珠江口盆地惠州凹陷古潜山火成岩储层可钻性研究

曹孟贤

（中海石油（中国）有限公司深圳分公司勘探部，广东深圳 518000）

自珠江口盆地（东部）开展勘探工作30多年以来，惠州凹陷一直是该区勘探工作的主战场，在有限公司深圳分公司“大、浅、新、深”勘探战略的指导下，惠州凹陷通过近几年对深层的勘探和开发，发现了丰富的古潜山油气资源。然而，古潜山油气藏在钻井施工时属于作业难点，研究区不同井钻速统计显示，平均钻速5 m/h以下，平均进尺152 m即需要起下钻更换钻头。一方面由于研究区块潜山地层矿物组成复杂，地层岩性以闪长岩、花岗岩等为主，岩性复杂且多发育天然裂缝和断裂带，抗压强度最高可达200 MPa，岩石可钻性级值达到7～8级以上，可钻性极差，钻速慢、进尺少；另一方面由于频繁起下钻更换钻头，增加井下安全风险且增加储层浸泡时间，增加储层污染，对储层评价和日产量造成不可逆的影响。由此可以看出古潜山储层属于可钻性极差、研磨性强的极硬地层，对钻井工程和地质评价均造成不利影响，除了惠州凹陷，渤中凹陷、大港油田、四川盆地、准噶尔盆地的火成岩也都有岩石硬度大、钻速慢等对工程和地质不利的影响因素[1-4]，因此需要开展针对惠州凹陷古潜山火成岩地层可钻性评价方法研究，并开展针对性钻头选型工作。

1 可钻性研究现状

1927年美国采矿工程学会哥伦比亚大学会议上，美国学者Tillson首次提出“可钻性”的概念，用以表示岩石在破碎方面的难易程度。纵观国内外近30年来的岩石可钻性研究情况，石油、采矿等行业普遍采用室内实测法确定地层岩石的可钻性级值，主要包括压入硬度法、微型钻头试验、实验室模拟钻进测定、岩屑硬度法等方法[5-11]。从上世纪九十年代开始，国内外广大的科研工作者开始了利用测井数据评价岩性的研究，取得了很大的突破，并在现场得到了应用[12-16]。

目前主要通过室内试验测试和录测井地质资料两种方法研究地层可钻性，其中室内试验测试方法可以分为压入硬度法、微钻头钻进法和实钻测定法。基于录测井地质资料研究方法主要有声波时差-可钻性级值经验关系法和岩石矿物成分与可钻性关系研究法。声波时差-可钻性级值经验关系法主要是根据弹性波理论，岩石的声波时差取决于岩石的弹性模量、泊松比、岩石的密度等参数，其参数值的大小反映了岩石的强度、弹性及硬度，而地层岩石的可钻性与这些参数之间存在着内在的联系。这种方法容易根据测井资料建立全井段的岩石可钻性剖面，因此得到了广泛的应用。国内外应用成果表明，可钻性级值随着声波时差的增大而降低，声波时差越小，岩石可钻性级值越高，其岩石就越难破碎，在实际应用中，可以根据经验公式利用声波时差直接求取岩石的可钻性级值。另一种是岩石矿物成分与可钻性关系研究，地层岩石矿物成分是钻井破岩工具的设计和选择、钻井液体系和性能设计的重要基础数据。砂岩的可钻性级值随黏土含量的增加而降低，随石英含量的增加而增大。砾岩的可钻性级值随黏土和石英含量的增加均下降。斜长石的含量对可钻性级值影响较小，随着斜长石含量的增加，可钻性级值略有增大的趋势。因此，岩石的矿物成分及其含量是影响机械钻速的重要因素。

2 惠州凹陷古潜山火成岩储层可钻性研究

2.1 研究区概况

本文研究区为珠江口盆地珠一坳陷带的惠州凹陷，主要以钻入潜山地层的6口井为研究对象。研究区块位于惠西南成熟油区，是发育在惠州26洼南部边界断层二台阶上，由两条北西西向断层共同控制的断块，主要勘探目的层为前古近系火成岩地层，钻遇岩性主要为闪长岩，次为火山角砾岩、辉绿岩与安山岩，基底发育花岗岩。钻井过程均遇到机械钻速慢、钻头磨损快、进尺少、频繁起下钻更换钻头等问题，严重影响钻进效率，极大增加钻井成本，增加储层浸泡时间，严重影响测试产能。

2.2 古潜山储层岩性与可钻性之间的关系研究

研究区块内所收集的6口井均钻遇潜山地层，总体上看岩性复杂多样，综合录井、薄片鉴定及测井资料认为本区潜山地层岩性主要为：火山角砾岩、蚀变闪长岩、安山岩、花岗岩及辉绿岩。为了便于更直观地反应不同岩性的测井响应特征差异，本文尝试了大量交会图版对岩性进行识别，最终选择2种有代表性的交会图版，分别是中子-密度及伽马-声波交会图版，均能较好地将蚀变闪长岩、安山岩、辉绿岩及花岗岩区分开来。从图版中不难看出，相较其他岩性，花岗岩以低中子低密度为特征，安山岩整体密度较闪长岩低，闪长岩则较前两种岩性密度都高，辉绿岩则以低伽马高声波时差为特征，花岗岩表现为强放射性，闪长岩放射性则介于二者之间（图1）。

基于以上对不同岩性测井响应的认识及总结，可以看出不同岩性之间存在较明显的差异，通过对研究区6口井全井段不同岩性的平均钻速进行统计发现，钻速最高的是安山岩，平均钻速为14.2 m/h；次为火山角砾岩，为8.7 m/h；辉绿岩及花岗岩平均钻速相近，在7 m/h左右；闪长岩平均钻速最低，为4.9 m/h（图2）。

2.3 古潜山储层力学特性与可钻性之间的关系研究

为了便于更直观地反应不同岩性的岩石力学特性差异，本文进行了大量力学参数与钻速的交会图分析。图3为不同井的力学参数与钻速的交会图，图4为不同岩性的力学参数与钻速的交会图。

图1 研究区古潜山地层岩性识别图版 （中子-密度/伽马-声波）Fig. 1 Lithologic identification plate of buried hills layer in the study area (neutron-density/gamma-acoustic wave)

图2 研究区不同岩性平均钻速对比Fig. 2 Comparison of average ROP of different lithology in the study area

从以上交会图可以得出以下几点认识： （1）岩石力学参数分析结果表明，泊松比与钻速相关性较差；脆性指数与钻速成负相关，杨氏模量、体积模量、内聚力、抗压强度与钻速成正相关；（2）由交会图分析得知，优选与钻速最相关的参数为抗压强度和脆性；（3）研究区块潜山不同岩性的岩石强度关系为：闪长岩＞花岗岩＞辉绿岩＞安山岩；（4）研究区潜山不同岩性的脆性关系为：闪长岩＜花岗岩＜辉绿岩＜安山岩。

2.4 古潜山储层物性参数与可钻性之间的关系研究

图3 研究区力学参数与钻速的交会图Fig. 3 Cross plot of mechanical parameters and ROP in the study area

大量可钻性实验表明，储层物性与可钻性有明显关系，在砂泥岩地层，岩石可钻性极值随孔隙度的增大而减小。然而，潜山地层的可钻性实验较少，因此还不能确定潜山地层物性与可钻性之间的关系。为此，本文开展了研究区6口井原生孔隙度、次生孔隙度、裂缝密度等参数与可钻性之间的关系研究，其中原生孔隙度由常规测井资料计算得到，次生孔隙度由电成像孔隙度谱计算得到，裂缝密度由电成像资料计算得到。

图4 研究区不同岩性的力学参数与钻速的交会图Fig. 4 Cross plot of mechanical parameters and ROP of different lithology in the study area

为了便于更直观的反应不同岩性的物性参数差异，本文尝试了大量物性参数与钻速的交会图进行分析。图5为不同井的物性参数与钻速的交会图，图6为不同岩性的物性参数与钻速的交会图。

图5 研究区各井的物性数与钻速的交会图Fig. 5 Cross plot of physical property number and ROP of each well in the study area

以上交会图可以得出以下几点认识：（1）储层分析结果表明，声波径向速度剖面能够反映部分次生孔隙的变化；（2）次生孔隙度、裂缝密度与钻速未发现明显规律；（3） 通常而言，物性对可钻性有较大影响，砂泥岩地层钻速与孔隙度呈正相关性，但由于研究区火成岩储层整体物性较差，孔隙度均较小，因此未成为可钻性的主控因素。综上，研究区储层物性参数与钻速未发现明显的规律。

2.5 古潜山储层工程参数与可钻性之间的关系研究

岩石的可钻性是指岩石抵抗钻进破碎的能力，本身主要包括两方面内容，一方面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，因此地层可钻性评价不能脱离钻井工艺和钻井参数，尤其与钻井过程中的水力参数密切相关。

图6 研究区不同岩性的物性参数与钻速的交会图Fig. 6 Cross plot of physical parameters and ROP of different lithology in the study area

本文尝试了工程参数与钻速的交会图进行分析，图7为不同井的工程参数与钻速的交会图，图8为不同岩性的工程参数与钻速的交会图。得出以下几点认识：（1）工程参数分析结果表明，进入古潜山地层后，钻压、扭矩、排量、转速减小，钻井液密度降低；（2）钻压、泵压与钻速有弱相关性；（3）其他工程参数未发现统一存在的规律。

2.6 钻头效率对比及钻头优选

图7 研究区各井的工程参数与钻速的交会图Fig. 7 Cross plot of engineering parameters and ROP of wells in the study area

钻头效率对比可以分为技术对比和经济对比。不同岩性的岩石强度、脆性、可钻性级值存在较大差异，研究区块古潜山不同岩性的岩石强度关系为：闪长岩＞花岗岩＞辉绿岩＞安山岩；研究区块古潜山不同岩性的脆性关系为：闪长岩＜花岗岩＜辉绿岩＜安山岩；研究区块古潜山不同岩性的可钻性级值关系为：闪长岩＜花岗岩＜辉绿岩＜安山岩；排除了其他工程参数对机械钻速的影响后，研究区块古潜山不同岩性的钻速关系为：闪长岩＜花岗岩＜辉绿岩＜安山岩。因此，可以将岩性作为优选钻头类型的重要依据。基于以上的统计，本文分岩性对不同钻头的钻速及可钻性级值进行了相关性对比，以此来区分不同型号钻头的钻进效率（图9）。

图8 研究区不同岩性的工程参数与钻速的交会图Fig. 8 Cross plot of engineering parameters and ROP of different lithology in the study area

经过研究区各种钻头性能对比分析，可以看出不同岩性中各钻头性能的差异。综合来看，排除了不同可钻性地层对机械钻速的影响后，在技术性方面6刀翼16 mm齿的钻头表现最佳。

而在实际应用时，对于钻头的优选不能仅仅只考虑其钻速的快慢或耐用程度，还需要对进尺、钻进时间、平台租金等各种影响因素进行综合考虑，这就是钻头的经济性分析。在参考国家标准SY/T 5841—2011钻井技术经济指标及计算方法的同时，针对南海地区实际作业情况对平均每米的进尺成本评价公式进行了改进，采用统计期内统计项成本之和除以钻井进尺之和来对不同钻头的经济性进行评价，公式如下：

图9 研究区各种岩性使用不同钻头钻时-可钻性级值相关图Fig. 9 Correlation diagram between drilling time and drillability level value of different bits for various lithology in the study area

式中：Ci为综合费用，元；Pbit为钻头单价，元；Tdrill为纯钻进时间，h；A为归一化系数，本文取10；Nd为进尺倒数归一化因子，无量纲；Tout为起钻时间，h；Prig为平台费用，元/h；Cm为统计项每米平均费用，元/m；F为钻头进尺厚度，m。

由上述公式可看出，若要评价同一型号钻头在研究区块的综合表现，需要将不同钻头进行分类统计以求取平均单位进尺作业成本，而考虑到起下钻时间的影响，研究区更换钻头起下钻时间约为24 h，将进尺的倒数进行归一化后作为其权重，即进尺（钻头寿命）越长，权重越低，起下钻产生的费用在总费用中占比越低；最后再结合总进尺得到统计项每米进尺的平均费用（图10）。经过计算对比，6刀翼16 mm齿的钻头在作业经济性上有着较大优势。

图10 研究区不同型号钻头每米进尺成本对比Fig. 10 Comparison of drilling cost per meter of different types of bits in the study area

3 结论

（1）通过分析地层可钻性与岩性、岩石力学参数、储层参数等的关系，认为地层可钻性与岩性、岩石力学参数关系较大，和储层物性关系较小。

（2）通过分析钻速与钻井参数的关系，认为钻速与钻压的关系相对其它参数较为明显。

（3）不同岩性下的钻头效率分析结果表明，技术性方面和经济性方面都是6刀翼16 mm齿的钻头表现最佳，此结论可以指导惠州凹陷后期开发井的提速钻探。