玛湖凹陷砂砾岩地层抗钻特性预测及钻头优选

张武昌 李忠慧 寿翔 刘伟 胡棚杰 张俊成 杨明合

摘要：针对玛湖区块百口泉组砂砾岩地层岩性复杂、钻头选型困难和钻井效率低的问题，选取该区块典型的砂砾岩岩样，开展了砂砾岩抗钻特性参数室内试验测试。通过对试验结果的数理统计分析，建立了基于测井资料的砂砾岩地层抗钻特性参数预测模型，绘制了玛湖区块砂砾岩抗钻特性参数剖面，分析了百口泉组地层抗钻特性参数的分布规律，并综合砂砾岩地层抗钻参数、比能法、机械钻速法和因子分析法开展了钻头优选和现场应用。研究与应用结果表明，玛湖百口泉组砂砾岩地层可钻性波动大，软硬交错显著，非均质性强，推荐选用具有高抗冲击抗磨损的MDI513和MSI613这2种PDC钻头，与邻井相比平均机械钻速分别提高30%和35%以上，钻头进尺分别提高14%和8%以上。所得结果可为类似于玛湖凹陷百口泉组的砂砾岩地层钻头优选提供参考。

关键词：玛湖;百口泉组；砂砾岩；抗钻特性；钻头优选；机械钻速；钻头进尺

0 引 言

玛湖凹陷位于中国准噶尔盆地西北缘，具有丰富的油气资源［1］。该区块在开发过程中存在着许多技术瓶颈，尤其是三叠系百口泉组地层岩性不均，机械钻速低，钻头选型受到制约［2］。因此，地层抗钻特性预测和钻头优选在玛湖凹陷油气资源的勘探开发中至关重要。

针对砂砾岩地层的力学特性，SHI X.等［3］通过对玛湖百口泉组的砂砾岩进行抗压强度试验，得到玛湖凹陷的砂砾岩若干组力学性质。朱海燕等［4］和刘向君等［5］分别对珠江口盆地和玛湖凹陷砂砾岩开展岩石力学试验，得到目标区块砂砾岩地层的岩石力学特性。针对砂砾岩地层的钻头优选，WANG T.Y.［6］根据风神区块X-601井的地层岩性和邻井资料，在含有石膏和砂砾岩的地层优选钻头。YANG M.H.［7］提出一种用分形理论进行石油钻头选型的新方法，优选出中国大庆油田松辽盆地的营城地层的钻头。谢静等［8］提出了以水力参数排量和泵压作为主要影响因素的因子分析法优选钻头。上述研究成果虽然有助于人们对砂砾岩地层的岩石力学和钻头优选的认识，但是针对玛湖百口泉组的砂砾岩抗钻特性方面的研究比较片面。同时，砂砾岩地层岩性复杂，对钻头优选的影响较大，而针对玛湖百口泉组的钻头优选的研究成果较少，考虑因素不全面，不足以支撑起钻头的合理使用。

为此，笔者通过对砂砾岩地层岩石抗钻特性参数与声波相关性的分析，建立适用于砂砾岩地层的抗钻特性参数预测模型，构建玛湖百口泉组地层抗钻特性剖面，并综合抗钻参数特性、比能法、机械钻速法和因子分析法进行钻头优选，研究结果可为玛湖地区的高效勘探开发提供技术保障。

1 砂砾岩地层抗钻特性

1.1 砂砾岩抗钻参数室内试验

地层岩石抗钻特性与石油钻井密切相关，是钻头类型优选的重要依据，其参数主要包括岩石的抗压强度、可钻性、硬度和研磨性等。为此，对取自玛133、玛134和玛137 3口井的18块岩心按DZ/T 0276—2015《岩石物理力学性质试验规程》和SY/T 5426—2000《岩石可钻性测定及分级方法》标准进行了室内试验。由于现场使用牙轮钻头较少、效果较差，在此仅利用岩石可钻性测试仪进行岩石PDC可钻性试验，试验结果汇总如表1所示。

1.2 砂砾岩抗钻参数预测模型的建立

地层岩石的力学性质可以由声波时差较好地反映出来［9］。为此，本文利用声波测井资料和岩石力学参数试验数据建立了玛湖凹陷的岩石力学参数相关计算模型。

利用单轴抗压强度试验结果和对应深度的测井数据，通过回归可得到玛湖凹陷区域的经验系数A＝0.008，B=11.834 MPa。

在砂砾岩储层中，岩石可钻性级值、硬度和声波时差有较好的指数关系［9］。通过试验得到PDC钻头的可钻性级值和硬度结果，再结合测井数据，拟合回归得到了岩石可钻性级值和硬度与声波时差的关系，如图1和图2所示。

2 钻头优选

2.1 砂砾岩抗钻参数剖面建立

根据岩石单轴抗压强度、PDC可钻性、硬度和研磨性的计算模型，结合玛湖凹陷玛133井的测井资料建立相对应的岩石力学参数纵向剖面，如图3所示。由玛133井区岩石力学参数纵向剖面可以得到地层相关特性［11］。从图3可以看出，玛133井百口泉组（3 250～3 500 m）的单轴抗压强度在25～50 MPa之间，PDC可钻性级值在4～7之间，岩石硬度在500～1 900 MPa之间，岩石相对磨损率在1.80～6.00 kg/m3之间，整体上玛湖凹陷百口泉组的地层特性呈现中软～中硬级别，研磨性呈现较高～高的特性。

2.2 地层抗钻特性优选钻头

地层的抗钻特性与钻头的选型紧密相关，是影响机械钻速的重要因素［12］。根据百口泉组的地层特性参数试验结果，结合PDC钻头IADC分类标准及编码［13］，可以得到百口泉组的钻头优选结果，如表2所示。

PDC钻头中的复合片极硬、耐磨和自锐的特点能够适应百口泉组地层岩石的特性，可以有效延长钻头使用寿命。切削齿尺寸越大，其吃入越困难，破岩效率越低，同时较硬的研磨性地层，应该选择较大半径、短～中等冠部，中～密的布齿密度［14］。因此，针对百口泉组的地层特性，结合PDC钻头的IADC编码可以选出编码为M222～M333的PDC钻头。

2.3 已用钻头优选

在现场应用时，地层性质与钻头型号不能唯一对应，无法确定最优钻头类型。因此，需要根据现场已使用钻头情况，再结合地层特性进行优选，实现唯一对应的优选钻头。通过收集玛湖凹陷区块百口泉组现场已使用过的钻头，利用比能法、机械钻速法和因子分析法综合对比分析出优选的钻头。

2.3.1 比能法

比能法即钻头破碎1 m3的地层岩石所耗费的功。钻头破碎单位岩石所耗费的功越少，说明钻进效果越好［15］。

从表3可以看出，玛131井区百口泉组计算出的修正比能整体上偏大，钻进效果偏差。其中修正比能SE1<10 MJ/m3的共有5種，分别为史密斯厂家的SDI613、MDI513、MSI613和DBS厂家的MM64DH3、SF54DH3钻头。然而在现场应用时，扭矩不能直接测量，并且受诸多参数影响，由于公式（9）已经进行了简化，所以限制了比能法的应用。

2.3.2 机械钻速法

对玛湖凹陷进行地质分层，将已有钻头按照所钻的地层分类后，然后对钻头进尺基本一致的不同类型钻头，通过对比机械钻速进行择优选择，如图4所示。

由图4可以看出，玛131井区百口泉组的钻头平均机械钻速普遍偏低，百口泉组复杂的地层特性严重限制了钻头的机械钻速。其中进尺大于500 m，平均机械钻速大于5.00 m/h的钻头共有4种，其对应的优选钻头为史密斯厂家的MDI513、MSI613、MDI516和DBS厂家的SF54H3，最高平均机械钻速为编号MDI513的钻头，达到5.92 m/h。

2.3.3 因子分析法

因子分析法是将多个实测变量转换为少数几个不相关的综合指标的多元统计方法［16］。本文主控因子选择为进尺、机械钻速、钻压、转速4个指标，将所有钻头类型按地层分类后，根据不同尺寸类型的钻头统计个数，应用SPSS软件算出综合因子得分，如图5所示。

从图5可以看出，玛131井区百口泉组的钻头综合得分范围波动大。其中综合得分大于0.7的钻头共有5种，分别是史密斯厂家的MDI513、MSI613、Z613、MDI516和DBS厂家的SF54H3。从优选的钻头使用记录来看（见表3），因子分析法不仅可以对使用的钻头进行优选，还可以对钻进参数起一定的指导作用。

2.4 综合优选钻头

结合比能法、机械钻速法和因子分析法综合对比分析，可以得出玛湖凹陷区块百口泉组的钻头优选结果，如表4所示。

从表4可以看出，4种钻头优选方法的最终结果为史密斯生产厂家的MDI513和MSI613这2种钻头，其在玛131井区的机械钻速可以分别达到5.92和5.47 m/h。这2种钻头采用了史密斯公司研发的ONYX360度全旋转PDC切削齿技术，可以有效减轻切削齿的偏磨程度［17］。其具有胎體5～6刀翼，13 mm双排齿，浅～中等内锥，短～中等抛物线的特点，可以提高钻头穿过砾石能力，延长钻头进尺。

3 现场应用

为了验证所选出的钻头是否是最优钻头，统计了玛18井区在百口泉组中所使用的钻头情况，如表5所示。

从表5可以看出，在玛18井区的百口泉组使用了史密斯、江钻和DBS这3个厂家的钻头，整体来看，史密斯厂家的钻头使用效果较好。其中史密斯厂家的MSI613和MDI513钻头的每只平均进尺分别为68.33和72.00 m，比平均值63.08 m高8.32%和14.13%。其平均机械钻速分别为7.52和7.21 m/h，比平均值5.53 m/h高35.93%和30.32%，说明MSI613和MDI513这2种钻头在玛18井区使用效果良好。

4 结 论

（1）建立了玛湖凹陷区块岩石力学参数计算模型，以及砂砾岩岩石力学剖面，并总结了该区块百口泉组的地层特性分布规律：地层为中软～中硬级别，研磨性为较高～高级别。

（2）基于百口泉组的地层特性，结合机械钻速法、比能法和因子分析法优选出的MSI613和MDI516这2种钻头，得到适用于该地区的IADC编码为M233和M333这2类钻头。

（3）符合优选钻头特性的MSI613和MDI516在玛18井区进行验证，其平均进尺比该区块平均值高8.32%和14.143%，平均机械钻速比该区块平均值高35.93%和30.32%。

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