭的性能。
機(jī)械比能(MSE)定義為破碎單位體積巖石所需要的機(jī)械功。機(jī)械比能模型最早由R.Teale[8]于1965年提出,其后越來越多的專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,以適應(yīng)不同的地層與鉆井系統(tǒng)。
針對(duì)斜井或者水平井,由于鉆柱與井壁的摩擦效應(yīng)增加導(dǎo)致鉆壓和扭矩發(fā)生顯著變化,傳統(tǒng)的機(jī)械比能模型無法適應(yīng)?;诖?,陳緒躍等人考慮鉆柱與井壁的摩擦效應(yīng)建立了適用于斜井或水平井的機(jī)械比能模型——Chen模型[11],表示為:
MSE=Em·WOB·e-μγb·
(11)
式中:MSE為機(jī)械比能;Em為鉆頭機(jī)械效率;WOB為鉆壓;μb為鉆柱摩擦系數(shù);γb為井斜角;Ab為鉆頭面積;RPM為鉆頭轉(zhuǎn)速;Db為鉆頭直徑;ROP為機(jī)械鉆速。
Teale[8](1965年)的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明,在最大鉆井效率下,MSE接近于地層的單軸抗壓強(qiáng)度(UCS)。實(shí)際鉆井過程中,在鉆井效率最大時(shí),MSE接近地層的三軸抗壓強(qiáng)度(CCS)值,即當(dāng)鉆井效率達(dá)到最大時(shí),MSE達(dá)到最小,大致等于所鉆地層巖石的CCS:
(12)
Dp=ECDp-pp
(13)
式中:ECDp為泥漿循環(huán)壓力;pp為孔隙壓力;φ為內(nèi)摩擦角。
基于此,鉆井參數(shù)的優(yōu)化原則即調(diào)整各鉆井參數(shù)如鉆壓、轉(zhuǎn)速等,使得MSE接近所鉆深度的三軸抗壓強(qiáng)度CCS,以獲得最大的機(jī)械鉆速ROP。
基于上述機(jī)械比能原理,對(duì)研究井進(jìn)行了鉆井參數(shù)優(yōu)化,并總結(jié)歸納不同地層的最優(yōu)鉆井參數(shù)結(jié)果。
1)以A-1井為例,分析鉆井參數(shù)的優(yōu)化過程,圖8所示為該井的鉆井參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。
圖8 鉆井參數(shù)優(yōu)化前后機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)圖Fig.8 Optimized before and after ROP
從圖8中MSE與CCS曲線可以看出:
(1)A-1井1 900 m以上地層MSE數(shù)值與CCS接近,表明井段在此參數(shù)配合下鉆井效率較高;對(duì)于從1 900 m以下的東一段、東二段地層,其MSE遠(yuǎn)高于CCS,且MSE出現(xiàn)高于CCS幾倍的極值,鉆井效率差。
(2)從1 800~1 860 m,鉆壓增加,轉(zhuǎn)速較為平穩(wěn),鉆速增加,但在1 860 m后減小鉆壓,鉆速依然增加,MSE變小至接近CCS,后在1 900 m處MSE開始明顯增加。
(3)由此可以判斷,1 900 m以下的東一段、東二段的火成巖地層,在1 900 m處鉆井參數(shù)達(dá)到最優(yōu),此時(shí)對(duì)應(yīng)的鉆井參數(shù)為鉆壓為70 kN,RPM為70 r/min,排量68 L/s。
2)依據(jù)上述方法,分析了研究區(qū)域的8口探井,各火成巖井段的優(yōu)化鉆井參數(shù)見表5。
表5 各地層最優(yōu)鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)表Table 5 Optimal drilling parameters for each layer
依據(jù)上述鉆頭優(yōu)選方案和鉆井參數(shù)優(yōu)化方案,對(duì)渤中區(qū)域的井進(jìn)行了鉆井參數(shù)的調(diào)整,調(diào)整前后部分井的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖9所示。調(diào)整前的A-a井、A-b井和A-h井等8口井的單井機(jī)械鉆速如紅色框所示,這8口井的平均機(jī)械鉆速為36.4 m/h;而調(diào)整后的新井A-1井、A-2井和A-3井的單井機(jī)械鉆速如藍(lán)色框所示,其平均機(jī)械鉆速能達(dá)到60.7 m/h,平均機(jī)械鉆速提高約66.5%,鉆井提速效果明顯。
圖9 鉆井參數(shù)優(yōu)化前后機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)圖Fig.9 Optimized before and after ROP
1)渤中區(qū)域火成巖斜長石組分含量高,占比超過2/3,導(dǎo)致火成巖地層的硬度和強(qiáng)度都較大,地層鉆進(jìn)難度也大。
2)渤中區(qū)域火成巖地層的抗壓強(qiáng)度超過240 MPa,抗壓強(qiáng)度較大;彈性模量超過25 GPa,泊松比為0.224~0.232,具有明顯的硬脆性;粘聚力為70.419~78.522 MPa,膠結(jié)性較好,不易分散破壞。
3)東一段到東二段地層硬度較小,研磨性較低,建議選用五刀翼、19 mm直徑PDC復(fù)合片,且采用中密度布齒的PDC鉆頭;東三段到沙四段硬度大、研磨性高,建議選用六刀翼、16 mm直徑PDC斧型齒復(fù)合片,且采用高密度布齒的PDC鉆頭以加強(qiáng)鉆頭的攻擊性和抗研磨性。
4)利用機(jī)械比能模型優(yōu)化后得到主要的火成巖井段的鉆進(jìn)參數(shù)如下:東一段的鉆壓為50 kN,轉(zhuǎn)速為74 r/min,排量為58 L/s;東二段的鉆壓為75 kN,轉(zhuǎn)速為73 r/min,排量為33 L/s;東三段的鉆壓為63 kN,轉(zhuǎn)速為73 r/min,排量為31 L/s;沙河街組的鉆壓為86 kN,轉(zhuǎn)速為120 r/min,排量為33 L/s。
5)利用機(jī)械比能模型可以優(yōu)化鉆井參數(shù),優(yōu)化后的鉆井參數(shù)可以很好地滿足鉆井要求,實(shí)現(xiàn)鉆井提速。