巖屑掉塊深度歸位方法研究及其在CT 1井的應(yīng)用

段勝強(qiáng) 段宏臻 黃 振 王 軍 付 新 李會光

（①中國石油集團(tuán)測井有限公司青海分公司；②中國石油天然氣股份有限公司青海油田公司勘探開發(fā)研究院）

0 引言

隨著各油田區(qū)塊勘探程度的加深，深井、超深井的開發(fā)逐漸成為主流，大斜度井、水平井、平臺井等復(fù)雜井型逐漸成為主要的勘探方式[1]，巖屑返出難度增大、巖屑掉塊數(shù)量增加，給起下鉆帶來困難甚至導(dǎo)致卡鉆。目前，鉆井工藝多使用“螺桿+PDC”鉆進(jìn)，導(dǎo)致返出地表的巖屑顆粒越來越碎，現(xiàn)場施工人員一般通過巖屑掉塊的顏色、形狀以及顆粒大小和數(shù)量，憑借經(jīng)驗(yàn)判斷巖屑掉塊歸屬問題，由于不同人員現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)不同，導(dǎo)致判別結(jié)果差別大，影響到鉆井施工安全和施工方案制定的時效性。

在鉆錄井施工現(xiàn)場出現(xiàn)的巖屑掉塊，其粒徑比正常巖屑大幾倍甚至幾十倍，基本等同于井壁或者地層取心，地質(zhì)工程師可根據(jù)巖屑掉塊信息觀察，識別地層信息、井壁的穩(wěn)定性以及地層巖性信息，為現(xiàn)場制定鉆井施工措施提供依據(jù)[2-4]。然而由于井底返出巖屑掉塊也預(yù)示著井下存在井壁失穩(wěn)情況，如不加以重視，隨著井深增加、掉塊量增多和地層應(yīng)力釋放程度增強(qiáng)，返出的巖屑掉塊會越來越多，加上井底存在未返出的巖屑掉塊，勢必會造成遇阻、卡鉆風(fēng)險。本文利用合理的巖屑掉塊深度歸位方法，對巖屑掉塊進(jìn)行正確歸位，解決巖屑掉塊的來源、歸屬問題，為完善鉆井施工方案、保障鉆井順利施工、縮短施工工期提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 巖屑掉塊深度歸位方法

鉆井施工過程中，井底不可避免返出巖屑掉塊，在地質(zhì)工程一體化理念的指引下[5]，通過巖性對比歸位法、起下鉆遇阻遲到時間法、元素數(shù)據(jù)曼哈頓距離法、鄰井對比法和定量熒光圖譜對比法5 種方法對巖屑掉塊進(jìn)行正確歸位來還原地層剖面，優(yōu)化鉆井施工方案，進(jìn)而規(guī)避由于井壁失穩(wěn)、坍塌導(dǎo)致的惡性工程復(fù)雜事故。

1.1 巖性對比歸位法

從井底返出的正常巖屑或巖屑掉塊是井下地層信息的直接反映。正常巖屑按照深度的增加可以逐漸復(fù)原地層剖面；巖屑掉塊則是指從裸眼井段內(nèi)上返至井口的巖屑，是評價井壁穩(wěn)定性的指標(biāo)。如果未能及時制止巖屑掉塊的產(chǎn)生，隨著其數(shù)量增多，將引起卡鉆或者井壁失穩(wěn)坍塌，造成前期鉆進(jìn)成果功虧一簣[5]。

地質(zhì)工程師按照巖屑返出的深度數(shù)據(jù)，復(fù)原地層剖面，當(dāng)無井深標(biāo)記的巖屑掉塊隨著鉆井液上返至井口時，根據(jù)巖屑掉塊的顏色、形狀、顆粒大小以及巖性可以初步判定巖屑掉塊的位置，如果將巖屑掉塊的巖性與上述地層進(jìn)行對比分析，則能夠更確切地判斷掉塊在裸眼井段的位置，進(jìn)而避免在此位置進(jìn)行劃眼或者循環(huán)等工序。

圖1所示巖屑掉塊是在劃眼期間返出的，因此掉塊的歸位深度小于鉆頭所在的位置，掉塊巖性與歸位地層深度的巖性一致才能確認(rèn)該掉塊的位置。圖示掉塊巖性為棕褐色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，參考這些掉塊顏色去上述地層尋找類似巖性，并初步歸位于對應(yīng)井深。

圖1 掉塊巖性歸位井段（2 500～2 520 m）

從復(fù)原地層巖性剖面來看，裸眼井段主要為棕褐色砂泥巖，其中存在少量灰色砂泥巖，而掉塊巖性主要以棕褐色泥質(zhì)粉砂巖為主，縱觀復(fù)原地層巖性剖面，在井段2 500～2 520 m 巖性以泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖為主，巖性粒徑較粗，砂巖連續(xù)厚度大于上下井段，并且砂巖地層又夾少量泥巖，故推斷此掉塊歸位于井段2500～2520 m。

圖2掉塊為鉆頭位置2366 m附近劃眼時返出，從掉塊巖性上看，基本屬于棕褐色、灰色砂泥巖，而棕褐色和灰色代表兩種不同的沉積環(huán)境，在互層沉積時或多或少存在一定的不整合接觸，再次鉆進(jìn)至此類地層勢必會造成不同程度的應(yīng)力釋放，導(dǎo)致出現(xiàn)掉塊。在上述裸眼地層巖性剖面中，井段2 250～2 330 m 基本是以棕褐色、灰色砂泥巖互層為主，預(yù)示著在該井段由于氧化還原環(huán)境的變化，導(dǎo)致地層巖性呈棕褐色、灰色互層，而巖屑掉塊也基本屬于棕褐色、灰色巖性，所以掉塊歸位于2 250～2 330 m，應(yīng)避免在該井段進(jìn)行劃眼、循環(huán)等工序。

圖2 掉塊巖性歸位井段（2250～2330 m）

1.2 起下鉆遇阻遲到時間法

在起下鉆過程中，遇到懸重噸位變化較小的遇阻或遇卡點(diǎn)時，采用上下活動鉆具往往返出較少量的巖屑掉塊；但是在遇到懸重噸位變化較大的遇阻或者遇卡點(diǎn)時，需多次上下活動鉆具才能通過，再次開泵循環(huán)時往往會出現(xiàn)較多量的、顆粒較大的巖屑掉塊。在實(shí)際劃眼過程中，劃眼的鉆頭多次在同一個位置上下活動鉆具，開泵循環(huán)后掉塊也在一個遲到時間后隨之返出，此時錄取的掉塊基本歸屬于劃眼位置。

圖3 左圖為下鉆至井深2 374 m 遇阻開泵劃眼錄井曲線，劃眼持續(xù)時間為170 min，結(jié)合井內(nèi)鉆具組合、泵沖排量計算該井深遲到時間為98 min，按照遇阻井段以及遲到時間，在開泵后約98 min錄取的巖屑掉塊即是遇阻點(diǎn)（2374 m）附近井壁脫落下來的掉塊。圖3右圖巖屑掉塊是在井段2371～2380 m錄取的，經(jīng)核實(shí)與巖性剖面推斷出來的該剖面的巖性相一致，因此根據(jù)遲到時間來歸位巖屑掉塊層位的方法可行。

圖3 掉塊巖性歸位劃眼井段（2371～2380 m）

1.3 元素數(shù)據(jù)曼哈頓距離法

地殼中巖石所含元素的數(shù)量和種類是固定的，但不同巖石中元素的比例卻不盡相同，利用元素分析儀對掉塊巖屑中元素的種類和數(shù)量進(jìn)行分析，結(jié)合各個元素的占比就能較好地擬合出該巖屑的種類，甚至確定出該巖屑的名稱。在實(shí)際施工過程中，這種方法可以用來確認(rèn)巖屑顆粒較小、巖屑較為罕見以及特殊的標(biāo)志層，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

利用巖屑元素種類的多樣性，結(jié)合數(shù)學(xué)算法，對整個裸眼井段的巖屑和巖屑掉塊進(jìn)行元素分析，形成元素數(shù)據(jù)庫，利用元素數(shù)據(jù)庫分析結(jié)果對巖屑掉塊與整個裸眼井段進(jìn)行比對，能夠更準(zhǔn)確地判定巖屑掉塊的位置。

曼哈頓距離是表征巖屑掉塊元素分析值與裸眼井段元素數(shù)據(jù)庫中相同元素之間距離的絕對值，掉塊元素值與裸眼井段元素數(shù)據(jù)庫中相同元素的距離值的絕對值累加之和即為曼哈頓距離，當(dāng)曼哈頓距離最小時，判定裸眼井段與巖屑掉塊層位距離最為相近。其公式如下[1]：

式中：dkj為第k個掉塊元素值與第j個全井樣品元素值之間的曼哈頓距離，m。

當(dāng)dkj最小時，第k個掉塊元素值與第j個全井樣品元素值最為相近，此時可將第k個掉塊歸位于第j個全井樣品的解釋結(jié)果，表明裸眼井段與巖屑掉塊層位一致。

在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，出現(xiàn)巖屑掉塊時往往持續(xù)幾米甚至十幾米。CT 1井在實(shí)際鉆進(jìn)至井深3898 m時鉆時高于上下井段，懸重變化較大，有遇阻現(xiàn)象，在此處井深經(jīng)過一個巖屑遲到時間錄取3塊返出的巖屑掉塊進(jìn)行元素分析，將分析結(jié)果與裸眼井段元素數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如表1 所示。由于計算出的曼哈頓距離值較小，不便于比較，先求取曼哈頓距離之和平方根再進(jìn)行比較，取3 塊巖屑掉塊曼哈頓距離之和平方根最小者對應(yīng)的深度為掉塊歸位深度，計算出歸位深度與實(shí)際鉆進(jìn)過程中遇阻井段基本吻合。

表1 CT 1井掉塊根據(jù)元素數(shù)據(jù)利用曼哈頓距離法計算歸位深度

1.4 鄰井對比法

在構(gòu)造相對較穩(wěn)定的區(qū)域，地層應(yīng)力的集中或釋放也位于某個固定的區(qū)域，正鉆井和已鉆井會在同樣的構(gòu)造位置出現(xiàn)類似的巖屑掉塊，施工現(xiàn)場可以利用此方法提前預(yù)判可能出現(xiàn)井壁失穩(wěn)的井段。鉆進(jìn)過程中，由于工程復(fù)雜引起原井眼不能繼續(xù)施工，現(xiàn)場采取側(cè)鉆鉆進(jìn)，側(cè)鉆鉆進(jìn)至相同層位時所出現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象與原井眼基本一致，不管是施工原因還是地層應(yīng)力釋放原因，原井眼和側(cè)鉆井眼鉆進(jìn)時基本都會出現(xiàn)掉塊。但在側(cè)鉆時采取一定的措施保護(hù)井壁，側(cè)鉆井段掉塊也會隨之減少。

實(shí)際施工過程中，原井眼出現(xiàn)掉塊的層位或者井深，在側(cè)鉆時同樣也會出現(xiàn)掉塊（圖4），側(cè)鉆施工中吸取原井眼的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采取一定的措施穩(wěn)定井壁，可減少側(cè)鉆鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)的掉塊數(shù)量；不同的施工狀態(tài)會影響巖屑掉塊返出數(shù)量，從原井眼、側(cè)井眼復(fù)原地層剖面來看可以推斷出可能出現(xiàn)巖屑掉塊的位置，及時采取一定的措施避免發(fā)生卡鉆等工程復(fù)雜事故。

圖4 原井眼和側(cè)鉆井眼同層位掉塊

1.5 定量熒光圖譜對比法

隨著定量熒光分析技術(shù)的迭代更新，定量熒光分析技術(shù)已經(jīng)成為綜合錄井不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)手段。該技術(shù)以巖屑為分析對象，對已知深度和未知深度的巖屑掉塊均可分析其屬性。鉆進(jìn)過程中的掉塊比劃眼作業(yè)中出現(xiàn)的掉塊更容易歸位，并且歸位深度與正常返出巖屑的深度較接近。在已經(jīng)明確已鉆井段巖屑定量熒光圖譜特征的情況下，對未知深度的巖屑掉塊進(jìn)行定量熒光分析后得出圖譜，將其圖譜與整個裸眼井段的定量熒光圖譜進(jìn)行對比（圖5），根據(jù)圖譜的外觀形狀、顏色深淺、激發(fā)波長和發(fā)射波長大小、熒光強(qiáng)度、含油濃度、熒光級別、油性指數(shù)等特征進(jìn)行綜合分析對比，篩選出與巖屑掉塊定量熒光圖譜一致的正常巖性圖譜，進(jìn)而進(jìn)行掉塊深度歸位，即可確定巖屑掉塊的歸屬位置。

2 巖屑掉塊歸位深度確定原則

在鉆井施工過程中，可采用多種技術(shù)手段進(jìn)行綜合分析得出巖屑掉塊歸位深度，并可以相互驗(yàn)證，使巖屑掉塊歸位深度更準(zhǔn)確，更接近其在井內(nèi)的實(shí)際位置。

本文介紹的5 種掉塊深度歸位方法，在實(shí)際使用中根據(jù)表2 的匹配原則來確定巖屑掉塊的歸位深度。

表2 巖屑掉塊深度判定法匹配原則

當(dāng)5 種計算方法歸位深度為同一深度時，則巖屑掉塊判定為該深度值；當(dāng)出現(xiàn)3 種及3 種以上計算方法判定巖屑掉塊深度為同一深度時，則認(rèn)定巖屑掉塊深度與之匹配；當(dāng)出現(xiàn)至少2 種及2 種以上計算方法判定出的巖屑深度不一致時，則認(rèn)定該分析數(shù)據(jù)超出正常巖屑分析井段，巖屑掉塊不予判定深度。

3 應(yīng)用效果

3.1 巖屑掉塊歸位應(yīng)用

CT 1 井是部署在柴達(dá)木盆地咸東地區(qū)咸東一號構(gòu)造上的一口重點(diǎn)探井，鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的巖屑掉塊，由于井壁失穩(wěn)，嚴(yán)重影響施工周期，錄井技術(shù)人員根據(jù)文中介紹的5種屑掉塊深度歸位方法綜合分析巖屑掉塊信息，將巖屑掉塊進(jìn)行逐一歸位，滿足3種方法結(jié)果相同，按照判定原則對巖屑掉塊進(jìn)行歸位深度判定（圖6）?，F(xiàn)場劃眼出現(xiàn)的巖屑掉塊歸位深度基本位于2 360 m 和2 430 m 附近，并且?guī)r屑掉塊巖性為棕紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖，在2 624 m 出現(xiàn)灰色穩(wěn)定地層后，及時向建設(shè)方建議中完。由于為建設(shè)方?jīng)Q策中完井深和縮短處理復(fù)雜時間提供了較好的數(shù)據(jù)支撐，使鉆井施工周期較原來縮短33%。

圖6 CT 1井巖屑掉塊歸位深度判定

3.2 巖屑掉塊歸位深度與電測數(shù)據(jù)相互印證

根據(jù)上述方法將鉆井施工中巖屑掉塊歸位至相應(yīng)的井深后，向鉆井隊(duì)、電測隊(duì)提示相應(yīng)的風(fēng)險預(yù)告，為施工過程中規(guī)避巖屑掉塊井段，或在巖屑掉塊井段采取合理的措施消除隱患。電測之后的井徑數(shù)據(jù)可以反過來驗(yàn)證電測之前提示巖屑掉塊歸位井段的正確性。電測之前提示電測小隊(duì)，錄井過程中在井深2440 m 出現(xiàn)掉塊，存在井徑擴(kuò)大情況。實(shí)際電測結(jié)果表明，CT 1 井與鄰近的C 8 井在同等構(gòu)造埋深處均表現(xiàn)出相應(yīng)的井徑擴(kuò)大特征，通過錄井與電測數(shù)據(jù)之間相互印證后（圖7），數(shù)據(jù)有效可靠，值得推廣。

圖7 巖屑掉塊歸位深度與井徑數(shù)據(jù)驗(yàn)證

4 結(jié)論與展望

（1）合理利用巖屑掉塊信息，發(fā)揮其優(yōu)勢，摒棄其劣勢，可更好地彌補(bǔ)復(fù)原地質(zhì)剖面、鉆井工程施工方案方面的欠缺。在地質(zhì)工程一體化理念的指引下，錄井技術(shù)在復(fù)原地質(zhì)剖面、監(jiān)測鉆井工程復(fù)雜、降低施工作業(yè)風(fēng)險、輔助縮短施工周期上發(fā)揮著不可替代的作用。

（2）錄井采集數(shù)據(jù)較多，可以利用大數(shù)據(jù)或者數(shù)學(xué)計算公式綜合分析元素數(shù)據(jù)，做到精確計算，精準(zhǔn)應(yīng)用，借助地質(zhì)工程師收集、匯總、分析區(qū)域鄰井資料的能力更好地發(fā)揮錄井技術(shù)優(yōu)勢。

（3）井壁穩(wěn)定性一直是鉆井施工的一項(xiàng)難點(diǎn)，施工前往往難以預(yù)測具體井壁失穩(wěn)井段，而施工中多以經(jīng)驗(yàn)為主導(dǎo)，綜合利用本文提出的巖性對比法等5 種方法能較好地評價巖屑掉塊的屬性，對其進(jìn)行深度歸位，采取一定的措施保護(hù)井壁穩(wěn)定。

（4）該方法在CT 1 井施工現(xiàn)場成功判別巖屑掉塊歸位井段，輔助現(xiàn)場施工。后續(xù)隨著井?dāng)?shù)的增加，有助于研究柴達(dá)木盆地咸東地區(qū)咸東一號構(gòu)造井壁失穩(wěn)的分布規(guī)律，為地質(zhì)工程一體化提供技術(shù)支撐。