西湖凹陷中央洼陷區下部地層巖石力學特征與可鉆性實驗研究*

孫東征 張海山 段飛飛 嚴維鋒 石祥超

(1.中國海洋石油有限公司 北京 100010； 2.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200030；3. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 四川成都 610500)

西湖凹陷中央洼陷區下部地層巖石力學特征與可鉆性實驗研究*

孫東征1張海山2段飛飛2嚴維鋒2石祥超3

(1.中國海洋石油有限公司 北京 100010； 2.中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200030；3. 西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室 四川成都 610500)

東海西湖凹陷中央洼陷區下部地層(玉泉組及以下地層)鉆進速度低，嚴重影響了建井周期，因此認識該地區下部地層巖石力學特征是解決鉆頭優選、井壁穩定評價、鉆井優化等關鍵問題的基礎。開展了東海西湖凹陷中央洼陷區下部地層巖石力學特征與可鉆性實驗，并根據巖石強度、可鉆性與聲波時差的關系建立了井底圍壓條件下巖石強度與可鉆性剖面。實驗結果表明，該地區井深大于3 000 m的地層巖石單軸抗壓強度50～80 MPa，無圍壓條件下巖石可鉆性級值5.7～6.5。模型計算結果表明，無圍壓條件下該地區井深小于2 500 m的地層巖石可鉆性級值小于4，井深3 600 m時巖石可鉆性級值達到6以上；井底圍壓條件下該地區井深大于3 600 m的地層巖石可鉆性級值達到8～10。上述結果對于認識東海西湖凹陷中央洼陷區下部地層難以鉆進的原因以及解決鉆頭選型和深井鉆速提升等問題具有指導意義。

西湖凹陷；中央洼陷區；下部地層；巖石力學特征；巖石可鉆性

西湖凹陷位于東海陸架盆地浙東坳陷東部，自西向東依次劃分為西部斜坡區、中央洼陷區和東部斷陷區[1]。鉆探結果表明，西湖凹陷中央洼陷區上部地層(柳浪組及以上地層)巖性主要以砂質泥巖、砂巖、砂礫巖為主，夾有煤層，機械鉆速較高；而下部地層(玉泉組及以下地層)主要以高嶺土質粉砂巖、細砂巖、泥巖、煤層砂巖、礫巖等組成，機械鉆速降低至10 m/h以下，有些地層的機械鉆速甚至降低至5 m/h以下，嚴重影響了鉆井周期。

巖石可鉆性是評價地層難鉆程度的客觀指標，是地質分層和鉆頭選型的重要依據，但由于石油工程巖心稀缺及試驗成本較高，多數情況下室內實驗不能滿足連續獲得巖石可鉆性的需求，為此發展了鉆速反推法、聲波時差法、巖屑硬度法等通過巖石其他的物性特征來求取巖石可鉆性的方法。到目前為止，聲波時差法被認為是較為準確的巖石可鉆性求取方法[2-4]，但是該方法并沒有考慮地應力及液柱壓力引起的井底圍壓效應對巖石可鉆性的影響。本文以西湖凹陷中央洼陷區下部地層為主要研究對象，開展巖石三軸力學實驗和可鉆性實驗，利用聲波時差測井數據及摩爾-庫倫強度理論建立下部地層巖石強度與可鉆性剖面，以期為該地區鉆頭選型及深井鉆速提升提供可靠依據。

1 巖石三軸力學實驗

1.1 實驗樣品與設備

實驗樣品取自西湖凹陷中央洼陷區X-2、X-3和Y-1井花港組砂巖段的20塊巖心，取心深度為3 465～4 291 m，巖心柱樣品尺寸為直徑25 mm、長度50 mm。實驗設備采用巖石三軸力學實驗機，可以進行單軸抗壓、常溫及高溫高壓下三軸抗壓、彈性模量、泊松比、聲波(縱波、橫波)時差以及常溫常壓下抗張強度測試實驗。

1.2 實驗結果

將20塊巖心按照X-2、X-3和Y-1分為3組，通過設置不同的圍壓，對每組巖心進行三軸壓縮實驗，實驗結果見圖1，可以看出：隨著圍壓的增加，巖石強度顯著增強，單軸抗壓強度為50 MPa的巖石試樣在40 MPa圍壓條件下的抗壓強度達到250 MPa左右，巖石強度增加4倍；隨著井深的增加，井底圍壓逐漸增強，巖石強度顯著增加。

圖1 西湖凹陷中央洼陷區巖心應力-應變曲線

此外，該地區砂巖地層和泥頁巖地層交替出現，并伴隨有礫石層和煤層，巖性在縱向上存在較大的變化，在砂巖地層能獲得較高鉆速的鉆頭不一定適用于泥頁巖地層。因此，圍壓和地層巖性的縱向大幅度變化是造成西湖凹陷中央洼陷區深部地層巖石難以破碎的重要原因。

2 巖石可鉆性實驗

巖石可鉆性是鉆進時巖石抵抗機械破碎能力的量化指標[5],是工程鉆探中選擇鉆進方法、鉆頭結構類型、鉆進工藝參數以及衡量鉆進速度的主要依據。根據《SY/T 5426-2000 巖石可鉆性測定及分級方法》[6]，在鉆壓890 N、轉速55 rpm實驗條件下，預鉆深0.4～1.0 mm(以保證鉆頭各齒與巖石均勻接觸)，工作鉆深2.4 mm，測量此工作鉆深所需的時間。通過微鉆實驗所獲得的鉆進時間，可以求取巖石的可鉆性級值[7]，即

kd=log2t

(1)

式(1)中：kd為巖石可鉆性級值；t為鉆進時間平均值，s。

利用公式(1)對實驗結果進行計算，并對計算結果取平均值(表1)。由表1可知，Y-1井在深度3 465 m處的無圍壓巖石可鉆性級值為5.73，X-2和 X-3井的無圍壓巖石可鉆性級值為6.45和6.52，均屬于中等硬度。

表1 西湖凹陷中央洼陷地層巖心無圍壓可鉆性實驗結果

3 巖石強度剖面與可鉆性剖面建立

前人的大量研究表明[8-10]，縱波時差、橫波時差、密度、巖性測井數據與巖石力學參數之間有很好的相關關系，通過建立測井數據與巖石力學參數之間的關系可以建立地層巖石力學特征剖面。同時，聲波時差也可為鉆頭選型提供參考依據[11]。通常巖石單軸抗壓強度與聲波時差的關系符合指數關系[12-13]，即

σ0=ae-bΔt

(2)

式(2)中：σ0為巖石單軸抗壓強度，MPa;a、b為擬合系數，McNally等[14]通過260種砂巖的實驗數據給出的經驗系數為a=1 100及b=0.036。

統計分析表明[15]，巖石抗壓強度與可鉆性一般具有較好的直線關系，即

kd=c+dσ1

(3)

式(3)中：c、d為擬合系數，閆鐵 等[16]通過砂巖實驗數據給出的經驗系數為c=2.445及d=0.038。

根據雙重有效應力原理[17]，巖石骨架有效應力為

σeff=σ-φpp

(4)

式(4)中：σeff為巖石骨架有效應力，MPa；σ為巖石承受的上覆巖層壓力，MPa;φ為孔隙度，%；pp為孔隙壓力，MPa。

對于井底巖石，巖石承受的上覆巖層壓力應等于液柱壓力，即

σ=ph=ρgh

(5)

式(5)中：ph為液柱壓力，MPa；ρ為鉆井液密度，g/cm3;h為井深，m;g為重力加速度,m/s2。

根據摩爾-庫倫強度準則，巖石強度與圍壓的關系為

(6)

式(6)中：C0為內聚力，MPa；φ為內摩擦角，(°);σ3為圍壓，MPa。

將巖石骨架有效應力等同于實驗圍壓來計算井底圍壓條件下的巖石強度。聯立式(4)～(6)，并考慮孔隙度和孔隙壓力對圍壓的影響，得到井底圍壓條件下的巖石強度為

(7)

巖石內聚力C0可由式(8)確定[18]，即

(8)

巖石內摩擦角φ可由式(9)計算[15]，即

φ=38.24-0.321C0

(9)

聯立式(3)和式(7)～(9)，可得到井底圍壓條件下的巖石可鉆性級值為

(10)

利用式(2)、(10)及測井數據可以得到巖石單軸抗壓強度與可鉆性剖面。圖2為利用錄井數據和測井數據計算得到Y-1井井底巖石抗壓強度和可鉆性級值剖面，可以看出，所建立的巖石強度和可鉆性剖面與實驗數據吻合：井深小于3 000 m時，巖石單軸抗壓強度基本小于50 MPa，且隨著井深的增加而逐漸增加；井深大于3 500 m時，巖石單軸抗壓強度達到60 MPa以上；井深大于4 000 m時，巖石單軸抗壓強度達到70 MPa以上。在無圍壓條件下，井深小于2 500 m時巖石可鉆性級值大多小于4，且隨著井深的增加而逐漸增大；井深大于3 000 m時巖石可鉆性級值增加到5以上，到井深大于3 600 m時逐漸增加到6以上。這表明，井深增加造成巖石強度的大幅度增加；同時，巖性的縱向大幅度變化導致巖石可鉆性變差，地層難以鉆進。

從圖2還可以看出，隨著井深的增加，液柱壓力產生的圍壓效應逐漸增加，巖石強度大幅度增加，巖石可鉆性級值也大幅度增加，尤其是鉆到3 600 m左右時，巖石抗壓強度提高了將近2倍，巖石可鉆性達到8～10級別，屬難鉆硬地層。

圖2 Y-1井井底圍壓下巖石強度與可鉆性剖面

4 結論

1) 西湖凹陷中央洼陷區下部地層巖石三軸力學與可鉆性實驗結果表明，該地區下部地層巖石單軸抗壓強度50～80 MPa，無圍壓條件下巖石可鉆性級值5.7～6.5，屬中等硬度地層；隨著井深的增加，地層巖石強度的圍壓效應顯著，圍壓40 MPa時的巖石強度達到250 MPa，并且地層巖性的縱向變化較大，導致地層難以鉆進。

2) 建立了該地區巖石單軸抗壓強度與可鉆性剖面，計算結果與實驗結果吻合。井深小于2 500 m時巖石單軸抗壓強度小于50 MPa，巖石可鉆性級值小于4，屬于軟地層；隨著井深的增加，巖石強度顯著增加，可鉆性變差，無圍壓條件下屬于中等硬度地層。

3) 建立了該地區井底圍壓條件下巖石強度和可鉆性剖面，結果表明，隨著井深的增加，液柱壓力產生的圍壓效應愈加明顯，巖石強度大幅度增加，巖石可鉆性也愈加變差，尤其是井深3 600 m左右時，巖石抗壓強度提高了將近2倍，可鉆性級值達到8～10，屬難鉆硬地層。

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(編輯：孫豐成)

Experimental study on mechanics and drillability of lower strata rock in central subsag of Xihu sag

Sun Dongzheng1Zhang Haishan2Duan Feifei2Yan Weifeng2Shi Xiangchao3

(1.ChinaNationalOffshoreOilCo.,Ltd.,Beijing100010,China; 2.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai200030,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The low ROP in lower strata (Yuquan group and below) in central subsag of Xihu sag in East China Sea seriously prolongs the well construction period. Studying the mechanics of the lower strata is the prerequisite for bit selection, wellbore stability evaluation and drilling operation optimization. Experimental study on mechanics and drillability of the lower strata rock was conducted, and the rock strength and drillability profiles under the condition of bottomhole confining pressure were established based on the relationship between rock strength/drillability and acoustic travel time. The results show that the rock’s uniaxial compressive strength is 50～80 MPa when the well is deeper than 3 000 m, and the rock drillability index under zero confining pressure is 5.7～6.5. The modeling calculation results show that drillability index of the rock at 2 500 m and above under zero confining pressure is less than 4, but higher than 6 at the depth of 3 600 m; at depth more than 3 600 m, drillability index under confining pressure is 8～10. The results have a great significance for understanding the difficulties in drilling operation, and hence solving bit selection issue and increasing ROP in lower strata rock in central subsag of Xihu sag in East China Sea.

Xihu sag; central subsag; lower strata; rock mechanics; drillability

孫東征，男，高級工程師，1997年畢業于原石油大學(華東)鉆井工程專業，長期從事海上油氣鉆完井工程技術研究和管理工作。地址：北京市東城區朝陽門北大街25號海洋石油大廈(郵編：100010)。E-mail:sundzh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)01-0093-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.014

TE21

A

2014-11-16 改回日期：2015-05-10

*中國海洋石油總公司“十二五”重大專項“東海低孔低滲氣藏勘探開發關鍵技術研究與實踐(編號：CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD 04 SH 2011)”部分研究成果。

孫東征,張海山,段飛飛，等.西湖凹陷中央洼陷區下部地層巖石力學特征與可鉆性實驗研究[J].中國海上油氣，2016,28(1)：93-97.

Sun Dongzheng,Zhang Haishan,Duan Feifei,et al.Experimental study on mechanics and drillability of lower strata rock in central subsag of Xihu sag[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):93-97.