利用巖屑元素含量評價(jià)巖石可鉆性方法研究

李春山, 李 偉， 何亞彬

(1中國石油大學(xué)·華東 2新疆克拉瑪依市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì) 3西南油氣田分公司川中油氣礦)

巖石可鉆性是指在一定鉆頭規(guī)格、類型及鉆井工藝條件下巖石抵抗鉆頭破碎的能力[1]。巖石可鉆性是指導(dǎo)地質(zhì)分層及鉆頭選型工作的重要參數(shù)，是決定鉆進(jìn)效率的基本因素[2]。目前評價(jià)巖石可鉆性的方法主要有壓入硬度法、微鉆頭鉆進(jìn)法、鉆速方程反推法、利用測井參數(shù)預(yù)測法和巖屑硬度法[3]。這些評價(jià)巖石可鉆性的方法，成本較高且不能實(shí)時(shí)評價(jià)巖石可鉆性，本文提出了一種新的巖石可鉆性評價(jià)方法，通過對巖屑進(jìn)行元素含量分析，利用元素含量評價(jià)巖石可鉆性，這樣，可以實(shí)時(shí)評價(jià)巖石可鉆性。

一、影響巖石可鉆性的主要因素

影響巖石可鉆性的因素雖然有很多，但是真正引起可鉆性變化的主要原因還在于巖石的礦物成分和結(jié)構(gòu)，它決定了巖石的抗鉆能力[4]。地層主要由巖石構(gòu)成，每種巖石由不同的礦物組成，每種礦物均由固定的化學(xué)元素構(gòu)成，因此可以通過元素含量評價(jià)巖石可鉆性。

不同的礦物所含的物質(zhì)不同，可通過相應(yīng)的元素反映出來[5]，例如，Si元素主要與石英關(guān)系密切，Si主要富集在砂巖、硅質(zhì)巖等沉積巖中。K、Al元素含量與黏土(高嶺石、伊利石、蒙脫石、綠泥石、海綠石等)含量密切相關(guān)，可通過K、Al等元素判斷黏土礦物含量。Ca元素與方解石和白云石密切相關(guān)，主要集中在碳酸鹽巖石中，白云質(zhì)巖石中同時(shí)富集了Ca和Mg。

二、巖屑元素含量的測定方法

巖屑元素含量的分析方法有多種，本文采用一種既簡便又快捷，且適用于現(xiàn)場應(yīng)用的分析方法——X射線熒光巖屑分析儀對巖屑進(jìn)行分析，得到巖屑的各種主要元素含量。該儀器可以分析巖屑中Ca、Mg、Si、Fe、Al、K等22種元素的含量。

本文針對四川磨溪地區(qū)進(jìn)行了研究，對該地區(qū)7口井進(jìn)行了巖屑元素分析，分析樣品達(dá)到3 600余個(gè)，獲得了相應(yīng)的元素分析資料。

三、元素含量與巖石可鉆性關(guān)系分析

由上述分析可知，巖石可鉆性與礦物成分密切相關(guān)，而礦物成分又與其所含元素有關(guān)，因此本文試圖通過對元素含量的分析，探索元素含量與巖石可鉆性之間的關(guān)系。

通過對XRF巖屑元素含量的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)選、分析，優(yōu)選出與巖性密切相關(guān)的Ca、Mg、Si、Fe、Al、K 6個(gè)主要元素，本文以XX1井為例，將以上6種元素的含量及巖性剖面、可鉆性級值繪制成圖進(jìn)行分析，如圖1所示，其中可鉆性資料利用測井?dāng)?shù)據(jù)處理獲得。該井從4 547～4 563 m地層為棲一段，巖性主要為石灰?guī)r，可鉆性級值在6.95～7.21之間，Ca元素含量較高，其余五種元素含量均低；4 563～4 574 m地層為梁山組，巖性主要為砂泥巖，可鉆性級值在4.78～6.22之間，Ca元素含量降低，Mg元素含量較低，其余四種元素含量均較高；4 574～4 595 m地層為高臺組，巖性主要為含砂質(zhì)白云巖，可鉆性級值在6.48～7.62之間，Ca、Mg元素含量大幅上升，其余元素含量均下降；4 595～4 691 m地層為龍王廟組，巖性主要為白云巖，可鉆性級值在6.8～8.18之間，Ca、Mg元素含量較高，其余元素含量較低；4 691～4 748 m地層為滄浪鋪組，巖性主要為砂泥巖，可鉆性級值在5.7～7.88之間，Ca、Mg元素含量大幅下降，Si、Al、K含量上升，F(xiàn)e元素含量較低。

圖1 XX1井元素含量及可鉆性級值曲線圖

從以上分析可知，元素含量與巖石可鉆性存在一定的相關(guān)關(guān)系，主要表現(xiàn)為：

(1)Si元素在砂泥巖中含量較高，石灰?guī)r、白云巖中含量較低。在砂泥巖剖面中，Si元素含量代表著砂質(zhì)含量，Si元素含量越高，巖石越難鉆，可鉆性級值越大，與可鉆性級值呈正相關(guān)。在碳酸鹽巖剖面中，Si元素含量與可鉆性級值呈負(fù)相關(guān)。

(2)K、Al含量代表著泥質(zhì)含量，其含量在砂泥巖中最高，碳酸鹽巖中最低。K、Al含量與可鉆性級值呈負(fù)相關(guān)。

(3)Ca、Mg元素含量之間有較強(qiáng)的相關(guān)性，其含量代表著碳酸鹽巖含量。因此其含量在碳酸鹽巖中較高，在砂泥巖中較低。可鉆性級值與Ca、Mg含量成正相關(guān)。在碳酸鹽巖剖面中，Mg元素含量主要代表白云巖的含量變化，從圖中可以看出，Mg元素含量在白云巖段最高，此段可鉆性級值也最高，而Mg元素含量在灰?guī)r段有明顯降低，因此此段可鉆性也略有降低。

(4)Fe元素代表泥質(zhì)含量。其含量在砂泥巖中最高，碳酸鹽巖中最低。Fe元素含量與可鉆性級值呈負(fù)相關(guān)。

四、巖石可鉆性預(yù)測模型的建立

將影響巖石可鉆性的主要元素Si、Mg、Al、K、Ca、Fe進(jìn)行多元回歸分析，利用該地區(qū)7口井的數(shù)據(jù)資料，得到該地區(qū)可鉆性級值預(yù)測方程：

Kd=7.867+0.019Mg-0.067Al-0.016Si+0.138K-0.017Ca-0.007Fe

式中：Kd—鉆性極值，無因次；Mg、Al、Si、K、Ca、Fe—分別為巖屑中鎂、鋁、硅、鉀、鈣、鐵元素含量，%。

該方程的相關(guān)系數(shù)為0.753 92。利用此方程，得到各井的可鉆性級值剖面。圖1中“可鉆性級值1”為利用本模型計(jì)算的巖石可鉆性級值，通過與巖石可鉆性級值曲線對比可見，二者吻合度極高，說明應(yīng)用此種方法預(yù)測可鉆性可行。

本方法使用的是巖屑的元素含量分析數(shù)據(jù)，樣品分析可在現(xiàn)場完成，因此非常及時(shí)；測量樣品為巖屑，取樣方便，而且不需特別加工，成本低、評價(jià)速度快；本模型是用磨溪地區(qū)數(shù)據(jù)獲得，僅適用該地區(qū)；其它地區(qū)須用本地區(qū)的資料進(jìn)行分析得到相應(yīng)的計(jì)算模型才能使用。

五、結(jié)論

(1)分析表明巖石可鉆性與巖屑的元素含量存在相關(guān)關(guān)系。

(2)通過對磨溪地區(qū)7口井的資料分析，得出了該地區(qū)的巖石可鉆性計(jì)算模型。

(3)探索了一種利用巖屑元素含量評價(jià)巖石可鉆性的新方法。