順北二疊系火成巖地層抗鉆特性預(yù)測(cè)及應(yīng)用研究

劉景濤， 黃 勇， 李文霞

1中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院 2中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院

0 引言

順北油田位于塔里木盆地順托果勒隆起北部，總面積約2×104km2，油氣資源量豐富，勘探前景十分樂觀[1- 2]。順北油田儲(chǔ)層之上的古生界巖性復(fù)雜，井下事故多、鉆井難度大、提速困難，其中以二疊系地層最為突出[3- 7]。由于二疊系地層以火成巖為主，埋藏深、厚度大，現(xiàn)階段采用的鉆井工藝方案應(yīng)用效果差，鉆井效率低、施工周期長(zhǎng)，成本高[8- 9]。完鉆數(shù)據(jù)表明，二疊系地層進(jìn)尺僅14.0 m/d，平均需要8趟鉆完成進(jìn)尺，提速增效需求十分迫切。

二疊系地層提速困難的主要原因在于對(duì)順北區(qū)塊二疊系地層巖石抗鉆特性認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致鉆頭選型不合理，地層匹配性差，使用效果不理想。巖石抗鉆特性是指導(dǎo)石油鉆井工程施工的重要技術(shù)參數(shù)，目前關(guān)于沉積巖巖石抗鉆特性的預(yù)測(cè)模型研究已較為成熟[10- 11]。但由于沉積巖與火成巖在成巖機(jī)理、礦物構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特征等多方面存在較大差異，基于沉積巖的抗鉆特性預(yù)測(cè)模型不適用于火成巖地層，有必要針對(duì)性地開展火成巖地層抗鉆特性的預(yù)測(cè)研究。因此，通過對(duì)火成巖地層巖石抗鉆參數(shù)與聲波特性相關(guān)性的分析，建立適用于火成巖地層的抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建順北區(qū)塊二疊系地層抗鉆特性剖面，并針對(duì)二疊系地層抗鉆特性提出針對(duì)性的鉆頭選型方案，為順北地區(qū)的高效勘探開發(fā)提供技術(shù)保障。

1 巖心實(shí)驗(yàn)

地層巖石抗鉆特性與石油鉆井密切相關(guān)，是地層巖石評(píng)價(jià)、鉆頭類型優(yōu)選、鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，地層抗鉆特性參數(shù)主要包括巖石抗壓強(qiáng)度、巖石可鉆性、巖石研磨性、壓入硬度等[12]。已有研究表明，巖石抗鉆特性參數(shù)與地層巖石聲波時(shí)差存在相關(guān)性，因此可借助測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)地層抗鉆參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。為此，收集了15塊有代表性的火成巖巖心，巖性包括花崗巖、玄武巖、閃長(zhǎng)巖、流紋巖、安山巖、英安巖等常見火成巖，并分別開展巖石抗鉆參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定方法如下：

1.1 巖石可鉆性

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5426—2000《巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法》的相關(guān)要求，利用華石III型可鉆性測(cè)定儀和微鉆頭測(cè)定巖石可鉆性。在規(guī)定的鉆壓和轉(zhuǎn)速下，測(cè)定微鉆頭鉆進(jìn)2.4 mm深度所用時(shí)間，并將鉆進(jìn)時(shí)間取以2為底的對(duì)數(shù)值作為巖石可鉆性級(jí)值，即:

Kd=log2T

(1)

式中:Kd—巖石可鉆性級(jí)值，無量綱；T—微鉆頭鉆進(jìn)時(shí)間，s。

1.2 巖石抗壓強(qiáng)度和硬度

按標(biāo)準(zhǔn)DZ/T 0276—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，利用微機(jī)控制巖石伺服三軸儀和巖石硬度計(jì)測(cè)試巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和壓入硬度。

1.3 巖石研磨性

目前，巖石研磨性的測(cè)定方法較多，但尚沒有統(tǒng)一的測(cè)試方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。鄒德永等[13]提出了一種針對(duì)金剛石類鉆頭的巖石研磨性測(cè)定方法，能夠較為準(zhǔn)確的反映鉆頭與巖石的磨損關(guān)系。該測(cè)試評(píng)價(jià)方法將巖石研磨性指標(biāo)定義為磨損標(biāo)準(zhǔn)件磨損質(zhì)量與巖石破碎體積之比，即:

(2)

式中:ω—巖石研磨性指標(biāo)，mg/cm3；Δm—磨損標(biāo)準(zhǔn)件磨損質(zhì)量，mg；ΔV—巖石破碎體積，cm3。

1.4 聲波時(shí)差

利用HF-F型智能超聲波測(cè)試儀測(cè)定橫波和縱波穿過一定長(zhǎng)度的巖樣所用的時(shí)間。聲波時(shí)差為聲波穿過單位長(zhǎng)度巖石所用的時(shí)間，即:

(3)

式中:Δtp—縱波時(shí)差，μs/m；t—聲波穿過巖樣所用的時(shí)間，μs；L—測(cè)試巖樣的長(zhǎng)度，m。

2 火成巖抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型的建立

巖石抗鉆特性與巖石的聲學(xué)特性存在著密切關(guān)聯(lián)，基于表1中的室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)巖石抗鉆參數(shù)與縱波時(shí)差的相關(guān)性進(jìn)行回歸分析，建立火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測(cè)模型。

表1 巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 巖石可鉆性預(yù)測(cè)模型

根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，巖石可鉆性級(jí)值與縱波時(shí)差兩者的回歸關(guān)系如圖1所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖1 火成巖地層巖石可鉆性與縱波時(shí)差關(guān)系曲線圖

(4)

式中：Kd—巖石可鉆性級(jí)值;Δtp—巖石縱波時(shí)差，μs/m。

由F檢驗(yàn)法可知，置信水平取99%時(shí)，F(xiàn)=805.84>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.2 巖石抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)巖心實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，巖石抗壓強(qiáng)度與縱波時(shí)差兩者的回歸關(guān)系如圖2所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖2 火成巖地層巖石抗壓強(qiáng)度與縱波時(shí)差關(guān)系曲線

(5)

式中：σc—抗壓強(qiáng)度，MPa；Δtp—巖石縱波時(shí)差，μs/m。

由F檢驗(yàn)法可知，置信水平取99%時(shí)，F(xiàn)=519.567>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.3 巖石硬度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖心試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，巖石硬度與縱波時(shí)差兩者的回歸關(guān)系如圖3所示，兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖3 火成巖地層巖石硬度與縱波時(shí)差關(guān)系曲線

(6)

式中：H—巖石的硬度，MPa；Δtp—巖石縱波時(shí)差，μs/m。

由F檢驗(yàn)法可知，置信水平取99%時(shí)，F(xiàn)=208.66>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

2.4 巖石研磨性預(yù)測(cè)模型

已有研究表明，火成巖的研磨性與巖石抗壓強(qiáng)度呈正比關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)巖心試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，巖石研磨性與巖石抗壓強(qiáng)度的回歸關(guān)系如圖4所示，兩者呈線性關(guān)系，其關(guān)系式為:

圖4 火成巖地層巖石研磨性與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線

ω= 0.042 4σc+0.484 4

(7)

式中：ω—巖石研磨性指標(biāo)，mg/cm3；σc—巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

由F檢驗(yàn)法可知，置信水平取99%時(shí)，F(xiàn)=531.92>F0.01=9.07，回歸關(guān)系顯著。

根據(jù)抗壓強(qiáng)度與縱波時(shí)差的相關(guān)性，可進(jìn)一步將巖石研磨性預(yù)測(cè)模型改寫為:

(8)

2.5 抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測(cè)模型在順北二疊系地層應(yīng)用的有效性，收集了4塊順北二疊系地層不同深度巖心，并將其抗鉆特性參數(shù)的實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。由表2可知，測(cè)試巖樣地層抗鉆特性參數(shù)的預(yù)測(cè)相對(duì)誤差在10%左右，所建模型的準(zhǔn)確率較高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)工程需要。

表2 二疊系火成巖地層抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證結(jié)果

3 順北二疊系火成巖地層抗鉆特性分析

根據(jù)火成巖地層抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)收集的順北二疊系地層相關(guān)測(cè)井資料，對(duì)該地層的抗鉆特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，繪制地層抗鉆特性剖面，如圖5所示。

圖5 順北二疊系地層抗鉆特性剖面

由圖5可知，順北二疊系地層具有以下特點(diǎn)：

(1)非均質(zhì)性強(qiáng)，軟硬交錯(cuò)顯著。二疊系地層巖性多變，上段4 775～4 975 m，以凝灰?guī)r和淺灰色英安巖為主，平均抗壓強(qiáng)度119.84 MPa，平均可鉆性級(jí)值7.92，平均壓入硬度2 108.65 MPa；中段4 975～5 160 m，以深灰色英安巖為主，夾黑色玄武巖，平均抗壓強(qiáng)度148.87 MPa，平均可鉆性級(jí)值8.63，平均壓入硬度2 418.83 MPa；下段5 160～5 340 m，以凝灰?guī)r、砂泥巖為主，平均抗壓強(qiáng)度77.18 MPa，平均可鉆性級(jí)值6.42，平均壓入硬度1 457.43 MPa。

(2)強(qiáng)度高、可鉆性差。二疊系地層抗壓強(qiáng)度超過150 MPa、可鉆性超過8級(jí)的地層厚度大于250 m，其中最大可鉆性級(jí)值為9.96，最大抗壓強(qiáng)度為195.62 MPa。

(3)研磨性強(qiáng)。二疊系地層平均研磨性指標(biāo)為5.27 mg/cm3，最大研磨性指標(biāo)為8.58 mg/cm3。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 二疊系火成巖地層鉆頭方案優(yōu)選

由二疊系地層抗鉆特性剖面可知，二疊系上、中段地層以火成巖為主，地層強(qiáng)度高、硬度大、可鉆性差、研磨性強(qiáng)，是鉆井提速困難的關(guān)鍵所在。

二疊系上段地層巖石軟硬交錯(cuò)顯著，可鉆性波動(dòng)大，研磨性適中，為中硬的非均質(zhì)地層，其是二疊系地層鉆井提速的潛力段。為此，推薦選用PDC鉆頭以獲得較高的機(jī)械鉆速，同時(shí)配合軸向沖擊器，提高鉆頭吃入硬地層的能力。所選PDC鉆頭應(yīng)具備以下主要特征：具有較高的抗沖擊性和較好的耐磨性，刀翼數(shù)為5～6個(gè)，切削齒直徑13～16 mm，切削傾角19°～23°，大排屑槽和大過流面積。

二疊系中段地層巖石抗壓強(qiáng)度高、可鉆性差、研磨性強(qiáng)，夾層頻繁，為堅(jiān)硬的高研磨性地層，該段應(yīng)重點(diǎn)提高鉆頭使用壽命，縮短輔助鉆井時(shí)間。為此，推薦選用PDC+牙輪復(fù)合型鉆頭，該類鉆頭利用滾動(dòng)牙輪沖擊壓碎地層巖石，釋放地層應(yīng)力，大幅改善PDC齒切削破巖條件，具備攻擊性高、穩(wěn)定性好、扭矩低、抗磨損、使用壽命長(zhǎng)，復(fù)雜地層適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)配合螺桿鉆具，提高鉆頭單位時(shí)間內(nèi)的井底切削次數(shù)。

4.2 使用效果分析

參照鉆頭優(yōu)選方案，在順北SB-X井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。SB-X井是一口位于塔里木盆地順托果勒低隆北緣的評(píng)價(jià)井，設(shè)計(jì)井深7 640 m，二疊系層位4 759～5 280 m。

該井二疊系上段地層選用了SF64H3型PDC鉆頭+聯(lián)合沖擊器，該型鉆頭采用6刀翼布局，主切削齒為16 mm的H3齒，并設(shè)有后排輔助齒，其具有鉆速快、抗沖擊抗磨損能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、井底清潔效果好等特點(diǎn)。試驗(yàn)井段4 889～4 993 m，機(jī)械鉆速為3.33 m/h，進(jìn)尺為104 m。相較于鄰井同層位的PDC鉆頭機(jī)械鉆速提高77%、進(jìn)尺提高36.7%；相較于鄰井同層位的牙輪鉆頭機(jī)械鉆速提高56.3%、進(jìn)尺提高25.6%，如圖6所示。

圖6 二疊系上部地層鉆頭使用情況對(duì)比

該井二疊系中段地層選用了KPM1633DST型鉆頭+直螺桿，該型鉆頭為三刀翼+三牙輪設(shè)計(jì)，牙輪與刀翼間隔布置，刀翼高密度布置?16 mm的PDC切削齒，牙輪為鑲齒牙輪，巴掌處采用金剛石加強(qiáng)。試驗(yàn)井段5 025～5 205 m，機(jī)械鉆速為2.53 m/h，進(jìn)尺為180 m。相較于鄰井同層位的PDC鉆頭機(jī)械鉆速提高34.6%、進(jìn)尺提高127.8%；相較于鄰井同層位的牙輪鉆頭機(jī)械鉆速提高60.1%、進(jìn)尺提高49.5%，如圖7所示。

圖7 二疊系中部地層鉆頭使用情況對(duì)比

5 結(jié)論

(1)通過對(duì)典型火成巖巖樣抗鉆特性參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于測(cè)井資料的火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測(cè)模型；對(duì)比二疊系地層巖石抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值，預(yù)測(cè)模型精度高，滿足工程需要。

(2)由二疊系火成巖地層抗鉆參數(shù)剖面可知，二疊系地層巖石抗鉆特性隨井深變化顯著，主要特點(diǎn)為：上段為中硬非均質(zhì)地層，研磨性適中，是鉆井提速的潛力層；中段地層為堅(jiān)硬、高研磨性地層，著重提高鉆頭壽命，降低鉆井輔助時(shí)間。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，根據(jù)二疊系火成巖地層抗鉆特性預(yù)測(cè)結(jié)果開展鉆頭選型，可有效提高鉆頭與所鉆地層的匹配度，能夠?yàn)轫槺钡貐^(qū)二疊系地層高效鉆井提供重要理論依據(jù)。