基于測(cè)井曲線和灰色關(guān)聯(lián)度的樓探井區(qū)鉆頭選型方法

夏宏泉,張佳偉,劉素君,楊博仲

(1.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610500;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院,四川成都610500)

0 引 言

鉆頭是直接破巖的工具,選擇合適的鉆頭是提高鉆井機(jī)械鉆速的關(guān)鍵。隨著鉆井綜合配套技術(shù)的飛速發(fā)展,鉆井速度也隨之不斷提高[1-2]。地層抗鉆能力是影響鉆頭使用效果的主要因素,正確選擇鉆頭必須對(duì)所鉆地層巖石力學(xué)性能有充分的認(rèn)識(shí)[3]。通常,由于鉆遇井段的地層巖性和抗鉆參數(shù)差異大,導(dǎo)致不同的地質(zhì)層位需要使用不同類型的鉆頭[4-5]。優(yōu)選與地層巖石類型性質(zhì)相匹配的鉆頭是提高鉆速的重要保障。

樓探井區(qū)位于四川盆地川東地區(qū)黑樓門潛伏高陡構(gòu)造,地質(zhì)條件復(fù)雜,地層巖性致密,且泥巖、砂巖、灰?guī)r、云巖、石膏互層頻繁發(fā)育,同時(shí)深部地層處于高溫、高壓等地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中,可鉆性變化大,大部分地層可鉆性差、研磨性高、非均質(zhì)性強(qiáng)。這些問題嚴(yán)重制約了該區(qū)鉆井時(shí)的機(jī)械鉆速(0.6～1.1 m/h)、增加了鉆井周期,影響油氣田的勘探效益。為了達(dá)到高效、經(jīng)濟(jì)鉆井的目的,通過優(yōu)選合理的鉆頭來提高樓探井區(qū)的鉆井速度至關(guān)重要。本研究從自然伽馬(GR)、聲波時(shí)差(AC)、密度(DEN)等測(cè)井曲線中提取巖石抗鉆參數(shù),并選用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)鉆頭進(jìn)行優(yōu)選[4,6-7]。該方法包含的樣本模式類型多,可以通過關(guān)聯(lián)度從眾多參數(shù)中剔除多余信息優(yōu)選主要敏感參數(shù),優(yōu)于線性和非線性判別分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法等模式識(shí)別方法,該方法不需要通過反復(fù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立復(fù)雜度高的非線性數(shù)學(xué)模型,可明顯提高鉆頭優(yōu)選的準(zhǔn)確率。

1 地層抗鉆參數(shù)的提取

1.1 影響鉆頭機(jī)械鉆速的原因

樓探井區(qū)不同層位復(fù)雜巖性地層的可鉆性與研磨性差別大,上部地層是陸相地層,以砂巖和泥巖為主,含有鈣質(zhì)泥巖硬夾層,可鉆性與研磨性變化波動(dòng)大;深部地層是海相地層,以碳酸鹽巖為主,可鉆性級(jí)值在7～9、研磨性在9～18,巖石可鉆性差、研磨性高、硬度大,且處于高地應(yīng)力狀態(tài),這些因素導(dǎo)致鉆井機(jī)械鉆速低。

1.2 基于測(cè)井資料的抗鉆參數(shù)計(jì)算

通過對(duì)所提取的地層強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行巖石抗鉆特性分析,篩選出明顯影響機(jī)械鉆速的巖石抗鉆關(guān)鍵參數(shù)。巖石可鉆性是指巖石抵抗鉆頭沖擊與剪切破壞的能力,是鉆頭選型的直接依據(jù),用可鉆性級(jí)值表示,其值越大的地層越難鉆進(jìn)[8-9]。巖石研磨性是指地層巖石對(duì)鉆頭的磨損能力,它與巖石力學(xué)性質(zhì)、破巖工具的材料、幾何形狀及破碎方式等因素有關(guān),研磨性越大表明鉆頭的使用壽命越短、不耐磨。影響鉆頭選型的地層抗鉆參數(shù)較多,常有泥質(zhì)含量Vsh、抗壓強(qiáng)度Sc、抗剪強(qiáng)度Ss、可鉆性Kd、研磨性Gd、硬度Hd、脆性指數(shù)BI、有效應(yīng)力pe等。測(cè)井資料中蘊(yùn)含著大量的地層巖石可鉆性信息,通過GR、ACL、ACS、DEN等測(cè)井曲線,據(jù)式(1)～式(16)可獲得整個(gè)地層剖面的巖石抗鉆參數(shù)。

①泥質(zhì)含量可由式(1)與式(2)計(jì)算

(1)

(2)

式中,IGR為地層自然伽馬相對(duì)值,無量綱;GR、GRmin、GRmax為某段地層、純砂巖、純泥巖的自然伽馬測(cè)井值,API;Gnd為地層新老系數(shù),新地層為3.7、老地層為2;Vsh為泥質(zhì)含量,小數(shù),泥質(zhì)含量越高,地層越難鉆。

②砂泥巖和碳酸鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度分別由式(3)和式(4)計(jì)算;彈性模量由式(5)計(jì)算;泊松比由式(6)計(jì)算;如無橫波時(shí)差測(cè)井曲線,可以根據(jù)式(7)構(gòu)建橫波時(shí)差曲線。

Sc=0.0045E(1-Vsh)+0.008EVsh

(3)

Sc=0.0026E(1-Vsh)+0.008EVsh

(4)

(5)

(6)

ACS=1.669ACL+0.0483GR+39.835

(7)

式中,Sc為單軸抗壓強(qiáng)度,MPa;E為彈性模量,MPa;ACL為地層縱波時(shí)差,μs/m;DEN為地層密度,g/cm3;β為轉(zhuǎn)乘因子,β=109;γ為泊松比;ACS為橫波時(shí)差,μs/m?？v波聲波時(shí)差越大,彈性模量越小,抗壓強(qiáng)度越小,地層越容易鉆進(jìn)。

③固有抗剪強(qiáng)度可由式(8)計(jì)算,巖石體積模量可由式(9)計(jì)算。

(8)

(9)

式中,Ss為固有抗剪強(qiáng)度,MPa;Kb為巖石體積模量,MPa。巖石體積模量越小,抗壓強(qiáng)度越小,地層越容易鉆進(jìn)。

④硬度可由式(10)～式(12)計(jì)算,可鉆性級(jí)值可根據(jù)式(13)計(jì)算,研磨性可由式(14)計(jì)算,脆性指數(shù)可由式(15)計(jì)算,有效應(yīng)力可由式(16)計(jì)算。

Hd=84.109Z+132.59

(10)

Z=

(11)

W=0.92974-0.39958γ

(12)

Kd=22.2e(-0.00527ACL)-1.238

(13)

(14)

BI=72.857+0.0004925E-200γ

(15)

pe=Sv-pp

(16)

式中,Hd為壓入硬度,MPa;Z和W為中間變量;Kd為可鉆性級(jí)值,無量綱;Gd為研磨性,mg;BI為脆性指數(shù),%;pe為有效應(yīng)力,MPa;Sv為上覆巖層壓力,MPa,Sv可用密度測(cè)井曲線計(jì)算求得;pp為地層孔隙壓力,MPa,pp可用伊頓法(砂泥巖)和博沃斯法(碳酸鹽巖)計(jì)算求得[10-11]。

泊松比越大,巖石硬度越小,地層越容易鉆進(jìn);縱波時(shí)差越大,可鉆性級(jí)值與研磨性越小,地層越容易鉆進(jìn);脆性指數(shù)越大,地層越易鉆進(jìn);有效應(yīng)力越大,地層越難鉆進(jìn)?？摄@性與泥質(zhì)含量、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、硬度、研磨性、脆性指數(shù)和有效應(yīng)力有很好的相關(guān)性。與可鉆性呈正相關(guān)的參數(shù)有泥質(zhì)含量、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、硬度、研磨性和有效應(yīng)力,呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)有聲波時(shí)差和脆性指數(shù)。

2 地層抗鉆關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選方法

2.1 地層抗鉆參數(shù)統(tǒng)計(jì)模式的建立

地層抗鉆參數(shù)是鉆頭針對(duì)性設(shè)計(jì)與選型的依據(jù)。由GR、AC、DEN曲線計(jì)算的地層泥質(zhì)含量Vsh、抗壓強(qiáng)度Sc、抗剪強(qiáng)度Ss、硬度Hd、研磨性Gd、可鉆性Kd、脆性指數(shù)BI、有效應(yīng)力pe等多個(gè)地層抗鉆參數(shù),對(duì)鉆頭優(yōu)選的影響是不同的,可以采用灰色關(guān)聯(lián)主控變量分析法從中篩選主要敏感參數(shù)來優(yōu)選鉆頭類型。根據(jù)GR、AC、DEN測(cè)井曲線分層計(jì)算TL1井41個(gè)地層的抗鉆參數(shù)值,統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 TL1井地層抗鉆參數(shù)

2.2 地層抗鉆敏感參數(shù)優(yōu)選流程

采用灰色關(guān)聯(lián)主控變量法對(duì)地層抗鉆參數(shù)進(jìn)行篩選,建立地層抗鉆參數(shù)與其對(duì)應(yīng)的鉆頭機(jī)械鉆速數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)比各個(gè)參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度,按照關(guān)聯(lián)度從大到小的順序和截止值進(jìn)行優(yōu)選,具體運(yùn)行流程如圖1所示。

圖1 地層主要抗鉆參數(shù)優(yōu)選流程

2.3 地層抗鉆敏感參數(shù)優(yōu)選結(jié)果

采用灰色關(guān)聯(lián)主控變量分析法對(duì)地層抗鉆參數(shù)的優(yōu)選結(jié)果如表2所示,脆性指數(shù)(BI)和有效應(yīng)力(pe)與鉆頭機(jī)械鉆速的灰色關(guān)聯(lián)度較小,其他參數(shù)(Vsh、Kd、Gd、Hd、Sc、Ss)與鉆頭機(jī)械鉆速的灰色關(guān)聯(lián)度優(yōu)于前兩者,以0.9為截止值完成這6個(gè)參數(shù)參與鉆頭的優(yōu)選。

表2 灰色關(guān)聯(lián)主控變量?jī)?yōu)選結(jié)果

3 鉆頭類型優(yōu)選方法

3.1 鉆頭選型統(tǒng)計(jì)模式的建立

建立鉆頭選型統(tǒng)計(jì)模式就是建立實(shí)際使用效果好的鉆頭與巖石抗鉆力學(xué)性質(zhì)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鉆頭選型模式包括:①子模式,即選用機(jī)械鉆速高、使用效果好的鉆頭參數(shù)以及鉆頭所對(duì)應(yīng)的地層巖石力學(xué)等參數(shù)(巖石可鉆性和抗壓強(qiáng)度)作為子模式數(shù)據(jù)(見表3);②中心模式,根據(jù)鉆頭選型子模式,統(tǒng)計(jì)各種鉆頭出現(xiàn)的概率及某種鉆頭所對(duì)應(yīng)地層的巖石可鉆性和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)的均值,構(gòu)建二維數(shù)據(jù)表(見表4),每種鉆頭對(duì)應(yīng)一組地層抗鉆參數(shù)。

表3 基于可鉆性和研磨性等地層抗鉆參數(shù)的鉆頭選型子模式統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3.2 灰色關(guān)聯(lián)分析法優(yōu)選鉆頭的流程

將地質(zhì)巖性剖面中的井段看作一個(gè)包含已知因素(選型標(biāo)準(zhǔn)、抗鉆參數(shù))和未知因素(鉆頭類型)的灰色過程,采用灰色關(guān)聯(lián)分析法中的全部灰度統(tǒng)計(jì)值,建立多參數(shù)鉆頭選型綜合評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型;然后用該模型計(jì)算待判層段與已知層段之間的灰色關(guān)聯(lián)度,根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度確定待判層段的鉆頭類型,篩選出適用于該層段的最佳鉆頭類型。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)鉆頭進(jìn)行選型,通過求取地層抗鉆參數(shù)(待選型樣本)與參考樣本(鉆頭類型已知樣本)的灰色關(guān)聯(lián)度,按照最大隸屬原則進(jìn)行選型(見圖2)。

表4 基于可鉆性和研磨性等地層抗鉆參數(shù)的鉆頭選型中心模式

圖2 采用灰色關(guān)聯(lián)法優(yōu)選鉆頭的流程圖

4 樓探井區(qū)地質(zhì)層段鉆頭選型推薦結(jié)果

依據(jù)圖2鉆頭優(yōu)選流程,編制基于測(cè)井資料和灰色關(guān)聯(lián)分析的鉆頭選型程序。圖3為TL1井(2 100～2 800 m)地層可鉆性巖石力學(xué)參數(shù)及抗鉆性參數(shù)解釋測(cè)井圖。表5是TL1井520～3 913 m層段優(yōu)選鉆頭結(jié)果。表5中灰色關(guān)聯(lián)度值都大于0.9,說明待識(shí)別井段的鉆頭類型與已知的某種鉆頭類型關(guān)聯(lián)程度較高,屬于同一類別。

圖3 TL1井2 100 m～2 800 m地層抗鉆性參數(shù)的測(cè)井解釋成果圖*非法定計(jì)量單位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表5 TL1井部分層段所優(yōu)選的鉆頭

基于鉆頭優(yōu)選模式并結(jié)合實(shí)際鉆頭使用資料,采用灰色關(guān)聯(lián)法推薦的樓探井區(qū)各地質(zhì)層段使用的鉆頭類型如表6所示,可以看出,從須家河組到燈影組地層(520～7 635 m)推薦的鉆頭多為聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)鉆頭。該井實(shí)際所使用的鉆頭:在543～1 565 m井段,采用PDC鉆頭DFS1605BU,進(jìn)尺1 032 m、平均鉆速可達(dá)4.9 m/h,與灰色關(guān)聯(lián)法推薦的鉆頭型號(hào)相符;在1 565～1 868 m井段,選用PDC鉆頭DFS1606BU,進(jìn)尺303 m、機(jī)械鉆速可達(dá)5.4 m/h,與灰色關(guān)聯(lián)法推薦的鉆頭型號(hào)相符;在1 868～1 873 m井段,采用牙輪鉆頭STJ537GK,進(jìn)尺5 m、機(jī)械鉆速為0.88 m/h,此地層為嘉陵江組碳酸鹽巖地層,研磨性較高,使用牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)機(jī)械鉆速緩慢,而灰色關(guān)聯(lián)法推薦使用PDC鉆頭DFS1606BU;在1 873～2 897 m井段,采用PDC鉆頭DF1605BU,進(jìn)尺1 024 m、機(jī)械鉆速可達(dá)2.8 m/h,與灰色關(guān)聯(lián)法推薦的鉆頭型號(hào)相符。

表6 樓探井區(qū)各層段鉆頭類型推薦表

實(shí)際鉆井中,在小河壩組(3 934～3 943 m)使用牙輪鉆頭HJT537GK鉆進(jìn),機(jī)械鉆速為0.72 m/h。更換DF1606BU鉆頭后機(jī)械鉆速提升至4.58 m/h,效果提升明顯,而采用灰色關(guān)聯(lián)法也篩選出此鉆頭,與實(shí)際相符,此方法可靠。

而龍王廟組到燈影組(6 805～7 635 m)深部地層,其可鉆性級(jí)值為7～9、研磨性為9～18,硬度、抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都高,推薦使用的PDC鉆頭DF1606BU與實(shí)際相符。

DF1606BU鉆頭是由四川深遠(yuǎn)石油鉆井工具股份有限公司制造的,其中,字母“DF”表示胎體式PDC全面鉆頭、數(shù)字“16”表示主切削齒直徑為16 mm、數(shù)字“6”表示有6個(gè)刀翼數(shù)、字母“BU”為有后排和倒劃眼功能。牙輪鉆頭難以使可鉆性差、研磨性強(qiáng)的巖石發(fā)生破碎,且在高密度鉆井液條件下巖屑的壓持效應(yīng)較明顯,導(dǎo)致機(jī)械鉆速很慢。在可鉆性級(jí)值為9以下的巖性均勻地層中,牙輪鉆頭沖擊破碎巖石的能力難以發(fā)揮,而PDC鉆頭以刮削方式破碎巖石,破巖鉆進(jìn)效率好于牙輪鉆頭,使用PDC鉆頭相對(duì)牙輪鉆頭有明顯優(yōu)勢(shì);而可鉆性級(jí)值為9以上的硬地層中,牙輪鉆頭沖擊破碎巖石的能力強(qiáng)于PDC鉆頭。統(tǒng)計(jì)表明,實(shí)際使用功效好的鉆頭與采用灰色關(guān)聯(lián)分析法所優(yōu)選出的鉆頭符合率可達(dá)91.4%,該方法適用于對(duì)已鉆井段中所用鉆頭的檢驗(yàn)與改進(jìn),以及對(duì)預(yù)鉆井鉆頭的選型和使用。

此外,也對(duì)樓探井區(qū)的建深1井、太和1井等多口井進(jìn)行鉆頭優(yōu)選,與實(shí)際使用鉆頭的功效對(duì)比分析表明,基于表4中地層可鉆性和研磨性等參數(shù)的鉆頭優(yōu)選模式數(shù)據(jù)庫(kù),采用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行鉆頭優(yōu)選合理可行,可指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鉆頭選型,具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

(1)利用測(cè)井資料建立地層抗鉆參數(shù)剖面,并采用灰色關(guān)聯(lián)主控變量分析法提取其中的敏感參數(shù),結(jié)合實(shí)際使用的高效鉆頭,建立與地層抗鉆參數(shù)相匹配的鉆頭數(shù)據(jù)庫(kù)及選型模式,這是本方法的技術(shù)核心。

(2)分析對(duì)比灰色關(guān)聯(lián)法所優(yōu)選出的鉆頭與實(shí)際使用的鉆頭功效,表明該方法合理可行。TL1井區(qū)在鉆井過程中實(shí)際主要使用PDC鉆頭,與利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)整口井的鉆頭進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)選結(jié)果相符,這可為新井的鉆頭選型和使用提供參考依據(jù)。

(3)采用灰色關(guān)聯(lián)分析法可不斷更新擴(kuò)充鉆頭選型數(shù)據(jù)庫(kù),鉆頭選型的合理性會(huì)隨鉆頭選型庫(kù)的豐富完善而提升,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。