瑪湖凹陷砂礫巖地層抗鉆特性預(yù)測(cè)及鉆頭優(yōu)選

張武昌 李忠慧 壽翔 劉偉 胡棚杰 張俊成 楊明合

摘要：針對(duì)瑪湖區(qū)塊百口泉組砂礫巖地層巖性復(fù)雜、鉆頭選型困難和鉆井效率低的問(wèn)題，選取該區(qū)塊典型的砂礫巖巖樣，開(kāi)展了砂礫巖抗鉆特性參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，建立了基于測(cè)井資料的砂礫巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測(cè)模型，繪制了瑪湖區(qū)塊砂礫巖抗鉆特性參數(shù)剖面，分析了百口泉組地層抗鉆特性參數(shù)的分布規(guī)律，并綜合砂礫巖地層抗鉆參數(shù)、比能法、機(jī)械鉆速法和因子分析法開(kāi)展了鉆頭優(yōu)選和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。研究與應(yīng)用結(jié)果表明，瑪湖百口泉組砂礫巖地層可鉆性波動(dòng)大，軟硬交錯(cuò)顯著，非均質(zhì)性強(qiáng)，推薦選用具有高抗沖擊抗磨損的MDI513和MSI613這2種PDC鉆頭，與鄰井相比平均機(jī)械鉆速分別提高30%和35%以上，鉆頭進(jìn)尺分別提高14%和8%以上。所得結(jié)果可為類似于瑪湖凹陷百口泉組的砂礫巖地層鉆頭優(yōu)選提供參考。

關(guān)鍵詞：瑪湖;百口泉組；砂礫巖；抗鉆特性；鉆頭優(yōu)選；機(jī)械鉆速；鉆頭進(jìn)尺

0 引 言

瑪湖凹陷位于中國(guó)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣，具有豐富的油氣資源［1］。該區(qū)塊在開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在著許多技術(shù)瓶頸，尤其是三疊系百口泉組地層巖性不均，機(jī)械鉆速低，鉆頭選型受到制約［2］。因此，地層抗鉆特性預(yù)測(cè)和鉆頭優(yōu)選在瑪湖凹陷油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)中至關(guān)重要。

針對(duì)砂礫巖地層的力學(xué)特性，SHI X.等［3］通過(guò)對(duì)瑪湖百口泉組的砂礫巖進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得到瑪湖凹陷的砂礫巖若干組力學(xué)性質(zhì)。朱海燕等［4］和劉向君等［5］分別對(duì)珠江口盆地和瑪湖凹陷砂礫巖開(kāi)展巖石力學(xué)試驗(yàn)，得到目標(biāo)區(qū)塊砂礫巖地層的巖石力學(xué)特性。針對(duì)砂礫巖地層的鉆頭優(yōu)選，WANG T.Y.［6］根據(jù)風(fēng)神區(qū)塊X-601井的地層巖性和鄰井資料，在含有石膏和砂礫巖的地層優(yōu)選鉆頭。YANG M.H.［7］提出一種用分形理論進(jìn)行石油鉆頭選型的新方法，優(yōu)選出中國(guó)大慶油田松遼盆地的營(yíng)城地層的鉆頭。謝靜等［8］提出了以水力參數(shù)排量和泵壓作為主要影響因素的因子分析法優(yōu)選鉆頭。上述研究成果雖然有助于人們對(duì)砂礫巖地層的巖石力學(xué)和鉆頭優(yōu)選的認(rèn)識(shí)，但是針對(duì)瑪湖百口泉組的砂礫巖抗鉆特性方面的研究比較片面。同時(shí)，砂礫巖地層巖性復(fù)雜，對(duì)鉆頭優(yōu)選的影響較大，而針對(duì)瑪湖百口泉組的鉆頭優(yōu)選的研究成果較少，考慮因素不全面，不足以支撐起鉆頭的合理使用。

為此，筆者通過(guò)對(duì)砂礫巖地層巖石抗鉆特性參數(shù)與聲波相關(guān)性的分析，建立適用于砂礫巖地層的抗鉆特性參數(shù)預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建瑪湖百口泉組地層抗鉆特性剖面，并綜合抗鉆參數(shù)特性、比能法、機(jī)械鉆速法和因子分析法進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，研究結(jié)果可為瑪湖地區(qū)的高效勘探開(kāi)發(fā)提供技術(shù)保障。

1 砂礫巖地層抗鉆特性

1.1 砂礫巖抗鉆參數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)

地層巖石抗鉆特性與石油鉆井密切相關(guān)，是鉆頭類型優(yōu)選的重要依據(jù)，其參數(shù)主要包括巖石的抗壓強(qiáng)度、可鉆性、硬度和研磨性等。為此，對(duì)取自瑪133、瑪134和瑪137 3口井的18塊巖心按DZ/T 0276—2015《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》和SY/T 5426—2000《巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)使用牙輪鉆頭較少、效果較差，在此僅利用巖石可鉆性測(cè)試儀進(jìn)行巖石PDC可鉆性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

1.2 砂礫巖抗鉆參數(shù)預(yù)測(cè)模型的建立

地層巖石的力學(xué)性質(zhì)可以由聲波時(shí)差較好地反映出來(lái)［9］。為此，本文利用聲波測(cè)井資料和巖石力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了瑪湖凹陷的巖石力學(xué)參數(shù)相關(guān)計(jì)算模型。

利用單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和對(duì)應(yīng)深度的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，通過(guò)回歸可得到瑪湖凹陷區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A＝0.008，B=11.834 MPa。

在砂礫巖儲(chǔ)層中，巖石可鉆性級(jí)值、硬度和聲波時(shí)差有較好的指數(shù)關(guān)系［9］。通過(guò)試驗(yàn)得到PDC鉆頭的可鉆性級(jí)值和硬度結(jié)果，再結(jié)合測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，擬合回歸得到了巖石可鉆性級(jí)值和硬度與聲波時(shí)差的關(guān)系，如圖1和圖2所示。

2 鉆頭優(yōu)選

2.1 砂礫巖抗鉆參數(shù)剖面建立

根據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、PDC可鉆性、硬度和研磨性的計(jì)算模型，結(jié)合瑪湖凹陷瑪133井的測(cè)井資料建立相對(duì)應(yīng)的巖石力學(xué)參數(shù)縱向剖面，如圖3所示。由瑪133井區(qū)巖石力學(xué)參數(shù)縱向剖面可以得到地層相關(guān)特性［11］。從圖3可以看出，瑪133井百口泉組（3 250～3 500 m）的單軸抗壓強(qiáng)度在25～50 MPa之間，PDC可鉆性級(jí)值在4～7之間，巖石硬度在500～1 900 MPa之間，巖石相對(duì)磨損率在1.80～6.00 kg/m3之間，整體上瑪湖凹陷百口泉組的地層特性呈現(xiàn)中軟～中硬級(jí)別，研磨性呈現(xiàn)較高～高的特性。

2.2 地層抗鉆特性優(yōu)選鉆頭

地層的抗鉆特性與鉆頭的選型緊密相關(guān)，是影響機(jī)械鉆速的重要因素［12］。根據(jù)百口泉組的地層特性參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合PDC鉆頭IADC分類標(biāo)準(zhǔn)及編碼［13］，可以得到百口泉組的鉆頭優(yōu)選結(jié)果，如表2所示。

PDC鉆頭中的復(fù)合片極硬、耐磨和自銳的特點(diǎn)能夠適應(yīng)百口泉組地層巖石的特性，可以有效延長(zhǎng)鉆頭使用壽命。切削齒尺寸越大，其吃入越困難，破巖效率越低，同時(shí)較硬的研磨性地層，應(yīng)該選擇較大半徑、短～中等冠部，中～密的布齒密度［14］。因此，針對(duì)百口泉組的地層特性，結(jié)合PDC鉆頭的IADC編碼可以選出編碼為M222～M333的PDC鉆頭。

2.3 已用鉆頭優(yōu)選

在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，地層性質(zhì)與鉆頭型號(hào)不能唯一對(duì)應(yīng)，無(wú)法確定最優(yōu)鉆頭類型。因此，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已使用鉆頭情況，再結(jié)合地層特性進(jìn)行優(yōu)選，實(shí)現(xiàn)唯一對(duì)應(yīng)的優(yōu)選鉆頭。通過(guò)收集瑪湖凹陷區(qū)塊百口泉組現(xiàn)場(chǎng)已使用過(guò)的鉆頭，利用比能法、機(jī)械鉆速法和因子分析法綜合對(duì)比分析出優(yōu)選的鉆頭。

2.3.1 比能法

比能法即鉆頭破碎1 m3的地層巖石所耗費(fèi)的功。鉆頭破碎單位巖石所耗費(fèi)的功越少，說(shuō)明鉆進(jìn)效果越好［15］。

從表3可以看出，瑪131井區(qū)百口泉組計(jì)算出的修正比能整體上偏大，鉆進(jìn)效果偏差。其中修正比能SE1<10 MJ/m3的共有5種，分別為史密斯廠家的SDI613、MDI513、MSI613和DBS廠家的MM64DH3、SF54DH3鉆頭。然而在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，扭矩不能直接測(cè)量，并且受諸多參數(shù)影響，由于公式（9）已經(jīng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，所以限制了比能法的應(yīng)用。

2.3.2 機(jī)械鉆速法

對(duì)瑪湖凹陷進(jìn)行地質(zhì)分層，將已有鉆頭按照所鉆的地層分類后，然后對(duì)鉆頭進(jìn)尺基本一致的不同類型鉆頭，通過(guò)對(duì)比機(jī)械鉆速進(jìn)行擇優(yōu)選擇，如圖4所示。

由圖4可以看出，瑪131井區(qū)百口泉組的鉆頭平均機(jī)械鉆速普遍偏低，百口泉組復(fù)雜的地層特性嚴(yán)重限制了鉆頭的機(jī)械鉆速。其中進(jìn)尺大于500 m，平均機(jī)械鉆速大于5.00 m/h的鉆頭共有4種，其對(duì)應(yīng)的優(yōu)選鉆頭為史密斯廠家的MDI513、MSI613、MDI516和DBS廠家的SF54H3，最高平均機(jī)械鉆速為編號(hào)MDI513的鉆頭，達(dá)到5.92 m/h。

2.3.3 因子分析法

因子分析法是將多個(gè)實(shí)測(cè)變量轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法［16］。本文主控因子選擇為進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、鉆壓、轉(zhuǎn)速4個(gè)指標(biāo)，將所有鉆頭類型按地層分類后，根據(jù)不同尺寸類型的鉆頭統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)，應(yīng)用SPSS軟件算出綜合因子得分，如圖5所示。

從圖5可以看出，瑪131井區(qū)百口泉組的鉆頭綜合得分范圍波動(dòng)大。其中綜合得分大于0.7的鉆頭共有5種，分別是史密斯廠家的MDI513、MSI613、Z613、MDI516和DBS廠家的SF54H3。從優(yōu)選的鉆頭使用記錄來(lái)看（見(jiàn)表3），因子分析法不僅可以對(duì)使用的鉆頭進(jìn)行優(yōu)選，還可以對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)起一定的指導(dǎo)作用。

2.4 綜合優(yōu)選鉆頭

結(jié)合比能法、機(jī)械鉆速法和因子分析法綜合對(duì)比分析，可以得出瑪湖凹陷區(qū)塊百口泉組的鉆頭優(yōu)選結(jié)果，如表4所示。

從表4可以看出，4種鉆頭優(yōu)選方法的最終結(jié)果為史密斯生產(chǎn)廠家的MDI513和MSI613這2種鉆頭，其在瑪131井區(qū)的機(jī)械鉆速可以分別達(dá)到5.92和5.47 m/h。這2種鉆頭采用了史密斯公司研發(fā)的ONYX360度全旋轉(zhuǎn)PDC切削齒技術(shù)，可以有效減輕切削齒的偏磨程度［17］。其具有胎體5～6刀翼，13 mm雙排齒，淺～中等內(nèi)錐，短～中等拋物線的特點(diǎn)，可以提高鉆頭穿過(guò)礫石能力，延長(zhǎng)鉆頭進(jìn)尺。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

為了驗(yàn)證所選出的鉆頭是否是最優(yōu)鉆頭，統(tǒng)計(jì)了瑪18井區(qū)在百口泉組中所使用的鉆頭情況，如表5所示。

從表5可以看出，在瑪18井區(qū)的百口泉組使用了史密斯、江鉆和DBS這3個(gè)廠家的鉆頭，整體來(lái)看，史密斯廠家的鉆頭使用效果較好。其中史密斯廠家的MSI613和MDI513鉆頭的每只平均進(jìn)尺分別為68.33和72.00 m，比平均值63.08 m高8.32%和14.13%。其平均機(jī)械鉆速分別為7.52和7.21 m/h，比平均值5.53 m/h高35.93%和30.32%，說(shuō)明MSI613和MDI513這2種鉆頭在瑪18井區(qū)使用效果良好。

4 結(jié) 論

（1）建立了瑪湖凹陷區(qū)塊巖石力學(xué)參數(shù)計(jì)算模型，以及砂礫巖巖石力學(xué)剖面，并總結(jié)了該區(qū)塊百口泉組的地層特性分布規(guī)律：地層為中軟～中硬級(jí)別，研磨性為較高～高級(jí)別。

（2）基于百口泉組的地層特性，結(jié)合機(jī)械鉆速法、比能法和因子分析法優(yōu)選出的MSI613和MDI516這2種鉆頭，得到適用于該地區(qū)的IADC編碼為M233和M333這2類鉆頭。

（3）符合優(yōu)選鉆頭特性的MSI613和MDI516在瑪18井區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，其平均進(jìn)尺比該區(qū)塊平均值高8.32%和14.143%，平均機(jī)械鉆速比該區(qū)塊平均值高35.93%和30.32%。

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