川西雙魚(yú)石構(gòu)造須家河組巖石抗鉆特性研究

2022-07-23 12:16:28劉彬姚建林楊斌

科學(xué)技術(shù)與工程 2022年18期

劉彬，姚建林，楊斌

(四川川慶石油鉆采科技有限公司，廣漢 618300)

2014年，四川盆地西北部雙魚(yú)石構(gòu)造ST1井在棲霞組鉆遇厚層孔隙型白云巖儲(chǔ)層，測(cè)試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流87.6×104m3/d，拉開(kāi)川西北部地區(qū)雙魚(yú)石構(gòu)造棲霞組氣藏的勘探序幕[1]。截至目前，雙魚(yú)石構(gòu)造地區(qū)已陸續(xù)實(shí)施探井12口，單井測(cè)試產(chǎn)氣量介于3.25×104～87.61×104m3/d，累計(jì)提交棲霞組天然氣預(yù)測(cè)及控制儲(chǔ)量超過(guò)1 000×108m3/d，具有巨大的勘探開(kāi)發(fā)潛力。然而，雙魚(yú)石構(gòu)造須家河組地層鉆頭破巖難、磨損快，機(jī)械鉆速低，單只鉆頭進(jìn)尺短[2-3]，已成為雙魚(yú)石構(gòu)造鉆井提速的關(guān)鍵瓶頸，嚴(yán)重制約了區(qū)塊棲霞組天然氣的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者針對(duì)須家河組地層抗鉆性強(qiáng)的問(wèn)題展開(kāi)了研究。萬(wàn)夫磊等[4]指出雙魚(yú)石區(qū)塊須家河組研磨性極強(qiáng)的砂巖、石英砂巖互層，容易產(chǎn)生井下振動(dòng)導(dǎo)致聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭切削齒嚴(yán)重磨損，大大降低了鉆頭的使用壽命。毛帥等[5]指出川西坳陷須家河組地層巖性致密，巖石硬度和抗壓強(qiáng)度高，導(dǎo)致機(jī)械鉆速低，鉆井成本高，采用欠平衡鉆井可減少液柱壓力，實(shí)現(xiàn)鉆井提速。李澤等[6]指出川西坳陷超高埋深須家河組地層具有高圍壓和石英含量高的特征，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度高，鉆頭破巖效率差，巖石可鉆性差。趙潤(rùn)琦[7]指出須家河組中下部石英含量高達(dá)75%以上，地層研磨性強(qiáng)且裂縫發(fā)育，導(dǎo)致鉆井提速困難，制約普光氣田區(qū)塊開(kāi)發(fā)。

目前，須家河組地層抗鉆機(jī)理的研究多集中在巖石宏觀力學(xué)強(qiáng)度方面，關(guān)于巖石細(xì)微觀特征對(duì)地層抗鉆特性和鉆頭失效的作用機(jī)制認(rèn)識(shí)尚不明確。因此，現(xiàn)選取須家河組須一段露頭巖樣，開(kāi)展地層巖石可鉆性、研磨性實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合巖石基礎(chǔ)物性、力學(xué)特性與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井解釋數(shù)據(jù)，分析影響須家河組致密砂巖巖石抗鉆特性的主控因素，明確地層可鉆性變化規(guī)律。進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)出井鉆頭失效特征分析，揭示須家河組致密砂巖地層抗鉆機(jī)理，為后續(xù)鉆頭優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要支撐。

1 鉆頭使用情況分析

雙魚(yú)石構(gòu)造須家河組地層石英、礫石、燧石、黃鐵礦等強(qiáng)研磨性礦物含量高，是導(dǎo)致機(jī)械鉆速極低的重要原因。同時(shí)，構(gòu)造區(qū)塊內(nèi)須家河組地層抗鉆特性也存在顯著差異性。以須一段(X1段)為例，橫向上北部須家河組地層機(jī)械鉆速更低，其機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺分別僅為中部區(qū)域的37%和8%左右(圖1)；縱向上須家河組厚度為1 000～1 300 m，以構(gòu)造北部須一段為例(厚度約200 m)，由于其以石英砂巖為主，硅質(zhì)含量高，機(jī)械鉆速和單只鉆頭進(jìn)尺分別僅為上部層段的22%和6%左右。

經(jīng)過(guò)多次的鉆頭優(yōu)選和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)，雙魚(yú)石構(gòu)造區(qū)域須四-須二段地層的平均單只鉆頭平均進(jìn)尺已達(dá)350 m，機(jī)械鉆速2.9 m/h。近期在ST18試驗(yàn)成功的改進(jìn)型孕鑲鉆頭，機(jī)械鉆速3.02 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺437 m，指標(biāo)已接近模板要求。中部區(qū)域須一段硅質(zhì)含量相對(duì)構(gòu)造北部較低，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)，國(guó)產(chǎn)復(fù)合鉆頭單只鉆頭進(jìn)尺可達(dá)150 m，機(jī)械鉆速1.5 m/h。然而，北部區(qū)域須一段石英含量高達(dá)80%以上，試驗(yàn)過(guò)多種型號(hào)的復(fù)合鉆頭、非平面齒PDC鉆頭、牙輪鉆頭和孕鑲鉆頭(圖2)，效果均不理想，平均機(jī)械鉆速仍不到是1.0 m/h，是當(dāng)前提速瓶頸，也是本文的分析重點(diǎn)。

圖1 雙魚(yú)石構(gòu)造須家河組鉆井情況統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics on drilling conditions of Xujiahe Formation in Shuangyushi structure

圖2 雙魚(yú)石構(gòu)造北部X1段鉆井情況Fig.2 Drilling situation in X1 section of the northern part of Shuangyushi structure

2 可鉆性、研磨性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)巖心選取雙魚(yú)石構(gòu)造所在區(qū)域廣元市楊家?guī)r須家河組露頭，該露頭巖層厚度較大，主要為中砂巖和中-細(xì)砂巖，且石英含量高，與井下須一段地層在礦物組成和力學(xué)特征上均十分接近。野外露頭鉆取直徑為50 mm，長(zhǎng)度為55～60 mm的實(shí)驗(yàn)巖心，用于研磨性、可鉆性實(shí)驗(yàn)。須一段露頭實(shí)驗(yàn)巖心編號(hào)分別為T(mén)3X1Y1～ T3X1Y4，須二段露頭實(shí)驗(yàn)巖心編號(hào)分別為T(mén)3X2Y1～ T3X2Y7。

巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)按石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法(SY/T5426—2000)執(zhí)行。圖3為部分巖心可鉆性、研磨性實(shí)驗(yàn)照片，可鉆性實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用刀片為標(biāo)準(zhǔn)PDC復(fù)合片，測(cè)試過(guò)程兩片PDC復(fù)合片夾在微型鉆頭之上[圖3(a)]，組裝后鉆頭外徑為32 mm，后傾角20°，傾角15°；測(cè)試過(guò)程確保靜載鉆壓為(500±10) N，主軸旋轉(zhuǎn)速度為(55±1) r/min。開(kāi)鉆后鉆深達(dá)1 mm時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，再鉆深3 mm，記錄鉆進(jìn)時(shí)間，巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算公式為

Kd=log2t

(1)

式(1)中：Kd為巖石可鉆性級(jí)值，無(wú)因次；t為鉆進(jìn)時(shí)間平均值，s。根據(jù)巖石可鉆性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表，可鉆性級(jí)值由低到高分為10個(gè)級(jí)別，抗鉆特性也由低到高分逐漸增強(qiáng)。

破巖工具與巖石間的摩擦對(duì)刀片的磨損稱為研磨性磨損，摩擦使巖石磨損破巖工具的能力稱為巖石的研磨性。研究巖石的研磨性規(guī)律，對(duì)合理設(shè)計(jì)破巖工具、提高破巖效率、降低鉆進(jìn)成本具有重要意義。本次實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)材料研磨法，其試驗(yàn)的基本原理是：用圓柱形鋼桿在巖石表面上相互摩擦?xí)r的重量磨損作為巖石相對(duì)研磨性指標(biāo)[8-9]。巖石研磨性測(cè)試過(guò)程施加在鋼桿[圖3(d)]的軸壓為300 N，鋼桿的轉(zhuǎn)速為500 r/min，采用水冷卻。測(cè)試鋼桿為A3退火鋼標(biāo)準(zhǔn)試樣，硬度為HRB70～75，外徑為(12±0.05) mm，內(nèi)徑為(8±0.05) mm，長(zhǎng)度為80 mm；測(cè)試過(guò)程每根鋼件桿的兩端分別研磨5 min，每塊試件測(cè)試3根鋼桿并取平均研磨量作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。目前巖石研磨性同樣分為10級(jí)，由低到高，研磨性逐漸增強(qiáng)。

3 結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，須家河組砂巖的可鉆性級(jí)值普遍較高，平均值為8.45。須二段巖樣可鉆性級(jí)值為3.91～10，個(gè)別巖樣可鉆性級(jí)值為3.91～6.05，主要為含泥質(zhì)砂巖；須一段巖樣可鉆性級(jí)值均為10級(jí)，表明該層段巖石抗鉆性值普遍極強(qiáng)，與礦場(chǎng)實(shí)鉆反應(yīng)的該層段機(jī)械鉆速普遍極低相吻合。

研磨性測(cè)試結(jié)果顯示，標(biāo)準(zhǔn)桿件的磨損量為1.99～79.4 mg，平均值為16.26 mg，在相同鉆壓和轉(zhuǎn)速條件下，絕對(duì)研磨量屬于較高等級(jí)，與文獻(xiàn)[10-11]的結(jié)果基本接近，表明即使在實(shí)驗(yàn)室條件下須家河組巖石也具有較強(qiáng)的研磨性。進(jìn)一步對(duì)比發(fā)現(xiàn)(圖4)，測(cè)試巖樣的可鉆性級(jí)值與研磨程度基本相反，即可鉆性級(jí)值較高的巖樣，研磨性反而相對(duì)較低。分析認(rèn)為：一方面是室內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件無(wú)法完全模擬井下鉆頭-巖石破碎顆粒間的研磨過(guò)程，測(cè)試的研磨性級(jí)值可能比實(shí)際偏低。同時(shí)，結(jié)合圖3測(cè)試照片也發(fā)現(xiàn)，可鉆性級(jí)值高巖樣的研磨痕跡反而相對(duì)較淺，也從側(cè)面表明巖石抗牙齒侵入能力較強(qiáng)。可鉆性與研磨性測(cè)試結(jié)果整體具有一致性，均反映了須家河組巖石極強(qiáng)的抗鉆特性。

圖3 部分巖心可鉆性、研磨性實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Experimental photos of rock drillability and abrasivity

圖4 巖心可鉆性與研磨性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data of rock drillability and abrasivity

巖石可鉆性是一個(gè)綜合性指標(biāo)，受眾多因素的影響[12]，包括巖石礦物組成、孔滲特征、力學(xué)性質(zhì)和鉆頭破巖方式等。正確認(rèn)識(shí)須家河組難鉆地層抗鉆機(jī)理是進(jìn)行鉆頭優(yōu)化選型，提高鉆頭破巖效率的關(guān)鍵。

3.2 巖石礦物與膠結(jié)特征對(duì)可鉆性的影響

選取須一段露頭巖石進(jìn)行礦物組分分析，實(shí)驗(yàn)樣品編號(hào)分別為X1-1～X1-6。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖5)顯示，雙魚(yú)石構(gòu)造須一段砂巖平均石英含量為82.9%，部分層段甚至高達(dá)90%以上，黏土礦物平均含量?jī)H為7.17%，并含有少量的黃鐵礦。薄片分析進(jìn)一步顯示須一段巖石整體以石英顆粒為骨架，顆粒之間存在鈣質(zhì)膠結(jié)與泥質(zhì)膠結(jié)。同時(shí)，鏡下薄片(圖6)顯示巖屑顆粒排列緊密，存在石英次生加大，壓實(shí)成巖作用程度高，部分層段巖樣含燧石、黃鐵礦等硬度極高的碎屑顆粒，輔以強(qiáng)度相對(duì)較高的鈣質(zhì)膠結(jié)，相助提升了巖石整體強(qiáng)度和抗鉆性。即使是強(qiáng)度相對(duì)較低的泥質(zhì)膠結(jié)，由于巖石表面容易破壞，裸露出堅(jiān)硬的石英和黃鐵礦等顆粒后，也會(huì)對(duì)鉆頭產(chǎn)生極強(qiáng)的研磨性[13]，這也部分解釋了圖4中可鉆性級(jí)值較低的巖樣往往具有相對(duì)較高研磨性的原因?？傮w認(rèn)為，須家河組巖石的組分和成巖膠結(jié)特征均為其極強(qiáng)的抗鉆特性提供了礦物和細(xì)觀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

圖5 須家河組須一段砂巖礦物組成Fig.5 Mineral composition of the first member of Xujiahe Formation sandstone

圖6 須家河組砂巖鑄體薄片照片F(xiàn)ig.6 Photo of the xujiahe Formation sandstone casting thin sections

3.3 孔滲參數(shù)對(duì)可鉆性的影響

露頭巖樣孔滲參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示(表1)，須家河組砂巖孔隙度為0.05%～6.27%，滲透率為0.001 8～0.252×10-3μm2。其中，須二段巖石平均孔隙度為2.99%，平均滲透率為0.064 4×10-3μm2；須一段巖石平均孔滲更低，分別僅為0.87%和0.010 8×10-3μm2，為典型的致密砂巖。同時(shí)，巖樣的可鉆性級(jí)值與孔滲參數(shù)具有明顯的相關(guān)性，即孔隙度滲透率越低，巖樣可鉆性級(jí)值越高。具體來(lái)看，須二段巖樣中可鉆性級(jí)值較低的4塊巖樣，平均孔隙度高達(dá)5.03%，而相對(duì)較高的孔隙度往往表明巖石膠結(jié)不夠致密，膠結(jié)強(qiáng)度不足。

圖7基于礦場(chǎng)實(shí)測(cè)STX2井聲波測(cè)井和鉆時(shí)(機(jī)械鉆速的倒數(shù))數(shù)據(jù)，繪制巖石孔滲、密度與鉆時(shí)曲線剖面。宏觀對(duì)比須一段與須二段曲線，上部須二段地層孔隙度、滲透率明顯高于下部須一段，巖石密度則呈相反趨勢(shì)。在巖性與礦物組成相近時(shí)說(shuō)明相比須二段，須一段地層成巖膠結(jié)更為致密，相應(yīng)的須一段的鉆時(shí)明顯更高，地層抗鉆性更強(qiáng)。對(duì)比須一段內(nèi)，同樣可以發(fā)現(xiàn)，孔隙度、滲透率的低谷段，巖石密度較高，鉆時(shí)曲線處于高位。孔滲測(cè)井解釋剖面與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，進(jìn)一步證實(shí)孔滲特性對(duì)須家河組地層抗鉆特性的顯著影響。

表1 須家河組砂巖孔滲實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of porosity and permeability of sandstone in Xujiahe Formation

圖7 須二段、須一段巖石物性測(cè)井解釋模型Fig.7 Logging interpretation model of lithological properties of X1 and X2

從具體的抗鉆機(jī)理來(lái)看，孔隙度、滲透率低意味著巖石膠結(jié)致密、強(qiáng)度高，因而抗鉆性強(qiáng)。在實(shí)際井下破巖過(guò)程，孔滲參數(shù)還能進(jìn)一步影響水力輔助破巖效果。對(duì)于孔滲條件較好的地層，鉆井液由鉆頭水眼噴出后，能通過(guò)孔喉迅速進(jìn)入井底巖石內(nèi)部，通過(guò)水壓沖擊和井底巖石孔隙壓力的升高來(lái)輔助提升鉆頭破巖速率。而對(duì)于孔滲條件差的致密巖石，水力壓力難以傳遞到井底巖石內(nèi)部巖心，導(dǎo)致鉆井液的壓實(shí)作用增強(qiáng)，不利于鉆頭利用水力能量輔助破巖，從而導(dǎo)致整體的機(jī)械鉆速降低[10]。

3.4 力學(xué)性質(zhì)對(duì)可鉆性的影響

單軸抗壓強(qiáng)度和硬度測(cè)試顯示(圖8)，須家河組巖石強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度高達(dá)93.6～268.7 MPa，平均值157.4 MPa，彈性模量和泊松比均值分別為32.4 GPa和0.214，壓入硬度值分布在0.508～2.881 GPa，巖樣呈現(xiàn)典型的中硬-硬、高強(qiáng)度力學(xué)特征。對(duì)比分析表明，巖石力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)與可鉆性級(jí)值間具有明顯的正相關(guān)性，即巖石抗壓強(qiáng)度和硬度越高，可鉆性級(jí)值越高。該特征在須一段體現(xiàn)尤為明顯，3塊巖樣的抗壓強(qiáng)度均值分別為196.4 MPa和2.07 GPa，對(duì)應(yīng)測(cè)試可鉆性級(jí)值均為10級(jí)。圖8(c)的測(cè)試曲線顯示巖樣發(fā)生破壞時(shí)應(yīng)變極低，圖8(b)的巖樣硬度測(cè)試壓痕也間接表明其強(qiáng)度高，脆性特征明顯并產(chǎn)生脆性破壞裂紋，無(wú)明顯塑形變形特征，均表明須家河組巖石具有極強(qiáng)的抗侵入破壞能力。

圖8 須家河組地層巖石力學(xué)特征Fig.8 Rock mechanics characteristics of Xujiahe Formation

在具體破巖過(guò)程，巖石高抗壓強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致鉆頭的沖擊、壓碎破巖效率低，而巖石硬度越大，鉆頭牙齒吃入地層的能力越差，且硬脆性礦物顆粒對(duì)鉆頭產(chǎn)生的磨粒磨損作用越強(qiáng)[14-15]。進(jìn)一步以STX2井實(shí)鉆數(shù)據(jù)為例，基于測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的巖石力學(xué)與鉆時(shí)曲線如圖9所示，相比須二段，須一段的巖石塑形系數(shù)更低，抗壓強(qiáng)度、硬度和研磨性更高，最終鉆時(shí)須一段明顯高于須二段，前者體現(xiàn)出更強(qiáng)的抗鉆特性。因此，巖石的低塑形、高抗壓強(qiáng)度和硬度是導(dǎo)致須家河組抗鉆性極強(qiáng)的主要原因，并在須家河底部須一段地層表現(xiàn)尤為明顯。

3.5 鉆頭失效與鉆屑特征

雙魚(yú)石構(gòu)造須一段地層前期試驗(yàn)了牙輪鉆頭、進(jìn)口及國(guó)產(chǎn)的PDC鉆頭、復(fù)合鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭，但單只鉆頭進(jìn)尺和破巖效率均不太理想。以雙魚(yú)石構(gòu)造北部STX3井為例，牙輪鉆頭在須一段的機(jī)械鉆速僅為0.74 m/h，進(jìn)尺為21.57 m，復(fù)合鉆頭機(jī)械鉆速僅為0.46 m/h，進(jìn)尺為8.07 m。出井鉆頭分析顯示[圖10(a)]，無(wú)論是牙輪鉆頭的硬質(zhì)合金齒還是復(fù)合鉆頭的PDC齒，均受到嚴(yán)重的沖擊破壞。同時(shí)，井底巖石在鉆頭沖擊、壓碎/切削破巖過(guò)程中巖石表面顆粒不斷被碾碎[圖10(c)]，并產(chǎn)生高應(yīng)力碾碎性的磨粒，大量以石英為主的硬質(zhì)顆粒對(duì)鉆頭牙齒表面產(chǎn)生反復(fù)且集中的壓應(yīng)力容易造成疲勞破壞，導(dǎo)致牙齒磨損失效，圖中出井鉆屑為高純度的石英顆粒，也驗(yàn)證了上述分析。

對(duì)PDC齒的切削表面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀測(cè)也顯示，相比于自然斷面[圖10(e)]的平整，切削表面[圖10(f)]覆有一層數(shù)微米級(jí)別的破碎顆粒，且顆粒以石英、黃鐵礦和燧石等高強(qiáng)度高硬度礦物為主。這類(lèi)小尺度顆粒不僅阻礙了鉆頭牙齒與井底巖石的接觸和切削效率，還能在微觀尺度上對(duì)牙齒造成磨損，形成類(lèi)似“拋光”的效果[16-17]，從而導(dǎo)致牙齒吃入地層和切削困難并最終失效，宏觀上形成鉆頭在井底打滑和空轉(zhuǎn)的效果，降低鉆頭破巖效率。

圖9 須二段、須一段巖石力學(xué)特征測(cè)井解釋與鉆時(shí)對(duì)比剖面Fig.9 Log interpretation of rock mechanics characteristics and comparison of drilling time profiles of X1 and X2