李文飛,陳 明,鄢小琳,王光磊,竇玉玲

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017;2.中油長城鉆探工程公司,北京 100101）

準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)鉆頭優(yōu)選技術(shù)應(yīng)用研究

李文飛1,陳 明1,鄢小琳2,王光磊1,竇玉玲1

(1.勝利石油管理局鉆井工藝研究院,山東東營 257017;2.中油長城鉆探工程公司,北京 100101）

巖石可鉆性是決定鉆井效率的基本因素,反映了鉆進(jìn)時(shí)巖石破碎的難易程度,是合理選擇鉆進(jìn)方式、鉆頭類型和設(shè)計(jì)鉆進(jìn)參數(shù)的依據(jù)?；诘貙訋r石可鉆性的計(jì)算方法,結(jié)合實(shí)鉆井的測(cè)井資料分析,建立了準(zhǔn)噶爾盆地中部區(qū)塊地層巖石可鉆性剖面,并以此為依據(jù)推薦了適用于不同地層的鉆頭類型,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,所用鉆頭具有很好的適用性,能夠進(jìn)一步提高準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)的機(jī)械鉆速,對(duì)于該地區(qū)的后續(xù)鉆井鉆頭類型的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

巖石可鉆性;鉆頭類型;優(yōu)選;測(cè)井資料;準(zhǔn)噶爾盆地

準(zhǔn)噶爾盆地是中石化在西部的重要探區(qū),橫向涉及區(qū)域廣,鉆遇的地質(zhì)條件復(fù)雜多樣,地質(zhì)年代跨度大、各類巖性、物性俱全。鉆遇地層自上而下依次為新生界第四系、第三系,中生界白堊系、侏羅系,以及古生界三疊系。主要儲(chǔ)層為侏羅系三工河組及三疊系地層,埋藏深,分布不同的壓力層系,巖層壓實(shí)程度高,可鉆性較低。針對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地中部區(qū)塊地層的特點(diǎn),以測(cè)井資料為基礎(chǔ)分析建立了地層巖石可鉆性剖面,為該區(qū)鉆頭類型的優(yōu)選提供了依據(jù),對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)鉆頭類型的優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步提高機(jī)械鉆速具有重要意義。

1 地層巖石可鉆性計(jì)算方法

巖石的可鉆性概念是在生產(chǎn)實(shí)踐中形成的,用以說明破巖工具和巖石特性之間的關(guān)系。目前巖石可鉆性概念有以下幾種提法:一是在一定的技術(shù)條件下鉆進(jìn)巖石的難易程度;二是鉆井過程中巖石抗破碎強(qiáng)度的程度,表征巖石破碎的難易程度;三是巖石堅(jiān)固性在鉆孔方面的表現(xiàn)。

地層可鉆性研究最初是通過室內(nèi)微鉆頭實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的。隨后通過“六·五”、“七·五”期間的大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)井資料對(duì)照分析,建立了地層可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差、巖石密度、泥質(zhì)含量的多元非線性統(tǒng)計(jì)模式。通過測(cè)井資料建立的地層連續(xù)可鉆性剖面的統(tǒng)計(jì)分析,可以更好地評(píng)價(jià)某一段地層的可鉆性特征。

利用測(cè)井資料來評(píng)價(jià)地層可鉆性具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是利用測(cè)井資料可獲得連續(xù)的地層可鉆性縱向剖面,具有很好的連續(xù)性和針對(duì)性;二是利用每口井的地層可鉆性評(píng)價(jià)結(jié)果,建立區(qū)域、井網(wǎng)可鉆性的橫向剖面,具有很好的區(qū)域性和指導(dǎo)性。

實(shí)驗(yàn)研究表明,聲波時(shí)差與巖石可鉆性有良好的相關(guān)性,且聲波時(shí)差又是常規(guī)的測(cè)井資料,容易獲取。因此,國內(nèi)外石油鉆井界普遍采用聲波時(shí)差測(cè)井資料來評(píng)價(jià)地層的可鉆性。首先是建立聲波時(shí)差與地層可鉆性的相關(guān)關(guān)系。巖石聲波時(shí)差與地層力學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系,如表達(dá)式(1）、(2）。

式中:VP——縱波速度,m/s;A、B、C——經(jīng)驗(yàn)系數(shù); Ed——彈性模量,MPa-1;μd——巖石泊松比;ρ——巖石密度,g/cm3;Δtp——縱波聲波時(shí)差,μs/m。

根據(jù)大量室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)及實(shí)測(cè)資料的研究結(jié)果,可采用以下2種模型來描述巖石可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差的關(guān)系,如表達(dá)式(3）、(4）。

式中:a、b——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

對(duì)不同地區(qū),a、b的取值不同。一般地講,巖石可鉆性級(jí)值Kd與聲波時(shí)差Δt的正常對(duì)應(yīng)關(guān)系為Kd小則Δt值大、Kd大則Δt值小。這樣的Kd-Δt數(shù)據(jù)是正常的成對(duì)關(guān)系,有利于找出Kd-Δt的正常關(guān)系。而不成對(duì)的Kd-Δt數(shù)據(jù)是Kd小Δt值也小,這種非正常的對(duì)應(yīng)關(guān)系通常出現(xiàn)在砂巖和泥質(zhì)砂巖層段,不能選出來做回歸分析用。膠結(jié)性好的砂巖,如灰質(zhì)砂巖、硅質(zhì)砂巖等,可鉆性級(jí)值Kd與聲波時(shí)差Δt是正常對(duì)應(yīng)的,即Kd大則Δt值小?；谝陨戏椒ǖ姆治?利用準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)實(shí)鉆井的測(cè)井資料建立地層巖石可鉆性剖面,可為鉆頭類型優(yōu)選設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 地層巖石可鉆性剖面

通過對(duì)完井資料及測(cè)井資料的統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合上述巖石可鉆性與聲波時(shí)差的關(guān)系模型,建立了該地區(qū)的地層巖石可鉆性剖面。

圖1～7分別是準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)4個(gè)區(qū)塊部分井的地層巖石可鉆性級(jí)值和巖石硬度數(shù)據(jù)圖。根據(jù)建立的地層巖石可鉆性剖面能夠清楚的劃分不同層位巖石的軟硬程度,對(duì)于了解該區(qū)塊地層巖石硬度,優(yōu)選鉆頭具有重要價(jià)值。

從圖1～3中可以看出,準(zhǔn)噶爾盆地中部1區(qū)巖石可鉆性級(jí)值分布變化不大。4000 m以淺,白堊系吐谷魯群以上地層可鉆性較好,可鉆性級(jí)值在1～4之間,巖石硬度在500 MPa以下,屬軟～中軟地層;侏羅系地層可鉆性級(jí)值略有升高,在4～5之間,巖石硬度在400～1000 MPa之間,屬中軟～中硬地層。整體上,可鉆性級(jí)值都在5以下,可鉆性較好,可以充分利用PDC鉆頭鉆進(jìn),提高機(jī)械鉆速。

圖1 莊5井地層巖石可鉆性級(jí)值和巖石硬度

圖2 沙1井地層巖石可鉆性級(jí)值和巖石硬度

圖3 征101井地層巖石可鉆性級(jí)值和巖石硬度

從圖4中可以看出,準(zhǔn)噶爾盆地中部2區(qū)成1井全井可鉆性級(jí)值分布變化較大。3000 m以淺,白堊系吐谷魯群清水河組以上地層可鉆性較好,可鉆性級(jí)值在2～4之間,巖石硬度在500 MPa以下,屬軟～中軟地層;清水河組以下至侏羅系地層可鉆性級(jí)在4～6之間,巖石硬度在400～1700 MPa之間,屬中軟～中硬地層。

圖4 成1井地層巖石可鉆性級(jí)值和巖石硬度

圖5 永6井地層可鉆性級(jí)值和巖石硬度

圖6 永7井地層可鉆性級(jí)值和巖石硬度

從圖5、圖6中可以看出,準(zhǔn)噶爾盆地中部3區(qū)可鉆性級(jí)值分布變化較大。白堊系東溝組4000 m以淺可鉆性較好,可鉆性級(jí)值在2～4之間,巖石硬度在500MPa以下,屬軟～中軟地層;東溝組以下至侏羅系地層可鉆性級(jí)在4～6之間,巖石硬度在400～1100 MPa之間,屬中軟～中硬地層。區(qū)域內(nèi)除新生界地層可鉆性較好外,中生界的白堊系和侏羅系地層可鉆性級(jí)值整體都在5左右。車莫古隆起構(gòu)造地層巖性復(fù)雜,上第三系地層為砂泥巖互層,地層可鉆性好,適用于牙輪鉆頭;下第三系地層到白堊系中部地層多為泥巖且?guī)r性較軟,白堊系中部以下地層特別是吐谷魯群組井段地層研磨性大,適應(yīng)于PDC鉆頭。

從圖7中可以看出,準(zhǔn)噶爾盆地中部4區(qū)巖石可鉆性和巖石硬度分布變化,從各井的檢測(cè)結(jié)果分析可以看出,中部4區(qū)地層可鉆性與中部3區(qū)比較類似,3500 m以淺,白堊系東溝組以上地層可鉆性較好,可鉆性級(jí)值在2～4之間,巖石硬度在600 MPa以下,屬軟～中軟地層。東溝組以下白堊系地層可鉆性級(jí)值在4～6之間,整體在5左右,巖石硬度在500～1000 MPa之間,屬中軟-中硬地層。侏羅系地層略有降低,可鉆性級(jí)值在3～4左右,屬中軟地層。

圖7 董1井地層可鉆性級(jí)值和巖石硬度

3 鉆頭類型優(yōu)選分析

明確了地層特點(diǎn)和地層巖石可鉆性的變化規(guī)律,在進(jìn)行鉆頭選擇時(shí)可根據(jù)巖石可鉆性級(jí)值選用合適的鉆頭類型,使鉆頭更適應(yīng)地層,最大限度的發(fā)揮鉆頭的破巖能力,達(dá)到提高鉆井速度的目的。表1、表2分別為中部1區(qū)、2區(qū)全層位經(jīng)驗(yàn)鉆頭選型推薦表。

由于本區(qū)塊不易井斜可適當(dāng)放開鉆壓,但應(yīng)防止鉆具疲勞破壞,適當(dāng)降低轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)。為滿足攜砂,尤其是在易形成虛泥餅的上部地層可采用大排量循環(huán)。1000 m以后,保證泵壓不低于15 MPa,利用水力破巖原理,加快鉆井速度。在1280～2300 m東溝組至吐谷魯群中上部選用HAT127型號(hào)鉆頭,采用高轉(zhuǎn)速,高泵壓,對(duì)提高機(jī)械鉆速會(huì)有明顯效果。HJ537鉆頭不適合深部地層,鉆速較慢,HJ517較適合。

一、二開使用塔式鉆具;三開使用三扶正器穩(wěn)斜鉆具、單扶正器鐘擺鉆具和常規(guī)鉆具,在吐谷魯群組下部鉆進(jìn)時(shí),盡量使用單扶鐘擺鉆具。

穩(wěn)定器在本區(qū)塊上部井段作用不可忽視。第三系流沙層失水容易在井壁上形成厚泥餅,第四系上部的泥巖層易吸水膨脹造成縮徑。穩(wěn)定器可以修正鉆頭剛鉆過的井眼,使井眼規(guī)則。白堊系底部到井底,地層致密,屬中硬地層,井壁較穩(wěn)定,下部井段可考慮甩掉穩(wěn)定器,簡(jiǎn)化鉆具組合。

表1 中部1區(qū)全層位經(jīng)驗(yàn)鉆頭選型推薦表

根據(jù)中部3、4區(qū)地層可鉆性分析,結(jié)合鉆頭資料統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,采用經(jīng)驗(yàn)鉆頭推薦法,提出適應(yīng)于中部3、4區(qū)全層位鉆頭選型方案(見表3）。選型原則:

(1）上下第三系地層適于鋼齒牙輪鉆頭,宜選用MP2鉆頭,一般進(jìn)尺1000余米,且機(jī)械鉆速較其它鉆頭高,平均機(jī)械鉆速15 m/h左右;

(2）中上部塔西河和沙灣組地層井段(5500 m之前）可以選用國產(chǎn)M1952、DS751、SP526L、FM2565等鉆頭;

(3）深部井段(5500 m之后）研磨性大,普通PDC鉆頭機(jī)械鉆速低,可以選用進(jìn)口瑞德DSX94、DSX168鉆頭,提高鉆頭進(jìn)尺和行程鉆速;

(4）四開小井眼井段M1365SS、DM565等型號(hào)PDC鉆頭的進(jìn)尺比牙輪鉆頭高,減少了起下鉆時(shí)間,性價(jià)比較高。使用PDC鉆頭應(yīng)盡量避開含粗礫砂巖井段,在中深部地層可根據(jù)實(shí)際情況合理使用螺桿動(dòng)力鉆具,可鉆性級(jí)數(shù)變化較大地層,應(yīng)選擇混合布齒并具有抗回旋設(shè)計(jì)的PDC鉆頭。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

根據(jù)以上建立的地層巖石可鉆性剖面以及推薦的鉆頭類型,在準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)鉆井中進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖8～13。

從圖8中可以看出,中部1區(qū)“311.2～346.1 mm鉆頭進(jìn)尺前十位的有MS1952SS、DS751AB、HAT127、HJ517L等鉆頭,其中牙輪鉆頭占多數(shù),有8只,PDC鉆頭2只,排在前2位,進(jìn)尺最高的是MS1952SS鉆頭,單只進(jìn)尺1770.54 m,機(jī)械鉆速7199 m/h,前十位鉆頭進(jìn)尺都在1000 m以上。

表3 中部3、4區(qū)全層位經(jīng)驗(yàn)鉆頭選型推薦表

圖8 “311.2～346.1 mm鉆頭進(jìn)尺前十位對(duì)比

圖9中機(jī)械鉆速前十位的全部是牙輪鉆頭,且型號(hào)全部為HAT127鉆頭,機(jī)械鉆速最高達(dá)到64.78 m/h,鉆進(jìn)井段110～811.75 m,進(jìn)尺701.75 m,在上部松軟地層取得了較好的使用效果。

圖9 “311.2～346.1 mm鉆頭機(jī)械鉆速前十位對(duì)比

圖10中純鉆時(shí)間前十位的鉆頭主要有MS1952SS、FS2463、HJ517L、DS751AB、MP2等型號(hào)的鉆頭,PDC和牙輪鉆頭各占一半,純鉆時(shí)間最長的是MS1952SS鉆頭,達(dá)到221.6 h。

圖10 “311.2～346.1 mm鉆頭純鉆時(shí)間前十位對(duì)比

從圖11可以看出,“215.9～241.3 mm鉆頭進(jìn)尺前十位的鉆頭全部為PDC鉆頭,其中9只FM2565,一只HT2565,單只鉆頭進(jìn)尺都在1500 m以上,單只鉆頭進(jìn)尺最高達(dá)到2079.5 m,取得了較好的使用效果。

圖11 “215.9～241.3 mm鉆頭進(jìn)尺前十位對(duì)比

圖12中機(jī)械鉆速排在前十位的鉆頭主要有M1955SS、MS1952SS、FS2565、FM2565等型號(hào)的鉆頭,PDC鉆頭9只,牙輪鉆頭1只,機(jī)械鉆速最高的是M1955SS鉆頭,達(dá)到18.78 m/h,鉆進(jìn)井段2159141～2910.69 m,進(jìn)尺751.28 m,純鉆時(shí)間40 h。

圖12 “215.9～241.3 mm鉆頭機(jī)械鉆速前十位對(duì)比

圖13中純鉆時(shí)間排在前十位的全部為PDC鉆頭,主要有FM2565、DS751AB、F434等型號(hào)的鉆頭,其中FM2565占到7只,純鉆時(shí)間在164～284 h之間,此型號(hào)鉆頭在進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和純鉆時(shí)間上都占有明顯優(yōu)勢(shì),非常適合中部地區(qū)地層鉆進(jìn),應(yīng)該大力推廣。

圖13 “215.9～241.3 mm鉆頭純鉆時(shí)間前十位對(duì)比

5 結(jié)論與建議

(1）根據(jù)巖石聲波時(shí)差與地層力學(xué)特性參數(shù)的關(guān)系模型及巖石可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差的關(guān)系模型,結(jié)合實(shí)鉆井的測(cè)井資料分析,建立了準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)地層巖石可鉆性剖面。

(2）根據(jù)地層巖石可鉆性剖面,推薦了適用于準(zhǔn)噶爾盆地中部地區(qū)各個(gè)地層的鉆頭類型,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明,采用所推薦鉆頭類型,能夠進(jìn)一步提高鉆井速度。

(3）PDC鉆頭的選型對(duì)其使用效果影響很大,準(zhǔn)噶爾腹部地區(qū)中上部地層可以使用國產(chǎn)大螺旋刀翼PDC鉆頭,可鉆性差的深井段可利用進(jìn)口高效PDC增加進(jìn)尺、提高機(jī)械鉆速。

(4）探井取心太多,目前完鉆井每口井都有取心,不利于發(fā)揮鉆頭效能,對(duì)鉆井周期影響較大,如果已有資料滿足要求,在后續(xù)鉆井中建議少取心或不取心,提高鉆頭利用率,減少起下鉆,縮短鉆井周期。

(5）準(zhǔn)噶爾盆地腹部地區(qū)地質(zhì)年代較新,地層可鉆性好,除個(gè)別非均質(zhì)地層和礫石含量較高地層外,適合PDC鉆頭推廣應(yīng)用。

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Application Research on Drilling Bit Optim ization Techn ique in the Central Part of Junggar Bas in/LI

W en-fei1, CHEN M ing1,YAN Xiao-lin2,WANG Guang-lei1,DOU Yu-ling1(1.Shengli Drilling Technology Research Institute, Dongying Shandong 257017,China;2.GreatwallDrilling Engineering Company,Beijing 100101,China）

Rock drillability is the key for drilling efficiency,which reflects the fragmentation,and is the base for drilling model,type of drilling bit and drillingparameters designing.According to the calculationmethod of rock drillability and the logging data,the profiling of rock drillability is built,based on which,different types of drilling bit are suggested.The ap-plication results show that these drilling bits can increase penetration rate in the central part of JunggarBasin with guiding significance to bit selection for subsequent drilling.

rock drillability;bit type;optimization of drilling bit;logging data;JunggarBasin

TE921+.1

:A

:1672-7428(2010）06-0039-06

2010-01-15

中石化西北油田“探評(píng)井井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及鉆井跟蹤評(píng)價(jià)研究”項(xiàng)目資助(項(xiàng)目編號(hào):GY2008-040）

李文飛(1978-）,男(漢族）,山東菏澤人,勝利石油管理局鉆井工藝研究院工程師,油氣井工程專業(yè),博士,從事鉆井工程設(shè)計(jì)研究工作,山東省東營市東營區(qū)北一路827號(hào),liwenfei@slof.com。