四川盆地ZT地區(qū)頁(yè)巖氣井鉆時(shí)分析及靶體優(yōu)選

張涵冰 姚亞彬 牛 偉 廖茂杰 郭 寧 鄭 儒 何 葉 張連梁

(①中國(guó)石油浙江油田公司勘探開(kāi)發(fā)一體化中心；②中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司測(cè)井應(yīng)用研究院；③中國(guó)石油西南油氣田公司頁(yè)巖氣研究院； ④中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司吐哈分公司；⑤中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司青海分公司)

0 引 言

在頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層勘探開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選取儲(chǔ)集層品質(zhì)最優(yōu)層段作為水平井靶體，利于最大限度動(dòng)用最優(yōu)質(zhì)頁(yè)巖儲(chǔ)量，提高單井產(chǎn)量，同時(shí)兼顧頁(yè)巖可鉆性，優(yōu)選可鉆性好的層段還可縮短鉆井周期，達(dá)到快速建產(chǎn)的目的。楊洪志等[1]針對(duì)長(zhǎng)寧區(qū)塊五峰組-龍馬溪組頁(yè)巖氣儲(chǔ)集層量化頁(yè)巖氣井產(chǎn)能地質(zhì)主控因素，優(yōu)化水平井靶體；劉乃震等[2]對(duì)威遠(yuǎn)區(qū)塊頁(yè)巖氣甜點(diǎn)進(jìn)行厘定；陳海力等[3]從鉆井工程角度思考威遠(yuǎn)地區(qū)頁(yè)巖氣水平井優(yōu)快鉆井方案。盡管很少涉及從現(xiàn)場(chǎng)可鉆性角度考慮頁(yè)巖氣水平井優(yōu)質(zhì)靶體段，但多人對(duì)頁(yè)巖或泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層的可鉆性進(jìn)行了深入研究。李士斌等[4]、周啟成等[5]對(duì)大慶油田砂泥巖儲(chǔ)集層、焦石工區(qū)龍馬溪組泥頁(yè)巖儲(chǔ)集層采用分形理論對(duì)巖石可鉆性進(jìn)行研究；謝玄峰等[6]針對(duì)宜昌地區(qū)一口頁(yè)巖氣井地層可鉆性差的問(wèn)題進(jìn)行研究并提出技術(shù)對(duì)策。地層中大量燧石團(tuán)塊、純石英砂巖都會(huì)造成鉆進(jìn)困難，所以通過(guò)頁(yè)巖氣層段可鉆性分析，選取鉆時(shí)小的層段優(yōu)先開(kāi)發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-10]。筆者在四川盆地ZT地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)隨鉆跟蹤過(guò)程中，基于18口頁(yè)巖氣評(píng)價(jià)井鉆時(shí)特征、影響因素，對(duì)靶體優(yōu)選的意義開(kāi)展研究，通過(guò)鉆時(shí)主控因素分析、鉆時(shí)歸一化、鉆時(shí)與地質(zhì)品質(zhì)結(jié)合等技術(shù)手段，優(yōu)化選取ZT地區(qū)頁(yè)巖氣水平井靶體。

ZT地區(qū)目的層為志留系龍馬溪組和奧陶系五峰組，龍馬溪組可細(xì)分為龍馬溪組一段、龍馬溪組二段。其中龍馬溪組一段分為龍一1亞段、龍一2亞段，龍一1亞段再細(xì)分為龍一14、龍一13、龍一12、龍一11四個(gè)小層[11]。目前ZT地區(qū)主要在龍一1亞段開(kāi)展高效開(kāi)發(fā)工作，針對(duì)龍一1亞段內(nèi)部?jī)?yōu)質(zhì)靶體段優(yōu)選從儲(chǔ)集層品質(zhì)方面做過(guò)深入的研究，但很少涉及從現(xiàn)場(chǎng)可鉆性角度考慮優(yōu)質(zhì)靶體段，本文彌補(bǔ)了該不足。

1 鉆時(shí)特征分析

1.1 消除工程誤差

鉆時(shí)受到鉆進(jìn)施工作業(yè)影響較大。在取心作業(yè)時(shí)，由于控制鉆速的目的，取心段鉆時(shí)較未取心段大。同時(shí)，每趟取心作業(yè)時(shí)，磨心作業(yè)時(shí)鉆壓小、鉆時(shí)大。這些鉆時(shí)曲線均受到施工作業(yè)的影響，不能反映地層巖石真實(shí)的可鉆性，需要消除這些施工作業(yè)的影響才能得到真正反映地層巖性變化的鉆時(shí)資料(圖1)。消除誤差的方法是將磨心段的“假鉆時(shí)”通過(guò)均值濾波法濾掉，將取心層段的鉆時(shí)曲線進(jìn)行縱向和橫向?qū)Ρ?非取心層段和取心層段鉆時(shí)沒(méi)有可比性)。

1.2 鉆時(shí)形態(tài)特征

由于受到取心作業(yè)影響，龍馬溪組至五峰組鉆時(shí)形態(tài)表現(xiàn)為三種類型：Ⅰ型鉆時(shí)曲線上小下大，龍馬溪組、五峰組鉆時(shí)小，寶塔組鉆時(shí)大；Ⅱ型鉆時(shí)曲線中上大下小，龍一2亞段、寶塔組鉆時(shí)小，龍一1亞段、五峰組鉆時(shí)大；Ⅲ型鉆時(shí)曲線上大下小，龍一2亞段鉆時(shí)大，龍一1亞段、五峰組鉆時(shí)次之，寶塔組鉆時(shí)小(圖2)。具有Ⅱ型和Ⅲ型鉆時(shí)形態(tài)的井較少，主要是受到取心影響導(dǎo)致龍馬溪組至五峰組鉆時(shí)曲線失真，區(qū)域上龍馬溪組至五峰組鉆時(shí)形態(tài)以Ⅰ型為主。

圖1 取心作業(yè)影響鉆時(shí)曲線

圖2 ZT地區(qū)頁(yè)巖氣井龍馬溪組至五峰組鉆時(shí)形態(tài)

2 影響鉆時(shí)的主要因素

鉆時(shí)的影響因素主要有地層巖性、鉆壓、鉆井液性能、鉆頭類型等[12-13]。目前廣泛使用的鉆頭有三牙輪和PDC 兩種類型，一般來(lái)說(shuō)，使用PDC 鉆頭比使用三牙輪鉆頭鉆進(jìn)速度快。通常情況下，鉆井液密度大，則鉆時(shí)增加，反之，則鉆時(shí)減小。本文結(jié)合ZT地區(qū)地質(zhì)特征和實(shí)鉆錄井情況，總結(jié)出ZT地區(qū)鉆時(shí)主要影響因素為脆性礦物含量、鉆壓、地層埋深。

2.1 脆性礦物含量

一般情況下，巖性致密、硬度大，鉆時(shí)高；巖性疏松、硬度小，則鉆時(shí)低。但在頁(yè)巖鉆壓平穩(wěn)段，鉆時(shí)與脆性礦物含量呈負(fù)相關(guān)，脆性礦物含量越大，鉆時(shí)越小。石英、長(zhǎng)石等脆性礦物含量高有利于后期的壓裂改造形成裂縫，碳酸鹽礦物中白云石含量高的層段，易于溶蝕產(chǎn)生溶孔。根據(jù)頁(yè)巖巖石礦物組分與巖心脆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，脆性礦物主要包括石英、長(zhǎng)石、白云石和石灰石。石英和長(zhǎng)石含量的和為硅質(zhì)含量，白云石和石灰石含量的和為碳酸鹽巖含量，脆性礦物含量為硅質(zhì)含量和碳酸鹽巖含量之和。

ZT 2井1 796～1 803 m井段鉆壓、轉(zhuǎn)速、立管壓力變化不大。鉆壓在24.1～37.7 kN之間,轉(zhuǎn)速在57.1～60.3 r/min之間,立管壓力在3.5～4.1 MPa之間，脆性礦物含量在49%～79%之間，鉆時(shí)在73～113 min/m之間,且隨著脆性礦物含量增加(由55%升至73%)，鉆時(shí)減小(由82 min/m降至75 min/m)(圖3)。ZT 4井2 392～2 405 m井段鉆壓、轉(zhuǎn)速、立管壓力變化不大。鉆壓在36.5～42.8 kN之間,轉(zhuǎn)速在61.4～65.7 r/min之間,立管壓力在12.1～12.8 MPa之間，脆性礦物含量在42%～83%之間，鉆時(shí)在47～90 min/m之間,且隨著脆性礦物含量增加(由72%升至83%)，鉆時(shí)減小(由69 min/m降至53 min/m)(圖4)。

從ZT地區(qū)其他頁(yè)巖氣井鉆探過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律，可能的原因是脆性礦物含量發(fā)育造成微裂縫發(fā)育，從而導(dǎo)致巖石可鉆性變好。

2.2 鉆壓

鉆進(jìn)過(guò)程中，一般情況下，鉆壓越大，鉆時(shí)越??；鉆壓越小，則鉆時(shí)越大。ZT 2井1 793～1 795 m井段鉆壓平均為13 kN，鉆時(shí)平均為135 min/m；1 796～1 803 m井段鉆壓平均為33 kN，鉆時(shí)平均為88 min/m，隨著鉆壓增加，鉆時(shí)不斷減小(圖3)。ZT 4井2 379～2 384 m井段鉆壓平均為69 kN，鉆時(shí)平均為111 min/m；2 385～2 387 m井段鉆壓平均為54 kN，鉆時(shí)平均為176 min/m(圖4)，隨著鉆壓減小，鉆時(shí)不斷增加。

2.3 地層埋深

一般情況下埋深小于2 000 m的地層，鉆時(shí)小；埋深大于2 000 m的地層，鉆時(shí)隨著埋深的增大有不斷增加的趨勢(shì)，這和隨著地層加深，巖石固結(jié)致密，可鉆性差的基本趨勢(shì)是一致的。在埋深和鉆時(shí)的交會(huì)圖上，埋深和鉆時(shí)呈一定的正相關(guān)，但相關(guān)性不高(r2=0.367 4)，由于ZT地區(qū)頁(yè)巖礦物含量復(fù)雜，石英、碳酸鹽巖礦物、黏土礦物均較發(fā)育，且單井與單井之間礦物含量變化大，導(dǎo)致ZT地區(qū)在相同埋深段鉆壓不同。

圖3 ZT 2井綜合錄井圖

圖4 ZT 4井綜合錄井圖

3 可鉆性層段優(yōu)選

通過(guò)以上鉆時(shí)主控因素分析可知，地層脆性礦物含量、鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆壓、地層埋深主要決定了鉆時(shí)的大小。如何優(yōu)快鉆井，有效縮短鉆井周期，高質(zhì)高效完成鉆探任務(wù)是頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。在選取水平井靶體時(shí)，不僅要選取儲(chǔ)集層品質(zhì)優(yōu)的層段，而且要兼顧頁(yè)巖可鉆性，優(yōu)選可鉆性好的層段[14]。

3.1 歸一化鉆時(shí)

由于鉆進(jìn)時(shí)鉆壓、鉆井液密度、鉆井液材料等條件不同，造成不同井的鉆時(shí)曲線存在整體偏大或偏小的現(xiàn)象，不利于橫向多井對(duì)比。同時(shí)不同井的地層埋深、脆性礦物含量的變化也造成鉆時(shí)整體變化。故建立歸一化鉆時(shí)概念，消除不同井鉆時(shí)曲線的偏差。

式中：tnorm為歸一化鉆時(shí)，無(wú)量綱；tdepth為某深度鉆時(shí)，min/m；tmin為該井鉆時(shí)最小值，min/m；tmax為該井鉆時(shí)最大值，min/m。

通過(guò)歸一化校正，ZT地區(qū)A區(qū)域鉆時(shí)最小主要集中在龍一13層、龍一11層(圖5)；B區(qū)域鉆時(shí)最小主要集中在龍一11層、龍一12層(圖6)。

3.2 結(jié)合儲(chǔ)集層品質(zhì)優(yōu)選水平井靶體

ZT地區(qū)儲(chǔ)集層品質(zhì)評(píng)價(jià)主要依據(jù)儲(chǔ)集層的有機(jī)碳含量、有效孔隙度、總含氣量、脆性四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，最終將儲(chǔ)集層分為一類儲(chǔ)集層、二類儲(chǔ)集層、三類儲(chǔ)集層，其中一類儲(chǔ)集層是最優(yōu)質(zhì)的儲(chǔ)集層。ZT地區(qū)A區(qū)域和B區(qū)域一類儲(chǔ)集層主要集中在龍一11層、龍一12層(圖7)。

綜合儲(chǔ)集層品質(zhì)和鉆時(shí)特征，優(yōu)選儲(chǔ)集層品質(zhì)優(yōu)、可鉆性強(qiáng)的小層作為最優(yōu)水平井靶體，最終確定ZT地區(qū)A區(qū)域最優(yōu)水平井靶體為龍一11層；B區(qū)域最優(yōu)水平井靶體為龍一11層、龍一12層。采用以上優(yōu)選的靶體開(kāi)展水平井鉆進(jìn)，縮短水平井鉆進(jìn)周期至49 d。

圖5 ZT地區(qū)A區(qū)域鉆時(shí)統(tǒng)計(jì)直方圖

圖6 ZT地區(qū)B區(qū)域鉆時(shí)統(tǒng)計(jì)直方圖

圖7 ZT地區(qū)儲(chǔ)集層分類評(píng)價(jià)成果

4 結(jié) 論

(1)鉆時(shí)受取心、磨心作業(yè)影響較大，針對(duì)“假鉆時(shí)”采取均值濾波法校正。

(2)ZT地區(qū)鉆時(shí)主要影響因素為脆性礦物含量、鉆壓、地層埋深。在頁(yè)巖鉆壓平穩(wěn)段，鉆時(shí)與脆性礦物呈負(fù)相關(guān)，脆性礦物含量越大，鉆時(shí)越小，可能是因脆性礦物含量發(fā)育造成微裂縫發(fā)育而導(dǎo)致巖石可鉆性變好。鉆壓越大鉆時(shí)越小，鉆壓越小則鉆時(shí)越大；埋深小于2 000 m的地層鉆時(shí)小，埋深大于2 000 m后鉆時(shí)隨著地層埋深的增大有不斷增大的趨勢(shì)。

(3)建立歸一化鉆時(shí)概念，消除不同井鉆時(shí)曲線的偏差。通過(guò)歸一化校正，ZT地區(qū)A區(qū)域鉆時(shí)最小層位主要集中在龍一13層、龍一11層；B區(qū)域鉆時(shí)最小層位主要集中在龍一11層、龍一12層。

(4)綜合儲(chǔ)集層品質(zhì)和鉆時(shí)特征，優(yōu)選品質(zhì)優(yōu)、可鉆性強(qiáng)的小層作為最優(yōu)水平井靶體，最終確定ZT地區(qū)A區(qū)域最優(yōu)水平井靶體為龍一11層，ZT地區(qū)B區(qū)域最優(yōu)水平井靶體為龍一11層、龍一12層，為四川盆地ZT地區(qū)的頁(yè)巖水平井高效開(kāi)發(fā)提供了可靠依據(jù)。