李晓，张居贵，吴永川，朱亮

1.中海油田服务股份有限公司钻井事业部，河北 廊坊 062201

2.长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100

3.油气钻井技术国家工程实验室防漏堵漏研究室(长江大学) ，湖北 武汉 430100

4.油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)， 湖北 武汉 430100

在油气钻井中，由于钻头不适合地层特性而导致钻头破岩效率不高、机械钻速低的问题时常存在，选择适合地层抗钻特性的钻头对于提高机械钻速就显得越来越重要。位于珠江口盆地东北部的陆丰区块是近几年珠江口盆地重点勘探的区域之一[1～3]。但由于在前期的钻探过程中，对其地层岩石抗钻特性参数分布了解不够，导致在进行钻头优选时具有一定的盲目性和经验性，特别是陆丰区块古近系恩平组及其以下地层，机械钻速低，给该区块的钻井综合效率的提升带来了很大制约。因此，在弄清该区块的地层岩石抗钻特性分布规律的基础上，有针对性地进行钻头选型，对于提高该区块的机械钻速和钻速效率是很有价值和实际指导意义的。

通过实验测试来获取地层岩石的抗钻特性参数，是分析评价地层特性的必要途径[4，5]。一般地，在进行地层岩石的抗钻特性参数实验测试后，对地层抗钻特性进行分析评价的方法有3类：第一类是利用测井资料，通过单因素或多因素敏感性分析，建立地层岩石抗钻特性参数的计算模型，由此可以建立单井的地层岩石抗钻特性参数剖面来分析各地层的抗钻特性参数分布规律[6-12]；第二类是利用地震资料，通过反演技术建立三维剖面对地层岩石抗钻特性参数的分布规律进行评价[13,14]；第三类是利用神经网络、灰色理论等人工智能技术，对地层岩石抗钻特性参数的分布规律进行计算分析[15-18]。从适用性来看，第一类和第三类方法适合进行单井特性参数分布规律的分析，但是由于地质构造原因，地层属性在井间区域分布上具有差异性，仅仅用单井的地层抗钻特性数据，直接通过数学插值方法来分析井间地层岩石抗钻特性参数的横向分布规律是不合适的[19]；第二类方法虽然可以实现井间较大尺度的横向分布规律分析，但需要的基础数据较多，方法也较为复杂，而且受限于地震资料的分辨率，计算精度也得不到较好的保证。

针对目前在评价分析地层岩石抗钻特性方面所采用方法的不足，笔者在开展地层抗钻特性实验的基础上，考虑到声波对地层岩石属性响应性好的特性，利用Petrel软件，建立了井间地层的声波数据体模型，从而获得了地层抗钻特性参数三维连井剖面。该方法既弥补了直接利用单井抗钻特性参数剖面数据进行插值的不足，同时方法较为简单，避免了通过单井的抗钻特性参数剖面来分析某个区域的岩石抗钻特性参数的片面性，可以在一定程度上降低地层抗钻特性参数分布规律评价的误差，使得所优选设计出来的钻头和钻具能更好地适应地层条件，进一步提高钻井提速方案应用实效。

1 地层抗钻特性参数测试及其计算模型的建立

岩石可钻性和硬度是反映地层抗钻特性的重要参数[6-8]。按照SY/T 5426—2016《石油天然气钻井工程岩石可钻性测定与分级》行业标准以及岩石压入硬度测试方法[4,19,20]，利用图1所示的岩石可钻性测试仪和图2所示的岩石压入硬度测试仪，对来自陆丰区块珠海组的地层岩样开展了地层岩石的抗钻特性参数的测试。测试数据如表1所示。

图1 全自动岩石可钻性测试仪Fig.1 Automatic rock drillability tester图2 岩石压入硬度测试仪Fig.2 Rock hardness tester

表1 陆丰区块珠海组地层岩石可钻性及硬度测试结果

国内外研究表明[8-12]，测井曲线可以较好地体现岩石的物理特性，其中，声波时差反映地层的拉伸和压缩变形特性及强度特性，地层的岩石可钻性反映岩石抵抗钻头冲击与剪切破坏的能力。岩石的声波时差能够反映地层的岩石可钻性和硬度大小，故声波时差必然与岩石可钻性级值和硬度之间存在某种内在的联系，因此，笔者利用实测可钻性级值和硬度数据与声波时差数据拟合，建立可钻性级值和硬度的计算模型。拟合曲线如图3、图4所示，建立的岩石可钻性级值计算模型如式(1)所示：

Kd=35.191e-0.033Δt

(1)

式中：Kd为岩石可钻性级值，1；Δt为声波时差，μs/ft。

岩石硬度计算模型如式(2)所示：

py=1669.2e-0.233Δt

(2)

式中：py为岩石硬度，MPa。

计算模型的相关系数R2分别为0.8127和0.9076，说明拟合的计算模型具有较好的相关性。

图3 声波时差与岩石可钻性级值关系回归曲线 Fig.3 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock hardness图4 声波时差与岩石硬度关系回归曲线Fig.4 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock drillability grade

2 地层抗钻特性参数三维连井剖面的建立

通常，在建立岩石可钻性级值和硬度等岩石抗钻特征参数的计算模型后，利用测井数据进行计算即可建立单井的岩石可钻性级值和硬度剖面图，从而进行地层的抗钻特性的评价与分析。但是随着地层的复杂性越来越强，上下层间以及相邻井间的岩石抗钻特征参数的差异也会变大。仅仅通过单井的岩石抗钻特征参数剖面图来分析井间地层抗钻特性参数的三维空间变化规律，不仅无法准确地反映该区块的地层状态，而且井间横向对比性差，也不能预测未钻区域地层抗钻特性参数的分布规律[21]。因此，建立抗钻特性参数三维空间数据体模型，是研究抗钻特性参数空间分布规律的关键，可以解决单井岩石抗钻特性参数空间横向对比性差、精准度低等问题。下面，笔者利用Petrel软件，实现了地层抗钻特性参数的三维连井剖面的建立。

2.1 数据准备

数据准备在建模过程中是一项基础而又非常重要的部分，精准的数据对于地质建模非常重要。建立研究区块模型需要准备井的井口坐标、井眼轨迹、测井数据和地层分层数据。井口坐标包括井名、井口东坐标、井口北坐标；井眼轨迹包括井深、井斜角、方位角；测井数据的准备要根据地层抗钻特性参数的计算模型来进行，由于所建立的岩石可钻性级值和硬度的计算模型是利用声波时差测井数据建立的，因此在准备测井数据时只需要准备井深和声波时差数据即可；地层分层数据则包括层深度、井类型、地层名字和井名。

2.2 三维连井剖面的建立

三维连井剖面的建立步骤可分为以下几步：

1)将准备好的井口坐标、井眼轨迹等数据依次导入Petrel软件，在生成井眼轨迹后，加载测井数据和地层分层数据，可在所构建的三维空间区域内生成井间分层数据体模型，如图5所示。

图5 井间分层数据体模型Fig.5 Interwell layered data volume model

2)将测井资料的声波时差数据导入所构建的三维空间分层数据体模型中，并进行网格化处理，生成井间声波时差数据的三维数据体模型，如图6所示。

图6 声波时差数据三维模型Fig.6 Three-dimensional model of acoustic time difference data

3)在Petrel软件的公式编辑器中输入通过测试所建立的地层岩石可钻性级值和硬度的计算模型，经过计算可得到岩石可钻性级值和硬度的三维连井剖面模型，如图7和图8所示。

图7 可钻性级值三维连井剖面Fig.7 Three-dimensional well profile of drillability grade

图8 硬度三维连井剖面Fig.8 Three-dimensional well profile of hardness

3 难钻地层抗钻特性评价及其工程意义

3.1 地层抗钻特性评价

实钻表明，位于珠江口盆地东北的陆丰区块的珠江组和珠海组及其以下地层是该区块的难钻地层，平均机械钻速低至3.0m/h。为有针对性地优选适合该区块难钻地层特性的钻头，将图7和图8所建立的可钻性级值三维连井剖面和硬度三维连井剖面进行分层切片分析，珠江组和珠海组的可钻性级值三维连井剖面和硬度三维连井剖面分别如图9和图10所示。

图9 不同层位井的可钻性级值三维连井剖面Fig.9 Three-dimensional well profile of drillability grade in different horizons

图10 不同层位井的硬度三维连井剖面Fig.10 Three-dimensional well profile of hardness in different horizons

从珠江组、珠海组的可钻性级值三维连井剖面和硬度三维连井剖面所示的分布规律可以看出，在W1、W2、W3井所在的区域，其可钻性级值和硬度在纵向和横向上均存在较为明显的变化特征。在该区域深度纵向上，不同的颜色对应不同的可钻性级值和硬度大小，可以看出可钻性级值和硬度大小在井深纵向方向上变化明显，地层夹层较多。在该区域宽度横向上，不同的区域也呈现不同的颜色分布，在珠江组地层，横向分布较为均匀，可钻性级值在1～3之间，硬度在850～950MPa，总体上为可钻性较好的中软地层，但在西北和东南区域的珠江组地层的可钻性级值和硬度均有增大的趋势；在珠海组地层，总体上呈中间高四周低的分布形态，中间区域的可钻性级值达到5以上，硬度达到900～1000MPa，横向分布差异性较大，属于可钻性较差的中硬地层。

3.2 方法验证及工程意义

为验证方法的可靠性，选择W6井、W7井珠江组的岩心进行可钻性和硬度测试，将测试值与图9、图10所示的珠江组可钻性级值连井剖面图和硬度连井剖面图中提取相应井位上对应深度处的模拟计算数据进行比较验证。从图11所示的各井位置图可以看出，W6井的位置位于研究区域的中间位置，W7井靠近研究区域的边缘，这样更能说明在连井剖面不同位置的计算精度。

图11 各井位置图Fig.11 Well location maps

按照前述行业标准的测试方法，测试得到了如表2所示W6井、W7井的岩石可钻性级值和硬度。从表2可以看出，W6、W7井的可钻性级值和硬度实测值与模拟计算的值误差不超过7%。

表2 岩石可钻性级值和硬度验证结果与误差分析

现场资料分析表明，该区域随着井深的增加，珠江组和珠海组地层的机械钻速较上部地层来说，呈下降的趋势。为进一步提高该区域珠江组和珠海组地层的机械钻速，根据前述对珠江组和珠海组的地层岩石可钻性级值和硬度的评价，同时考虑到珠江组和珠海组地层以泥岩为主，部分层段含砂岩和灰岩夹层，且钙质含量较多，在实际使用时还应注意钻头在夹层中钻进发生震动的不利影响。因此，珠江组和珠海组推荐使用的PDC钻头应具有如下结构和功能特征：刀翼数5～6个；切削齿直径16～19mm；具有较好的抗震、保径性能。

据此，在W6井和W7井的现场钻井中，实际使用的钻头为BEST公司的TM1653SS钻头，该钻头为5个螺旋型刀翼、16mm切削齿的钻头，具有较好的保径能力，较为符合珠江组和珠海组的地层岩石特性。实钻机械钻速达到了14.28m/h，较W1井～W5井珠江组和珠海组地层的机械钻速提高了31.54%，提速效果明显。

4 结论与认识

1)相对于单井剖面来说，通过建立可钻性级值和硬度三维连井剖面，可以从更宏观的角度反映出丰富的区域井间和层间地层的细节特征信息，也有利于获知和评价未知地层的抗钻特性参数分布规律。

2)从陆丰区块的三维连井剖面可以看出，该区块的地层抗钻特性参数在纵向和横向上均存在一定的变化，地层差异性较强，珠江组地层总体上属于可钻性较好的中软地层，但在西北和东南区域的珠江组地层的可钻性级值和硬度均有增大的趋势；珠海组地层总体上属于可钻性较差的中硬地层，横向分布差异性较大。

3)通过实用井地层岩石的测试和现场钻进效果比对，运用该方法得到的地层岩石可钻性级值和硬度等岩石抗钻特性参数的连井剖面具有较高的精度，据此所优选出的钻头具有良好的工作性能。

4)从所建立的三维连井剖面中可以看出，同一层位在不同方位上的可钻性级值和硬度特性也是有差异的，说明地层的抗钻特性具有各向异性特征，在不同的井斜角和方位角下，地层的抗钻特性是不同的，如果沿着地层岩石最容易破碎的方向钻进，那么机械钻速将获得提高，故存在一个“最容易钻进的方向”。因此，应用地层抗钻特性参数的三维连井剖面，在设计井位和在设计井眼轨道时，兼顾考虑地层岩石在抗钻特性在不同方位上的差异，以最易钻进方向为设计目标进行优化，可以进一步提高钻井综合效益。