川西双鱼石构造须家河组岩石抗钻特性研究

2022-07-23刘彬姚建林杨斌

科学技术与工程 2022年18期

刘彬，姚建林，杨斌

(四川川庆石油钻采科技有限公司，广汉 618300)

2014年，四川盆地西北部双鱼石构造ST1井在栖霞组钻遇厚层孔隙型白云岩储层，测试获高产工业气流87.6×104m3/d，拉开川西北部地区双鱼石构造栖霞组气藏的勘探序幕[1]。截至目前，双鱼石构造地区已陆续实施探井12口，单井测试产气量介于3.25×104～87.61×104m3/d，累计提交栖霞组天然气预测及控制储量超过1 000×108m3/d，具有巨大的勘探开发潜力。然而，双鱼石构造须家河组地层钻头破岩难、磨损快，机械钻速低，单只钻头进尺短[2-3]，已成为双鱼石构造钻井提速的关键瓶颈，严重制约了区块栖霞组天然气的勘探开发进程。

近年来，中国学者针对须家河组地层抗钻性强的问题展开了研究。万夫磊等[4]指出双鱼石区块须家河组研磨性极强的砂岩、石英砂岩互层，容易产生井下振动导致聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact，PDC)钻头切削齿严重磨损，大大降低了钻头的使用寿命。毛帅等[5]指出川西坳陷须家河组地层岩性致密，岩石硬度和抗压强度高，导致机械钻速低，钻井成本高，采用欠平衡钻井可减少液柱压力，实现钻井提速。李泽等[6]指出川西坳陷超高埋深须家河组地层具有高围压和石英含量高的特征，导致岩石强度高，钻头破岩效率差，岩石可钻性差。赵润琦[7]指出须家河组中下部石英含量高达75%以上，地层研磨性强且裂缝发育，导致钻井提速困难，制约普光气田区块开发。

目前，须家河组地层抗钻机理的研究多集中在岩石宏观力学强度方面，关于岩石细微观特征对地层抗钻特性和钻头失效的作用机制认识尚不明确。因此，现选取须家河组须一段露头岩样，开展地层岩石可钻性、研磨性实验，并结合岩石基础物性、力学特性与现场测井解释数据，分析影响须家河组致密砂岩岩石抗钻特性的主控因素，明确地层可钻性变化规律。进一步结合现场出井钻头失效特征分析，揭示须家河组致密砂岩地层抗钻机理，为后续钻头优化设计提供重要支撑。

1 钻头使用情况分析

双鱼石构造须家河组地层石英、砾石、燧石、黄铁矿等强研磨性矿物含量高，是导致机械钻速极低的重要原因。同时，构造区块内须家河组地层抗钻特性也存在显著差异性。以须一段(X1段)为例，横向上北部须家河组地层机械钻速更低，其机械钻速和单只钻头进尺分别仅为中部区域的37%和8%左右(图1)；纵向上须家河组厚度为1 000～1 300 m，以构造北部须一段为例(厚度约200 m)，由于其以石英砂岩为主，硅质含量高，机械钻速和单只钻头进尺分别仅为上部层段的22%和6%左右。

经过多次的钻头优选和现场试验总结，双鱼石构造区域须四-须二段地层的平均单只钻头平均进尺已达350 m，机械钻速2.9 m/h。近期在ST18试验成功的改进型孕镶钻头，机械钻速3.02 m/h，单只钻头进尺437 m，指标已接近模板要求。中部区域须一段硅质含量相对构造北部较低，经过多次改进，国产复合钻头单只钻头进尺可达150 m，机械钻速1.5 m/h。然而，北部区域须一段石英含量高达80%以上，试验过多种型号的复合钻头、非平面齿PDC钻头、牙轮钻头和孕镶钻头(图2)，效果均不理想，平均机械钻速仍不到是1.0 m/h，是当前提速瓶颈，也是本文的分析重点。

图1 双鱼石构造须家河组钻井情况统计Fig.1 Statistics on drilling conditions of Xujiahe Formation in Shuangyushi structure

图2 双鱼石构造北部X1段钻井情况Fig.2 Drilling situation in X1 section of the northern part of Shuangyushi structure

2 可钻性、研磨性实验

实验岩心选取双鱼石构造所在区域广元市杨家岩须家河组露头，该露头岩层厚度较大，主要为中砂岩和中-细砂岩，且石英含量高，与井下须一段地层在矿物组成和力学特征上均十分接近。野外露头钻取直径为50 mm，长度为55～60 mm的实验岩心，用于研磨性、可钻性实验。须一段露头实验岩心编号分别为T3X1Y1～ T3X1Y4，须二段露头实验岩心编号分别为T3X2Y1～ T3X2Y7。

岩石可钻性实验按石油天然气行业标准可钻性测定及分级方法(SY/T5426—2000)执行。图3为部分岩心可钻性、研磨性实验照片，可钻性实验测试所用刀片为标准PDC复合片，测试过程两片PDC复合片夹在微型钻头之上[图3(a)]，组装后钻头外径为32 mm，后倾角20°，倾角15°；测试过程确保静载钻压为(500±10) N，主轴旋转速度为(55±1) r/min。开钻后钻深达1 mm时开始计时，再钻深3 mm，记录钻进时间，岩石可钻性级值计算公式为

Kd=log2t

(1)

式(1)中：Kd为岩石可钻性级值，无因次；t为钻进时间平均值，s。根据岩石可钻性分级标准对照表，可钻性级值由低到高分为10个级别，抗钻特性也由低到高分逐渐增强。

破岩工具与岩石间的摩擦对刀片的磨损称为研磨性磨损，摩擦使岩石磨损破岩工具的能力称为岩石的研磨性。研究岩石的研磨性规律，对合理设计破岩工具、提高破岩效率、降低钻进成本具有重要意义。本次实验采用标准材料研磨法，其试验的基本原理是：用圆柱形钢杆在岩石表面上相互摩擦时的重量磨损作为岩石相对研磨性指标[8-9]。岩石研磨性测试过程施加在钢杆[图3(d)]的轴压为300 N，钢杆的转速为500 r/min，采用水冷却。测试钢杆为A3退火钢标准试样，硬度为HRB70～75，外径为(12±0.05) mm，内径为(8±0.05) mm，长度为80 mm；测试过程每根钢件杆的两端分别研磨5 min，每块试件测试3根钢杆并取平均研磨量作为实验结果。目前岩石研磨性同样分为10级，由低到高，研磨性逐渐增强。

3 结果分析

3.1 实验结果

实验结果显示，须家河组砂岩的可钻性级值普遍较高，平均值为8.45。须二段岩样可钻性级值为3.91～10，个别岩样可钻性级值为3.91～6.05，主要为含泥质砂岩；须一段岩样可钻性级值均为10级，表明该层段岩石抗钻性值普遍极强，与矿场实钻反应的该层段机械钻速普遍极低相吻合。

研磨性测试结果显示，标准杆件的磨损量为1.99～79.4 mg，平均值为16.26 mg，在相同钻压和转速条件下，绝对研磨量属于较高等级，与文献[10-11]的结果基本接近，表明即使在实验室条件下须家河组岩石也具有较强的研磨性。进一步对比发现(图4)，测试岩样的可钻性级值与研磨程度基本相反，即可钻性级值较高的岩样，研磨性反而相对较低。分析认为：一方面是室内实验条件无法完全模拟井下钻头-岩石破碎颗粒间的研磨过程，测试的研磨性级值可能比实际偏低。同时，结合图3测试照片也发现，可钻性级值高岩样的研磨痕迹反而相对较浅，也从侧面表明岩石抗牙齿侵入能力较强。可钻性与研磨性测试结果整体具有一致性，均反映了须家河组岩石极强的抗钻特性。

图3 部分岩心可钻性、研磨性实验照片Fig.3 Experimental photos of rock drillability and abrasivity

图4 岩心可钻性与研磨性实验数据Fig.4 Experimental data of rock drillability and abrasivity

岩石可钻性是一个综合性指标，受众多因素的影响[12]，包括岩石矿物组成、孔渗特征、力学性质和钻头破岩方式等。正确认识须家河组难钻地层抗钻机理是进行钻头优化选型，提高钻头破岩效率的关键。

3.2 岩石矿物与胶结特征对可钻性的影响

选取须一段露头岩石进行矿物组分分析，实验样品编号分别为X1-1～X1-6。实验结果(图5)显示，双鱼石构造须一段砂岩平均石英含量为82.9%，部分层段甚至高达90%以上，黏土矿物平均含量仅为7.17%，并含有少量的黄铁矿。薄片分析进一步显示须一段岩石整体以石英颗粒为骨架，颗粒之间存在钙质胶结与泥质胶结。同时，镜下薄片(图6)显示岩屑颗粒排列紧密，存在石英次生加大，压实成岩作用程度高，部分层段岩样含燧石、黄铁矿等硬度极高的碎屑颗粒，辅以强度相对较高的钙质胶结，相助提升了岩石整体强度和抗钻性。即使是强度相对较低的泥质胶结，由于岩石表面容易破坏，裸露出坚硬的石英和黄铁矿等颗粒后，也会对钻头产生极强的研磨性[13]，这也部分解释了图4中可钻性级值较低的岩样往往具有相对较高研磨性的原因。总体认为，须家河组岩石的组分和成岩胶结特征均为其极强的抗钻特性提供了矿物和细观结构基础。

图5 须家河组须一段砂岩矿物组成Fig.5 Mineral composition of the first member of Xujiahe Formation sandstone

图6 须家河组砂岩铸体薄片照片Fig.6 Photo of the xujiahe Formation sandstone casting thin sections

3.3 孔渗参数对可钻性的影响

露头岩样孔渗参数实验结果显示(表1)，须家河组砂岩孔隙度为0.05%～6.27%，渗透率为0.001 8～0.252×10-3μm2。其中，须二段岩石平均孔隙度为2.99%，平均渗透率为0.064 4×10-3μm2；须一段岩石平均孔渗更低，分别仅为0.87%和0.010 8×10-3μm2，为典型的致密砂岩。同时，岩样的可钻性级值与孔渗参数具有明显的相关性，即孔隙度渗透率越低，岩样可钻性级值越高。具体来看，须二段岩样中可钻性级值较低的4块岩样，平均孔隙度高达5.03%，而相对较高的孔隙度往往表明岩石胶结不够致密，胶结强度不足。

图7基于矿场实测STX2井声波测井和钻时(机械钻速的倒数)数据，绘制岩石孔渗、密度与钻时曲线剖面。宏观对比须一段与须二段曲线，上部须二段地层孔隙度、渗透率明显高于下部须一段，岩石密度则呈相反趋势。在岩性与矿物组成相近时说明相比须二段，须一段地层成岩胶结更为致密，相应的须一段的钻时明显更高，地层抗钻性更强。对比须一段内，同样可以发现，孔隙度、渗透率的低谷段，岩石密度较高，钻时曲线处于高位。孔渗测井解释剖面与前述实验结果相一致，进一步证实孔渗特性对须家河组地层抗钻特性的显著影响。

表1 须家河组砂岩孔渗实验测试数据Table 1 Test data of porosity and permeability of sandstone in Xujiahe Formation

图7 须二段、须一段岩石物性测井解释模型Fig.7 Logging interpretation model of lithological properties of X1 and X2

从具体的抗钻机理来看，孔隙度、渗透率低意味着岩石胶结致密、强度高，因而抗钻性强。在实际井下破岩过程，孔渗参数还能进一步影响水力辅助破岩效果。对于孔渗条件较好的地层，钻井液由钻头水眼喷出后，能通过孔喉迅速进入井底岩石内部，通过水压冲击和井底岩石孔隙压力的升高来辅助提升钻头破岩速率。而对于孔渗条件差的致密岩石，水力压力难以传递到井底岩石内部岩心，导致钻井液的压实作用增强，不利于钻头利用水力能量辅助破岩，从而导致整体的机械钻速降低[10]。

3.4 力学性质对可钻性的影响

单轴抗压强度和硬度测试显示(图8)，须家河组岩石强度抗压强度高达93.6～268.7 MPa，平均值157.4 MPa，弹性模量和泊松比均值分别为32.4 GPa和0.214，压入硬度值分布在0.508～2.881 GPa，岩样呈现典型的中硬-硬、高强度力学特征。对比分析表明，岩石力学强度参数与可钻性级值间具有明显的正相关性，即岩石抗压强度和硬度越高，可钻性级值越高。该特征在须一段体现尤为明显，3块岩样的抗压强度均值分别为196.4 MPa和2.07 GPa，对应测试可钻性级值均为10级。图8(c)的测试曲线显示岩样发生破坏时应变极低，图8(b)的岩样硬度测试压痕也间接表明其强度高，脆性特征明显并产生脆性破坏裂纹，无明显塑形变形特征，均表明须家河组岩石具有极强的抗侵入破坏能力。

图8 须家河组地层岩石力学特征Fig.8 Rock mechanics characteristics of Xujiahe Formation

在具体破岩过程，岩石高抗压强度会导致钻头的冲击、压碎破岩效率低，而岩石硬度越大，钻头牙齿吃入地层的能力越差，且硬脆性矿物颗粒对钻头产生的磨粒磨损作用越强[14-15]。进一步以STX2井实钻数据为例，基于测井数据的岩石力学与钻时曲线如图9所示，相比须二段，须一段的岩石塑形系数更低，抗压强度、硬度和研磨性更高，最终钻时须一段明显高于须二段，前者体现出更强的抗钻特性。因此，岩石的低塑形、高抗压强度和硬度是导致须家河组抗钻性极强的主要原因，并在须家河底部须一段地层表现尤为明显。

3.5 钻头失效与钻屑特征

双鱼石构造须一段地层前期试验了牙轮钻头、进口及国产的PDC钻头、复合钻头、孕镶金刚石钻头，但单只钻头进尺和破岩效率均不太理想。以双鱼石构造北部STX3井为例，牙轮钻头在须一段的机械钻速仅为0.74 m/h，进尺为21.57 m，复合钻头机械钻速仅为0.46 m/h，进尺为8.07 m。出井钻头分析显示[图10(a)]，无论是牙轮钻头的硬质合金齿还是复合钻头的PDC齿，均受到严重的冲击破坏。同时，井底岩石在钻头冲击、压碎/切削破岩过程中岩石表面颗粒不断被碾碎[图10(c)]，并产生高应力碾碎性的磨粒，大量以石英为主的硬质颗粒对钻头牙齿表面产生反复且集中的压应力容易造成疲劳破坏，导致牙齿磨损失效，图中出井钻屑为高纯度的石英颗粒，也验证了上述分析。

对PDC齿的切削表面进行扫描电镜(SEM)观测也显示，相比于自然断面[图10(e)]的平整，切削表面[图10(f)]覆有一层数微米级别的破碎颗粒，且颗粒以石英、黄铁矿和燧石等高强度高硬度矿物为主。这类小尺度颗粒不仅阻碍了钻头牙齿与井底岩石的接触和切削效率，还能在微观尺度上对牙齿造成磨损，形成类似“抛光”的效果[16-17]，从而导致牙齿吃入地层和切削困难并最终失效，宏观上形成钻头在井底打滑和空转的效果，降低钻头破岩效率。