巖石可鉆性研究在大牛地氣田下古生界的應(yīng)用

袁本福 鄧紅琳 趙文彬 蔣艷芳

（中國石化華北分公司工程技術(shù)研究院，河南 鄭州 450006）

0 引言

巖石可鉆性是鉆頭選型以及地層分層的重要參考依據(jù)，反映了鉆進(jìn)時對巖石破碎的難易程度。巖石可鉆性評價方法一般是利用鉆井取心進(jìn)行室內(nèi)微鉆頭實(shí)驗(yàn)，結(jié)合聲波時差實(shí)驗(yàn)，擬合回歸得到牙輪或PDC垂向及水平向可鉆性級值與聲波時差的方程。由于地層巖性垂向上變化較大，存在不等厚夾層，同時也不可能對整個地層取心，難以建立連續(xù)剖面。因此，如何更加準(zhǔn)確、連續(xù)、實(shí)時地預(yù)測巖石的可鉆性，優(yōu)選適應(yīng)性更強(qiáng)的鉆頭，提高機(jī)械鉆速，降低鉆井成本十分重要［1-3］。目前大牛地氣田針對上古地層已經(jīng)完成了巖石可鉆性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，取得了部分科研成果，并得到了很好的應(yīng)用，但對下古奧陶系地層還沒有進(jìn)行過巖石可鉆性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，缺乏比較可靠的巖石可鉆性數(shù)據(jù)。筆者應(yīng)用通用鉆速方程反求巖石可鉆性，結(jié)合實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)，計算得到的下古巖石可鉆性級值與現(xiàn)場實(shí)鉆較符合。

1 大牛地氣田下古生界儲層地質(zhì)特征

大牛地氣田下古生界碳酸鹽巖儲層天然氣資源量為1.62×1012m3，主要集中在奧陶系風(fēng)化殼，其中風(fēng)化殼馬五1-4段儲層以巖性較純的白云巖發(fā)育為主，馬五5段儲層以灰質(zhì)白云巖及裂縫泥晶灰?guī)r為主，具有埋藏深、成巖作用強(qiáng)、巖性致密、硬度高等特點(diǎn)［4］。通過統(tǒng)計分析PG1、PG2已完鉆井鉆頭使用資料，發(fā)現(xiàn)馬五地層機(jī)械鉆速普遍很低，鉆頭磨損較嚴(yán)重（表1），因此，深入研究下古奧陶系碳酸鹽巖可鉆性是優(yōu)選較強(qiáng)適應(yīng)性鉆頭，進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速的必要前提。

表1 鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)表

2 可鉆性級值求取方法

2.1 鉆速方程反求

尹宏錦通用鉆速方程［5］在預(yù)測機(jī)械鉆速方面具有較高的宏觀準(zhǔn)確度，被國內(nèi)各大油田廣泛應(yīng)用，該方程基于大量的地層可鉆性數(shù)據(jù)統(tǒng)計，經(jīng)過反復(fù)地修正和試驗(yàn)，能夠較客觀地預(yù)測某區(qū)塊的機(jī)械鉆速。因此，根據(jù)方程中巖石可鉆性與鉆頭水力學(xué)相關(guān)參數(shù)的關(guān)系［6］，結(jié)合實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)，利用通用鉆速方程反求巖石可鉆性的方法是可行的，而且該方法比室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)求巖石可鉆性的方法更為方便，可以節(jié)約一定的成本?；谕ㄓ勉@速方程，以可鉆性Kdt為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了推導(dǎo)，并且得出了通用Kdt求取模型，推導(dǎo)過程見式（1）～（14）。

整理可得可鉆性級值計算模型：

式中，V為機(jī)械鉆速，m／h；N為轉(zhuǎn)速，rpm；ρW為鉆井液密度，g／cm3；A0為等效噴嘴面積，cm2；C為噴嘴流量系數(shù)（新鉆頭取0.98，舊鉆頭取0.96）；pZ為鉆壓，t；D為鉆頭直徑，cm；Q為流量，L／s。

由式（10）可看出，可鉆性級值Kdt與地層巖石特征有關(guān)，其他參數(shù)都是動態(tài)的實(shí)時鉆井參數(shù)，因此，結(jié)合實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)及鉆頭使用參數(shù)，就可反求出實(shí)鉆條件下的可鉆性級值。

2.2 巖石可鉆性計算模型修正

采用實(shí)鉆數(shù)據(jù)對通用計算模型進(jìn)行修正，利用高階多項式逼近實(shí)測可鉆性級值，最終得到適應(yīng)于某區(qū)塊的巖石可鉆性計算模型Kdf，見式（15）。

式（15）中把推導(dǎo)出的可鉆性Kdt作為因變量，然后通過多項式擬合得到無線逼近實(shí)際值的可鉆性級值Kdf。圖1為利用實(shí)鉆數(shù)據(jù)計算Kdt值與實(shí)際Kdf值進(jìn)行6次方的擬合圖和方程，依據(jù)這個原理可以修正得到更適合大牛地區(qū)塊地層特征的巖石可鉆性模型。

3 實(shí)例應(yīng)用分析

3.1 可鉆性級值求取

選取大牛地直井大88完井資料和水平井PG5井完井資料，分別對巖石垂向和橫向可鉆性級值進(jìn)行計算。首先對實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（將鉆頭泥包、劃眼等不正常以及泥漿循環(huán)、鉆時過慢等錄井?dāng)?shù)據(jù)去除，然后采用加權(quán)平均值法對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，保證數(shù)據(jù)來源的準(zhǔn)確性），分層位計算數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 K df與K dt擬合關(guān)系圖

圖2為大88井利用實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)計算結(jié)果得到的下古地層可鉆性級值剖面。

圖3為PG5井水平段計算得到的下古巖石可鉆性級值剖面，對比大88井和PG5井計算結(jié)果可看出，下古巖石垂向可鉆性大于橫向可鉆性，表明下古巖石水平段鉆進(jìn)研磨性較弱，可鉆性較好。求取的可鉆性級值可以為下一步優(yōu)選鉆頭提供可靠的依據(jù)。

3.2 鉆頭優(yōu)選應(yīng)用

由上述求取的可鉆性級值剖面可知，下古儲層可鉆性級值介于6～8，屬于中—中硬地層，可鉆性較好，表明巖石均質(zhì)性較好，研磨性較弱。經(jīng)統(tǒng)計分析也發(fā)現(xiàn)，奧陶系風(fēng)化殼以灰?guī)r和白云巖為主，泥質(zhì)含量較低，地層研磨性不強(qiáng)，對鉆頭損傷小。結(jié)合河北格銳特鉆頭使用手冊和對該地區(qū)已統(tǒng)計的鉆頭使用狀況，推薦使用152.4 mm尺寸GD1605TX鉆頭（或者GM1605TX，GD與GM表示格銳特胎體鉆頭），該鉆頭為16mm復(fù)合片尺寸，采用弧線型5刀翼、后排進(jìn)口齒設(shè)計，5刀翼后排進(jìn)口齒設(shè)計便于吃入巖石，增加破碎效果和抗研磨性。表3為水平井優(yōu)選鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)，與PG1井152.4 mm鉆頭相比較，PG8井節(jié)省鉆頭5個，平均機(jī)械鉆速提高106.6%，為實(shí)現(xiàn)下古地層優(yōu)質(zhì)、快速、經(jīng)濟(jì)地鉆井奠定了良好的基礎(chǔ)。

表2 大88井實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)計算結(jié)果表

圖2 大88馬五垂向可鉆性級值剖面圖

圖3 PG5馬五橫向可鉆性級值剖面圖

表3 152.4 mm鉆頭實(shí)鉆數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論與建議

1）通過對通用鉆速方程推導(dǎo)分析，得出通用可鉆性級值方程，再利用高階多項式逼近實(shí)測可鉆性級值進(jìn)行修正模型。

2）利用大88井和PG5井實(shí)鉆錄井?dāng)?shù)據(jù)分別對巖石垂向和橫向可鉆性進(jìn)行計算。計算得出下古地層可鉆性級值在6～8，進(jìn)而優(yōu)選出適合下古地層的鉆頭型號，為下古地層優(yōu)質(zhì)、快速鉆井提供了技術(shù)支持。

3）建議開展下古巖石微鉆頭室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，擬合出聲波時差與巖石可鉆性的關(guān)系模型，進(jìn)一步驗(yàn)證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

［1］張立剛.巖石可鉆性綜合預(yù)測與應(yīng)用研究［D］.大慶：大慶石油學(xué)院，2008.

［2］劉向君，孟英峰.巖石可鉆性與鉆速預(yù)測［J］.天然氣工業(yè)，1999，19（5）： 61-63.

［3］J.R.Spaar，L.W.Ledgerwood.Formation compressive strength estimates for predicting drillability and PDC bit selection［J］.SPE／IADC 29397.

［4］高斐，樓一珊，吳瓊，等.鄂爾多斯盆地馬家溝組地層可鉆性研究及應(yīng)用［J］.石油天然氣學(xué)報：江漢石油學(xué)院學(xué)報，2011，33（5）：137-139.

［5］張伯文，郭艷潔，路建宏，等.簡便易行的地層可鉆性求取和鉆速預(yù)測方法［J］.天然氣工業(yè)，2001，21（增刊）：98-101

［6］張思淵，劉皓，袁春娥.鉆井參數(shù)判斷巖石可鉆性問題的研究與討論［J］. 山西建筑，2010，36（23）：157-158.