川西雙魚石構(gòu)造難鉆地層巖石可鉆性及鉆頭選型研究與應(yīng)用

蘇 強(qiáng)， 何世明， 胡錫輝， 何 飛

(1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 2中國石油西南油氣田公司工程技術(shù)研究院)

川西北部雙魚石構(gòu)造ST1井在棲霞組鉆遇厚層孔隙型白云巖儲層，測試獲高產(chǎn)工業(yè)氣流87.6×104m3/d，拉開了川西北部地區(qū)雙魚石構(gòu)造棲霞組氣藏的勘探序幕。截止2019年3月，雙魚石區(qū)塊完鉆井11口，棲霞組測試井8口，井均測試產(chǎn)量46.17×104m3/d，顯示出川西北部下二疊統(tǒng)巨大的勘探開發(fā)潛力。雙魚石棲霞組氣藏屬于超深(大于7 000 m)、高溫、高壓、含硫氣藏，超深井鉆井工程面臨多壓力系統(tǒng)、多套地層可鉆性差、安全密度窗口窄等難點(diǎn)，其中縱向上自流井組、須家河組、吳家坪組、金寶石組等多套復(fù)雜難鉆地層，機(jī)械鉆速低，鉆頭壽命短，導(dǎo)致全井鉆井周期長，ST1井完鉆井深7 309 m，鉆井周期長達(dá)415 d，其中吳家坪組垂厚151 m，鉆進(jìn)時(shí)間達(dá)91 d(占全井21.9%)，機(jī)械鉆速僅為0.76 m/h，嚴(yán)重制約川西地區(qū)深層天然氣勘探開發(fā)進(jìn)程。

為解決雙魚石構(gòu)造超深井難鉆地層機(jī)械鉆速低、鉆井周期長這一難題，西南油氣田公司工程技術(shù)研究院開展了在地層壓力條件下的巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)研究，分析了巖石可鉆性級值影響因素及其變化規(guī)律[1]，擬合得到了雙魚石構(gòu)造三套難鉆地層的巖石可鉆性級值預(yù)測模型[2-4]，結(jié)合實(shí)鉆鉆頭失效分析，提出了適合不同地層的鉆頭特征參數(shù)及型號，建立了雙魚石構(gòu)造超深井高效鉆頭模板，現(xiàn)場試驗(yàn)提速效果顯著，7 500 m以上的超深井鉆井周期同比攻關(guān)前縮短了41.44%，顯著加快了川西地區(qū)深層氣藏整體勘探開發(fā)進(jìn)程。

一、巖石可鉆性研究

1.巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)

為分析雙魚石構(gòu)造難鉆地層在不同地層壓力條件下的巖石可鉆性特征，開展了吳家坪組、棲霞組、金寶石組三套地層的巖石露頭在圍壓(pc)分別為0、30、60 MPa，液柱壓力(pw)分別為0、30、60 MPa條件下的巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中測得的不同地層壓力下的鉆時(shí)-位移曲線如圖1(a)～(c)所示。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，按中國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《巖石可鉆性測定及分級方法》[5]，計(jì)算了在各地層壓力下的巖石平均可鉆性級值，結(jié)果如圖1(d)所示。

由圖1可知，吳家坪組、棲霞組和金寶石組三套地層巖石的可鉆性級值會隨著圍壓和液柱壓力的升高而增加。吳家坪組地層巖石可鉆性級值范圍介于6.91～9.41，棲霞組地層巖石可鉆性級值范圍介于6.59～9.12，金寶石組地層巖石可鉆性級值范圍分介于6.33～8.20。三套地層對液柱壓力和圍壓的敏感程度依次為棲霞組>吳家坪組>金寶石組。

圖1 不同地層壓力下的鉆時(shí)-位移曲線

2.巖石可鉆性級值擬合模型

根據(jù)在不同圍壓和液柱壓力下實(shí)測的巖石可鉆性級值結(jié)果，基于三次多項(xiàng)式插值方法[7-9]，對吳家坪組、棲霞組、金寶石組三套難鉆地層分別開展了多項(xiàng)式曲面擬合，所采用的巖石可鉆性級值多項(xiàng)式曲面擬合模型為：

(1)

式中：kd—巖石可鉆性級值；pc—圍壓，MPa；pw—井筒液柱壓力，MPa；a、b、c、d、e、f—均為擬合系數(shù)。

吳家坪組、棲霞組、金寶石組三個(gè)難鉆地層的多項(xiàng)式曲面擬合結(jié)果見圖2～圖4，表1給出了最終擬合得到的三地層的巖石可鉆性級值預(yù)測模型及其相關(guān)系數(shù)。

圖2 吳家坪組巖石可鉆性級值擬合曲面

圖3 棲霞組巖石可鉆性級值擬合曲面

圖4 金寶石組巖石可鉆性級值擬合曲面表1 可鉆性級值預(yù)測模型及其相關(guān)系數(shù)

地層可鉆性級值預(yù)測模型R2吳家坪組kd=2.259×10-4p2c+8.89×10-5pcpw-4.818×10-5p2w+ 1.162×10-2pc+1.403×10-2pw+6.9560.9996棲霞組kd=-2.901×10-4p2c-1.141×10-4pcpw+6.186×10-5p2w+2.431×10-2pc+3.853×10-2pw+6.5310.9996金寶石組kd=-3.431×10-4p2c-1.35×10-4pcpw+7.316×10-5p2w+2.898×10-2pc+2.672×10-2pw+6.2550.9986

3.巖石可鉆性影響因素分析

巖石可鉆性是一個(gè)綜合性指標(biāo)，受眾多因素的影響[16]，包括地層壓力情況、巖石微觀結(jié)構(gòu)、鉆頭破巖方式等，不同的影響因素對巖石可鉆性的影響機(jī)理并不相同，下面將分別對其進(jìn)行討論。

3.1 地層壓力對巖石可鉆性的影響

由圖2～圖4可知，液柱壓力對巖石可鉆性有顯著影響。吳家坪組、棲霞組、金寶石組三個(gè)地層的巖石可鉆性級值均會隨著井筒液柱壓力的增加而增大，其增長趨勢近似為一條直線。這表明，井筒液柱壓力越高，地層越難鉆，導(dǎo)致地層難鉆的原因一方面由于液柱壓力越高，鉆頭受到的阻力越大；另一方面，隨著井筒液柱壓力的增加，巖石破碎面上產(chǎn)生正應(yīng)力越大，壓持效應(yīng)也就越明顯，從而導(dǎo)致鉆時(shí)增加。

3.2 巖石微觀結(jié)構(gòu)對巖石可鉆性的影響

不同類型的巖石，其礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)差異很大。由圖5可知，吳家坪組膠結(jié)十分致密，多為片狀、層狀結(jié)構(gòu)，存在微小空隙和裂縫。棲霞組礦物邊界明顯，孔洞型白云巖儲層以中晶和粗晶白云巖為主，儲集空間以溶蝕孔洞為主，少量晶間孔、晶間溶孔，孔洞型儲層和孔隙型儲層間互發(fā)育。金寶石組有黏土礦物膠結(jié)，膠結(jié)程度較好，巖石致密，存在明顯的石英顆粒。

圖5 地層巖石微觀結(jié)構(gòu)

3.3 鉆頭破巖方式對巖石可鉆性的影響

PDC鉆頭的破巖方式包括剪切破碎、犁滑破碎以及研磨破碎三種[17]。隨著圍壓和液柱壓力的增加，巖石顆粒壓實(shí)程度顯著增加，破巖方式會由以剪切破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳缁扑楹脱心テ扑闉橹鳎茙r效率將會降低，導(dǎo)致鉆時(shí)增加。隨著圍壓和液柱壓力的增加，巖樣破碎坑中的研磨痕跡也越來越明顯。因此在高圍壓和液柱壓力下，PDC切屑齒的磨損速度更快，從而導(dǎo)致鉆頭使用壽命變短。

4.巖石可鉆性級值修正

根據(jù)現(xiàn)場提供的ST3井的地層壓力數(shù)據(jù)以及本文建立的可鉆性級值預(yù)測模型，分別對三個(gè)地層進(jìn)行了巖石可鉆性級值修正。吳家坪組修正后的巖石可鉆性級值介于8.5～11.5之間，平均值為10.0；棲霞組修正后的巖石可鉆性級值介于8.5～13.0之間，平均值為11.0；金寶石組修正后的巖石可鉆性級值介于10.5～14.5之間，平均值為12.5。隨著地層深度的增加，巖石可鉆性級值越大，地層越難鉆。

二、鉆頭選型研究與應(yīng)用

1.鉆頭失效分析

以吳家坪組地層為例，對前期井鉆頭使用情況進(jìn)行了失效分析。吳家坪組地層前期試驗(yàn)了多類型的鉆頭，包括牙輪鉆頭、進(jìn)口及國產(chǎn)的PDC鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭，效果均不太理想。選取燧石結(jié)核較發(fā)育的ST3吳家坪組使用的2只PDC鉆頭進(jìn)行典型失效特征分析，見圖6。

鉆頭型號：?241.3 mm WS566BEH；設(shè)計(jì)特征：6刀翼，中短拋物線冠頂，?13 mm切屑齒，中密度布齒，后備齒加強(qiáng)布齒；鉆進(jìn)地層：二疊系吳家坪組；鉆進(jìn)井段：6970.86～6984.13 m，進(jìn)尺13.27 m，機(jī)速0.65 m/h；起鉆原因：鉆時(shí)變慢；磨損情況：內(nèi)區(qū)自銳磨損、外區(qū)環(huán)槽磨損；內(nèi)區(qū)磨損2級，外區(qū)齒磨損8級；磨損位置集中在肩部和鼻部區(qū)域，鉆頭直徑磨損量10 mm以上。

圖6 雙探3井吳家坪組WS566BEH型PDC鉆頭失效特征

圖7 MV616TAXU非平面切屑齒PDC鉆頭示意圖

2.鉆頭選型及現(xiàn)場應(yīng)用

吳家坪組地層燧石結(jié)核、燧石條帶發(fā)育，且分布不均勻，地層條件下的可鉆性級值在8.5～11.5，鉆齒難以吃入地層，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭受力不均，工作穩(wěn)定性差，異常振動是造成鉆頭嚴(yán)重失效的主要原因，著力提高鉆頭工作穩(wěn)定性、提高布齒密度，預(yù)防切削齒的異常失效是該地層鉆頭選型的關(guān)鍵。針對該地層的巖石力學(xué)及可鉆性特征，優(yōu)選了MV616TAXU型六刀翼、?16 mm非平面雙排切屑齒PDC鉆頭(見圖7)，顯著提高鉆頭的抗沖擊能力和破巖效率，在SY132井吳家坪組地層進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，單只鉆頭進(jìn)尺152.1 m，機(jī)械鉆速1.72 m/h，同比攻關(guān)前ST1井機(jī)械鉆速提高了125%，創(chuàng)造了雙魚石構(gòu)造吳家坪組地層單只鉆頭最大進(jìn)尺和最高機(jī)速兩項(xiàng)指標(biāo)，基本實(shí)現(xiàn)了單只鉆頭一趟鉆穿越吳家坪組地層。

基于不同地層的巖石力學(xué)參數(shù)和可鉆性特征，持續(xù)開展鉆頭選型研究及現(xiàn)場試驗(yàn)，形成了適合雙魚石構(gòu)造超深井的高效鉆頭模板(表2)，有效指導(dǎo)了ST8、ST10井等井鉆井提速，試驗(yàn)井機(jī)械鉆速同比攻關(guān)前均有大幅度提高，其中ST10井刷新了雙魚石區(qū)塊7 500 m以上超深井最快鉆井紀(jì)錄，完鉆周期242.8 d(圖8)。

表2 雙魚石構(gòu)造高效鉆頭模板表

圖8 雙魚石區(qū)塊鉆井技術(shù)指標(biāo)對比圖

三、結(jié)論

(1)井筒液柱壓力對巖石可鉆性有顯著影響，巖石可鉆性級值均會隨著井筒液柱壓力的增加而增大，其增長趨勢近似為一條直線。

(2)建立了三套地層巖石的可鉆性級值預(yù)測模型，基于現(xiàn)場實(shí)際壓力數(shù)據(jù)得到了修正后的巖石可鉆性級值，結(jié)果表明：吳家坪組巖石平均可鉆性級值為10.0，棲霞組巖石平均可鉆性級值為11.0，金寶石組巖石平均可鉆性級值為12.5。隨著地層深度的增加，巖石可鉆性級值越大，地層越難鉆。

(3)基于巖石可鉆性研究，結(jié)合前期實(shí)鉆鉆頭失效分析，提出了適合不同地層的鉆頭特征參數(shù)及型號，建立了適合雙魚石構(gòu)造超深井高效鉆頭模板，現(xiàn)場試驗(yàn)提速效果顯著，在SY132井基本實(shí)現(xiàn)了吳家坪組地層一趟鉆，有效指導(dǎo)了ST10等井鉆井提速，顯著加快了川西地區(qū)深層天然氣勘探開發(fā)進(jìn)程。