基于测井曲线和灰色关联度的楼探井区钻头选型方法

2022-06-06夏宏泉张佳伟刘素君杨博仲

测井技术 2022年2期

夏宏泉,张佳伟,刘素君,杨博仲

(1.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院,四川成都610500)

0 引言

钻头是直接破岩的工具,选择合适的钻头是提高钻井机械钻速的关键。随着钻井综合配套技术的飞速发展,钻井速度也随之不断提高[1-2]。地层抗钻能力是影响钻头使用效果的主要因素,正确选择钻头必须对所钻地层岩石力学性能有充分的认识[3]。通常,由于钻遇井段的地层岩性和抗钻参数差异大,导致不同的地质层位需要使用不同类型的钻头[4-5]。优选与地层岩石类型性质相匹配的钻头是提高钻速的重要保障。

楼探井区位于四川盆地川东地区黑楼门潜伏高陡构造,地质条件复杂,地层岩性致密,且泥岩、砂岩、灰岩、云岩、石膏互层频繁发育,同时深部地层处于高温、高压等地质力学环境中,可钻性变化大,大部分地层可钻性差、研磨性高、非均质性强。这些问题严重制约了该区钻井时的机械钻速(0.6～1.1 m/h)、增加了钻井周期,影响油气田的勘探效益。为了达到高效、经济钻井的目的,通过优选合理的钻头来提高楼探井区的钻井速度至关重要。本研究从自然伽马(GR)、声波时差(AC)、密度(DEN)等测井曲线中提取岩石抗钻参数,并选用灰色关联法对钻头进行优选[4,6-7]。该方法包含的样本模式类型多,可以通过关联度从众多参数中剔除多余信息优选主要敏感参数,优于线性和非线性判别分析法、神经网络法、支持向量机法等模式识别方法,该方法不需要通过反复训练学习建立复杂度高的非线性数学模型,可明显提高钻头优选的准确率。

1 地层抗钻参数的提取

1.1 影响钻头机械钻速的原因

楼探井区不同层位复杂岩性地层的可钻性与研磨性差别大,上部地层是陆相地层,以砂岩和泥岩为主,含有钙质泥岩硬夹层,可钻性与研磨性变化波动大;深部地层是海相地层,以碳酸盐岩为主,可钻性级值在7～9、研磨性在9～18,岩石可钻性差、研磨性高、硬度大,且处于高地应力状态,这些因素导致钻井机械钻速低。

1.2 基于测井资料的抗钻参数计算

通过对所提取的地层强度参数进行岩石抗钻特性分析,筛选出明显影响机械钻速的岩石抗钻关键参数。岩石可钻性是指岩石抵抗钻头冲击与剪切破坏的能力,是钻头选型的直接依据,用可钻性级值表示,其值越大的地层越难钻进[8-9]。岩石研磨性是指地层岩石对钻头的磨损能力,它与岩石力学性质、破岩工具的材料、几何形状及破碎方式等因素有关,研磨性越大表明钻头的使用寿命越短、不耐磨。影响钻头选型的地层抗钻参数较多,常有泥质含量Vsh、抗压强度Sc、抗剪强度Ss、可钻性Kd、研磨性Gd、硬度Hd、脆性指数BI、有效应力pe等。测井资料中蕴含着大量的地层岩石可钻性信息,通过GR、ACL、ACS、DEN等测井曲线,据式(1)～式(16)可获得整个地层剖面的岩石抗钻参数。

①泥质含量可由式(1)与式(2)计算

(1)

(2)

式中,IGR为地层自然伽马相对值,无量纲;GR、GRmin、GRmax为某段地层、纯砂岩、纯泥岩的自然伽马测井值,API;Gnd为地层新老系数,新地层为3.7、老地层为2;Vsh为泥质含量,小数,泥质含量越高,地层越难钻。

②砂泥岩和碳酸盐岩的单轴抗压强度分别由式(3)和式(4)计算;弹性模量由式(5)计算;泊松比由式(6)计算;如无横波时差测井曲线,可以根据式(7)构建横波时差曲线。

Sc=0.0045E(1-Vsh)+0.008EVsh

(3)

Sc=0.0026E(1-Vsh)+0.008EVsh

(4)

(5)

(6)

ACS=1.669ACL+0.0483GR+39.835

(7)

式中,Sc为单轴抗压强度,MPa;E为弹性模量,MPa;ACL为地层纵波时差,μs/m;DEN为地层密度,g/cm3;β为转乘因子,β=109;γ为泊松比;ACS为横波时差,μs/m。纵波声波时差越大,弹性模量越小,抗压强度越小,地层越容易钻进。

③固有抗剪强度可由式(8)计算,岩石体积模量可由式(9)计算。

(8)

(9)

式中,Ss为固有抗剪强度,MPa;Kb为岩石体积模量,MPa。岩石体积模量越小,抗压强度越小,地层越容易钻进。

④硬度可由式(10)～式(12)计算,可钻性级值可根据式(13)计算,研磨性可由式(14)计算,脆性指数可由式(15)计算,有效应力可由式(16)计算。

Hd=84.109Z+132.59

(10)

(11)

W=0.92974-0.39958γ

(12)

Kd=22.2e(-0.00527ACL)-1.238

(13)

(14)

BI=72.857+0.0004925E-200γ

(15)

pe=Sv-pp

(16)

式中,Hd为压入硬度,MPa;Z和W为中间变量;Kd为可钻性级值,无量纲;Gd为研磨性,mg;BI为脆性指数,%;pe为有效应力,MPa;Sv为上覆岩层压力,MPa,Sv可用密度测井曲线计算求得;pp为地层孔隙压力,MPa,pp可用伊顿法(砂泥岩)和博沃斯法(碳酸盐岩)计算求得[10-11]。

泊松比越大,岩石硬度越小,地层越容易钻进;纵波时差越大,可钻性级值与研磨性越小,地层越容易钻进;脆性指数越大,地层越易钻进;有效应力越大,地层越难钻进。可钻性与泥质含量、抗压强度、抗剪强度、硬度、研磨性、脆性指数和有效应力有很好的相关性。与可钻性呈正相关的参数有泥质含量、抗压强度、抗剪强度、硬度、研磨性和有效应力,呈负相关的参数有声波时差和脆性指数。

2 地层抗钻关键参数优选方法

2.1 地层抗钻参数统计模式的建立

地层抗钻参数是钻头针对性设计与选型的依据。由GR、AC、DEN曲线计算的地层泥质含量Vsh、抗压强度Sc、抗剪强度Ss、硬度Hd、研磨性Gd、可钻性Kd、脆性指数BI、有效应力pe等多个地层抗钻参数,对钻头优选的影响是不同的,可以采用灰色关联主控变量分析法从中筛选主要敏感参数来优选钻头类型。根据GR、AC、DEN测井曲线分层计算TL1井41个地层的抗钻参数值,统计如表1所示。

表1 TL1井地层抗钻参数

2.2 地层抗钻敏感参数优选流程

采用灰色关联主控变量法对地层抗钻参数进行筛选,建立地层抗钻参数与其对应的钻头机械钻速数据库,对比各个参数的灰色关联度,按照关联度从大到小的顺序和截止值进行优选,具体运行流程如图1所示。

图1 地层主要抗钻参数优选流程

2.3 地层抗钻敏感参数优选结果

采用灰色关联主控变量分析法对地层抗钻参数的优选结果如表2所示,脆性指数(BI)和有效应力(pe)与钻头机械钻速的灰色关联度较小,其他参数(Vsh、Kd、Gd、Hd、Sc、Ss)与钻头机械钻速的灰色关联度优于前两者,以0.9为截止值完成这6个参数参与钻头的优选。

表2 灰色关联主控变量优选结果

3 钻头类型优选方法

3.1 钻头选型统计模式的建立

建立钻头选型统计模式就是建立实际使用效果好的钻头与岩石抗钻力学性质之间的对应关系。钻头选型模式包括:①子模式,即选用机械钻速高、使用效果好的钻头参数以及钻头所对应的地层岩石力学等参数(岩石可钻性和抗压强度)作为子模式数据(见表3);②中心模式,根据钻头选型子模式,统计各种钻头出现的概率及某种钻头所对应地层的岩石可钻性和抗拉强度等参数的均值,构建二维数据表(见表4),每种钻头对应一组地层抗钻参数。

表3 基于可钻性和研磨性等地层抗钻参数的钻头选型子模式统计数据

3.2 灰色关联分析法优选钻头的流程

将地质岩性剖面中的井段看作一个包含已知因素(选型标准、抗钻参数)和未知因素(钻头类型)的灰色过程,采用灰色关联分析法中的全部灰度统计值,建立多参数钻头选型综合评价数学模型;然后用该模型计算待判层段与已知层段之间的灰色关联度,根据最大关联度确定待判层段的钻头类型,筛选出适用于该层段的最佳钻头类型。采用灰色关联分析法对钻头进行选型,通过求取地层抗钻参数(待选型样本)与参考样本(钻头类型已知样本)的灰色关联度,按照最大隶属原则进行选型(见图2)。

表4 基于可钻性和研磨性等地层抗钻参数的钻头选型中心模式

图2 采用灰色关联法优选钻头的流程图

4 楼探井区地质层段钻头选型推荐结果

依据图2钻头优选流程,编制基于测井资料和灰色关联分析的钻头选型程序。图3为TL1井(2 100～2 800 m)地层可钻性岩石力学参数及抗钻性参数解释测井图。表5是TL1井520～3 913 m层段优选钻头结果。表5中灰色关联度值都大于0.9,说明待识别井段的钻头类型与已知的某种钻头类型关联程度较高,属于同一类别。

图3 TL1井2 100 m～2 800 m地层抗钻性参数的测井解释成果图*非法定计量单位,1 ft=12 in=0.304 8 m,下同

表5 TL1井部分层段所优选的钻头

基于钻头优选模式并结合实际钻头使用资料,采用灰色关联法推荐的楼探井区各地质层段使用的钻头类型如表6所示,可以看出,从须家河组到灯影组地层(520～7 635 m)推荐的钻头多为聚晶金刚石复合片(Polycrystalline Diamond Compact,PDC)钻头。该井实际所使用的钻头:在543～1 565 m井段,采用PDC钻头DFS1605BU,进尺1 032 m、平均钻速可达4.9 m/h,与灰色关联法推荐的钻头型号相符;在1 565～1 868 m井段,选用PDC钻头DFS1606BU,进尺303 m、机械钻速可达5.4 m/h,与灰色关联法推荐的钻头型号相符;在1 868～1 873 m井段,采用牙轮钻头STJ537GK,进尺5 m、机械钻速为0.88 m/h,此地层为嘉陵江组碳酸盐岩地层,研磨性较高,使用牙轮钻头钻进时机械钻速缓慢,而灰色关联法推荐使用PDC钻头DFS1606BU;在1 873～2 897 m井段,采用PDC钻头DF1605BU,进尺1 024 m、机械钻速可达2.8 m/h,与灰色关联法推荐的钻头型号相符。

表6 楼探井区各层段钻头类型推荐表

实际钻井中,在小河坝组(3 934～3 943 m)使用牙轮钻头HJT537GK钻进,机械钻速为0.72 m/h。更换DF1606BU钻头后机械钻速提升至4.58 m/h,效果提升明显,而采用灰色关联法也筛选出此钻头,与实际相符,此方法可靠。

而龙王庙组到灯影组(6 805～7 635 m)深部地层,其可钻性级值为7～9、研磨性为9～18,硬度、抗压强度和抗剪强度都高,推荐使用的PDC钻头DF1606BU与实际相符。

DF1606BU钻头是由四川深远石油钻井工具股份有限公司制造的,其中,字母“DF”表示胎体式PDC全面钻头、数字“16”表示主切削齿直径为16 mm、数字“6”表示有6个刀翼数、字母“BU”为有后排和倒划眼功能。牙轮钻头难以使可钻性差、研磨性强的岩石发生破碎,且在高密度钻井液条件下岩屑的压持效应较明显,导致机械钻速很慢。在可钻性级值为9以下的岩性均匀地层中,牙轮钻头冲击破碎岩石的能力难以发挥,而PDC钻头以刮削方式破碎岩石,破岩钻进效率好于牙轮钻头,使用PDC钻头相对牙轮钻头有明显优势;而可钻性级值为9以上的硬地层中,牙轮钻头冲击破碎岩石的能力强于PDC钻头。统计表明,实际使用功效好的钻头与采用灰色关联分析法所优选出的钻头符合率可达91.4%,该方法适用于对已钻井段中所用钻头的检验与改进,以及对预钻井钻头的选型和使用。

此外,也对楼探井区的建深1井、太和1井等多口井进行钻头优选,与实际使用钻头的功效对比分析表明,基于表4中地层可钻性和研磨性等参数的钻头优选模式数据库,采用灰色关联分析法进行钻头优选合理可行,可指导现场钻头选型,具有较好的推广应用价值。