珠江口盆地惠州凹陷古潛山火成巖儲層可鉆性研究

曹孟賢

（中海石油（中國）有限公司深圳分公司勘探部，廣東深圳 518000）

自珠江口盆地（東部）開展勘探工作30多年以來，惠州凹陷一直是該區(qū)勘探工作的主戰(zhàn)場，在有限公司深圳分公司“大、淺、新、深”勘探戰(zhàn)略的指導下，惠州凹陷通過近幾年對深層的勘探和開發(fā)，發(fā)現(xiàn)了豐富的古潛山油氣資源。然而，古潛山油氣藏在鉆井施工時屬于作業(yè)難點，研究區(qū)不同井鉆速統(tǒng)計顯示，平均鉆速5 m/h以下，平均進尺152 m即需要起下鉆更換鉆頭。一方面由于研究區(qū)塊潛山地層礦物組成復雜，地層巖性以閃長巖、花崗巖等為主，巖性復雜且多發(fā)育天然裂縫和斷裂帶，抗壓強度最高可達200 MPa，巖石可鉆性級值達到7～8級以上，可鉆性極差，鉆速慢、進尺少；另一方面由于頻繁起下鉆更換鉆頭，增加井下安全風險且增加儲層浸泡時間，增加儲層污染，對儲層評價和日產量造成不可逆的影響。由此可以看出古潛山儲層屬于可鉆性極差、研磨性強的極硬地層，對鉆井工程和地質評價均造成不利影響，除了惠州凹陷，渤中凹陷、大港油田、四川盆地、準噶爾盆地的火成巖也都有巖石硬度大、鉆速慢等對工程和地質不利的影響因素[1-4]，因此需要開展針對惠州凹陷古潛山火成巖地層可鉆性評價方法研究，并開展針對性鉆頭選型工作。

1 可鉆性研究現(xiàn)狀

1927年美國采礦工程學會哥倫比亞大學會議上，美國學者Tillson首次提出“可鉆性”的概念，用以表示巖石在破碎方面的難易程度?？v觀國內外近30年來的巖石可鉆性研究情況，石油、采礦等行業(yè)普遍采用室內實測法確定地層巖石的可鉆性級值，主要包括壓入硬度法、微型鉆頭試驗、實驗室模擬鉆進測定、巖屑硬度法等方法[5-11]。從上世紀九十年代開始，國內外廣大的科研工作者開始了利用測井數(shù)據(jù)評價巖性的研究，取得了很大的突破，并在現(xiàn)場得到了應用[12-16]。

目前主要通過室內試驗測試和錄測井地質資料兩種方法研究地層可鉆性，其中室內試驗測試方法可以分為壓入硬度法、微鉆頭鉆進法和實鉆測定法?；阡洔y井地質資料研究方法主要有聲波時差-可鉆性級值經(jīng)驗關系法和巖石礦物成分與可鉆性關系研究法。聲波時差-可鉆性級值經(jīng)驗關系法主要是根據(jù)彈性波理論，巖石的聲波時差取決于巖石的彈性模量、泊松比、巖石的密度等參數(shù)，其參數(shù)值的大小反映了巖石的強度、彈性及硬度，而地層巖石的可鉆性與這些參數(shù)之間存在著內在的聯(lián)系。這種方法容易根據(jù)測井資料建立全井段的巖石可鉆性剖面，因此得到了廣泛的應用。國內外應用成果表明，可鉆性級值隨著聲波時差的增大而降低，聲波時差越小，巖石可鉆性級值越高，其巖石就越難破碎，在實際應用中，可以根據(jù)經(jīng)驗公式利用聲波時差直接求取巖石的可鉆性級值。另一種是巖石礦物成分與可鉆性關系研究，地層巖石礦物成分是鉆井破巖工具的設計和選擇、鉆井液體系和性能設計的重要基礎數(shù)據(jù)。砂巖的可鉆性級值隨黏土含量的增加而降低，隨石英含量的增加而增大。礫巖的可鉆性級值隨黏土和石英含量的增加均下降。斜長石的含量對可鉆性級值影響較小，隨著斜長石含量的增加，可鉆性級值略有增大的趨勢。因此，巖石的礦物成分及其含量是影響機械鉆速的重要因素。

2 惠州凹陷古潛山火成巖儲層可鉆性研究

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為珠江口盆地珠一坳陷帶的惠州凹陷，主要以鉆入潛山地層的6口井為研究對象。研究區(qū)塊位于惠西南成熟油區(qū)，是發(fā)育在惠州26洼南部邊界斷層二臺階上，由兩條北西西向斷層共同控制的斷塊，主要勘探目的層為前古近系火成巖地層，鉆遇巖性主要為閃長巖，次為火山角礫巖、輝綠巖與安山巖，基底發(fā)育花崗巖。鉆井過程均遇到機械鉆速慢、鉆頭磨損快、進尺少、頻繁起下鉆更換鉆頭等問題，嚴重影響鉆進效率，極大增加鉆井成本，增加儲層浸泡時間，嚴重影響測試產能。

2.2 古潛山儲層巖性與可鉆性之間的關系研究

研究區(qū)塊內所收集的6口井均鉆遇潛山地層，總體上看巖性復雜多樣，綜合錄井、薄片鑒定及測井資料認為本區(qū)潛山地層巖性主要為：火山角礫巖、蝕變閃長巖、安山巖、花崗巖及輝綠巖。為了便于更直觀地反應不同巖性的測井響應特征差異，本文嘗試了大量交會圖版對巖性進行識別，最終選擇2種有代表性的交會圖版，分別是中子-密度及伽馬-聲波交會圖版，均能較好地將蝕變閃長巖、安山巖、輝綠巖及花崗巖區(qū)分開來。從圖版中不難看出，相較其他巖性，花崗巖以低中子低密度為特征，安山巖整體密度較閃長巖低，閃長巖則較前兩種巖性密度都高，輝綠巖則以低伽馬高聲波時差為特征，花崗巖表現(xiàn)為強放射性，閃長巖放射性則介于二者之間（圖1）。

基于以上對不同巖性測井響應的認識及總結，可以看出不同巖性之間存在較明顯的差異，通過對研究區(qū)6口井全井段不同巖性的平均鉆速進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，鉆速最高的是安山巖，平均鉆速為14.2 m/h；次為火山角礫巖，為8.7 m/h；輝綠巖及花崗巖平均鉆速相近，在7 m/h左右；閃長巖平均鉆速最低，為4.9 m/h（圖2）。

2.3 古潛山儲層力學特性與可鉆性之間的關系研究

為了便于更直觀地反應不同巖性的巖石力學特性差異，本文進行了大量力學參數(shù)與鉆速的交會圖分析。圖3為不同井的力學參數(shù)與鉆速的交會圖，圖4為不同巖性的力學參數(shù)與鉆速的交會圖。

圖1 研究區(qū)古潛山地層巖性識別圖版 （中子-密度/伽馬-聲波）Fig. 1 Lithologic identification plate of buried hills layer in the study area (neutron-density/gamma-acoustic wave)

圖2 研究區(qū)不同巖性平均鉆速對比Fig. 2 Comparison of average ROP of different lithology in the study area

從以上交會圖可以得出以下幾點認識： （1）巖石力學參數(shù)分析結果表明，泊松比與鉆速相關性較差；脆性指數(shù)與鉆速成負相關，楊氏模量、體積模量、內聚力、抗壓強度與鉆速成正相關；（2）由交會圖分析得知，優(yōu)選與鉆速最相關的參數(shù)為抗壓強度和脆性；（3）研究區(qū)塊潛山不同巖性的巖石強度關系為：閃長巖＞花崗巖＞輝綠巖＞安山巖；（4）研究區(qū)潛山不同巖性的脆性關系為：閃長巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖。

2.4 古潛山儲層物性參數(shù)與可鉆性之間的關系研究

圖3 研究區(qū)力學參數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 3 Cross plot of mechanical parameters and ROP in the study area

大量可鉆性實驗表明，儲層物性與可鉆性有明顯關系，在砂泥巖地層，巖石可鉆性極值隨孔隙度的增大而減小。然而，潛山地層的可鉆性實驗較少，因此還不能確定潛山地層物性與可鉆性之間的關系。為此，本文開展了研究區(qū)6口井原生孔隙度、次生孔隙度、裂縫密度等參數(shù)與可鉆性之間的關系研究，其中原生孔隙度由常規(guī)測井資料計算得到，次生孔隙度由電成像孔隙度譜計算得到，裂縫密度由電成像資料計算得到。

圖4 研究區(qū)不同巖性的力學參數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 4 Cross plot of mechanical parameters and ROP of different lithology in the study area

為了便于更直觀的反應不同巖性的物性參數(shù)差異，本文嘗試了大量物性參數(shù)與鉆速的交會圖進行分析。圖5為不同井的物性參數(shù)與鉆速的交會圖，圖6為不同巖性的物性參數(shù)與鉆速的交會圖。

圖5 研究區(qū)各井的物性數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 5 Cross plot of physical property number and ROP of each well in the study area

以上交會圖可以得出以下幾點認識：（1）儲層分析結果表明，聲波徑向速度剖面能夠反映部分次生孔隙的變化；（2）次生孔隙度、裂縫密度與鉆速未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律；（3） 通常而言，物性對可鉆性有較大影響，砂泥巖地層鉆速與孔隙度呈正相關性，但由于研究區(qū)火成巖儲層整體物性較差，孔隙度均較小，因此未成為可鉆性的主控因素。綜上，研究區(qū)儲層物性參數(shù)與鉆速未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

2.5 古潛山儲層工程參數(shù)與可鉆性之間的關系研究

巖石的可鉆性是指巖石抵抗鉆進破碎的能力，本身主要包括兩方面內容，一方面即巖石本身強度和破碎難度，另一方面就是巖石在一定的鉆井工藝技術和鉆井工具條件下被破碎的難易程度，因此地層可鉆性評價不能脫離鉆井工藝和鉆井參數(shù)，尤其與鉆井過程中的水力參數(shù)密切相關。

圖6 研究區(qū)不同巖性的物性參數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 6 Cross plot of physical parameters and ROP of different lithology in the study area

本文嘗試了工程參數(shù)與鉆速的交會圖進行分析，圖7為不同井的工程參數(shù)與鉆速的交會圖，圖8為不同巖性的工程參數(shù)與鉆速的交會圖。得出以下幾點認識：（1）工程參數(shù)分析結果表明，進入古潛山地層后，鉆壓、扭矩、排量、轉速減小，鉆井液密度降低；（2）鉆壓、泵壓與鉆速有弱相關性；（3）其他工程參數(shù)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一存在的規(guī)律。

2.6 鉆頭效率對比及鉆頭優(yōu)選

圖7 研究區(qū)各井的工程參數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 7 Cross plot of engineering parameters and ROP of wells in the study area

鉆頭效率對比可以分為技術對比和經(jīng)濟對比。不同巖性的巖石強度、脆性、可鉆性級值存在較大差異，研究區(qū)塊古潛山不同巖性的巖石強度關系為：閃長巖＞花崗巖＞輝綠巖＞安山巖；研究區(qū)塊古潛山不同巖性的脆性關系為：閃長巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖；研究區(qū)塊古潛山不同巖性的可鉆性級值關系為：閃長巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖；排除了其他工程參數(shù)對機械鉆速的影響后，研究區(qū)塊古潛山不同巖性的鉆速關系為：閃長巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖。因此，可以將巖性作為優(yōu)選鉆頭類型的重要依據(jù)?；谝陨系慕y(tǒng)計，本文分巖性對不同鉆頭的鉆速及可鉆性級值進行了相關性對比，以此來區(qū)分不同型號鉆頭的鉆進效率（圖9）。

圖8 研究區(qū)不同巖性的工程參數(shù)與鉆速的交會圖Fig. 8 Cross plot of engineering parameters and ROP of different lithology in the study area

經(jīng)過研究區(qū)各種鉆頭性能對比分析，可以看出不同巖性中各鉆頭性能的差異。綜合來看，排除了不同可鉆性地層對機械鉆速的影響后，在技術性方面6刀翼16 mm齒的鉆頭表現(xiàn)最佳。

而在實際應用時，對于鉆頭的優(yōu)選不能僅僅只考慮其鉆速的快慢或耐用程度，還需要對進尺、鉆進時間、平臺租金等各種影響因素進行綜合考慮，這就是鉆頭的經(jīng)濟性分析。在參考國家標準SY/T 5841—2011鉆井技術經(jīng)濟指標及計算方法的同時，針對南海地區(qū)實際作業(yè)情況對平均每米的進尺成本評價公式進行了改進，采用統(tǒng)計期內統(tǒng)計項成本之和除以鉆井進尺之和來對不同鉆頭的經(jīng)濟性進行評價，公式如下：

圖9 研究區(qū)各種巖性使用不同鉆頭鉆時-可鉆性級值相關圖Fig. 9 Correlation diagram between drilling time and drillability level value of different bits for various lithology in the study area

式中：Ci為綜合費用，元；Pbit為鉆頭單價，元；Tdrill為純鉆進時間，h；A為歸一化系數(shù)，本文取10；Nd為進尺倒數(shù)歸一化因子，無量綱；Tout為起鉆時間，h；Prig為平臺費用，元/h；Cm為統(tǒng)計項每米平均費用，元/m；F為鉆頭進尺厚度，m。

由上述公式可看出，若要評價同一型號鉆頭在研究區(qū)塊的綜合表現(xiàn)，需要將不同鉆頭進行分類統(tǒng)計以求取平均單位進尺作業(yè)成本，而考慮到起下鉆時間的影響，研究區(qū)更換鉆頭起下鉆時間約為24 h，將進尺的倒數(shù)進行歸一化后作為其權重，即進尺（鉆頭壽命）越長，權重越低，起下鉆產生的費用在總費用中占比越低；最后再結合總進尺得到統(tǒng)計項每米進尺的平均費用（圖10）。經(jīng)過計算對比，6刀翼16 mm齒的鉆頭在作業(yè)經(jīng)濟性上有著較大優(yōu)勢。

圖10 研究區(qū)不同型號鉆頭每米進尺成本對比Fig. 10 Comparison of drilling cost per meter of different types of bits in the study area

3 結論

（1）通過分析地層可鉆性與巖性、巖石力學參數(shù)、儲層參數(shù)等的關系，認為地層可鉆性與巖性、巖石力學參數(shù)關系較大，和儲層物性關系較小。

（2）通過分析鉆速與鉆井參數(shù)的關系，認為鉆速與鉆壓的關系相對其它參數(shù)較為明顯。

（3）不同巖性下的鉆頭效率分析結果表明，技術性方面和經(jīng)濟性方面都是6刀翼16 mm齒的鉆頭表現(xiàn)最佳，此結論可以指導惠州凹陷后期開發(fā)井的提速鉆探。