高研磨性火山巖地層巖石可鉆性計算

馮福平,李召兵,劉國勇

(1.提高油氣采收率教育部重點實驗室·大慶石油學院,黑龍江大慶163318;2.中國石油大慶油田有限責任公司采氣分公司)

高研磨性火山巖地層巖石可鉆性計算

馮福平1,李召兵2,劉國勇1

(1.提高油氣采收率教育部重點實驗室·大慶石油學院,黑龍江大慶163318;2.中國石油大慶油田有限責任公司采氣分公司)

火山巖地層研磨性強,鉆井過程中鉆頭磨損嚴重,鉆頭磨損變鈍將會導致機械鉆速的顯著降低;通用鉆速方程計算地層巖石可鉆性級值的方法,沒有考慮鉆頭磨損對機械鉆速的影響,計算所得的地層可鉆性級值偏高。通過建立高研磨性地層機械鉆速與牙齒磨損量之間的關系模型,對通用鉆速方程進行了修正。計算結果表明:鉆頭使用較長時間時,考慮鉆頭磨損和不考慮鉆頭磨損計算所得的可鉆性級值存在較大差別,在高研磨性火山巖地層中,考慮鉆頭磨損所計算出的地層可鉆性級值更為真實準確。

火山巖可鉆性;機械鉆速;鉆頭磨損,計算模型

鉆井過程中,鉆頭破碎巖石達到進尺的同時,也會發生自身輪齒的磨損而逐漸變鈍甚至損壞,造成鉆頭破巖效率下降,導致計算所得的巖石可鉆性級值相對提高。火山巖地層巖性致密堅硬,研磨性強,加劇了鉆頭牙齒的磨損程度,導致鉆頭的進尺降低,起下鉆頻繁,致使鉆井周期延長、鉆井成本大幅增加[1-3]。在火山巖地層鉆進時,必須考慮研磨性對機械鉆速造成的不利影響,這樣才能更真實地反映地層巖石的可鉆性。

1 火山巖巖石特征

1.1 火山巖巖石形成特征

火山巖是高溫粘稠的巖漿冷卻固結的產物,巖漿固結的過程是從高溫熾熱的狀態降溫并伴有結晶作用的過程。火山巖骨架較其它巖石堅硬,抗壓實能力也較其它巖石強,因此火山巖在埋藏過程中受機械壓實作用的影響較其它巖石小,使得火山巖的孔隙比其它巖石更容易保存下來。

冷凝固結和壓實固結是影響火山巖儲層物性及其變化規律的決定性因素,冷凝固結的巖石其孔隙度和滲透率不受后期埋深影響,埋深超過3 000m時相對物性明顯好于沉積巖,而壓實固結的火山巖碎屑巖類在深層(大于3 000m)則均為致密的無效儲層[4]。

1.2 火山巖巖石礦物組成

選用松遼盆地北部的火山巖作為研究對象,在某井的3 527.125～3 571m井段內共取八個巖心樣品,求解礦物含量[5]。結果表明,火山巖巖石礦物顆粒主要為石英和長石,兩者占組成礦物體積的80%左右,火山巖組成礦物顆粒的硬度較大,磨蝕性系數較高,在鉆井過程中鉆頭磨損嚴重。在火山巖層段機械鉆速較低的原因不僅僅是因為其可鉆性較差,同時還包括了由于鉆頭磨損導致其鉆頭破巖效率降低的影響,因此在計算其地層巖石可鉆性級值時必須把其研磨特性的影響加以考慮。

2 火山巖地層巖石可鉆性計算模型

2.1 鉆頭磨損對機械鉆速的影響分析

在用機械方法破碎巖石過程中,鉆頭在破碎巖石的同時,也受到巖石的磨損而逐漸變鈍、損壞,巖石磨損鉆井工具的能力,稱為巖石的研磨性。火山巖的研磨性一般較高,主要取決于巖石中所含石英、長石成分的多少以及顆粒度。

隨著鉆頭牙齒不斷的被巖石磨損,鉆頭工作效率將顯著下降,鉆井速度也將隨之降低[6]。統計了徐家圍子地區營城組火山巖地層多口已鉆井資料及鉆頭磨損情況,當鉆壓、轉速等各種鉆進參數保持不變時,機械鉆速與牙齒磨損量的關系如圖1所示。可以看出,正常鉆進情況下,機械鉆速隨著鉆頭磨損程度的增大而降低,而且下降的趨勢十分顯著。

對圖1中統計數據進行回歸擬合可以得到鉆頭機械鉆速與牙齒磨損量之間的關系為:

式中:V——機械鉆速,m/h;hf——牙齒磨損量,用牙齒的相對磨損高度表示,即新鉆頭時hf=0,牙齒全被磨光時hf=1。

圖1 機械鉆速與牙齒磨損量之間的關系

式(1)中常數3.3126代表在徐家圍子地區營城組火山巖地層新鉆頭剛下井(即hf=0)時的初始機械鉆速,是一個統計平均值。在不同地區不同層段以及不同井中該值會發生改變,可通過實際鉆井資料獲得。當鉆頭剛下入到井底時,鉆頭不存在磨損,此時鉆頭的機械鉆速反映的就是鉆頭在未磨損或有極少磨損狀態下的初始機械鉆速V0,則式(1)可以擴展表示為:

式(2)即為高研磨性火山巖地層鉆頭磨損對機械鉆速的影響規律。

2.2 牙齒磨損量計算

不同的磨損程度對機械鉆速的影響也不一樣,因此需要知道鉆井過程中的牙齒磨損量。根據楊格牙齒磨損模式[7],在鉆井所用牙輪鉆頭尺寸一定的情況下,已知地層的研磨性系數,就可以根據鉆井參數預測鉆頭牙齒的磨損規律,即:

將上式移項并積分,解二次方程得到牙齒磨損的表達式為:

式中:Af——地層研磨性系數,mm3/(kN·m);D1、D2——為牙輪鉆頭尺寸系數;Q1、Q2——牙輪鉆頭類型系數;C1為牙齒磨損系數;W——鉆壓,t;N——轉速,r/min;T——該只鉆頭的鉆進時間,h。其中D1、D2、Q1、Q1和C1值可由參考文獻[7]查表求得。

2.3 高研磨性火山巖地層巖石可鉆性計算模型

用實鉆速度評價巖石的可鉆性方法反映了不同地層巖石和技術工藝等多種因素的綜合影響,所得的鉆速指標可以直接用于制定生產指標。經過大量的實驗研究,以地層的非均質為基礎,從而建立起來的通用鉆速方程應用范圍廣,不受地區限制[8]。經現場實鉆驗證,其宏觀準確度可達90%以上,可以滿足科學鉆井的要求。通用鉆速方程的形式為:

式中:W1——比鉆壓,t/cm;H EI——有效鉆頭比水功率,kW/cm2;MW——鉆井液密度,g/cm3;鉆壓指數A=0.5366+0.1993Kd;轉速指數B=0.9250-0.0375Kd;地層水力指數C=0.7011-0.05682Kd;鉆井液密度差系數D=0.97673Kd-7.2703;Kd——地層可鉆性級值。

在通用鉆速方程式中并沒有體現牙齒磨損對機械鉆速的影響,因此應該對通用鉆速方程進行修正,即應考慮鉆頭磨損對機械鉆速的影響,則聯立公式(2)和公式(5)可得修正的高研磨性地層機械鉆速計算模型:

當hf=0即鉆頭剛入井牙齒無磨損時式(6)同式(5)相同。

鉆速方程中所有的參數除地層可鉆性級值以外,其余均為實鉆參數,因此通過處理現場實鉆參數可以求得地層巖石可鉆性級值。對修正后的通用鉆速方程經過數學變換得到地層巖石可鉆性級值計算式為:

3 實例計算

徐家圍子斷陷營城組火山巖地層是重要的天然氣儲層,巖性致密堅硬,研磨性強,可鉆性極差。選取該區內2007年9月完鉆的徐深141井為例,該井在營城組鉆進時消耗掉鉆頭6只,其鉆頭使用詳細數據如表1所示。根據該井的實際鉆井資料,采用通用鉆速方程分別得出在考慮鉆頭磨損和不考慮鉆頭磨損時的地層巖石可鉆性級值,其計算結果見圖2。

表1 徐深141井營城組火山巖地層鉆頭使用情況統計

圖2 徐深141井營城組火山巖可鉆性分析

由計算結果可知,鉆頭長時間使用時,考慮鉆頭磨損與不考慮鉆頭磨損所計算出來的巖石可鉆性級值差別很大,鉆頭使用時間越長,其差值越大。徐深1 41井的對比曲線可以清晰的顯示這種差別,考慮鉆頭磨損和不考慮鉆頭磨損的可鉆性級值之差最大可以達到2左右。

4 結論

(1)火山巖組成礦物主要以石英長石為主,巖性致密堅硬,研磨性強,鉆井過程鉆頭牙齒磨損嚴重,導致鉆頭的進尺降低,起下鉆頻繁,在設計和選用鉆頭時應對鉆頭牙齒的耐磨性能引起更高的重視。

(2)鉆頭牙齒的磨損將會引起鉆井機械鉆速下降,高研磨性火山巖地層鉆頭快速磨損鈍化是其鉆井機械鉆速較低的重要原因,因此在計算地層巖石可鉆性級值時應考慮地層的研磨性對機械鉆速的影響,其計算結果才能更為科學地用于鉆頭選型和機械鉆速預測。

(3)根據徐家圍子斷陷營城組火山巖地層已鉆井資料建立了機械鉆速與牙齒磨損量之間的關系模型,考慮了鉆頭磨損對機械鉆速的影響,對通用鉆速方程進行了修正。計算結果表明,同一只鉆頭使用時間越長,考慮鉆頭磨損和不考慮鉆頭磨損時地層巖石可鉆性級值計算差值也越大,在火山巖高研磨性地層中鉆頭磨損對可鉆性級值計算的影響必須予以考慮。

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[4]王璞珺,馮志強.盆地火山巖:巖性、巖相、儲層、氣藏、勘探[M].北京:科學出版社,2008:15-30

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編輯:李金華

TE21

A

1673-8217(2010)03-0085-03

2009-11-26

馮福平,碩士,1982年生,2005年畢業于大慶石油學院石油工程專業,現從事油氣井工程力學方向的教學與科研工作。