岩石可钻性研究在大牛地气田下古生界的应用

袁本福 邓红琳 赵文彬 蒋艳芳

（中国石化华北分公司工程技术研究院，河南 郑州 450006）

0 引言

岩石可钻性是钻头选型以及地层分层的重要参考依据，反映了钻进时对岩石破碎的难易程度。岩石可钻性评价方法一般是利用钻井取心进行室内微钻头实验，结合声波时差实验，拟合回归得到牙轮或PDC垂向及水平向可钻性级值与声波时差的方程。由于地层岩性垂向上变化较大，存在不等厚夹层，同时也不可能对整个地层取心，难以建立连续剖面。因此，如何更加准确、连续、实时地预测岩石的可钻性，优选适应性更强的钻头，提高机械钻速，降低钻井成本十分重要［1-3］。目前大牛地气田针对上古地层已经完成了岩石可钻性室内实验，取得了部分科研成果，并得到了很好的应用，但对下古奥陶系地层还没有进行过岩石可钻性室内实验，缺乏比较可靠的岩石可钻性数据。笔者应用通用钻速方程反求岩石可钻性，结合实钻录井数据，计算得到的下古岩石可钻性级值与现场实钻较符合。

1 大牛地气田下古生界储层地质特征

大牛地气田下古生界碳酸盐岩储层天然气资源量为1.62×1012m3，主要集中在奥陶系风化壳，其中风化壳马五1-4段储层以岩性较纯的白云岩发育为主，马五5段储层以灰质白云岩及裂缝泥晶灰岩为主，具有埋藏深、成岩作用强、岩性致密、硬度高等特点［4］。通过统计分析PG1、PG2已完钻井钻头使用资料，发现马五地层机械钻速普遍很低，钻头磨损较严重（表1），因此，深入研究下古奥陶系碳酸盐岩可钻性是优选较强适应性钻头，进一步提高机械钻速的必要前提。

表1 钻头实钻数据表

2 可钻性级值求取方法

2.1 钻速方程反求

尹宏锦通用钻速方程［5］在预测机械钻速方面具有较高的宏观准确度，被国内各大油田广泛应用，该方程基于大量的地层可钻性数据统计，经过反复地修正和试验，能够较客观地预测某区块的机械钻速。因此，根据方程中岩石可钻性与钻头水力学相关参数的关系［6］，结合实钻录井数据，利用通用钻速方程反求岩石可钻性的方法是可行的，而且该方法比室内岩心实验求岩石可钻性的方法更为方便，可以节约一定的成本。基于通用钻速方程，以可钻性Kdt为目标函数，进行了推导，并且得出了通用Kdt求取模型，推导过程见式（1）～（14）。

整理可得可钻性级值计算模型：

式中，V为机械钻速，m／h；N为转速，rpm；ρW为钻井液密度，g／cm3；A0为等效喷嘴面积，cm2；C为喷嘴流量系数（新钻头取0.98，旧钻头取0.96）；pZ为钻压，t；D为钻头直径，cm；Q为流量，L／s。

由式（10）可看出，可钻性级值Kdt与地层岩石特征有关，其他参数都是动态的实时钻井参数，因此，结合实钻录井数据及钻头使用参数，就可反求出实钻条件下的可钻性级值。

2.2 岩石可钻性计算模型修正

采用实钻数据对通用计算模型进行修正，利用高阶多项式逼近实测可钻性级值，最终得到适应于某区块的岩石可钻性计算模型Kdf，见式（15）。

式（15）中把推导出的可钻性Kdt作为因变量，然后通过多项式拟合得到无线逼近实际值的可钻性级值Kdf。图1为利用实钻数据计算Kdt值与实际Kdf值进行6次方的拟合图和方程，依据这个原理可以修正得到更适合大牛地区块地层特征的岩石可钻性模型。

3 实例应用分析

3.1 可钻性级值求取

选取大牛地直井大88完井资料和水平井PG5井完井资料，分别对岩石垂向和横向可钻性级值进行计算。首先对实钻录井数据进行标准化处理（将钻头泥包、划眼等不正常以及泥浆循环、钻时过慢等录井数据去除，然后采用加权平均值法对这些数据进行处理，保证数据来源的准确性），分层位计算数据如表2所示。

图1 K df与K dt拟合关系图

图2为大88井利用实钻录井数据计算结果得到的下古地层可钻性级值剖面。

图3为PG5井水平段计算得到的下古岩石可钻性级值剖面，对比大88井和PG5井计算结果可看出，下古岩石垂向可钻性大于横向可钻性，表明下古岩石水平段钻进研磨性较弱，可钻性较好。求取的可钻性级值可以为下一步优选钻头提供可靠的依据。

3.2 钻头优选应用

由上述求取的可钻性级值剖面可知，下古储层可钻性级值介于6～8，属于中—中硬地层，可钻性较好，表明岩石均质性较好，研磨性较弱。经统计分析也发现，奥陶系风化壳以灰岩和白云岩为主，泥质含量较低，地层研磨性不强，对钻头损伤小。结合河北格锐特钻头使用手册和对该地区已统计的钻头使用状况，推荐使用152.4 mm尺寸GD1605TX钻头（或者GM1605TX，GD与GM表示格锐特胎体钻头），该钻头为16mm复合片尺寸，采用弧线型5刀翼、后排进口齿设计，5刀翼后排进口齿设计便于吃入岩石，增加破碎效果和抗研磨性。表3为水平井优选钻头实钻数据，与PG1井152.4 mm钻头相比较，PG8井节省钻头5个，平均机械钻速提高106.6%，为实现下古地层优质、快速、经济地钻井奠定了良好的基础。

表2 大88井实钻录井数据计算结果表

图2 大88马五垂向可钻性级值剖面图

图3 PG5马五横向可钻性级值剖面图

表3 152.4 mm钻头实钻数据表

4 结论与建议

1）通过对通用钻速方程推导分析，得出通用可钻性级值方程，再利用高阶多项式逼近实测可钻性级值进行修正模型。

2）利用大88井和PG5井实钻录井数据分别对岩石垂向和横向可钻性进行计算。计算得出下古地层可钻性级值在6～8，进而优选出适合下古地层的钻头型号，为下古地层优质、快速钻井提供了技术支持。

3）建议开展下古岩石微钻头室内实验，拟合出声波时差与岩石可钻性的关系模型，进一步验证计算结果的准确性。

［1］张立刚.岩石可钻性综合预测与应用研究［D］.大庆：大庆石油学院，2008.

［2］刘向君，孟英峰.岩石可钻性与钻速预测［J］.天然气工业，1999，19（5）： 61-63.

［3］J.R.Spaar，L.W.Ledgerwood.Formation compressive strength estimates for predicting drillability and PDC bit selection［J］.SPE／IADC 29397.

［4］高斐，楼一珊，吴琼，等.鄂尔多斯盆地马家沟组地层可钻性研究及应用［J］.石油天然气学报：江汉石油学院学报，2011，33（5）：137-139.

［5］张伯文，郭艳洁，路建宏，等.简便易行的地层可钻性求取和钻速预测方法［J］.天然气工业，2001，21（增刊）：98-101

［6］张思渊，刘皓，袁春娥.钻井参数判断岩石可钻性问题的研究与讨论［J］. 山西建筑，2010，36（23）：157-158.