顺北二叠系火成岩地层抗钻特性预测及应用研究

2022-03-30刘景涛李文霞

钻采工艺 2022年1期

刘景涛，黄勇，李文霞

1中国石化西北油田分公司工程技术研究院 2中国石油大学(华东)石油工程学院

0 引言

顺北油田位于塔里木盆地顺托果勒隆起北部，总面积约2×104km2，油气资源量丰富，勘探前景十分乐观[1- 2]。顺北油田储层之上的古生界岩性复杂，井下事故多、钻井难度大、提速困难，其中以二叠系地层最为突出[3- 7]。由于二叠系地层以火成岩为主，埋藏深、厚度大，现阶段采用的钻井工艺方案应用效果差，钻井效率低、施工周期长，成本高[8- 9]。完钻数据表明，二叠系地层进尺仅14.0 m/d，平均需要8趟钻完成进尺，提速增效需求十分迫切。

二叠系地层提速困难的主要原因在于对顺北区块二叠系地层岩石抗钻特性认识不清，导致钻头选型不合理，地层匹配性差，使用效果不理想。岩石抗钻特性是指导石油钻井工程施工的重要技术参数，目前关于沉积岩岩石抗钻特性的预测模型研究已较为成熟[10- 11]。但由于沉积岩与火成岩在成岩机理、矿物构成、结构特征等多方面存在较大差异，基于沉积岩的抗钻特性预测模型不适用于火成岩地层，有必要针对性地开展火成岩地层抗钻特性的预测研究。因此，通过对火成岩地层岩石抗钻参数与声波特性相关性的分析，建立适用于火成岩地层的抗钻参数预测模型，构建顺北区块二叠系地层抗钻特性剖面，并针对二叠系地层抗钻特性提出针对性的钻头选型方案，为顺北地区的高效勘探开发提供技术保障。

1 岩心实验

地层岩石抗钻特性与石油钻井密切相关，是地层岩石评价、钻头类型优选、钻井参数设计的重要依据，地层抗钻特性参数主要包括岩石抗压强度、岩石可钻性、岩石研磨性、压入硬度等[12]。已有研究表明，岩石抗钻特性参数与地层岩石声波时差存在相关性，因此可借助测井数据对地层抗钻参数进行评价和预测。为此，收集了15块有代表性的火成岩岩心，岩性包括花岗岩、玄武岩、闪长岩、流纹岩、安山岩、英安岩等常见火成岩，并分别开展岩石抗钻参数实验测定。测定方法如下：

1.1 岩石可钻性

根据标准SY/T 5426—2000《岩石可钻性测定及分级方法》的相关要求，利用华石III型可钻性测定仪和微钻头测定岩石可钻性。在规定的钻压和转速下，测定微钻头钻进2.4 mm深度所用时间，并将钻进时间取以2为底的对数值作为岩石可钻性级值，即:

Kd=log2T

(1)

式中:Kd—岩石可钻性级值，无量纲；T—微钻头钻进时间，s。

1.2 岩石抗压强度和硬度

按标准DZ/T 0276—2015《岩石物理力学性质试验规程》规定，利用微机控制岩石伺服三轴仪和岩石硬度计测试岩样的单轴抗压强度和压入硬度。

1.3 岩石研磨性

目前，岩石研磨性的测定方法较多，但尚没有统一的测试方法和分级标准。邹德永等[13]提出了一种针对金刚石类钻头的岩石研磨性测定方法，能够较为准确的反映钻头与岩石的磨损关系。该测试评价方法将岩石研磨性指标定义为磨损标准件磨损质量与岩石破碎体积之比，即:

(2)

式中:ω—岩石研磨性指标，mg/cm3；Δm—磨损标准件磨损质量，mg；ΔV—岩石破碎体积，cm3。

1.4 声波时差

利用HF-F型智能超声波测试仪测定横波和纵波穿过一定长度的岩样所用的时间。声波时差为声波穿过单位长度岩石所用的时间，即:

(3)

式中:Δtp—纵波时差，μs/m；t—声波穿过岩样所用的时间，μs；L—测试岩样的长度，m。

2 火成岩抗钻参数预测模型的建立

岩石抗钻特性与岩石的声学特性存在着密切关联，基于表1中的室内岩心实验结果，采用数理统计方法对岩石抗钻参数与纵波时差的相关性进行回归分析，建立火成岩地层抗钻特性参数预测模型。

表1 岩心实验结果

2.1 岩石可钻性预测模型

根据岩心实验结果的统计分析，岩石可钻性级值与纵波时差两者的回归关系如图1所示，两者呈幂函数关系，其关系式为:

图1 火成岩地层岩石可钻性与纵波时差关系曲线图

(4)

式中：Kd—岩石可钻性级值;Δtp—岩石纵波时差，μs/m。

由F检验法可知，置信水平取99%时，F=805.84>F0.01=9.07，回归关系显著。

2.2 岩石抗压强度预测模型

根据岩心实验结果的统计分析，岩石抗压强度与纵波时差两者的回归关系如图2所示，两者呈幂函数关系，其关系式为:

图2 火成岩地层岩石抗压强度与纵波时差关系曲线

(5)

式中：σc—抗压强度，MPa；Δtp—岩石纵波时差，μs/m。

由F检验法可知，置信水平取99%时，F=519.567>F0.01=9.07，回归关系显著。

2.3 岩石硬度预测模型

根据实验岩心试验结果的统计分析，岩石硬度与纵波时差两者的回归关系如图3所示，两者呈幂函数关系，其关系式为:

图3 火成岩地层岩石硬度与纵波时差关系曲线

(6)

式中：H—岩石的硬度，MPa；Δtp—岩石纵波时差，μs/m。

由F检验法可知，置信水平取99%时，F=208.66>F0.01=9.07，回归关系显著。

2.4 岩石研磨性预测模型

已有研究表明，火成岩的研磨性与岩石抗压强度呈正比关系。根据实验岩心试验结果的统计分析，岩石研磨性与岩石抗压强度的回归关系如图4所示，两者呈线性关系，其关系式为:

图4 火成岩地层岩石研磨性与抗压强度关系曲线

ω= 0.042 4σc+0.484 4

(7)

式中：ω—岩石研磨性指标，mg/cm3；σc—岩石的单轴抗压强度，MPa。

由F检验法可知，置信水平取99%时，F=531.92>F0.01=9.07，回归关系显著。

根据抗压强度与纵波时差的相关性，可进一步将岩石研磨性预测模型改写为:

(8)

2.5 抗钻参数预测模型的验证

为了检验火成岩地层抗钻特性参数预测模型在顺北二叠系地层应用的有效性，收集了4块顺北二叠系地层不同深度岩心，并将其抗钻特性参数的实测值与模型预测值进行对比，结果见表2。由表2可知，测试岩样地层抗钻特性参数的预测相对误差在10%左右，所建模型的准确率较高，可以满足现场工程需要。

表2 二叠系火成岩地层抗钻参数预测模型验证结果

3 顺北二叠系火成岩地层抗钻特性分析

根据火成岩地层抗钻参数预测模型，结合现场收集的顺北二叠系地层相关测井资料，对该地层的抗钻特性参数进行计算，绘制地层抗钻特性剖面，如图5所示。

图5 顺北二叠系地层抗钻特性剖面

由图5可知，顺北二叠系地层具有以下特点：

(1)非均质性强，软硬交错显著。二叠系地层岩性多变，上段4 775～4 975 m，以凝灰岩和浅灰色英安岩为主，平均抗压强度119.84 MPa，平均可钻性级值7.92，平均压入硬度2 108.65 MPa；中段4 975～5 160 m，以深灰色英安岩为主，夹黑色玄武岩，平均抗压强度148.87 MPa，平均可钻性级值8.63，平均压入硬度2 418.83 MPa；下段5 160～5 340 m，以凝灰岩、砂泥岩为主，平均抗压强度77.18 MPa，平均可钻性级值6.42，平均压入硬度1 457.43 MPa。

(2)强度高、可钻性差。二叠系地层抗压强度超过150 MPa、可钻性超过8级的地层厚度大于250 m，其中最大可钻性级值为9.96，最大抗压强度为195.62 MPa。

(3)研磨性强。二叠系地层平均研磨性指标为5.27 mg/cm3，最大研磨性指标为8.58 mg/cm3。

4 现场应用

4.1 二叠系火成岩地层钻头方案优选

由二叠系地层抗钻特性剖面可知，二叠系上、中段地层以火成岩为主，地层强度高、硬度大、可钻性差、研磨性强，是钻井提速困难的关键所在。

二叠系上段地层岩石软硬交错显著，可钻性波动大，研磨性适中，为中硬的非均质地层，其是二叠系地层钻井提速的潜力段。为此，推荐选用PDC钻头以获得较高的机械钻速，同时配合轴向冲击器，提高钻头吃入硬地层的能力。所选PDC钻头应具备以下主要特征：具有较高的抗冲击性和较好的耐磨性，刀翼数为5～6个，切削齿直径13～16 mm，切削倾角19°～23°，大排屑槽和大过流面积。

二叠系中段地层岩石抗压强度高、可钻性差、研磨性强，夹层频繁，为坚硬的高研磨性地层，该段应重点提高钻头使用寿命，缩短辅助钻井时间。为此，推荐选用PDC+牙轮复合型钻头，该类钻头利用滚动牙轮冲击压碎地层岩石，释放地层应力，大幅改善PDC齿切削破岩条件，具备攻击性高、稳定性好、扭矩低、抗磨损、使用寿命长，复杂地层适应性强等诸多优点；同时配合螺杆钻具，提高钻头单位时间内的井底切削次数。

4.2 使用效果分析

参照钻头优选方案，在顺北SB-X井进行了现场试验。SB-X井是一口位于塔里木盆地顺托果勒低隆北缘的评价井，设计井深7 640 m，二叠系层位4 759～5 280 m。

该井二叠系上段地层选用了SF64H3型PDC钻头+联合冲击器，该型钻头采用6刀翼布局，主切削齿为16 mm的H3齿，并设有后排辅助齿，其具有钻速快、抗冲击抗磨损能力强、寿命长、井底清洁效果好等特点。试验井段4 889～4 993 m，机械钻速为3.33 m/h，进尺为104 m。相较于邻井同层位的PDC钻头机械钻速提高77%、进尺提高36.7%；相较于邻井同层位的牙轮钻头机械钻速提高56.3%、进尺提高25.6%，如图6所示。

图6 二叠系上部地层钻头使用情况对比

该井二叠系中段地层选用了KPM1633DST型钻头+直螺杆，该型钻头为三刀翼+三牙轮设计，牙轮与刀翼间隔布置，刀翼高密度布置Ø16 mm的PDC切削齿，牙轮为镶齿牙轮，巴掌处采用金刚石加强。试验井段5 025～5 205 m，机械钻速为2.53 m/h，进尺为180 m。相较于邻井同层位的PDC钻头机械钻速提高34.6%、进尺提高127.8%；相较于邻井同层位的牙轮钻头机械钻速提高60.1%、进尺提高49.5%，如图7所示。