西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層巖石力學(xué)特征與可鉆性實(shí)驗(yàn)研究*

孫東征 張海山 段飛飛 嚴(yán)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(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500)

西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層巖石力學(xué)特征與可鉆性實(shí)驗(yàn)研究*

孫東征1張海山2段飛飛2嚴(yán)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(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川成都 610500)

東海西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層(玉泉組及以下地層)鉆進(jìn)速度低，嚴(yán)重影響了建井周期，因此認(rèn)識該地區(qū)下部地層巖石力學(xué)特征是解決鉆頭優(yōu)選、井壁穩(wěn)定評價、鉆井優(yōu)化等關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)。開展了東海西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層巖石力學(xué)特征與可鉆性實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)巖石強(qiáng)度、可鉆性與聲波時差的關(guān)系建立了井底圍壓條件下巖石強(qiáng)度與可鉆性剖面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該地區(qū)井深大于3 000 m的地層巖石單軸抗壓強(qiáng)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(jié)果表明，無圍壓條件下該地區(qū)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(dá)到6以上；井底圍壓條件下該地區(qū)井深大于3 600 m的地層巖石可鉆性級值達(dá)到8～10。上述結(jié)果對于認(rèn)識東海西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層難以鉆進(jìn)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(dǎo)意義。

西湖凹陷；中央洼陷區(qū)；下部地層；巖石力學(xué)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(qū)、中央洼陷區(qū)和東部斷陷區(qū)[1]。鉆探結(jié)果表明，西湖凹陷中央洼陷區(qū)上部地層(柳浪組及以上地層)巖性主要以砂質(zhì)泥巖、砂巖、砂礫巖為主，夾有煤層，機(jī)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(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、泥巖、煤層砂巖、礫巖等組成，機(jī)械鉆速降低至10 m/h以下，有些地層的機(jī)械鉆速甚至降低至5 m/h以下，嚴(yán)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(biāo)，是地質(zhì)分層和鉆頭選型的重要依據(jù)，但由于石油工程巖心稀缺及試驗(yàn)成本較高，多數(shù)情況下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)不能滿足連續(xù)獲得巖石可鉆性的需求，為此發(fā)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(rèn)為是較為準(zhǔn)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(yīng)力及液柱壓力引起的井底圍壓效應(yīng)對巖石可鉆性的影響。本文以西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層為主要研究對象，開展巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)和可鉆性實(shí)驗(yàn)，利用聲波時差測井?dāng)?shù)據(jù)及摩爾-庫倫強(qiáng)度理論建立下部地層巖石強(qiáng)度與可鉆性剖面，以期為該地區(qū)鉆頭選型及深井鉆速提升提供可靠依據(jù)。

1 巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)樣品取自西湖凹陷中央洼陷區(qū)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(shí)驗(yàn)設(shè)備采用巖石三軸力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)，可以進(jìn)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(qiáng)度測試實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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

圖1 西湖凹陷中央洼陷區(qū)巖心應(yīng)力-應(yīng)變曲線

此外，該地區(qū)砂巖地層和泥頁巖地層交替出現(xiàn)，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(qū)深部地層巖石難以破碎的重要原因。

2 巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)

巖石可鉆性是鉆進(jìn)時巖石抵抗機(jī)械破碎能力的量化指標(biāo)[5],是工程鉆探中選擇鉆進(jìn)方法、鉆頭結(jié)構(gòu)類型、鉆進(jìn)工藝參數(shù)以及衡量鉆進(jìn)速度的主要依據(jù)。根據(jù)《SY/T 5426-2000 巖石可鉆性測定及分級方法》[6]，在鉆壓890 N、轉(zhuǎn)速55 rpm實(shí)驗(yàn)條件下，預(yù)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(shí)驗(yàn)所獲得的鉆進(jìn)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(jìn)時間平均值，s。

利用公式(1)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計算，并對計算結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 巖石強(qiáng)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?dāng)?shù)據(jù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間有很好的相關(guān)關(guān)系，通過建立測井?dāng)?shù)據(jù)與巖石力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系可以建立地層巖石力學(xué)特征剖面。同時，聲波時差也可為鉆頭選型提供參考依據(jù)[11]。通常巖石單軸抗壓強(qiáng)度與聲波時差的關(guān)系符合指數(shù)關(guān)系[12-13]，即

σ0=ae-bΔt

(2)

式(2)中：σ0為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;a、b為擬合系數(shù)，McNally等[14]通過260種砂巖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為a=1 100及b=0.036。

統(tǒng)計分析表明[15]，巖石抗壓強(qiáng)度與可鉆性一般具有較好的直線關(guān)系，即

kd=c+dσ1

(3)

式(3)中：c、d為擬合系數(shù)，閆鐵 等[16]通過砂巖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為c=2.445及d=0.038。

根據(jù)雙重有效應(yīng)力原理[17]，巖石骨架有效應(yīng)力為

σeff=σ-φpp

(4)

式(4)中：σeff為巖石骨架有效應(yīng)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(yīng)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(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，巖石強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系為

(6)

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

將巖石骨架有效應(yīng)力等同于實(shí)驗(yàn)圍壓來計算井底圍壓條件下的巖石強(qiáng)度。聯(lián)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(qiáng)度為

(7)

巖石內(nèi)聚力C0可由式(8)確定[18]，即

(8)

巖石內(nèi)摩擦角φ可由式(9)計算[15]，即

φ=38.24-0.321C0

(9)

聯(lián)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?dāng)?shù)據(jù)可以得到巖石單軸抗壓強(qiáng)度與可鉆性剖面。圖2為利用錄井?dāng)?shù)據(jù)和測井?dāng)?shù)據(jù)計算得到Y(jié)-1井井底巖石抗壓強(qiáng)度和可鉆性級值剖面，可以看出，所建立的巖石強(qiáng)度和可鉆性剖面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合：井深小于3 000 m時，巖石單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到60 MPa以上；井深大于4 000 m時，巖石單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)度的大幅度增加；同時，巖性的縱向大幅度變化導(dǎo)致巖石可鉆性變差，地層難以鉆進(jìn)。

從圖2還可以看出，隨著井深的增加，液柱壓力產(chǎn)生的圍壓效應(yīng)逐漸增加，巖石強(qiáng)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(qiáng)度提高了將近2倍，巖石可鉆性達(dá)到8～10級別，屬難鉆硬地層。

圖2 Y-1井井底圍壓下巖石強(qiáng)度與可鉆性剖面

4 結(jié)論

1) 西湖凹陷中央洼陷區(qū)下部地層巖石三軸力學(xué)與可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該地區(qū)下部地層巖石單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度的圍壓效應(yīng)顯著，圍壓40 MPa時的巖石強(qiáng)度達(dá)到250 MPa，并且地層巖性的縱向變化較大，導(dǎo)致地層難以鉆進(jìn)。

2) 建立了該地區(qū)巖石單軸抗壓強(qiáng)度與可鉆性剖面，計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。井深小于2 500 m時巖石單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(qū)井底圍壓條件下巖石強(qiáng)度和可鉆性剖面，結(jié)果表明，隨著井深的增加，液柱壓力產(chǎn)生的圍壓效應(yīng)愈加明顯，巖石強(qiáng)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(qiáng)度提高了將近2倍，可鉆性級值達(dá)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(yè)于原石油大學(xué)(華東)鉆井工程專業(yè)，長期從事海上油氣鉆完井工程技術(shù)研究和管理工作。地址：北京市東城區(qū)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(xiàng)“東海低孔低滲氣藏勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)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(qū)下部地層巖石力學(xué)特征與可鉆性實(shí)驗(yàn)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.