李曉，張居貴，吳永川，朱亮

1.中海油田服務(wù)股份有限公司鉆井事業(yè)部，河北 廊坊 062201

2.長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100

3.油氣鉆井技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏研究室(長(zhǎng)江大學(xué)) ，湖北 武漢 430100

4.油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(長(zhǎng)江大學(xué))， 湖北 武漢 430100

在油氣鉆井中，由于鉆頭不適合地層特性而導(dǎo)致鉆頭破巖效率不高、機(jī)械鉆速低的問題時(shí)常存在，選擇適合地層抗鉆特性的鉆頭對(duì)于提高機(jī)械鉆速就顯得越來越重要。位于珠江口盆地東北部的陸豐區(qū)塊是近幾年珠江口盆地重點(diǎn)勘探的區(qū)域之一[1～3]。但由于在前期的鉆探過程中，對(duì)其地層巖石抗鉆特性參數(shù)分布了解不夠，導(dǎo)致在進(jìn)行鉆頭優(yōu)選時(shí)具有一定的盲目性和經(jīng)驗(yàn)性，特別是陸豐區(qū)塊古近系恩平組及其以下地層，機(jī)械鉆速低，給該區(qū)塊的鉆井綜合效率的提升帶來了很大制約。因此，在弄清該區(qū)塊的地層巖石抗鉆特性分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行鉆頭選型，對(duì)于提高該區(qū)塊的機(jī)械鉆速和鉆速效率是很有價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義的。

通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試來獲取地層巖石的抗鉆特性參數(shù)，是分析評(píng)價(jià)地層特性的必要途徑[4，5]。一般地，在進(jìn)行地層巖石的抗鉆特性參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試后，對(duì)地層抗鉆特性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)的方法有3類：第一類是利用測(cè)井資料，通過單因素或多因素敏感性分析，建立地層巖石抗鉆特性參數(shù)的計(jì)算模型，由此可以建立單井的地層巖石抗鉆特性參數(shù)剖面來分析各地層的抗鉆特性參數(shù)分布規(guī)律[6-12]；第二類是利用地震資料，通過反演技術(shù)建立三維剖面對(duì)地層巖石抗鉆特性參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行評(píng)價(jià)[13,14]；第三類是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色理論等人工智能技術(shù)，對(duì)地層巖石抗鉆特性參數(shù)的分布規(guī)律進(jìn)行計(jì)算分析[15-18]。從適用性來看，第一類和第三類方法適合進(jìn)行單井特性參數(shù)分布規(guī)律的分析，但是由于地質(zhì)構(gòu)造原因，地層屬性在井間區(qū)域分布上具有差異性，僅僅用單井的地層抗鉆特性數(shù)據(jù)，直接通過數(shù)學(xué)插值方法來分析井間地層巖石抗鉆特性參數(shù)的橫向分布規(guī)律是不合適的[19]；第二類方法雖然可以實(shí)現(xiàn)井間較大尺度的橫向分布規(guī)律分析，但需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較多，方法也較為復(fù)雜，而且受限于地震資料的分辨率，計(jì)算精度也得不到較好的保證。

針對(duì)目前在評(píng)價(jià)分析地層巖石抗鉆特性方面所采用方法的不足，筆者在開展地層抗鉆特性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到聲波對(duì)地層巖石屬性響應(yīng)性好的特性，利用Petrel軟件，建立了井間地層的聲波數(shù)據(jù)體模型，從而獲得了地層抗鉆特性參數(shù)三維連井剖面。該方法既彌補(bǔ)了直接利用單井抗鉆特性參數(shù)剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行插值的不足，同時(shí)方法較為簡(jiǎn)單，避免了通過單井的抗鉆特性參數(shù)剖面來分析某個(gè)區(qū)域的巖石抗鉆特性參數(shù)的片面性，可以在一定程度上降低地層抗鉆特性參數(shù)分布規(guī)律評(píng)價(jià)的誤差，使得所優(yōu)選設(shè)計(jì)出來的鉆頭和鉆具能更好地適應(yīng)地層條件，進(jìn)一步提高鉆井提速方案應(yīng)用實(shí)效。

1 地層抗鉆特性參數(shù)測(cè)試及其計(jì)算模型的建立

巖石可鉆性和硬度是反映地層抗鉆特性的重要參數(shù)[6-8]。按照SY/T 5426—2016《石油天然氣鉆井工程巖石可鉆性測(cè)定與分級(jí)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及巖石壓入硬度測(cè)試方法[4,19,20]，利用圖1所示的巖石可鉆性測(cè)試儀和圖2所示的巖石壓入硬度測(cè)試儀，對(duì)來自陸豐區(qū)塊珠海組的地層巖樣開展了地層巖石的抗鉆特性參數(shù)的測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 全自動(dòng)巖石可鉆性測(cè)試儀Fig.1 Automatic rock drillability tester圖2 巖石壓入硬度測(cè)試儀Fig.2 Rock hardness tester

表1 陸豐區(qū)塊珠海組地層巖石可鉆性及硬度測(cè)試結(jié)果

國(guó)內(nèi)外研究表明[8-12]，測(cè)井曲線可以較好地體現(xiàn)巖石的物理特性，其中，聲波時(shí)差反映地層的拉伸和壓縮變形特性及強(qiáng)度特性，地層的巖石可鉆性反映巖石抵抗鉆頭沖擊與剪切破壞的能力。巖石的聲波時(shí)差能夠反映地層的巖石可鉆性和硬度大小，故聲波時(shí)差必然與巖石可鉆性級(jí)值和硬度之間存在某種內(nèi)在的聯(lián)系，因此，筆者利用實(shí)測(cè)可鉆性級(jí)值和硬度數(shù)據(jù)與聲波時(shí)差數(shù)據(jù)擬合，建立可鉆性級(jí)值和硬度的計(jì)算模型。擬合曲線如圖3、圖4所示，建立的巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算模型如式(1)所示：

Kd=35.191e-0.033Δt

(1)

式中：Kd為巖石可鉆性級(jí)值，1；Δt為聲波時(shí)差，μs/ft。

巖石硬度計(jì)算模型如式(2)所示：

py=1669.2e-0.233Δt

(2)

式中：py為巖石硬度，MPa。

計(jì)算模型的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8127和0.9076，說明擬合的計(jì)算模型具有較好的相關(guān)性。

圖3 聲波時(shí)差與巖石可鉆性級(jí)值關(guān)系回歸曲線 Fig.3 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock hardness圖4 聲波時(shí)差與巖石硬度關(guān)系回歸曲線Fig.4 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock drillability grade

2 地層抗鉆特性參數(shù)三維連井剖面的建立

通常，在建立巖石可鉆性級(jí)值和硬度等巖石抗鉆特征參數(shù)的計(jì)算模型后，利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算即可建立單井的巖石可鉆性級(jí)值和硬度剖面圖，從而進(jìn)行地層的抗鉆特性的評(píng)價(jià)與分析。但是隨著地層的復(fù)雜性越來越強(qiáng)，上下層間以及相鄰井間的巖石抗鉆特征參數(shù)的差異也會(huì)變大。僅僅通過單井的巖石抗鉆特征參數(shù)剖面圖來分析井間地層抗鉆特性參數(shù)的三維空間變化規(guī)律，不僅無法準(zhǔn)確地反映該區(qū)塊的地層狀態(tài)，而且井間橫向?qū)Ρ刃圆?，也不能預(yù)測(cè)未鉆區(qū)域地層抗鉆特性參數(shù)的分布規(guī)律[21]。因此，建立抗鉆特性參數(shù)三維空間數(shù)據(jù)體模型，是研究抗鉆特性參數(shù)空間分布規(guī)律的關(guān)鍵，可以解決單井巖石抗鉆特性參數(shù)空間橫向?qū)Ρ刃圆?、精?zhǔn)度低等問題。下面，筆者利用Petrel軟件，實(shí)現(xiàn)了地層抗鉆特性參數(shù)的三維連井剖面的建立。

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在建模過程中是一項(xiàng)基礎(chǔ)而又非常重要的部分，精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)對(duì)于地質(zhì)建模非常重要。建立研究區(qū)塊模型需要準(zhǔn)備井的井口坐標(biāo)、井眼軌跡、測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地層分層數(shù)據(jù)。井口坐標(biāo)包括井名、井口東坐標(biāo)、井口北坐標(biāo)；井眼軌跡包括井深、井斜角、方位角；測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)的準(zhǔn)備要根據(jù)地層抗鉆特性參數(shù)的計(jì)算模型來進(jìn)行，由于所建立的巖石可鉆性級(jí)值和硬度的計(jì)算模型是利用聲波時(shí)差測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)建立的，因此在準(zhǔn)備測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)時(shí)只需要準(zhǔn)備井深和聲波時(shí)差數(shù)據(jù)即可；地層分層數(shù)據(jù)則包括層深度、井類型、地層名字和井名。

2.2 三維連井剖面的建立

三維連井剖面的建立步驟可分為以下幾步：

1)將準(zhǔn)備好的井口坐標(biāo)、井眼軌跡等數(shù)據(jù)依次導(dǎo)入Petrel軟件，在生成井眼軌跡后，加載測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和地層分層數(shù)據(jù)，可在所構(gòu)建的三維空間區(qū)域內(nèi)生成井間分層數(shù)據(jù)體模型，如圖5所示。

圖5 井間分層數(shù)據(jù)體模型Fig.5 Interwell layered data volume model

2)將測(cè)井資料的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)導(dǎo)入所構(gòu)建的三維空間分層數(shù)據(jù)體模型中，并進(jìn)行網(wǎng)格化處理，生成井間聲波時(shí)差數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)體模型，如圖6所示。

圖6 聲波時(shí)差數(shù)據(jù)三維模型Fig.6 Three-dimensional model of acoustic time difference data

3)在Petrel軟件的公式編輯器中輸入通過測(cè)試所建立的地層巖石可鉆性級(jí)值和硬度的計(jì)算模型，經(jīng)過計(jì)算可得到巖石可鉆性級(jí)值和硬度的三維連井剖面模型，如圖7和圖8所示。

圖7 可鉆性級(jí)值三維連井剖面Fig.7 Three-dimensional well profile of drillability grade

圖8 硬度三維連井剖面Fig.8 Three-dimensional well profile of hardness

3 難鉆地層抗鉆特性評(píng)價(jià)及其工程意義

3.1 地層抗鉆特性評(píng)價(jià)

實(shí)鉆表明，位于珠江口盆地東北的陸豐區(qū)塊的珠江組和珠海組及其以下地層是該區(qū)塊的難鉆地層，平均機(jī)械鉆速低至3.0m/h。為有針對(duì)性地優(yōu)選適合該區(qū)塊難鉆地層特性的鉆頭，將圖7和圖8所建立的可鉆性級(jí)值三維連井剖面和硬度三維連井剖面進(jìn)行分層切片分析，珠江組和珠海組的可鉆性級(jí)值三維連井剖面和硬度三維連井剖面分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同層位井的可鉆性級(jí)值三維連井剖面Fig.9 Three-dimensional well profile of drillability grade in different horizons

圖10 不同層位井的硬度三維連井剖面Fig.10 Three-dimensional well profile of hardness in different horizons

從珠江組、珠海組的可鉆性級(jí)值三維連井剖面和硬度三維連井剖面所示的分布規(guī)律可以看出，在W1、W2、W3井所在的區(qū)域，其可鉆性級(jí)值和硬度在縱向和橫向上均存在較為明顯的變化特征。在該區(qū)域深度縱向上，不同的顏色對(duì)應(yīng)不同的可鉆性級(jí)值和硬度大小，可以看出可鉆性級(jí)值和硬度大小在井深縱向方向上變化明顯，地層夾層較多。在該區(qū)域?qū)挾葯M向上，不同的區(qū)域也呈現(xiàn)不同的顏色分布，在珠江組地層，橫向分布較為均勻，可鉆性級(jí)值在1～3之間，硬度在850～950MPa，總體上為可鉆性較好的中軟地層，但在西北和東南區(qū)域的珠江組地層的可鉆性級(jí)值和硬度均有增大的趨勢(shì)；在珠海組地層，總體上呈中間高四周低的分布形態(tài)，中間區(qū)域的可鉆性級(jí)值達(dá)到5以上，硬度達(dá)到900～1000MPa，橫向分布差異性較大，屬于可鉆性較差的中硬地層。

3.2 方法驗(yàn)證及工程意義

為驗(yàn)證方法的可靠性，選擇W6井、W7井珠江組的巖心進(jìn)行可鉆性和硬度測(cè)試，將測(cè)試值與圖9、圖10所示的珠江組可鉆性級(jí)值連井剖面圖和硬度連井剖面圖中提取相應(yīng)井位上對(duì)應(yīng)深度處的模擬計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證。從圖11所示的各井位置圖可以看出，W6井的位置位于研究區(qū)域的中間位置，W7井靠近研究區(qū)域的邊緣，這樣更能說明在連井剖面不同位置的計(jì)算精度。

圖11 各井位置圖Fig.11 Well location maps

按照前述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法，測(cè)試得到了如表2所示W(wǎng)6井、W7井的巖石可鉆性級(jí)值和硬度。從表2可以看出，W6、W7井的可鉆性級(jí)值和硬度實(shí)測(cè)值與模擬計(jì)算的值誤差不超過7%。

表2 巖石可鉆性級(jí)值和硬度驗(yàn)證結(jié)果與誤差分析

現(xiàn)場(chǎng)資料分析表明，該區(qū)域隨著井深的增加，珠江組和珠海組地層的機(jī)械鉆速較上部地層來說，呈下降的趨勢(shì)。為進(jìn)一步提高該區(qū)域珠江組和珠海組地層的機(jī)械鉆速，根據(jù)前述對(duì)珠江組和珠海組的地層巖石可鉆性級(jí)值和硬度的評(píng)價(jià)，同時(shí)考慮到珠江組和珠海組地層以泥巖為主，部分層段含砂巖和灰?guī)r夾層，且鈣質(zhì)含量較多，在實(shí)際使用時(shí)還應(yīng)注意鉆頭在夾層中鉆進(jìn)發(fā)生震動(dòng)的不利影響。因此，珠江組和珠海組推薦使用的PDC鉆頭應(yīng)具有如下結(jié)構(gòu)和功能特征：刀翼數(shù)5～6個(gè)；切削齒直徑16～19mm；具有較好的抗震、保徑性能。

據(jù)此，在W6井和W7井的現(xiàn)場(chǎng)鉆井中，實(shí)際使用的鉆頭為BEST公司的TM1653SS鉆頭，該鉆頭為5個(gè)螺旋型刀翼、16mm切削齒的鉆頭，具有較好的保徑能力，較為符合珠江組和珠海組的地層巖石特性。實(shí)鉆機(jī)械鉆速達(dá)到了14.28m/h，較W1井～W5井珠江組和珠海組地層的機(jī)械鉆速提高了31.54%，提速效果明顯。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1)相對(duì)于單井剖面來說，通過建立可鉆性級(jí)值和硬度三維連井剖面，可以從更宏觀的角度反映出豐富的區(qū)域井間和層間地層的細(xì)節(jié)特征信息，也有利于獲知和評(píng)價(jià)未知地層的抗鉆特性參數(shù)分布規(guī)律。

2)從陸豐區(qū)塊的三維連井剖面可以看出，該區(qū)塊的地層抗鉆特性參數(shù)在縱向和橫向上均存在一定的變化，地層差異性較強(qiáng)，珠江組地層總體上屬于可鉆性較好的中軟地層，但在西北和東南區(qū)域的珠江組地層的可鉆性級(jí)值和硬度均有增大的趨勢(shì)；珠海組地層總體上屬于可鉆性較差的中硬地層，橫向分布差異性較大。

3)通過實(shí)用井地層巖石的測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)效果比對(duì)，運(yùn)用該方法得到的地層巖石可鉆性級(jí)值和硬度等巖石抗鉆特性參數(shù)的連井剖面具有較高的精度，據(jù)此所優(yōu)選出的鉆頭具有良好的工作性能。

4)從所建立的三維連井剖面中可以看出，同一層位在不同方位上的可鉆性級(jí)值和硬度特性也是有差異的，說明地層的抗鉆特性具有各向異性特征，在不同的井斜角和方位角下，地層的抗鉆特性是不同的，如果沿著地層巖石最容易破碎的方向鉆進(jìn)，那么機(jī)械鉆速將獲得提高，故存在一個(gè)“最容易鉆進(jìn)的方向”。因此，應(yīng)用地層抗鉆特性參數(shù)的三維連井剖面，在設(shè)計(jì)井位和在設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，兼顧考慮地層巖石在抗鉆特性在不同方位上的差異，以最易鉆進(jìn)方向?yàn)樵O(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高鉆井綜合效益。