南海西部海域難鉆地層特征及破碎機(jī)制研究

鄧金根，朱海燕，謝玉洪，趙靖影，蔚寶華，譚 強(qiáng)，張曉東

（1.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司鉆井部，廣東 湛江 524057；3.南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，廣州 510240）

1 引 言

南海西部地區(qū)北部灣盆地和珠江口盆地部分油田的下第三系地層（厚度600～1200 m）地層巖性為致密的細(xì)砂巖，硅質(zhì)膠結(jié)，致密泥頁巖，含礫石夾層。2006－2009年，30口井單只鉆頭平均機(jī)械鉆速僅為3～4 m/h，單只鉆頭平均進(jìn)尺為150 m左右，其中進(jìn)尺小于50 m的占30%。機(jī)械鉆速偏低、鉆頭磨損太快、頻繁起下鉆造成作業(yè)進(jìn)度滯后是以上兩個地區(qū)探井鉆探遇到的最大困境之一。對此現(xiàn)場采取了調(diào)整鉆井參數(shù)，更換鉆具組合，選擇新型鉆頭等手段，但效果并不明顯。分析深層次原因，主要是由于對所要鉆遇的地層巖性把握不準(zhǔn)，對地層巖石特性認(rèn)知不夠，對深層（2500～5000 m）致密砂礫巖、硬泥巖的鉆頭選型不當(dāng)。因此，為了降低鉆井成本，增加鉆井時(shí)效，必須摸清該海域難鉆地層的巖性特征、分布規(guī)律及破巖機(jī)制。本文針對南海西部地區(qū)難鉆地層，開展模擬井下壓力條件下的難鉆地層破壞強(qiáng)度、硬度、塑性系數(shù)、可鉆性和研磨性的室內(nèi)試驗(yàn)研究；利用測井資料和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立難鉆地層的抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型，并繪制其巖石力學(xué)參數(shù)剖面和三維可鉆性剖面；完成難鉆地層的破巖機(jī)制研究，以弄清難鉆地層的難鉆特征，為鉆頭的合理選擇、鉆井參數(shù)和方式的優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

2 難鉆地層的巖性

采用 X 射線衍射儀[1]，在管壓 40 kV，管流100 mA 時(shí)以2.6°～45°范圍進(jìn)行掃描，分析執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6210－1996[2]。北部灣盆地10口井的礦物組分測定發(fā)現(xiàn)：①整體上看，地層含石英 26.8%～48.7%，含黏土礦物35.6%～54%，地層硅質(zhì)膠結(jié)，石英含量較少；②L-1段局部地層菱鐵礦含量高，其中Z-1段1-7含菱鐵礦高達(dá)39.8%，Z-1段1-2含菱鐵礦 13.8%，且微含黃鐵礦；③L-2段含有少量菱鐵礦；④L-3段以石英和黏土礦物為主。珠江口盆地10口井的礦物組分測定發(fā)現(xiàn)：①整體上看，地層含石英 31.2%～62.5%，含黏土礦物 18.3%～38.6%，石英含量較高；②Z-1段、Z-2段菱鐵礦含量高。

表1 各盆地地層平均巖性Table1 Average lithology of each basin

統(tǒng)計(jì)30口井的錄井資料，確定北部灣盆地和珠江口盆地的巖性分布（見表1）。北部灣盆地以泥巖為主，軟硬夾層顯著，含砂礫巖非均質(zhì)夾層，含少量菱鐵礦。將地層巖性與鉆井參數(shù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)難鉆地層為致密泥巖、頁巖。L-2段以泥巖為主，夾砂巖和褐灰色泥頁巖，偶含礫，但含有菱鐵礦。L-3段含11%的砂礫巖，泥巖與中細(xì)顆粒砂巖互層，地層均質(zhì)性較L-2段強(qiáng)。珠江口盆地以砂巖為主，砂礫巖分布廣泛，地層非均質(zhì)性較強(qiáng)。Z-2段和Z-3段巖性為砂泥巖不等厚互層，含有2～7 mm的礫石顆粒6%以上，巖性變化頻繁，致密壓實(shí)。E組以泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含礫中砂巖和含礫粗砂巖不等厚互層。

3 難鉆地層的巖石力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)

3.1 地層強(qiáng)度、硬度和塑性系數(shù)試驗(yàn)

北部灣盆地2188～3303 m井段（L組）取巖芯31塊，珠江口盆地3341～3986 m井段（Z組）取巖芯23塊，分別加工成直徑25、38 mm，長徑比為1.8～2.0的巖樣，部分加工巖樣如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備采用 TAW-1000深水孔隙壓力伺服試驗(yàn)系統(tǒng)[3]進(jìn)行三軸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。圖 2給出了在不同圍壓下泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由表1及圖2可知，L組整體上屬于軟至中硬地層，L組褐灰色泥巖在圍壓下具有一定的塑性，且隨圍壓增加，其破壞強(qiáng)度、屈服應(yīng)力及塑性都有增強(qiáng)（見圖 2）。Z組砂巖地層屬于中高強(qiáng)度，但在圍壓下強(qiáng)度增加很快。L組細(xì)砂巖強(qiáng)度高、塑性小，呈硬脆性；致密泥巖強(qiáng)度比砂巖強(qiáng)度略低。相同圍壓下，Z組砂巖破壞強(qiáng)度高于L組。

采用靜壓入法和YDSY-1巖石硬度儀測定巖芯硬度并求取其塑性系數(shù)，結(jié)果與強(qiáng)度試驗(yàn)一致（見表3）。北部灣盆地L組巖石具有一定的塑性，其中L-2段褐灰色粉砂質(zhì)泥巖的塑性較高，塑性系數(shù)高達(dá)4.5。

3.2 巖芯微鉆頭可鉆性試驗(yàn)

圖1 北部灣盆地部分φ25 mm巖樣Fig.1 Some φ25 mm cores of the Northern Gulf Basin

表2 三軸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table2 Results of strength experiments

圖2 Z-12-2井褐灰色泥巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of Z-12-2 well grey mudstone

表3 巖芯硬度及塑性系數(shù)Table3 Hardness and plasticity coefficient

圖3 室內(nèi)微可鉆性試驗(yàn)方形試樣Fig.3 Quadrate rock sample for drillability experiments

表4 巖石可鉆性測試結(jié)果Table4 Results of drillability experiments

室內(nèi)微可鉆性試驗(yàn)如圖3所示，巖石可鉆性測試結(jié)果見表4。φ38 mm巖芯由于直徑太小而無法固定，因此，將巖芯用隔水材料包裹，用水泥固結(jié)成100 mm×100 mm的方形試樣，再磨平水泥-巖芯樣兩端（見圖3）。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5426－2000[4]，對巖芯可鉆性進(jìn)行測定（見表4）。在相同試驗(yàn)條件下，砂巖平均可鉆性級值在5.7左右，而泥巖平均可鉆性級值達(dá)到6.7左右，砂巖可鉆性比泥巖好。北部灣盆地巖石可鉆性比珠江口盆地巖石可鉆性差；流二段巖石可鉆性中等偏硬，流三段軟到中等；珠江口盆地整體偏軟，可鉆性較好。

3.3 研磨性試驗(yàn)

用改裝的巖石可鉆性儀設(shè)計(jì)了基于PDC鉆頭鉆進(jìn)過程特點(diǎn)的巖石研磨性試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)采用PDC微鉆頭作為切削工具。為了保證微鉆頭始終破碎新鮮巖面并使PDC片處于正常的研磨狀態(tài)，采用清水冷卻鉆頭和沖洗巖屑[5]。將改裝的可鉆性儀最高軸壓從900 N提高至1200 N，最高轉(zhuǎn)速從55 r/min提高至300 r/min，并對儀器箱體做防水處理，改裝簡單易行，試驗(yàn)裝置通用性好。每次試驗(yàn)時(shí)間為30 min，試驗(yàn)結(jié)束后測量巖石破碎坑體積，用精度為0.01 mg的天平測量PDC微鉆頭復(fù)合片的磨損失重量（見表5）。北部灣盆地流L組中細(xì)砂巖的研磨性高于泥巖。珠江口盆地Z組中砂巖研磨性高，含礫砂巖研磨性較高，泥質(zhì)粉砂巖研磨性最高。

表5 巖石研磨性試驗(yàn)結(jié)果Table5 Results of abrasive property experiments

4 難鉆地層抗鉆特性剖面的建立

4.1 巖石力學(xué)特性參數(shù)預(yù)測模型

試驗(yàn)只能測得地層特定取芯位置的巖石力學(xué)特性，要弄清整個地層的巖石力學(xué)特性，必須通過測井資料建立地層巖石力學(xué)性質(zhì)的預(yù)測模型，并用巖石力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定預(yù)測模型中的系數(shù)（見表 6）[6－9]。各預(yù)測模型中的參數(shù)為：Vcl為砂巖的泥質(zhì)含量；Ed為砂巖的動態(tài)楊氏模量（MPa）；ΔT為聲波時(shí)差；ρ為密度；G為剪切模量；K為體積模量；DT為縱波聲波時(shí)差；H為硬度；φ為內(nèi)摩擦角； A1、 A2、b0、b1、b2、b3、B1、D1、F1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

表6 巖石力學(xué)特性參數(shù)預(yù)測模型及其精度Table6 Prediction model and prediction accuracy of rock mechanical parameters

4.2 地層抗鉆特性剖面的建立

采用巖石力學(xué)特性參數(shù)預(yù)測模型，建立了 30口井難鉆地層抗鉆特性剖面，以弄清各區(qū)域難鉆地層的抗鉆特性。以Z-12-2井的抗鉆特性曲線為例，對其地層抗鉆特性進(jìn)行分析（見圖4）。Z-12-2井W-3段、L-1段和L-2段巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均分別為81.4、69.65、75.87 MPa，最高為262.2 MPa，巖石單軸抗壓強(qiáng)度中等偏高。砂巖段的巖石單軸抗壓強(qiáng)度大于泥巖段。L-1段上部中硬，下部較軟，整體屬于中研磨性地層，高研磨性夾層比較多。L-2段中等偏硬，其中泥巖可鉆性級值平均值為7.3，砂巖可鉆性級值平均值為6.4，泥巖更難鉆，整體屬于中低研磨性地層，偶有高研磨性夾層。砂巖段硬度略高于泥巖，地層巖石軟硬交錯較為嚴(yán)重。

總結(jié) 30口井發(fā)現(xiàn)，北部灣盆地 Z-1段 1-2、Z-1段1-7油田L(fēng)-1段研磨性和抗壓強(qiáng)度較高，抗壓強(qiáng)度平均為80～120 MPa，中等偏硬，存在高于150 MPa的硬夾層；L-2段平均抗壓強(qiáng)度為 70～90 MPa，中等偏軟；L-3段地層巖性非均質(zhì)性、研磨性較L-2段強(qiáng)，地層抗壓強(qiáng)度平均80～120 MPa，中等偏硬，部分井段抗壓強(qiáng)度高于150 MPa。

珠江口盆地地層抗壓強(qiáng)度為50～120 MPa，中等略偏硬；可鉆性級值4～7；塑性系數(shù)為2左右；研磨性2～8，研磨性較高；Z-2段含少量菱鐵礦；砂巖、砂礫巖硬脆性，研磨性較高，可鉆性好，但鉆頭易發(fā)生先期損壞嚴(yán)重。在砂巖中鉆速較快，在致密褐灰色泥巖中鉆速變慢，因此，鉆頭的新舊程度對鉆速影響較大。

4.3 三維可鉆性剖面的建立

根據(jù)北部灣盆地和珠江口盆地各典型井的地理方位坐標(biāo)，地層分層信息和各層段的可鉆性資料，繪制北部灣盆地和珠江口盆地的三維可鉆性剖面（見圖5）。圖中藍(lán)色表示可鉆性好，紅色表示可鉆性差。L-1段因含菱鐵礦和黃鐵礦含量較高，且含有 2～7 mm砂礫，致使地層研磨性和抗壓強(qiáng)度較高，可鉆性較差，在圖中呈紅色。L-2段、L-3段因其主要以致密性泥巖為主，地層可鉆性較差。Z-1段可鉆性較好，Z-2段因含礫石6%而可鉆性差，Z-3段因含10%礫石可鉆性較差。地層埋藏深度越深，可鉆性越差。

圖4 Z-12-2井抗鉆特性曲線Fig.4 The sections of rock mechanical parameters of the Z-12-2 well

圖5 南海西部海域三維可鉆性剖面Fig.5 Three dimensional drillability profiles

5 難鉆地層的破巖機(jī)制研究

本文對難鉆地層的破巖機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究[10－12]，研究鉆頭的鉆壓和轉(zhuǎn)速對破巖效率的影響，并探討了PDC鉆頭在復(fù)雜地層中的破碎規(guī)律，為合理的鉆井方式和鉆井參數(shù)的選擇提供依據(jù)。從30口井已用鉆頭的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，PDC鉆頭的進(jìn)尺、鉆速、每米鉆井成本均優(yōu)于牙輪鉆頭，因此，本文主要研究PDC鉆頭的破巖情況。PDC鉆頭破巖試驗(yàn)采用可鉆性儀器、PDC微鉆頭。

5.1 鉆進(jìn)參數(shù)對PDC鉆頭破巖效率的影響

鉆壓對巖石的破碎敏感程度較高，鉆壓的增加使鉆頭破巖效果顯著增大（見圖6）。在硬脆性的細(xì)砂巖段提高鉆壓，機(jī)械鉆速較明顯；在呈塑性的泥巖段提高鉆壓，機(jī)械鉆速提高較慢；在泥質(zhì)粉砂巖內(nèi)提高鉆壓，效果最差。PDC鉆頭鉆壓應(yīng)該保持在一個合理的范圍內(nèi)，過大或過小對鉆速都不利。鉆壓過小，牙齒不能吃入巖石，破巖效率低。鉆壓過大，在鉆進(jìn)軟巖過程中，鉆頭吃入深度大大增加或整體壓入巖石，會因扭矩增大而憋死鉆頭，造成鉆具斷裂事故；同樣，在鉆進(jìn)硬或極硬巖石過程中，鉆頭易產(chǎn)生嚴(yán)重的縱向憋跳，造成PDC鉆頭牙齒的先期損壞。

轉(zhuǎn)速的增加會提高 PDC鉆頭破巖效率（見圖7）。轉(zhuǎn)速對砂巖的破碎敏感程度比鉆壓低，增加轉(zhuǎn)速會加快PDC鉆頭的磨損；轉(zhuǎn)速對塑性泥巖的破碎敏感程度比鉆壓高，提高轉(zhuǎn)速可顯著提高破巖效率，而增加鉆壓，牙齒在泥巖內(nèi)易發(fā)生滑動，不易吃入，鉆速增加并不明顯；轉(zhuǎn)速對泥質(zhì)粉砂巖的破碎敏感程度低于鉆壓。

圖6 鉆壓和機(jī)械鉆速關(guān)系曲線Fig.6 WOB - ROP curves of the PDC bit

圖7 機(jī)械鉆速和轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線Fig.7 RPM - ROP curves of the PDC bit

5.2 PDC鉆頭在礫石和夾層地層中的破巖機(jī)制

從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)，冠頂上切削齒鉆壓、扭矩不斷增加，容易被壓碎或崩斷，引起鉆頭早期損壞。重新鉆入軟地層時(shí)，冠頂切削齒鉆壓、扭矩減小，其他部位切削齒鉆壓、扭矩增加，部分齒發(fā)生壓碎、崩斷等損壞。同時(shí)硬地層中的高鉆壓若不能及時(shí)降下來，切削齒在軟地層中易過大切入，而扭矩過大，導(dǎo)致掰斷。因此，在軟硬及砂礫巖夾層中鉆進(jìn)，不易采用較高鉆壓和轉(zhuǎn)速。地層中分布有不同粒度、形狀的礫石，最容易受到損壞的部位是鉆頭冠部和側(cè)翼，容易發(fā)生齒的崩損甚至刀翼折斷，層間的巖性變化越大對鉆頭損壞也越大[13]。南海西部海域難鉆地層的礫石直徑為2～7 mm，易對切削齒產(chǎn)生較大的沖擊和磨損，這與PDC鉆頭現(xiàn)場使用情況一致。

6 結(jié) 論

（1）通過巖性分析、巖石力學(xué)試驗(yàn)和PDC鉆頭破巖機(jī)制試驗(yàn)，得到了北部灣盆地和珠江口盆地的巖性分布、巖石力學(xué)特性及破碎機(jī)制。

（2）北部灣盆地以泥巖為主，夾砂巖；地層可鉆性、強(qiáng)度中等，地層研磨性中低至中等，偶有高研磨性夾層，提高鉆頭的攻擊性和提高轉(zhuǎn)速是提速的關(guān)鍵，建議北部灣盆地采用較高的轉(zhuǎn)速和較小的鉆壓鉆進(jìn)，即可采用高轉(zhuǎn)速的動力鉆具復(fù)合鉆進(jìn)方式。

（3）珠江口盆地含礫石較多，地層非均質(zhì)性強(qiáng)，地層研磨性較強(qiáng)，較高轉(zhuǎn)速將會加速鉆頭的早期破壞，該盆地不適合采用動力鉆具提速方式，只能通過提高鉆頭復(fù)合片的耐磨性和攻擊性，采用較高的鉆壓和合理地頂驅(qū)轉(zhuǎn)速來提高鉆速。

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