順北二疊系火成巖地層抗鉆特性預(yù)測及應(yīng)用研究

劉景濤， 黃 勇， 李文霞

1中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院 2中國石油大學(華東)石油工程學院

0 引言

順北油田位于塔里木盆地順托果勒隆起北部，總面積約2×104km2，油氣資源量豐富，勘探前景十分樂觀[1- 2]。順北油田儲層之上的古生界巖性復(fù)雜，井下事故多、鉆井難度大、提速困難，其中以二疊系地層最為突出[3- 7]。由于二疊系地層以火成巖為主，埋藏深、厚度大，現(xiàn)階段采用的鉆井工藝方案應(yīng)用效果差，鉆井效率低、施工周期長，成本高[8- 9]。完鉆數(shù)據(jù)表明，二疊系地層進尺僅14.0 m/d，平均需要8趟鉆完成進尺，提速增效需求十分迫切。

二疊系地層提速困難的主要原因在于對順北區(qū)塊二疊系地層巖石抗鉆特性認識不清，導(dǎo)致鉆頭選型不合理，地層匹配性差，使用效果不理想。巖石抗鉆特性是指導(dǎo)石油鉆井工程施工的重要技術(shù)參數(shù)，目前關(guān)于沉積巖巖石抗鉆特性的預(yù)測模型研究已較為成熟[10- 11]。但由于沉積巖與火成巖在成巖機理、礦物構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征等多方面存在較大差異，基于沉積巖的抗鉆特性預(yù)測模型不適用于火成巖地層，有必要針對性地開展火成巖地層抗鉆特性的預(yù)測研究。因此，通過對火成巖地層巖石抗鉆參數(shù)與聲波特性相關(guān)性的分析，建立適用于火成巖地層的抗鉆參數(shù)預(yù)測模型，構(gòu)建順北區(qū)塊二疊系地層抗鉆特性剖面，并針對二疊系地層抗鉆特性提出針對性的鉆頭選型方案，為順北地區(qū)的高效勘探開發(fā)提供技術(shù)保障。

1 巖心實驗

地層巖石抗鉆特性與石油鉆井密切相關(guān)，是地層巖石評價、鉆頭類型優(yōu)選、鉆井參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，地層抗鉆特性參數(shù)主要包括巖石抗壓強度、巖石可鉆性、巖石研磨性、壓入硬度等[12]。已有研究表明，巖石抗鉆特性參數(shù)與地層巖石聲波時差存在相關(guān)性，因此可借助測井數(shù)據(jù)對地層抗鉆參數(shù)進行評價和預(yù)測。為此，收集了15塊有代表性的火成巖巖心，巖性包括花崗巖、玄武巖、閃長巖、流紋巖、安山巖、英安巖等常見火成巖，并分別開展巖石抗鉆參數(shù)實驗測定。測定方法如下：

1.1 巖石可鉆性

根據(jù)標準SY/T 5426—2000《巖石可鉆性測定及分級方法》的相關(guān)要求，利用華石III型可鉆性測定儀和微鉆頭測定巖石可鉆性。在規(guī)定的鉆壓和轉(zhuǎn)速下，測定微鉆頭鉆進2.4 mm深度所用時間，并將鉆進時間取以2為底的對數(shù)值作為巖石可鉆性級值，即:

Kd=log2T

(1)

式中:Kd—巖石可鉆性級值，無量綱；T—微鉆頭鉆進時間，s。

1.2 巖石抗壓強度和硬度

按標準DZ/T 0276—2015《巖石物理力學性質(zhì)試驗規(guī)程》規(guī)定，利用微機控制巖石伺服三軸儀和巖石硬度計測試巖樣的單軸抗壓強度和壓入硬度。

1.3 巖石研磨性

目前，巖石研磨性的測定方法較多，但尚沒有統(tǒng)一的測試方法和分級標準。鄒德永等[13]提出了一種針對金剛石類鉆頭的巖石研磨性測定方法，能夠較為準確的反映鉆頭與巖石的磨損關(guān)系。該測試評價方法將巖石研磨性指標定義為磨損標準件磨損質(zhì)量與巖石破碎體積之比，即:

(2)

式中:ω—巖石研磨性指標，mg/cm3；Δm—磨損標準件磨損質(zhì)量，mg；ΔV—巖石破碎體積，cm3。

1.4 聲波時差

利用HF-F型智能超聲波測試儀測定橫波和縱波穿過一定長度的巖樣所用的時間。聲波時差為聲波穿過單位長度巖石所用的時間，即:

(3)

式中:Δtp—縱波時差，μs/m；t—聲波穿過巖樣所用的時間，μs；L—測試巖樣的長度，m。

2 火成巖抗鉆參數(shù)預(yù)測模型的建立

巖石抗鉆特性與巖石的聲學特性存在著密切關(guān)聯(lián)，基于表1中的室內(nèi)巖心實驗結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計方法對巖石抗鉆參數(shù)與縱波時差的相關(guān)性進行回歸分析，建立火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型。

表1 巖心實驗結(jié)果

2.1 巖石可鉆性預(yù)測模型

根據(jù)巖心實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，巖石可鉆性級值與縱波時差兩者的回歸關(guān)系如圖1所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖1 火成巖地層巖石可鉆性與縱波時差關(guān)系曲線圖

(4)

式中：Kd—巖石可鉆性級值;Δtp—巖石縱波時差，μs/m。

由F檢驗法可知，置信水平取99%時，F(xiàn)=805.84>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.2 巖石抗壓強度預(yù)測模型

根據(jù)巖心實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，巖石抗壓強度與縱波時差兩者的回歸關(guān)系如圖2所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖2 火成巖地層巖石抗壓強度與縱波時差關(guān)系曲線

(5)

式中：σc—抗壓強度，MPa；Δtp—巖石縱波時差，μs/m。

由F檢驗法可知，置信水平取99%時，F(xiàn)=519.567>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.3 巖石硬度預(yù)測模型

根據(jù)實驗巖心試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，巖石硬度與縱波時差兩者的回歸關(guān)系如圖3所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖3 火成巖地層巖石硬度與縱波時差關(guān)系曲線

(6)

式中：H—巖石的硬度，MPa；Δtp—巖石縱波時差，μs/m。

由F檢驗法可知，置信水平取99%時，F(xiàn)=208.66>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.4 巖石研磨性預(yù)測模型

已有研究表明，火成巖的研磨性與巖石抗壓強度呈正比關(guān)系。根據(jù)實驗巖心試驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，巖石研磨性與巖石抗壓強度的回歸關(guān)系如圖4所示，兩者呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖4 火成巖地層巖石研磨性與抗壓強度關(guān)系曲線

ω= 0.042 4σc+0.484 4

(7)

式中：ω—巖石研磨性指標，mg/cm3；σc—巖石的單軸抗壓強度，MPa。

由F檢驗法可知，置信水平取99%時，F(xiàn)=531.92>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

根據(jù)抗壓強度與縱波時差的相關(guān)性，可進一步將巖石研磨性預(yù)測模型改寫為:

(8)

2.5 抗鉆參數(shù)預(yù)測模型的驗證

為了檢驗火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型在順北二疊系地層應(yīng)用的有效性，收集了4塊順北二疊系地層不同深度巖心，并將其抗鉆特性參數(shù)的實測值與模型預(yù)測值進行對比，結(jié)果見表2。由表2可知，測試巖樣地層抗鉆特性參數(shù)的預(yù)測相對誤差在10%左右，所建模型的準確率較高，可以滿足現(xiàn)場工程需要。

表2 二疊系火成巖地層抗鉆參數(shù)預(yù)測模型驗證結(jié)果

3 順北二疊系火成巖地層抗鉆特性分析

根據(jù)火成巖地層抗鉆參數(shù)預(yù)測模型，結(jié)合現(xiàn)場收集的順北二疊系地層相關(guān)測井資料，對該地層的抗鉆特性參數(shù)進行計算，繪制地層抗鉆特性剖面，如圖5所示。

圖5 順北二疊系地層抗鉆特性剖面

由圖5可知，順北二疊系地層具有以下特點：

(1)非均質(zhì)性強，軟硬交錯顯著。二疊系地層巖性多變，上段4 775～4 975 m，以凝灰?guī)r和淺灰色英安巖為主，平均抗壓強度119.84 MPa，平均可鉆性級值7.92，平均壓入硬度2 108.65 MPa；中段4 975～5 160 m，以深灰色英安巖為主，夾黑色玄武巖，平均抗壓強度148.87 MPa，平均可鉆性級值8.63，平均壓入硬度2 418.83 MPa；下段5 160～5 340 m，以凝灰?guī)r、砂泥巖為主，平均抗壓強度77.18 MPa，平均可鉆性級值6.42，平均壓入硬度1 457.43 MPa。

(2)強度高、可鉆性差。二疊系地層抗壓強度超過150 MPa、可鉆性超過8級的地層厚度大于250 m，其中最大可鉆性級值為9.96，最大抗壓強度為195.62 MPa。

(3)研磨性強。二疊系地層平均研磨性指標為5.27 mg/cm3，最大研磨性指標為8.58 mg/cm3。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 二疊系火成巖地層鉆頭方案優(yōu)選

由二疊系地層抗鉆特性剖面可知，二疊系上、中段地層以火成巖為主，地層強度高、硬度大、可鉆性差、研磨性強，是鉆井提速困難的關(guān)鍵所在。

二疊系上段地層巖石軟硬交錯顯著，可鉆性波動大，研磨性適中，為中硬的非均質(zhì)地層，其是二疊系地層鉆井提速的潛力段。為此，推薦選用PDC鉆頭以獲得較高的機械鉆速，同時配合軸向沖擊器，提高鉆頭吃入硬地層的能力。所選PDC鉆頭應(yīng)具備以下主要特征：具有較高的抗沖擊性和較好的耐磨性，刀翼數(shù)為5～6個，切削齒直徑13～16 mm，切削傾角19°～23°，大排屑槽和大過流面積。

二疊系中段地層巖石抗壓強度高、可鉆性差、研磨性強，夾層頻繁，為堅硬的高研磨性地層，該段應(yīng)重點提高鉆頭使用壽命，縮短輔助鉆井時間。為此，推薦選用PDC+牙輪復(fù)合型鉆頭，該類鉆頭利用滾動牙輪沖擊壓碎地層巖石，釋放地層應(yīng)力，大幅改善PDC齒切削破巖條件，具備攻擊性高、穩(wěn)定性好、扭矩低、抗磨損、使用壽命長，復(fù)雜地層適應(yīng)性強等諸多優(yōu)點；同時配合螺桿鉆具，提高鉆頭單位時間內(nèi)的井底切削次數(shù)。

4.2 使用效果分析

參照鉆頭優(yōu)選方案，在順北SB-X井進行了現(xiàn)場試驗。SB-X井是一口位于塔里木盆地順托果勒低隆北緣的評價井，設(shè)計井深7 640 m，二疊系層位4 759～5 280 m。

該井二疊系上段地層選用了SF64H3型PDC鉆頭+聯(lián)合沖擊器，該型鉆頭采用6刀翼布局，主切削齒為16 mm的H3齒，并設(shè)有后排輔助齒，其具有鉆速快、抗沖擊抗磨損能力強、壽命長、井底清潔效果好等特點。試驗井段4 889～4 993 m，機械鉆速為3.33 m/h，進尺為104 m。相較于鄰井同層位的PDC鉆頭機械鉆速提高77%、進尺提高36.7%；相較于鄰井同層位的牙輪鉆頭機械鉆速提高56.3%、進尺提高25.6%，如圖6所示。

圖6 二疊系上部地層鉆頭使用情況對比

該井二疊系中段地層選用了KPM1633DST型鉆頭+直螺桿，該型鉆頭為三刀翼+三牙輪設(shè)計，牙輪與刀翼間隔布置，刀翼高密度布置?16 mm的PDC切削齒，牙輪為鑲齒牙輪，巴掌處采用金剛石加強。試驗井段5 025～5 205 m，機械鉆速為2.53 m/h，進尺為180 m。相較于鄰井同層位的PDC鉆頭機械鉆速提高34.6%、進尺提高127.8%；相較于鄰井同層位的牙輪鉆頭機械鉆速提高60.1%、進尺提高49.5%，如圖7所示。

圖7 二疊系中部地層鉆頭使用情況對比

5 結(jié)論

(1)通過對典型火成巖巖樣抗鉆特性參數(shù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立了基于測井資料的火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型；對比二疊系地層巖石抗鉆參數(shù)預(yù)測值與實測值，預(yù)測模型精度高，滿足工程需要。

(2)由二疊系火成巖地層抗鉆參數(shù)剖面可知，二疊系地層巖石抗鉆特性隨井深變化顯著，主要特點為：上段為中硬非均質(zhì)地層，研磨性適中，是鉆井提速的潛力層；中段地層為堅硬、高研磨性地層，著重提高鉆頭壽命，降低鉆井輔助時間。

(3)現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，根據(jù)二疊系火成巖地層抗鉆特性預(yù)測結(jié)果開展鉆頭選型，可有效提高鉆頭與所鉆地層的匹配度，能夠為順北地區(qū)二疊系地層高效鉆井提供重要理論依據(jù)。