南海深部溫壓地層巖石可鉆性評(píng)價(jià)及應(yīng)用

紀(jì)慧， 朱亮*， 樓一珊， 吳永川， 楊鵬

(1.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院， 武漢 430100； 2. 油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430100； 3. 中海油田服務(wù)股份有限公司， 廊坊 065201； 4. 中石化華東石油工程有限公司， 南京 210000)

巖石可鉆性是評(píng)價(jià)地層抗鉆特性、優(yōu)選適合地層特性鉆頭的關(guān)鍵參數(shù)，是描述巖石破壞難度的綜合表征值[1-2]；巖石可鉆性大小及分布規(guī)律的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)對(duì)提高機(jī)械速和減少鉆井周期具有重要意義。近年來(lái)，南海深部地層在油氣勘探開(kāi)發(fā)上不斷取得新的突破，珠江口盆地已成為南海區(qū)域重要的海上油氣生產(chǎn)區(qū)[3-5]，隨著鉆井深度的加大，機(jī)械鉆速?gòu)纳喜康貙拥?0 m/h降至深部地層的5 m/h，降低了87.5%，嚴(yán)重影響海上油氣勘探開(kāi)發(fā)總體效率的提升，為此，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)以巖石可鉆性級(jí)值為代表的地層特性對(duì)珠江口盆地提高機(jī)械鉆速，保障高效安全開(kāi)發(fā)具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，南海珠江口盆地深部地層是高溫、高應(yīng)力環(huán)境[6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)可鉆性的研究通常是進(jìn)行常溫常壓下可鉆性測(cè)試，石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的可鉆性測(cè)試也是基于常溫常壓環(huán)境下的[7]，魏山棟等[8]通過(guò)圍壓下可鉆性實(shí)驗(yàn)表明常壓下巖石的可鉆性級(jí)值與實(shí)際井底壓力下差異較大，但沒(méi)有考慮到溫度對(duì)巖石可鉆性的影響，高美奔等[9]指出考慮溫度和圍壓雙因素的巖石特征分析方法更為客觀合理，巖石在地下是處于一種周向應(yīng)力且伴隨有高溫環(huán)境，依據(jù)常規(guī)條件下的可鉆性測(cè)試值，不能反映巖石在地下的真實(shí)狀態(tài)，不能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地層巖石抗鉆特征，會(huì)導(dǎo)致鉆頭切削齒設(shè)計(jì)不適合地層真實(shí)特性，從而導(dǎo)致鉆頭破巖效率不高，無(wú)法有效指導(dǎo)南海區(qū)域地層的鉆頭優(yōu)選?，F(xiàn)通過(guò)開(kāi)展高溫高圍壓條件下的可鉆性實(shí)驗(yàn)，建立考慮地層溫、壓因素的巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算模型，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)可鉆性，并通過(guò)ABAQUS軟件建模，對(duì)溫壓條件下聚晶金剛石復(fù)合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭切削齒后傾角進(jìn)行優(yōu)化分析，以期望對(duì)鉆頭精準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與優(yōu)選提供數(shù)據(jù)支撐，提高機(jī)械鉆速降低勘探成本。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及巖樣

1.1 高溫高圍壓可鉆性測(cè)定綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用高溫高壓全自動(dòng)可鉆性測(cè)定綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備，見(jiàn)圖1。該設(shè)備主要由自動(dòng)泵、巖石可鉆性測(cè)定儀、夾持器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)構(gòu)成。夾持器是該設(shè)備的核心部件，用于提供溫壓環(huán)境，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。夾持器溫度范圍是0～200 ℃，巖心圍壓范圍是0～100 MPa，夾持器所需的巖樣規(guī)格是圓柱形試樣Φ100 mm×80 mm。

圖1 高溫高圍壓可鉆性測(cè)定綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Comprehensive experimental equipment for high temperature and high pressure drillability measurement

圖2 高溫高圍壓夾持器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of high temperature and high pressure gripper

1.2 實(shí)驗(yàn)巖樣

實(shí)驗(yàn)樣品取自南海珠江口盆地主要目的層珠江組的巖心11塊，深度為2 320～2 381 m，根據(jù)地溫梯度及壓力梯度計(jì)算可知該深度地層溫度為100 ℃，圍壓為25 MPa，實(shí)驗(yàn)樣品加工成直徑100 mm、高80 mm的圓柱形，樣品兩端面是水平平面，沒(méi)有可見(jiàn)的裂縫。

2 溫壓條件下巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)及剖面建立

2.1 考慮溫壓條件的巖石可鉆性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試采用全自動(dòng)可鉆性測(cè)定儀器，開(kāi)展高溫高圍壓巖石可鉆性測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析溫度、圍壓?jiǎn)我蛩匾约皽貕厚詈蠗l件對(duì)巖石可鉆性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)操作流程是：加裝巖芯、自動(dòng)泵操作、加熱操作、鉆進(jìn)操作。打開(kāi)計(jì)算機(jī)中可鉆性測(cè)定程序，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置界面，選擇鉆頭類型、設(shè)置鉆壓、溫度和圍壓，選擇開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理界面，記錄包括溫度、圍壓、可鉆性級(jí)值等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

對(duì)11塊巖心共進(jìn)行21組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。溫壓?jiǎn)我蛩嘏c溫壓耦合條件對(duì)可鉆性級(jí)值影響規(guī)律，如圖3所示。

結(jié)合表1和圖3(a)可知，在溫度單因素作用下，當(dāng)溫度在20～180 ℃時(shí)，可鉆性級(jí)值在4.25左右，隨溫度變化影響較小，大于180 ℃時(shí)，可鉆性級(jí)值隨溫度增加有減小的趨勢(shì)，究其原因是存在一個(gè)使巖石發(fā)生熱裂紋的臨界溫度，砂巖的臨界溫度在180 ℃左右[10-11]；當(dāng)溫度低于該臨界溫度時(shí)，巖石不會(huì)因溫度變化而發(fā)生破壞，未出現(xiàn)熱裂紋，高于該溫度時(shí)，出現(xiàn)熱裂紋，彈性模量明顯下降，巖石強(qiáng)度降低，可鉆性級(jí)值減小，但溫度升高后，巖石將發(fā)生從脆性破壞向塑性破壞過(guò)渡，破碎前要經(jīng)歷較大塑性變形，因此可鉆性會(huì)降低。由圖3(b)可知，在圍壓?jiǎn)我蛩刈饔孟?，隨著圍壓增大，可鉆性級(jí)值增大，可鉆性級(jí)值與圍壓呈正相關(guān)；由圖3(c)可知，在溫壓耦合條件下，巖石的可鉆性級(jí)值隨圍壓變化更明顯，當(dāng)溫度高于180℃時(shí)，可鉆性級(jí)值與圍壓?jiǎn)我蛩叵啾炔町愝^大。因此當(dāng)溫度低于臨界溫度時(shí)可以不考慮溫壓耦合條件，當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)，考慮溫壓環(huán)境的可鉆性級(jí)值是更合理且更準(zhǔn)確的。

圖3 溫壓?jiǎn)我蛩嘏c溫壓耦合條件對(duì)可鉆性級(jí)值影響規(guī)律圖Fig.3 Influence of temperature and pressure single factor and temperature and pressure coupling condition on drillability level

表1 南海珠江組溫壓條件下巖石可鉆性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results of rock drillability under temperature and pressure in Zhujiang Formation, South China Sea

2.2 圍壓下巖石可鉆性模型及剖面建立

以往很多研究?jī)H從理論上描述了溫度和圍壓對(duì)巖石可鉆性的影響，而對(duì)溫度和圍壓條件下巖石可鉆性級(jí)值的定量計(jì)算相對(duì)較少。巖石可鉆性級(jí)值和巖石力學(xué)參數(shù)都跟測(cè)井資料有很強(qiáng)的相關(guān)性[12]，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可鉆性級(jí)值與圍壓呈正相關(guān)，高于臨界溫度180℃后，與溫度呈負(fù)相關(guān)，可以建立基于測(cè)井資料和溫壓下的巖石可鉆性級(jí)值模型和剖面。

李士斌等[13]通過(guò)大量砂泥巖實(shí)驗(yàn)，把抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、硬度等巖石力學(xué)參數(shù)通過(guò)多元回歸分析得到了常壓下可鉆性級(jí)值模型為

Kd=f(σc,E,μ,py)=3.912+0.011 3σc-

0.018 46E-0.579μ+0.026 6py

(1)

式(1)中：f()為函數(shù)關(guān)系；σc為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比；py為巖石硬度，MPa。

可鉆性與溫度和圍壓不是簡(jiǎn)單的一元關(guān)系，不能直接擬合得到，可以通過(guò)彈性模量、泊松比、硬度與溫度和圍壓的進(jìn)行回歸間接得到式(2)～式(4)，溫度對(duì)彈性模量影響較大，對(duì)抗壓強(qiáng)度、泊松比和硬度影響較小[14]，溫度與彈性模量的關(guān)系如式(5)所示[15]，抗壓強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式如式(6)所示。

Ec=f(Pc)=293.29Pc+14 490

(2)

μ=f(Pc)=0.002 9Pc+0.120 9

(3)

py=f(Pc)=py0+kPc

(4)

Et=21.262-14.210T/1 000

(5)

(6)

式中：Et為溫度下的彈性模量，MPa；Pc為圍壓值，MPa；T為溫度，℃；py0為常壓下巖石硬度，MPa，通過(guò)對(duì)常壓下巖石硬度與聲波時(shí)差進(jìn)行擬合得到；UCS為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；μd為動(dòng)態(tài)泊松比；Vsh為泥質(zhì)含量；ρ為地層密度，g/cm3；Vp為縱波速度，km/s。

將溫壓下巖石力學(xué)參數(shù)式(2)～式(5)以及用測(cè)井資料表示的抗壓強(qiáng)度式(6)代入常壓下巖石可鉆性級(jí)值公式[式(1)]，可以得到考慮圍壓時(shí)的巖石可鉆性級(jí)值模型為

Kdw=f(Pc)=-263.643-5.415 7Pc+

0.78Vsh)+44.400 7e-0.003Δt+0.026 6kPc

(7)

考慮溫度時(shí)的巖石可鉆性級(jí)值模型為

Kdt=f(T)=3.52+0.011A(1-2μd)×

0.262T/1 000-0.579μ+0.027py

(8)

式中：Kdw為圍壓下的可鉆性級(jí)值；Kdt為溫度下的可鉆性級(jí)值；Δt為縱波聲波時(shí)差，μs/ft；k為常數(shù)。得到的模型不僅包括聲波時(shí)差、地層密度、縱波速度等測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)還包括圍壓和溫度，能更加充分準(zhǔn)確地表示出巖石可鉆性級(jí)值，適用地層更廣，鉆遇溫壓地層時(shí)能以此作為參考。

根據(jù)得到的式(7)和式(8)可以計(jì)算南海珠江口盆地在圍壓和溫度條件下的可鉆性級(jí)值，對(duì)繪圖軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)后畫(huà)出剖面圖見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，實(shí)測(cè)值與溫壓模型較為吻合，在圍壓條件下，整個(gè)井段的可鉆性級(jí)值都有所增加，到珠江組下段可鉆性級(jí)值由3～4增加到5～6，增加了1～2級(jí)，由于鉆井深度的加大，地層溫度逐漸升高，可鉆性級(jí)值到深部地層隨溫度升高逐漸減小，可見(jiàn)溫壓環(huán)境都會(huì)對(duì)可鉆性有影響，因此在高溫高圍壓地層鉆井作業(yè)、優(yōu)選鉆頭等工程實(shí)踐時(shí)考慮溫壓因素很有必要。

圖4 有無(wú)溫壓條件下巖石可鉆性級(jí)值對(duì)比剖面圖Fig.4 Profile comparison of rock drillability level with and without confining pressure

3 溫壓條件下后傾角優(yōu)化仿真及應(yīng)用

3.1 有限元模型的建立

切削齒后傾角是PDC鉆頭設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)鉆頭破巖有顯著影響?；跍貕合聦?duì)可鉆性級(jí)值大小的認(rèn)識(shí)，為提高鉆頭對(duì)地層特性的適用性。通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行PDC鉆頭后傾角優(yōu)化仿真，分析了溫壓條件下不同PDC鉆頭后傾角破巖效率的高低，為優(yōu)化鉆頭切削齒參數(shù)提供指導(dǎo)和依據(jù)。為了更加真實(shí)地模擬室內(nèi)可鉆性微鉆實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，使結(jié)果更為精確，應(yīng)用PRO/E軟件建立了3個(gè)切削齒后傾角分別為20°、25°和30°的三維雙切削齒PDC微鉆頭模型，模型的側(cè)轉(zhuǎn)角為25°，復(fù)合片直徑為13.44 mm，該設(shè)計(jì)下的破巖效率較高，應(yīng)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行三維雙切削齒旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過(guò)程模擬，其中巖石模型為直徑200 mm、高80 mm的圓柱體，有限元模型主要材料(PDC層和砂巖)的力學(xué)參數(shù)如表2所示，其中砂巖的力學(xué)參數(shù)根據(jù)南海珠江組(溫度100 ℃，圍壓25 MPa)砂巖的力學(xué)參數(shù)得到，材料模型通過(guò)ABAQUS中的property模塊輸入。鉆頭和巖石的三維模型使用四面體和六面體單元(C3D10和C3D8T)進(jìn)行離散共劃分為60多萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，并對(duì)巖石網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，得到如圖5所示雙切削齒旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有限元網(wǎng)格模型。在實(shí)際鉆井時(shí)每個(gè)切削齒上承受的鉆壓一般為1 000 N，故設(shè)定鉆壓為2 000 N，巖樣下端固定，根據(jù)Shear damage準(zhǔn)則判斷巖石是否被破壞，并設(shè)置損傷演化系數(shù)。

圖5 雙切削齒旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)有限元網(wǎng)格模型Fig.5 Finite element mesh model of rotary drilling with double cutting teeth

表2 有限元模型主要材料的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of main materials in finite element model

3.2 模擬結(jié)果及分析

雙切削齒旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)后的巖石應(yīng)力云圖如圖6所示，可鉆性仿真過(guò)程中巖石破壞面與可鉆性實(shí)驗(yàn)基本相同，可以反映切削齒對(duì)巖石的作用效果，模擬效果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合，其中圈出部分為切削齒與巖石接觸的應(yīng)力集中區(qū)。

圖6 不同切削齒后傾角下巖石的應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of rock under different rake angles of cutting teeth

分析圖6可知，溫壓下后傾角為25°時(shí)切削齒與巖石接觸處產(chǎn)生的應(yīng)力最為集中，巖石的最大應(yīng)力值為1 009.5 MPa，比后傾角為20°和30°時(shí)巖石的最大應(yīng)力值都要大，原因是對(duì)于恒定圍壓下，機(jī)械比能隨后傾角的增加而增加[16]，且切削齒為25°時(shí)能更容易使巖石單元達(dá)到其強(qiáng)度極限而失效剝落，能更快破碎巖石，因此圍壓下切削齒后傾角設(shè)計(jì)為25°時(shí)破巖效率最高，通過(guò)數(shù)值模擬后的結(jié)果分析了溫壓條件下不同PDC鉆頭后傾角破巖效率的高低，可以為優(yōu)化鉆頭切削齒參數(shù)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的PDC切削齒后傾角是否有效，查閱并分析南海珠江口盆地已鉆井PY1的井史資料，該井使用的切削齒后傾角為20°，對(duì)鄰井相同地層的PY2和PY3井應(yīng)用給出的后傾角25°進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，鉆進(jìn)時(shí)保持其他參數(shù)不變，平均機(jī)械鉆速分別提高了31.71%、41.95%，結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)效果較好，達(dá)到了優(yōu)化預(yù)期目標(biāo)，考慮溫壓時(shí)的切削齒后傾角更加適合地層真實(shí)特性，能提高機(jī)械鉆速，具有較高使用價(jià)值。

表3 已鉆井與應(yīng)用井實(shí)鉆數(shù)據(jù)對(duì)比Table 3 Comparison of actual drilling data between drilled and applied wells

4 結(jié)論

(1)南海珠江口區(qū)域珠江組室內(nèi)溫壓條件可鉆性實(shí)驗(yàn)表明，在溫度單因素作用下，溫度在20～180 ℃，可鉆性級(jí)值隨溫度變化影響較小巖石未發(fā)生破壞未出現(xiàn)熱裂紋，當(dāng)?shù)販馗哂?80 ℃時(shí)，可鉆性級(jí)值隨溫度增加有減小的趨勢(shì)；在圍壓?jiǎn)我蛩刈饔孟聨r石可鉆性級(jí)值與圍壓呈正相關(guān)；在溫壓耦合作用下，當(dāng)溫度高于臨界溫度時(shí)考慮溫壓環(huán)境的可鉆性級(jí)值是更合理更準(zhǔn)確的。

(2)建立了考慮溫度和圍壓的可鉆性級(jí)值計(jì)算模型及剖面，適用地層更廣，實(shí)測(cè)值與溫壓模型較為吻合，在圍壓條件下，整個(gè)井段的可鉆性級(jí)值都有所增加，到珠江組下段可鉆性級(jí)值為5～6，增加了1～2級(jí)，深部地層巖石可鉆性級(jí)值隨溫度的升高而減小，在高溫高圍壓地層鉆井作業(yè)、優(yōu)選鉆頭等工程實(shí)踐時(shí)考慮溫壓因素是有必要的。

(3)應(yīng)用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行溫壓條件下后傾角優(yōu)化仿真，模擬結(jié)果分析得知溫壓條件下后傾角設(shè)計(jì)為25°時(shí)破巖效率最高，應(yīng)用給出的后傾角參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用井與已鉆井相比機(jī)械鉆速分別提高了31.71%、41.95%，可以為優(yōu)化鉆頭切削齒參數(shù)提供指導(dǎo)和依據(jù)。