南川页岩气田岩石抗钻特性参数分布规律研究及应用

朱 亮，楼一珊，沈建中 ，贺 庆，秦 杜

（1.长江大学油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏技术研究室，湖北武汉430100；2.长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室，湖北武汉430100；3.长江大学石油工程学院，湖北武汉430100；4.中国石化华东油气分公司石油工程技术研究院，江苏南京210031）

我国页岩气资源量丰富[1]，大力推进页岩气勘探开发利用是我国能源结构调整的重要内容。近几年来，我国在四川盆地礁石坝、长宁、威远等地区页岩气勘探开发取得了可喜的成绩[2]。地质研究表明，位于重庆东南部的南川地区拥有可观的页岩气资源量，是国土资源部油气中心首批成立的全国页岩气战略先导实验区[3-5]。

自2011年以来，中国石化华东油气分公司在重庆南川地区开展页岩气勘探开发工作。南川页岩气作业区位于重庆的东南部，在地层层序上自上而下依次分布的主要地层为第四系、嘉陵江组、大冶组、长兴组、吴家坪组、茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、小河坝组、龙马溪组、五峰组、临湘组以及宝塔组等地层，其中龙马溪组为主要页岩含气目的层位[6-7]。

通过已钻井资料分析来看，制约该区域钻井提速增效的问题主要表现为钻井周期长，机械钻速偏低，钻采成本高等。因此，针对该区域在钻井工程表现出来的问题，急需解决的是如何进一步提高单井产量和降低工程成本，其中进一步优化钻井技术方案尤为重要[6-11]。

钻井提速增效的关键在很大程度上取决于以钻头和钻具为主的钻进工具是否合适，因此，在开展相关研究工作时，其关键核心问题是南川地区的岩石抗钻特性参数分布规律不明确，导致钻头选型针对性不强。故针对以上问题，通过开展岩石力学及岩石抗钻特性参数试验测试，分析岩石抗钻特性参数分布规律，优选出适合南川地区地层特征的钻头，为此类技术提供借鉴。

1 岩石抗钻特性参数实验

岩石抗钻特性参数是评价地层特性、进行钻头选型的关键基础参数，为建立岩石抗钻特性参数的计算模型，需要按照国际岩石力学学会标准[12]和中国人民共和国石油天然气行业标准[13]，加工制备实验岩心，并开展相关特性参数实验测试。单轴抗压强度在微机控制岩石三轴试验机上进行测试，岩石可钻性在全自动岩石可钻性测试仪上进行测试，岩石硬度在岩石硬度测试仪上进行测试。

利用现场所取岩心，实验测试了5组单轴抗压强度，7组岩石可钻性级值和7组岩石硬度，测试结果见表1、表2。

2 抗钻特性参数计算模型的建立

仅靠有限的岩心强度试验难以建立起各井的纵向强度剖面，为此可利用测井资料和岩心单轴抗压强度试验数据的关系模型[14]，建立测井资料计算单轴抗压强度的模型如式（1）所示。

式中：PUCS为岩石的单轴强度，MPa；μd为动态泊松比，无因次；ρ为地层密度，g/cm3；Vcl为泥质体积含量，无量纲；Vp为纵波速度，km/s。

动态泊松比μd可以由下式计算求得：

式中：Vs为横波速度，km/s。

研究表明，声波与岩石可钻性级值和岩石硬度之间存在良好的相关性，因此，可以通过建立岩石可钻性级值与声波时差之间的关系模型来计算地层岩石可钻性级值和岩石硬度[15-18]。利用表2中的岩石可钻性级值和岩石硬度的测试数据，建立了岩石可钻性级值与声波时差和岩石硬度与声波时差的关系（图1、图2）。

表1 南川地区岩石单轴抗压强度测试结果Table1 Test results of uniaxial compressive strength for rocks in Nanchuan

表2 南川地区岩石可钻性级值、岩石硬度测试结果Table2 Test results of rock drillability grade,rock hardness and plastic coefficient in Nanchuan

图1 岩石可钻性级值与声波时差的关系Fig.1 Relation between rock drillability level value and interval transit time

图2 岩石硬度与声波时差的关系Fig.2 Relation between rock hardness and interval transit time

由图1和图2回归得到的岩石可钻性级值与声波时差和岩石硬度与声波时差的关系式，即为岩石可钻性级值和岩石硬度的计算模型，分别见式（3）、式（4），由此应用所建立的单轴抗压强度计算模型、岩石可钻性级值计算模型以及岩石硬度计算模型，利用测井数据，即可计算出单轴抗压强度、岩石可钻性级值以及岩石硬度的大小。Kd=22.174e-0.006Δt（3）Py=66 884e-0.02Δt（4）式中：Kd为岩石可钻性级值；Py为岩石硬度值；Δt为声波时差，μs/m。

3 抗钻特性参数分布规律分析

基于实验数据所建立的单轴抗压强度和岩石可钻性级值的计算模型，利用Y1井、Y2井、Y3井的测井数据，分别计算了这3口井的单轴抗压强度和岩石可钻性级值大小，建立单轴抗压强度和岩石可钻性级值剖面图（图3、图4、图5），并结合IADC地层评价分级对各地层进行了评价。

图3 Y1井抗钻特性参数剖面Fig.3 Profile of formation anti-drillability parameters of well-Y1

图4 Y2井抗钻特性参数剖面Fig.4 Profile of formation anti-drillability parameters of well-Y2

图5 Y3井抗钻特性参数剖面Fig.5 Profile of formation anti-drillability parameters of well-Y3

从图3、图4、图5所呈现的岩石抗钻特性参数总体变化趋势来看，梁山组以上地层各特征参数波动较大，说明地层非均质性明显；下部地层变化相对较为平缓，但从龙马溪组底部开始岩石的抗压强度和可钻性级值有缓慢抬升的趋势。各层位的岩石抗钻特性参数分布见表3。

表3 南川地区各层位岩石抗钻特性参数Table3 Formation anti-drillability parameters of different horizons in Nanchuan

4 钻头优选

通过近几年的钻探实践，目前在南川地区各井的井身结构已较为成熟，即：一开封住飞仙关组三段以上地层，二开封住龙马溪组以上易漏易垮地层，三开专打龙马溪组地层。因此，从钻井提速增效的角度来看，依据抗钻特性参数对地层钻进的难易程度进行评价，结合井身结构设计，优选适合地层抗钻特性参数的钻头就是其工程意义所在。

在实际钻进中，南川页岩气作业区的井在二开中下段以及三开段是困扰现场钻井提速的重点井段，就此进行了有针对性的钻头特征功能分析。

4.1 二开井段钻头功能特征分析

根据井身结构设计，二开钻遇地层主要包括长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、小河坝组地层。根据表3给出的南川地区各层位岩石抗钻特性参数，二开各地层岩石可钻性级值主要在5～7，硬度在1 000～2 600 MPa；从各参数分布规律上看，栖霞组以上地层较下部地层抗钻特征更强。因此，二开钻进时钻遇的地层总体上属于硬度较高的中—中硬级地层。

该段地层长兴组至茅口组中部岩性以灰岩、泥质灰岩为主，茅口组至韩家店上部岩性以灰岩、泥岩互层为主，韩家店至龙马溪上部地层以灰色泥岩、深灰色粉砂质泥岩为主。地层总体较硬，特别是长兴组、龙潭组、小河坝组地层岩性较致密，研磨性强，地层非均质性较强。根据以上分析，推荐适合二开地层的钻头类型为PDC钻头，该类PDC钻头功能在设计和优选时应考虑如下特性：①具有较好的耐磨性、抗震、保径性能；②刀翼数：5～6个；③切削齿：13～16 mm；④较高的布齿密度。

对于小河坝组地层，可钻性级值达到了5～6级，具有很强的抗钻特性，同时现场使用钻头磨损较大，故该地层应属于高研磨性的难钻地层。对于该类地层应用牙轮钻头，由于地层硬度高，容易导致牙轮齿崩断，如果采用PDC钻头，由于其高研磨性，也容易导致切削齿磨损严重。综合考虑该地层特性，可选择牙轮PDC混合钻头。

4.2 三开井段钻头功能特征分析

三开井段主要钻遇龙马溪组地层。从三开地层岩石抗钻特性参数可以看出（表3），龙马溪地层岩石可钻性级值主要在5～6，硬度主要在1 000～1 500 MPa，由此可以认为三开钻进时钻遇的地层总体上属于中等硬度的中级地层。根据以上分析，并考虑井眼轨迹和动力钻进方式，推荐适合三开地层的钻头类型为PDC钻头。设计适合三开地层的PDC钻头功能特点为：①具有较好的耐磨性、抗震、保径性能；②浅内锥设计，定向稳定；③刀翼数：5～6个；④切削齿：13～16 mm；⑤水力设计利于井底清洗。

5 应用分析

Y4井是一口位于川东高陡褶皱带万县复向斜平桥背斜的水平井，设计井深4 979.65 m，实际完钻井深5 303 m，该井水平段长1 415 m，完钻层位为龙马溪组。

该井二开段（635～3 414 m）钻遇的地层为飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组、韩家店组、小河坝组地层。根据前述研究，推荐适合该段地层特性的钻头为KSD1663DRT、KPM1663DST，该类钻头为6刀翼、16 mm切削齿的钻头，同时具有较高的布置密度。实钻数据表明该井在二开地层的平均机械钻速为7.29 m/h。

该井三开段（3 414～5 303 m）钻遇的地层为龙马溪组地层。该井段实际使用的钻头为史密斯的SF55H钻头，该钻头为6刀翼、16 mm切削齿、具有大排屑槽、具有大过流面积的钻头，有利于清洗井底岩屑，符合该段地层特性，实钻该段地层的平均机械钻速为12.16 m/h。

综合Y4井的整体情况，全井机械钻速达到了11.67 m/h，钻井周期为58.17 d，这2个指标均创造了2018年中国石化华东油气分公司在南川页岩气钻井施工的纪录。

6 结论与认识

1）由于重庆南川页岩气藏在特征上有别与四川盆地的其他页岩气藏，因此，探索形成一套适合重庆南川页岩气安全高效的钻探开发技术非常重要和关键。

2）重庆南川页岩气区块各地层按照地层岩石抗钻特性参数的大小进行综合分级评价表明，该地区地层从浅部到深部总体上属于中软—中硬的级别。

3）通过Y4井的现场应用表明，根据地层岩石抗钻特性参数进行钻头选型和优化，是增强钻头结构功能特征对地层的适应性，发挥钻头破岩效率，提高机械钻速的关键，也是开展地层岩石抗钻特性参数分析研究的工程意义所在。

4）考虑到重庆南川地区地质构造的特殊性，结合地质构造要素精确描述地层岩石抗钻特性参数的空间分布规律是今后需要做的一项很重要的工作，可以为进一步优化井身结构和井眼轨迹提供依据。