孙东征 张海山 段飞飞 严维锋 石祥超

(1.中国海洋石油有限公司 北京 100010； 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200030；3. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川成都 610500)

西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石力学特征与可钻性实验研究*

孙东征1张海山2段飞飞2严维锋2石祥超3

(1.中国海洋石油有限公司 北京 100010； 2.中海石油(中国)有限公司上海分公司 上海 200030；3. 西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室 四川成都 610500)

东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层(玉泉组及以下地层)钻进速度低，严重影响了建井周期，因此认识该地区下部地层岩石力学特征是解决钻头优选、井壁稳定评价、钻井优化等关键问题的基础。开展了东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石力学特征与可钻性实验，并根据岩石强度、可钻性与声波时差的关系建立了井底围压条件下岩石强度与可钻性剖面。实验结果表明，该地区井深大于3 000 m的地层岩石单轴抗压强度50～80 MPa，无围压条件下岩石可钻性级值5.7～6.5。模型计算结果表明，无围压条件下该地区井深小于2 500 m的地层岩石可钻性级值小于4，井深3 600 m时岩石可钻性级值达到6以上；井底围压条件下该地区井深大于3 600 m的地层岩石可钻性级值达到8～10。上述结果对于认识东海西湖凹陷中央洼陷区下部地层难以钻进的原因以及解决钻头选型和深井钻速提升等问题具有指导意义。

西湖凹陷；中央洼陷区；下部地层；岩石力学特征；岩石可钻性

西湖凹陷位于东海陆架盆地浙东坳陷东部，自西向东依次划分为西部斜坡区、中央洼陷区和东部断陷区[1]。钻探结果表明，西湖凹陷中央洼陷区上部地层(柳浪组及以上地层)岩性主要以砂质泥岩、砂岩、砂砾岩为主，夹有煤层，机械钻速较高；而下部地层(玉泉组及以下地层)主要以高岭土质粉砂岩、细砂岩、泥岩、煤层砂岩、砾岩等组成，机械钻速降低至10 m/h以下，有些地层的机械钻速甚至降低至5 m/h以下，严重影响了钻井周期。

岩石可钻性是评价地层难钻程度的客观指标，是地质分层和钻头选型的重要依据，但由于石油工程岩心稀缺及试验成本较高，多数情况下室内实验不能满足连续获得岩石可钻性的需求，为此发展了钻速反推法、声波时差法、岩屑硬度法等通过岩石其他的物性特征来求取岩石可钻性的方法。到目前为止，声波时差法被认为是较为准确的岩石可钻性求取方法[2-4]，但是该方法并没有考虑地应力及液柱压力引起的井底围压效应对岩石可钻性的影响。本文以西湖凹陷中央洼陷区下部地层为主要研究对象，开展岩石三轴力学实验和可钻性实验，利用声波时差测井数据及摩尔-库伦强度理论建立下部地层岩石强度与可钻性剖面，以期为该地区钻头选型及深井钻速提升提供可靠依据。

1 岩石三轴力学实验

1.1 实验样品与设备

实验样品取自西湖凹陷中央洼陷区X-2、X-3和Y-1井花港组砂岩段的20块岩心，取心深度为3 465～4 291 m，岩心柱样品尺寸为直径25 mm、长度50 mm。实验设备采用岩石三轴力学实验机，可以进行单轴抗压、常温及高温高压下三轴抗压、弹性模量、泊松比、声波(纵波、横波)时差以及常温常压下抗张强度测试实验。

1.2 实验结果

将20块岩心按照X-2、X-3和Y-1分为3组，通过设置不同的围压，对每组岩心进行三轴压缩实验，实验结果见图1，可以看出：随着围压的增加，岩石强度显著增强，单轴抗压强度为50 MPa的岩石试样在40 MPa围压条件下的抗压强度达到250 MPa左右，岩石强度增加4倍；随着井深的增加，井底围压逐渐增强，岩石强度显著增加。

图1 西湖凹陷中央洼陷区岩心应力-应变曲线

此外，该地区砂岩地层和泥页岩地层交替出现，并伴随有砾石层和煤层，岩性在纵向上存在较大的变化，在砂岩地层能获得较高钻速的钻头不一定适用于泥页岩地层。因此，围压和地层岩性的纵向大幅度变化是造成西湖凹陷中央洼陷区深部地层岩石难以破碎的重要原因。

2 岩石可钻性实验

岩石可钻性是钻进时岩石抵抗机械破碎能力的量化指标[5],是工程钻探中选择钻进方法、钻头结构类型、钻进工艺参数以及衡量钻进速度的主要依据。根据《SY/T 5426-2000 岩石可钻性测定及分级方法》[6]，在钻压890 N、转速55 rpm实验条件下，预钻深0.4～1.0 mm(以保证钻头各齿与岩石均匀接触)，工作钻深2.4 mm，测量此工作钻深所需的时间。通过微钻实验所获得的钻进时间，可以求取岩石的可钻性级值[7]，即

kd=log2t

(1)

式(1)中：kd为岩石可钻性级值；t为钻进时间平均值，s。

利用公式(1)对实验结果进行计算，并对计算结果取平均值(表1)。由表1可知，Y-1井在深度3 465 m处的无围压岩石可钻性级值为5.73，X-2和 X-3井的无围压岩石可钻性级值为6.45和6.52，均属于中等硬度。

表1 西湖凹陷中央洼陷地层岩心无围压可钻性实验结果

3 岩石强度剖面与可钻性剖面建立

前人的大量研究表明[8-10]，纵波时差、横波时差、密度、岩性测井数据与岩石力学参数之间有很好的相关关系，通过建立测井数据与岩石力学参数之间的关系可以建立地层岩石力学特征剖面。同时，声波时差也可为钻头选型提供参考依据[11]。通常岩石单轴抗压强度与声波时差的关系符合指数关系[12-13]，即

σ0=ae-bΔt

(2)

式(2)中：σ0为岩石单轴抗压强度，MPa;a、b为拟合系数，McNally等[14]通过260种砂岩的实验数据给出的经验系数为a=1 100及b=0.036。

统计分析表明[15]，岩石抗压强度与可钻性一般具有较好的直线关系，即

kd=c+dσ1

(3)

式(3)中：c、d为拟合系数，闫铁 等[16]通过砂岩实验数据给出的经验系数为c=2.445及d=0.038。

根据双重有效应力原理[17]，岩石骨架有效应力为

σeff=σ-φpp

(4)

式(4)中：σeff为岩石骨架有效应力，MPa；σ为岩石承受的上覆岩层压力，MPa;φ为孔隙度，%；pp为孔隙压力，MPa。

对于井底岩石，岩石承受的上覆岩层压力应等于液柱压力，即

σ=ph=ρgh

(5)

式(5)中：ph为液柱压力，MPa；ρ为钻井液密度，g/cm3;h为井深，m;g为重力加速度,m/s2。

根据摩尔-库伦强度准则，岩石强度与围压的关系为

(6)

式(6)中：C0为内聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°);σ3为围压，MPa。

将岩石骨架有效应力等同于实验围压来计算井底围压条件下的岩石强度。联立式(4)～(6)，并考虑孔隙度和孔隙压力对围压的影响，得到井底围压条件下的岩石强度为

(7)

岩石内聚力C0可由式(8)确定[18]，即

(8)

岩石内摩擦角φ可由式(9)计算[15]，即

φ=38.24-0.321C0

(9)

联立式(3)和式(7)～(9)，可得到井底围压条件下的岩石可钻性级值为

(10)

利用式(2)、(10)及测井数据可以得到岩石单轴抗压强度与可钻性剖面。图2为利用录井数据和测井数据计算得到Y-1井井底岩石抗压强度和可钻性级值剖面，可以看出，所建立的岩石强度和可钻性剖面与实验数据吻合：井深小于3 000 m时，岩石单轴抗压强度基本小于50 MPa，且随着井深的增加而逐渐增加；井深大于3 500 m时，岩石单轴抗压强度达到60 MPa以上；井深大于4 000 m时，岩石单轴抗压强度达到70 MPa以上。在无围压条件下，井深小于2 500 m时岩石可钻性级值大多小于4，且随着井深的增加而逐渐增大；井深大于3 000 m时岩石可钻性级值增加到5以上，到井深大于3 600 m时逐渐增加到6以上。这表明，井深增加造成岩石强度的大幅度增加；同时，岩性的纵向大幅度变化导致岩石可钻性变差，地层难以钻进。

从图2还可以看出，随着井深的增加，液柱压力产生的围压效应逐渐增加，岩石强度大幅度增加，岩石可钻性级值也大幅度增加，尤其是钻到3 600 m左右时，岩石抗压强度提高了将近2倍，岩石可钻性达到8～10级别，属难钻硬地层。

图2 Y-1井井底围压下岩石强度与可钻性剖面

4 结论

1) 西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石三轴力学与可钻性实验结果表明，该地区下部地层岩石单轴抗压强度50～80 MPa，无围压条件下岩石可钻性级值5.7～6.5，属中等硬度地层；随着井深的增加，地层岩石强度的围压效应显著，围压40 MPa时的岩石强度达到250 MPa，并且地层岩性的纵向变化较大，导致地层难以钻进。

2) 建立了该地区岩石单轴抗压强度与可钻性剖面，计算结果与实验结果吻合。井深小于2 500 m时岩石单轴抗压强度小于50 MPa，岩石可钻性级值小于4，属于软地层；随着井深的增加，岩石强度显著增加，可钻性变差，无围压条件下属于中等硬度地层。

3) 建立了该地区井底围压条件下岩石强度和可钻性剖面，结果表明，随着井深的增加，液柱压力产生的围压效应愈加明显，岩石强度大幅度增加，岩石可钻性也愈加变差，尤其是井深3 600 m左右时，岩石抗压强度提高了将近2倍，可钻性级值达到8～10，属难钻硬地层。

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(编辑：孙丰成)

Experimental study on mechanics and drillability of lower strata rock in central subsag of Xihu sag

Sun Dongzheng1Zhang Haishan2Duan Feifei2Yan Weifeng2Shi Xiangchao3

(1.ChinaNationalOffshoreOilCo.,Ltd.,Beijing100010,China; 2.ShanghaiBranchofCNOOCLtd.,Shanghai200030,China; 2.StateKeyLaboratoryofOilandGasReservoirGeologyandExploitation,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan610500,China)

The low ROP in lower strata (Yuquan group and below) in central subsag of Xihu sag in East China Sea seriously prolongs the well construction period. Studying the mechanics of the lower strata is the prerequisite for bit selection, wellbore stability evaluation and drilling operation optimization. Experimental study on mechanics and drillability of the lower strata rock was conducted, and the rock strength and drillability profiles under the condition of bottomhole confining pressure were established based on the relationship between rock strength/drillability and acoustic travel time. The results show that the rock’s uniaxial compressive strength is 50～80 MPa when the well is deeper than 3 000 m, and the rock drillability index under zero confining pressure is 5.7～6.5. The modeling calculation results show that drillability index of the rock at 2 500 m and above under zero confining pressure is less than 4, but higher than 6 at the depth of 3 600 m; at depth more than 3 600 m, drillability index under confining pressure is 8～10. The results have a great significance for understanding the difficulties in drilling operation, and hence solving bit selection issue and increasing ROP in lower strata rock in central subsag of Xihu sag in East China Sea.

Xihu sag; central subsag; lower strata; rock mechanics; drillability

孙东征，男，高级工程师，1997年毕业于原石油大学(华东)钻井工程专业，长期从事海上油气钻完井工程技术研究和管理工作。地址：北京市东城区朝阳门北大街25号海洋石油大厦(邮编：100010)。E-mail:sundzh@cnooc.com.cn。

1673-1506(2016)01-0093-05

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.014

TE21

A

2014-11-16 改回日期：2015-05-10

*中国海洋石油总公司“十二五”重大专项“东海低孔低渗气藏勘探开发关键技术研究与实践(编号：CNOOC-KJ 125 ZDXM 07 LTD 04 SH 2011)”部分研究成果。

孙东征,张海山,段飞飞，等.西湖凹陷中央洼陷区下部地层岩石力学特征与可钻性实验研究[J].中国海上油气，2016,28(1)：93-97.

Sun Dongzheng,Zhang Haishan,Duan Feifei,et al.Experimental study on mechanics and drillability of lower strata rock in central subsag of Xihu sag[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(1):93-97.