李文飞,陈 明,鄢小琳,王光磊,窦玉玲

(1.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017;2.中油长城钻探工程公司,北京 100101）

准噶尔盆地中部地区钻头优选技术应用研究

李文飞1,陈 明1,鄢小琳2,王光磊1,窦玉玲1

(1.胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017;2.中油长城钻探工程公司,北京 100101）

岩石可钻性是决定钻井效率的基本因素,反映了钻进时岩石破碎的难易程度,是合理选择钻进方式、钻头类型和设计钻进参数的依据。基于地层岩石可钻性的计算方法,结合实钻井的测井资料分析,建立了准噶尔盆地中部区块地层岩石可钻性剖面,并以此为依据推荐了适用于不同地层的钻头类型,现场应用结果表明,所用钻头具有很好的适用性,能够进一步提高准噶尔盆地中部地区的机械钻速,对于该地区的后续钻井钻头类型的选择具有重要的指导意义。

岩石可钻性;钻头类型;优选;测井资料;准噶尔盆地

准噶尔盆地是中石化在西部的重要探区,横向涉及区域广,钻遇的地质条件复杂多样,地质年代跨度大、各类岩性、物性俱全。钻遇地层自上而下依次为新生界第四系、第三系,中生界白垩系、侏罗系,以及古生界三叠系。主要储层为侏罗系三工河组及三叠系地层,埋藏深,分布不同的压力层系,岩层压实程度高,可钻性较低。针对准噶尔盆地中部区块地层的特点,以测井资料为基础分析建立了地层岩石可钻性剖面,为该区钻头类型的优选提供了依据,对准噶尔盆地中部地区钻头类型的优化设计,进一步提高机械钻速具有重要意义。

1 地层岩石可钻性计算方法

岩石的可钻性概念是在生产实践中形成的,用以说明破岩工具和岩石特性之间的关系。目前岩石可钻性概念有以下几种提法:一是在一定的技术条件下钻进岩石的难易程度;二是钻井过程中岩石抗破碎强度的程度,表征岩石破碎的难易程度;三是岩石坚固性在钻孔方面的表现。

地层可钻性研究最初是通过室内微钻头实验进行的。随后通过“六·五”、“七·五”期间的大量实验结果与测井资料对照分析,建立了地层可钻性级值与声波时差、岩石密度、泥质含量的多元非线性统计模式。通过测井资料建立的地层连续可钻性剖面的统计分析,可以更好地评价某一段地层的可钻性特征。

利用测井资料来评价地层可钻性具有以下几个优点:一是利用测井资料可获得连续的地层可钻性纵向剖面,具有很好的连续性和针对性;二是利用每口井的地层可钻性评价结果,建立区域、井网可钻性的横向剖面,具有很好的区域性和指导性。

实验研究表明,声波时差与岩石可钻性有良好的相关性,且声波时差又是常规的测井资料,容易获取。因此,国内外石油钻井界普遍采用声波时差测井资料来评价地层的可钻性。首先是建立声波时差与地层可钻性的相关关系。岩石声波时差与地层力学特性参数的关系,如表达式(1）、(2）。

式中:VP——纵波速度,m/s;A、B、C——经验系数; Ed——弹性模量,MPa-1;μd——岩石泊松比;ρ——岩石密度,g/cm3;Δtp——纵波声波时差,μs/m。

根据大量室内外实验及实测资料的研究结果,可采用以下2种模型来描述岩石可钻性级值与声波时差的关系,如表达式(3）、(4）。

式中:a、b——经验系数。

对不同地区,a、b的取值不同。一般地讲,岩石可钻性级值Kd与声波时差Δt的正常对应关系为Kd小则Δt值大、Kd大则Δt值小。这样的Kd-Δt数据是正常的成对关系,有利于找出Kd-Δt的正常关系。而不成对的Kd-Δt数据是Kd小Δt值也小,这种非正常的对应关系通常出现在砂岩和泥质砂岩层段,不能选出来做回归分析用。胶结性好的砂岩,如灰质砂岩、硅质砂岩等,可钻性级值Kd与声波时差Δt是正常对应的,即Kd大则Δt值小。基于以上方法的分析,利用准噶尔盆地中部地区实钻井的测井资料建立地层岩石可钻性剖面,可为钻头类型优选设计提供依据。

2 地层岩石可钻性剖面

通过对完井资料及测井资料的统计分析,结合上述岩石可钻性与声波时差的关系模型,建立了该地区的地层岩石可钻性剖面。

图1～7分别是准噶尔盆地中部地区4个区块部分井的地层岩石可钻性级值和岩石硬度数据图。根据建立的地层岩石可钻性剖面能够清楚的划分不同层位岩石的软硬程度,对于了解该区块地层岩石硬度,优选钻头具有重要价值。

从图1～3中可以看出,准噶尔盆地中部1区岩石可钻性级值分布变化不大。4000 m以浅,白垩系吐谷鲁群以上地层可钻性较好,可钻性级值在1～4之间,岩石硬度在500 MPa以下,属软～中软地层;侏罗系地层可钻性级值略有升高,在4～5之间,岩石硬度在400～1000 MPa之间,属中软～中硬地层。整体上,可钻性级值都在5以下,可钻性较好,可以充分利用PDC钻头钻进,提高机械钻速。

图1 庄5井地层岩石可钻性级值和岩石硬度

图2 沙1井地层岩石可钻性级值和岩石硬度

图3 征101井地层岩石可钻性级值和岩石硬度

从图4中可以看出,准噶尔盆地中部2区成1井全井可钻性级值分布变化较大。3000 m以浅,白垩系吐谷鲁群清水河组以上地层可钻性较好,可钻性级值在2～4之间,岩石硬度在500 MPa以下,属软～中软地层;清水河组以下至侏罗系地层可钻性级在4～6之间,岩石硬度在400～1700 MPa之间,属中软～中硬地层。

图4 成1井地层岩石可钻性级值和岩石硬度

图5 永6井地层可钻性级值和岩石硬度

图6 永7井地层可钻性级值和岩石硬度

从图5、图6中可以看出,准噶尔盆地中部3区可钻性级值分布变化较大。白垩系东沟组4000 m以浅可钻性较好,可钻性级值在2～4之间,岩石硬度在500MPa以下,属软～中软地层;东沟组以下至侏罗系地层可钻性级在4～6之间,岩石硬度在400～1100 MPa之间,属中软～中硬地层。区域内除新生界地层可钻性较好外,中生界的白垩系和侏罗系地层可钻性级值整体都在5左右。车莫古隆起构造地层岩性复杂,上第三系地层为砂泥岩互层,地层可钻性好,适用于牙轮钻头;下第三系地层到白垩系中部地层多为泥岩且岩性较软,白垩系中部以下地层特别是吐谷鲁群组井段地层研磨性大,适应于PDC钻头。

从图7中可以看出,准噶尔盆地中部4区岩石可钻性和岩石硬度分布变化,从各井的检测结果分析可以看出,中部4区地层可钻性与中部3区比较类似,3500 m以浅,白垩系东沟组以上地层可钻性较好,可钻性级值在2～4之间,岩石硬度在600 MPa以下,属软～中软地层。东沟组以下白垩系地层可钻性级值在4～6之间,整体在5左右,岩石硬度在500～1000 MPa之间,属中软-中硬地层。侏罗系地层略有降低,可钻性级值在3～4左右,属中软地层。

图7 董1井地层可钻性级值和岩石硬度

3 钻头类型优选分析

明确了地层特点和地层岩石可钻性的变化规律,在进行钻头选择时可根据岩石可钻性级值选用合适的钻头类型,使钻头更适应地层,最大限度的发挥钻头的破岩能力,达到提高钻井速度的目的。表1、表2分别为中部1区、2区全层位经验钻头选型推荐表。

由于本区块不易井斜可适当放开钻压,但应防止钻具疲劳破坏,适当降低转盘转数。为满足携砂,尤其是在易形成虚泥饼的上部地层可采用大排量循环。1000 m以后,保证泵压不低于15 MPa,利用水力破岩原理,加快钻井速度。在1280～2300 m东沟组至吐谷鲁群中上部选用HAT127型号钻头,采用高转速,高泵压,对提高机械钻速会有明显效果。HJ537钻头不适合深部地层,钻速较慢,HJ517较适合。

一、二开使用塔式钻具;三开使用三扶正器稳斜钻具、单扶正器钟摆钻具和常规钻具,在吐谷鲁群组下部钻进时,尽量使用单扶钟摆钻具。

稳定器在本区块上部井段作用不可忽视。第三系流沙层失水容易在井壁上形成厚泥饼,第四系上部的泥岩层易吸水膨胀造成缩径。稳定器可以修正钻头刚钻过的井眼,使井眼规则。白垩系底部到井底,地层致密,属中硬地层,井壁较稳定,下部井段可考虑甩掉稳定器,简化钻具组合。

表1 中部1区全层位经验钻头选型推荐表

根据中部3、4区地层可钻性分析,结合钻头资料统计分析结果,采用经验钻头推荐法,提出适应于中部3、4区全层位钻头选型方案(见表3）。选型原则:

(1）上下第三系地层适于钢齿牙轮钻头,宜选用MP2钻头,一般进尺1000余米,且机械钻速较其它钻头高,平均机械钻速15 m/h左右;

(2）中上部塔西河和沙湾组地层井段(5500 m之前）可以选用国产M1952、DS751、SP526L、FM2565等钻头;

(3）深部井段(5500 m之后）研磨性大,普通PDC钻头机械钻速低,可以选用进口瑞德DSX94、DSX168钻头,提高钻头进尺和行程钻速;

(4）四开小井眼井段M1365SS、DM565等型号PDC钻头的进尺比牙轮钻头高,减少了起下钻时间,性价比较高。使用PDC钻头应尽量避开含粗砾砂岩井段,在中深部地层可根据实际情况合理使用螺杆动力钻具,可钻性级数变化较大地层,应选择混合布齿并具有抗回旋设计的PDC钻头。

4 现场应用分析

根据以上建立的地层岩石可钻性剖面以及推荐的钻头类型,在准噶尔盆地中部地区钻井中进行了验证试验。试验结果见图8～13。

从图8中可以看出,中部1区“311.2～346.1 mm钻头进尺前十位的有MS1952SS、DS751AB、HAT127、HJ517L等钻头,其中牙轮钻头占多数,有8只,PDC钻头2只,排在前2位,进尺最高的是MS1952SS钻头,单只进尺1770.54 m,机械钻速7199 m/h,前十位钻头进尺都在1000 m以上。

表3 中部3、4区全层位经验钻头选型推荐表

图8 “311.2～346.1 mm钻头进尺前十位对比

图9中机械钻速前十位的全部是牙轮钻头,且型号全部为HAT127钻头,机械钻速最高达到64.78 m/h,钻进井段110～811.75 m,进尺701.75 m,在上部松软地层取得了较好的使用效果。

图9 “311.2～346.1 mm钻头机械钻速前十位对比

图10中纯钻时间前十位的钻头主要有MS1952SS、FS2463、HJ517L、DS751AB、MP2等型号的钻头,PDC和牙轮钻头各占一半,纯钻时间最长的是MS1952SS钻头,达到221.6 h。

图10 “311.2～346.1 mm钻头纯钻时间前十位对比

从图11可以看出,“215.9～241.3 mm钻头进尺前十位的钻头全部为PDC钻头,其中9只FM2565,一只HT2565,单只钻头进尺都在1500 m以上,单只钻头进尺最高达到2079.5 m,取得了较好的使用效果。

图11 “215.9～241.3 mm钻头进尺前十位对比

图12中机械钻速排在前十位的钻头主要有M1955SS、MS1952SS、FS2565、FM2565等型号的钻头,PDC钻头9只,牙轮钻头1只,机械钻速最高的是M1955SS钻头,达到18.78 m/h,钻进井段2159141～2910.69 m,进尺751.28 m,纯钻时间40 h。

图12 “215.9～241.3 mm钻头机械钻速前十位对比

图13中纯钻时间排在前十位的全部为PDC钻头,主要有FM2565、DS751AB、F434等型号的钻头,其中FM2565占到7只,纯钻时间在164～284 h之间,此型号钻头在进尺、机械钻速和纯钻时间上都占有明显优势,非常适合中部地区地层钻进,应该大力推广。

图13 “215.9～241.3 mm钻头纯钻时间前十位对比

5 结论与建议

(1）根据岩石声波时差与地层力学特性参数的关系模型及岩石可钻性级值与声波时差的关系模型,结合实钻井的测井资料分析,建立了准噶尔盆地中部地区地层岩石可钻性剖面。

(2）根据地层岩石可钻性剖面,推荐了适用于准噶尔盆地中部地区各个地层的钻头类型,现场应用结果表明,采用所推荐钻头类型,能够进一步提高钻井速度。

(3）PDC钻头的选型对其使用效果影响很大,准噶尔腹部地区中上部地层可以使用国产大螺旋刀翼PDC钻头,可钻性差的深井段可利用进口高效PDC增加进尺、提高机械钻速。

(4）探井取心太多,目前完钻井每口井都有取心,不利于发挥钻头效能,对钻井周期影响较大,如果已有资料满足要求,在后续钻井中建议少取心或不取心,提高钻头利用率,减少起下钻,缩短钻井周期。

(5）准噶尔盆地腹部地区地质年代较新,地层可钻性好,除个别非均质地层和砾石含量较高地层外,适合PDC钻头推广应用。

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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“探评井井身结构优化及钻井跟踪评价研究”项目资助(项目编号:GY2008-040）

李文飞(1978-）,男(汉族）,山东菏泽人,胜利石油管理局钻井工艺研究院工程师,油气井工程专业,博士,从事钻井工程设计研究工作,山东省东营市东营区北一路827号,liwenfei@slof.com。