泉子街地区地层可钻性分析及钻头选型

熊虎林， 徐龙生

(1.新疆地质矿产勘查开发局第九地质大队，新疆 乌鲁木齐 830009； 2.核工业二三〇研究所，湖南 长沙 410007)

0 引言

2016—2017年，新疆地矿局第九地质大队承担了新疆吉木萨尔县泉子街区块页岩气战略选区调查任务，该项目为新疆维吾尔自治区地质勘查基金项目。项目施工以二叠系芦草沟组上段烃源岩为主要目的层，采用油气勘探线剖面测量、油气二维地震、钻探施工和录井、测井技术，调查区内页岩气烃源岩有机质丰度、类型、成熟度、厚度分布、埋深、构造、储层物性及含气性等特征，获取气层评价参数；探索区内页岩气分布与富集条件，综合确定泉子街区块内先导试验区范围。在先导试验区内进行参数井施工，获取页岩气产能评价资料。

1 钻井施工情况

1.1 区块内钻井情况

区块内施工了准页4井，该井为参数井，设计井深3300.00 m，Ø215.9 mm口径完钻井深3439.50 m；全井取心20回次，取心段总长117.81 m，岩心总长110.56 m，平均采取率93.8%。施工周期209 d，钻机月速度493.63 m/台月，机械钻速697.10 m/台月。目的层烃源岩气测反应良好，通过测井资料优选压裂层段，现该井已进入压裂施工阶段。

1.2 钻遇地层情况

区内地层主要包括第四系全新统，新近系上新统昌吉河群(N2ch)，三叠系中—晚三叠统小泉沟群(T2-3xq)、早三叠统烧房沟组(T1s)、韭菜园组(T1j)，二叠系梧桐沟组(P3w)、泉子街组(P3q)、芦草沟组(P2l)。以芦草沟组黑色炭质泥页岩夹油页岩为主要目的层，完钻层位为芦草沟组下段。准页4井实际揭露地层情况见表1。

表1 准页4井实际揭露地层情况

2 可钻性分析及评价

岩石可钻性是指岩石抵抗钻进破碎的能力，主要包括两方面的内容，即岩石本身强度和破碎难度，另一方面就是岩石在一定的钻井工艺技术和钻井工具条件下，被破碎的难易程度。通过岩样测试、实钻数据结合测井地层声波时差数据综合分析岩石可钻性并提出钻头选型、井身结构优化建议。

大量研究表明，岩石的纵波时差、密度和泥质含量是影响岩石弹性和强度的重要因素。声波时差可得出声波在地层中的传播速度，从而间接反应地层岩石硬度、弹性模量、泊松比等力学性质。

2.1 声波时差与可钻性级值相关关系模型建立

国内石油钻井研究者通过微钻试验、岩石力学测试、实钻数据收集等方法，表明牙轮钻头钻进时地层可钻性与声波时差的相关关系，对数函数相关性最大。其表达式虽各有差别，但总体变化趋于一致。一般的，岩石密度高，声波时差值越低，地层可钻性级值越高[1]。

按《岩石可钻性测定及分级方法》(SY/T 5426-2000)规定，可通过微钻试验确定岩样可钻性级值。即使用特制微牙轮钻头，以一定的钻压(890 N±20 N)和转速(55 r/min±1 r/min)在岩样上钻3个深度为2.4 mm的孔，取3个孔钻进时间的平均值为岩样的钻时(td)，对td取以2为底的对数值作为该岩样的可钻性级值Kd，计算公式为Kd=log2t。

取目的层段岩样在全自动可钻性测试仪上进行了牙轮钻头微钻试验，获取了岩样牙轮钻头可钻性级值；并通过TAW2000微机控制岩石三轴试验机完成了岩样硬度测试。表2为岩样可钻性级值及硬度试验数据，并根据测井资料对应列出了相应取样深度的岩石声波时差。

表2 准页4井岩样牙轮钻头可钻性试验数据

利用表2中岩样的8个可钻性试验数据，对应声波时差数据，结合该地区实钻资料，以声波时差数据为横坐标，可钻性级值为纵坐标，选用对数函数模型来拟合岩石可钻性和声波时差间的关系。

图1为所测试岩样牙轮钻头可钻性级值试验数据对应深度处声波时差数据所获得的相关关系曲线[2-3]。

参考前人对准噶尔盆地地层可钻性研究资料，孙连环等以声波时差和岩石密度表征地层可钻性[4]。通过回归分析建立牙轮钻头可钻性级值与声波时差值之间的关系如下：

Kd=-6.13ln(Ac)+38.45

式中：Kd——地层牙轮钻头可钻性级值；Ac——声波时差，μs/m。

应用F检验法对上式进行回归显著性检验，初步判断，回归效果显著。

图1 所测地层牙轮钻头可钻性级值与声波时差的关系

2.2 可钻性级值对应地层钻时分析

准页4井第四系以砾石层为主，砾径0.5～10 cm，昌吉河群上部砾岩较多，砂砾岩与泥岩互层为其主要特征。钻井过程中出于井斜控制需要，采用小钻压吊打。钻时较高，在此不作讨论。

根据可钻性评价模型，对照准页4井1000 m以深声波时差测井资料及岩石密度资料。做出声波时差与可钻性级值对应图见图2。

图2 准页4井声波时差与可钻性级值对应图

分析图2，小泉沟群地层平均可钻性级值5.94，变化较大；牙轮钻头平均钻速2.63 m/h。结合岩屑录井资料，小泉沟群(1000～1474.15 m)砾岩、砂岩与泥岩、炭质泥岩互层，夹薄煤，故地层可钻性级值表现在图上起伏明显。

烧房沟组-韭菜园组(1474.15～2133.99 m)，平均可钻性级值6.05，平均机械钻速2.58 m/h，地层以砂岩、砂砾岩、泥岩互层，砂岩硅质含量高。

梧桐沟组-泉子街组(2133.99～2753.24 m)，牙轮钻头平均钻速2.14 m/h，可钻性级值6.43。

钻井自2753.24 m进入芦草沟组目的层，间断取心，全面钻进全部使用牙轮钻头，取心使用PDC钻头。牙轮钻头可钻性级值6.48，平均机械钻速1.52 m/h。据测井资料，去铀伽马相对减小，中子和密度分开度减小，钍钾分开度相对减小，表明泥质含量相对降低。对应深度段硅质含量相对增加，平均为53.7%[5]。按《岩石可钻性测定及分级方法》(SY/T 5426-2000)，属中硬-硬地层。

3 岩样力学测试数据分析

准页4井全井仅在目的层段间断取心，故力学试验岩样全部取自目的层段(2753.24～3439.50 m)。累计取力学岩样10个，围压取值0及30 MPa条件下，试验数据如表3所示。

从表3岩心岩石力学试验结果来看，芦草沟组岩样泊松比参照围压为0时数据在0.104～0.315之间，平均值为0.178。单轴抗压强度较高。

分析岩样抗压强度，围压为0时，可视作单轴抗压强度，但也仅能作为岩石抗压强度下限。围压为30 MPa时，抗压强度63.71～236.75 MPa，平均值为137.90 MPa。受围压影响，岩石的三轴抗压强度明显大于单轴抗压强度，比值范围1.4～5.3。且岩样致密程度很高，表现出很高的单轴抗压强度。

综合分析10组岩样抗压强度，弹性模量为4.94～32.31 GPa，脆性特征不明显。从硬度分析，测试8组样品中，硬度714.2～1814.2 MPa，平均为1113.07 MPa。

4 结合钻头使用综合分析地层可钻性

表4列出了具备较高钻速的钻头的使用情况，全井牙轮、PDC钻头交互使用。

准页4井第四系和新近系昌吉河群使用牙轮、钻头钻进，卵砾石层砾径大，采用轻压吊打，控制井斜，钻时很高。以下汇总典型层位钻头使用情况及可钻性级值分析。

表3 准页4井岩样力学试验数据

表4 准页4井钻头使用情况

4.1 韭菜园组(T1j)

前期采用HG517牙轮钻头钻进，机械钻速仅1.05 m/h。换贝克休斯PDC(BKSH1955LT)钻头，该钻头采用平滑切削技术控制切削深度，减轻钻头振动；肋骨式切削齿设计，提升切削齿强度。钻速提升明显，达到2.68 m/h。该层位平均可钻性级值6.15。

4.2 梧桐沟组(P3w)

使用DB117及GS605型PDC钻头，采用转盘+高速螺杆驱动，均出现掉、崩、碎齿等问题，造成钻头的先期损坏。主要原因为布齿设计存在一些不合理的地方，布齿设计的不足使得某些部位的切削齿受力较大容易产生先期损坏。应使用自锐性强、抗冲击性能好的切削齿，并优化钻头结构形式，提高钻头的工作稳定性。该层位平均可钻性级值6.37。

4.3 泉子街组(P3q)

井段夹层多，岩性复杂，钻遇软硬交错层段6层，可钻性级值4.00～6.90，不均质现象明显，推荐选用具有减震结构的PDC钻头以提高钻头穿越夹层的能力。

4.4 芦草沟组(P2l)

芦草沟组为钻井目的层，全面钻进使用LST617GL及T517G型牙轮钻头。该层位可钻性级值平均6.46，最高达7.45。两类钻头从齿形设计到布齿数量均不能满足地层钻进要求。

牙轮钻头可钻性试样均取自该层位，通过声波时差曲线建立的可钻性级值剖面与实测可钻性级值对比，8个试验岩样平均可钻性级值5.91，处理后目的层位平均可钻性级值6.41，相对偏差7.8%。

5 结论

(1)通过建立可钻性级值求取模型，结合实钻资料，获取了泉子街地区昌吉河群至芦草沟上段地层可钻性剖面。牙轮钻头可钻性测定岩样均取自芦草沟组，存在样本选取层位单一及数量不足等问题。

(2)泉子街地区昌吉河群至芦草沟上段地层可钻性级值平均为6.03，最大值为7.45。可钻性级值剖面与实钻情况基本吻合。

(3)芦草沟组上段为页岩气成藏段，也是钻井目的层位，泥质含量高，岩石平均密度2.73g/cm3。推荐使用HJ537G宽齿三牙轮钻头。该钻头采用宽顶勺形齿为主切削齿，提高了牙轮的井底破碎体积和钻头井底覆盖率；大偏移值设计，提高了牙齿在井底的剪切滑移距离，增强了钻头破碎岩石的体积。