泉子街地區(qū)地層可鉆性分析及鉆頭選型

熊虎林， 徐龍生

(1.新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第九地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830009； 2.核工業(yè)二三〇研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

2016—2017年，新疆地礦局第九地質(zhì)大隊(duì)承擔(dān)了新疆吉木薩爾縣泉子街區(qū)塊頁(yè)巖氣戰(zhàn)略選區(qū)調(diào)查任務(wù)，該項(xiàng)目為新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)勘查基金項(xiàng)目。項(xiàng)目施工以二疊系蘆草溝組上段烴源巖為主要目的層，采用油氣勘探線剖面測(cè)量、油氣二維地震、鉆探施工和錄井、測(cè)井技術(shù)，調(diào)查區(qū)內(nèi)頁(yè)巖氣烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度、厚度分布、埋深、構(gòu)造、儲(chǔ)層物性及含氣性等特征，獲取氣層評(píng)價(jià)參數(shù)；探索區(qū)內(nèi)頁(yè)巖氣分布與富集條件，綜合確定泉子街區(qū)塊內(nèi)先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)范圍。在先導(dǎo)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行參數(shù)井施工，獲取頁(yè)巖氣產(chǎn)能評(píng)價(jià)資料。

1 鉆井施工情況

1.1 區(qū)塊內(nèi)鉆井情況

區(qū)塊內(nèi)施工了準(zhǔn)頁(yè)4井，該井為參數(shù)井，設(shè)計(jì)井深3300.00 m，?215.9 mm口徑完鉆井深3439.50 m；全井取心20回次，取心段總長(zhǎng)117.81 m，巖心總長(zhǎng)110.56 m，平均采取率93.8%。施工周期209 d，鉆機(jī)月速度493.63 m/臺(tái)月，機(jī)械鉆速697.10 m/臺(tái)月。目的層烴源巖氣測(cè)反應(yīng)良好，通過(guò)測(cè)井資料優(yōu)選壓裂層段，現(xiàn)該井已進(jìn)入壓裂施工階段。

1.2 鉆遇地層情況

區(qū)內(nèi)地層主要包括第四系全新統(tǒng)，新近系上新統(tǒng)昌吉河群(N2ch)，三疊系中—晚三疊統(tǒng)小泉溝群(T2-3xq)、早三疊統(tǒng)燒房溝組(T1s)、韭菜園組(T1j)，二疊系梧桐溝組(P3w)、泉子街組(P3q)、蘆草溝組(P2l)。以蘆草溝組黑色炭質(zhì)泥頁(yè)巖夾油頁(yè)巖為主要目的層，完鉆層位為蘆草溝組下段。準(zhǔn)頁(yè)4井實(shí)際揭露地層情況見(jiàn)表1。

表1 準(zhǔn)頁(yè)4井實(shí)際揭露地層情況

2 可鉆性分析及評(píng)價(jià)

巖石可鉆性是指巖石抵抗鉆進(jìn)破碎的能力，主要包括兩方面的內(nèi)容，即巖石本身強(qiáng)度和破碎難度，另一方面就是巖石在一定的鉆井工藝技術(shù)和鉆井工具條件下，被破碎的難易程度。通過(guò)巖樣測(cè)試、實(shí)鉆數(shù)據(jù)結(jié)合測(cè)井地層聲波時(shí)差數(shù)據(jù)綜合分析巖石可鉆性并提出鉆頭選型、井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

大量研究表明，巖石的縱波時(shí)差、密度和泥質(zhì)含量是影響巖石彈性和強(qiáng)度的重要因素。聲波時(shí)差可得出聲波在地層中的傳播速度，從而間接反應(yīng)地層巖石硬度、彈性模量、泊松比等力學(xué)性質(zhì)。

2.1 聲波時(shí)差與可鉆性級(jí)值相關(guān)關(guān)系模型建立

國(guó)內(nèi)石油鉆井研究者通過(guò)微鉆試驗(yàn)、巖石力學(xué)測(cè)試、實(shí)鉆數(shù)據(jù)收集等方法，表明牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)地層可鉆性與聲波時(shí)差的相關(guān)關(guān)系，對(duì)數(shù)函數(shù)相關(guān)性最大。其表達(dá)式雖各有差別，但總體變化趨于一致。一般的，巖石密度高，聲波時(shí)差值越低，地層可鉆性級(jí)值越高[1]。

按《巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法》(SY/T 5426-2000)規(guī)定，可通過(guò)微鉆試驗(yàn)確定巖樣可鉆性級(jí)值。即使用特制微牙輪鉆頭，以一定的鉆壓(890 N±20 N)和轉(zhuǎn)速(55 r/min±1 r/min)在巖樣上鉆3個(gè)深度為2.4 mm的孔，取3個(gè)孔鉆進(jìn)時(shí)間的平均值為巖樣的鉆時(shí)(td)，對(duì)td取以2為底的對(duì)數(shù)值作為該巖樣的可鉆性級(jí)值Kd，計(jì)算公式為Kd=log2t。

取目的層段巖樣在全自動(dòng)可鉆性測(cè)試儀上進(jìn)行了牙輪鉆頭微鉆試驗(yàn)，獲取了巖樣牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值；并通過(guò)TAW2000微機(jī)控制巖石三軸試驗(yàn)機(jī)完成了巖樣硬度測(cè)試。表2為巖樣可鉆性級(jí)值及硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)測(cè)井資料對(duì)應(yīng)列出了相應(yīng)取樣深度的巖石聲波時(shí)差。

表2 準(zhǔn)頁(yè)4井巖樣牙輪鉆頭可鉆性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

利用表2中巖樣的8個(gè)可鉆性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，結(jié)合該地區(qū)實(shí)鉆資料，以聲波時(shí)差數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，可鉆性級(jí)值為縱坐標(biāo)，選用對(duì)數(shù)函數(shù)模型來(lái)擬合巖石可鉆性和聲波時(shí)差間的關(guān)系。

圖1為所測(cè)試巖樣牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)深度處聲波時(shí)差數(shù)據(jù)所獲得的相關(guān)關(guān)系曲線[2-3]。

參考前人對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地地層可鉆性研究資料，孫連環(huán)等以聲波時(shí)差和巖石密度表征地層可鉆性[4]。通過(guò)回歸分析建立牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差值之間的關(guān)系如下：

Kd=-6.13ln(Ac)+38.45

式中：Kd——地層牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值；Ac——聲波時(shí)差，μs/m。

應(yīng)用F檢驗(yàn)法對(duì)上式進(jìn)行回歸顯著性檢驗(yàn)，初步判斷，回歸效果顯著。

圖1 所測(cè)地層牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差的關(guān)系

2.2 可鉆性級(jí)值對(duì)應(yīng)地層鉆時(shí)分析

準(zhǔn)頁(yè)4井第四系以礫石層為主，礫徑0.5～10 cm，昌吉河群上部礫巖較多，砂礫巖與泥巖互層為其主要特征。鉆井過(guò)程中出于井斜控制需要，采用小鉆壓吊打。鉆時(shí)較高，在此不作討論。

根據(jù)可鉆性評(píng)價(jià)模型，對(duì)照準(zhǔn)頁(yè)4井1000 m以深聲波時(shí)差測(cè)井資料及巖石密度資料。做出聲波時(shí)差與可鉆性級(jí)值對(duì)應(yīng)圖見(jiàn)圖2。

圖2 準(zhǔn)頁(yè)4井聲波時(shí)差與可鉆性級(jí)值對(duì)應(yīng)圖

分析圖2，小泉溝群地層平均可鉆性級(jí)值5.94，變化較大；牙輪鉆頭平均鉆速2.63 m/h。結(jié)合巖屑錄井資料，小泉溝群(1000～1474.15 m)礫巖、砂巖與泥巖、炭質(zhì)泥巖互層，夾薄煤，故地層可鉆性級(jí)值表現(xiàn)在圖上起伏明顯。

燒房溝組-韭菜園組(1474.15～2133.99 m)，平均可鉆性級(jí)值6.05，平均機(jī)械鉆速2.58 m/h，地層以砂巖、砂礫巖、泥巖互層，砂巖硅質(zhì)含量高。

梧桐溝組-泉子街組(2133.99～2753.24 m)，牙輪鉆頭平均鉆速2.14 m/h，可鉆性級(jí)值6.43。

鉆井自2753.24 m進(jìn)入蘆草溝組目的層，間斷取心，全面鉆進(jìn)全部使用牙輪鉆頭，取心使用PDC鉆頭。牙輪鉆頭可鉆性級(jí)值6.48，平均機(jī)械鉆速1.52 m/h。據(jù)測(cè)井資料，去鈾伽馬相對(duì)減小，中子和密度分開(kāi)度減小，釷鉀分開(kāi)度相對(duì)減小，表明泥質(zhì)含量相對(duì)降低。對(duì)應(yīng)深度段硅質(zhì)含量相對(duì)增加，平均為53.7%[5]。按《巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法》(SY/T 5426-2000)，屬中硬-硬地層。

3 巖樣力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

準(zhǔn)頁(yè)4井全井僅在目的層段間斷取心，故力學(xué)試驗(yàn)巖樣全部取自目的層段(2753.24～3439.50 m)。累計(jì)取力學(xué)巖樣10個(gè)，圍壓取值0及30 MPa條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3巖心巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，蘆草溝組巖樣泊松比參照圍壓為0時(shí)數(shù)據(jù)在0.104～0.315之間，平均值為0.178。單軸抗壓強(qiáng)度較高。

分析巖樣抗壓強(qiáng)度，圍壓為0時(shí)，可視作單軸抗壓強(qiáng)度，但也僅能作為巖石抗壓強(qiáng)度下限。圍壓為30 MPa時(shí)，抗壓強(qiáng)度63.71～236.75 MPa，平均值為137.90 MPa。受?chē)鷫河绊?，巖石的三軸抗壓強(qiáng)度明顯大于單軸抗壓強(qiáng)度，比值范圍1.4～5.3。且?guī)r樣致密程度很高，表現(xiàn)出很高的單軸抗壓強(qiáng)度。

綜合分析10組巖樣抗壓強(qiáng)度，彈性模量為4.94～32.31 GPa，脆性特征不明顯。從硬度分析，測(cè)試8組樣品中，硬度714.2～1814.2 MPa，平均為1113.07 MPa。

4 結(jié)合鉆頭使用綜合分析地層可鉆性

表4列出了具備較高鉆速的鉆頭的使用情況，全井牙輪、PDC鉆頭交互使用。

準(zhǔn)頁(yè)4井第四系和新近系昌吉河群使用牙輪、鉆頭鉆進(jìn)，卵礫石層礫徑大，采用輕壓吊打，控制井斜，鉆時(shí)很高。以下匯總典型層位鉆頭使用情況及可鉆性級(jí)值分析。

表3 準(zhǔn)頁(yè)4井巖樣力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 準(zhǔn)頁(yè)4井鉆頭使用情況

4.1 韭菜園組(T1j)

前期采用HG517牙輪鉆頭鉆進(jìn)，機(jī)械鉆速僅1.05 m/h。換貝克休斯PDC(BKSH1955LT)鉆頭，該鉆頭采用平滑切削技術(shù)控制切削深度，減輕鉆頭振動(dòng)；肋骨式切削齒設(shè)計(jì)，提升切削齒強(qiáng)度。鉆速提升明顯，達(dá)到2.68 m/h。該層位平均可鉆性級(jí)值6.15。

4.2 梧桐溝組(P3w)

使用DB117及GS605型PDC鉆頭，采用轉(zhuǎn)盤(pán)+高速螺桿驅(qū)動(dòng)，均出現(xiàn)掉、崩、碎齒等問(wèn)題，造成鉆頭的先期損壞。主要原因?yàn)椴箭X設(shè)計(jì)存在一些不合理的地方，布齒設(shè)計(jì)的不足使得某些部位的切削齒受力較大容易產(chǎn)生先期損壞。應(yīng)使用自銳性強(qiáng)、抗沖擊性能好的切削齒，并優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)形式，提高鉆頭的工作穩(wěn)定性。該層位平均可鉆性級(jí)值6.37。

4.3 泉子街組(P3q)

井段夾層多，巖性復(fù)雜，鉆遇軟硬交錯(cuò)層段6層，可鉆性級(jí)值4.00～6.90，不均質(zhì)現(xiàn)象明顯，推薦選用具有減震結(jié)構(gòu)的PDC鉆頭以提高鉆頭穿越夾層的能力。

4.4 蘆草溝組(P2l)

蘆草溝組為鉆井目的層，全面鉆進(jìn)使用LST617GL及T517G型牙輪鉆頭。該層位可鉆性級(jí)值平均6.46，最高達(dá)7.45。兩類鉆頭從齒形設(shè)計(jì)到布齒數(shù)量均不能滿足地層鉆進(jìn)要求。

牙輪鉆頭可鉆性試樣均取自該層位，通過(guò)聲波時(shí)差曲線建立的可鉆性級(jí)值剖面與實(shí)測(cè)可鉆性級(jí)值對(duì)比，8個(gè)試驗(yàn)巖樣平均可鉆性級(jí)值5.91，處理后目的層位平均可鉆性級(jí)值6.41，相對(duì)偏差7.8%。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)建立可鉆性級(jí)值求取模型，結(jié)合實(shí)鉆資料，獲取了泉子街地區(qū)昌吉河群至蘆草溝上段地層可鉆性剖面。牙輪鉆頭可鉆性測(cè)定巖樣均取自蘆草溝組，存在樣本選取層位單一及數(shù)量不足等問(wèn)題。

(2)泉子街地區(qū)昌吉河群至蘆草溝上段地層可鉆性級(jí)值平均為6.03，最大值為7.45?？摄@性級(jí)值剖面與實(shí)鉆情況基本吻合。

(3)蘆草溝組上段為頁(yè)巖氣成藏段，也是鉆井目的層位，泥質(zhì)含量高，巖石平均密度2.73g/cm3。推薦使用HJ537G寬齒三牙輪鉆頭。該鉆頭采用寬頂勺形齒為主切削齒，提高了牙輪的井底破碎體積和鉆頭井底覆蓋率；大偏移值設(shè)計(jì)，提高了牙齒在井底的剪切滑移距離，增強(qiáng)了鉆頭破碎巖石的體積。