曹孟賢

（中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司勘探部，廣東深圳 518000）

自珠江口盆地（東部）開(kāi)展勘探工作30多年以來(lái)，惠州凹陷一直是該區(qū)勘探工作的主戰(zhàn)場(chǎng)，在有限公司深圳分公司“大、淺、新、深”勘探戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，惠州凹陷通過(guò)近幾年對(duì)深層的勘探和開(kāi)發(fā)，發(fā)現(xiàn)了豐富的古潛山油氣資源。然而，古潛山油氣藏在鉆井施工時(shí)屬于作業(yè)難點(diǎn)，研究區(qū)不同井鉆速統(tǒng)計(jì)顯示，平均鉆速5 m/h以下，平均進(jìn)尺152 m即需要起下鉆更換鉆頭。一方面由于研究區(qū)塊潛山地層礦物組成復(fù)雜，地層巖性以閃長(zhǎng)巖、花崗巖等為主，巖性復(fù)雜且多發(fā)育天然裂縫和斷裂帶，抗壓強(qiáng)度最高可達(dá)200 MPa，巖石可鉆性級(jí)值達(dá)到7～8級(jí)以上，可鉆性極差，鉆速慢、進(jìn)尺少；另一方面由于頻繁起下鉆更換鉆頭，增加井下安全風(fēng)險(xiǎn)且增加儲(chǔ)層浸泡時(shí)間，增加儲(chǔ)層污染，對(duì)儲(chǔ)層評(píng)價(jià)和日產(chǎn)量造成不可逆的影響。由此可以看出古潛山儲(chǔ)層屬于可鉆性極差、研磨性強(qiáng)的極硬地層，對(duì)鉆井工程和地質(zhì)評(píng)價(jià)均造成不利影響，除了惠州凹陷，渤中凹陷、大港油田、四川盆地、準(zhǔn)噶爾盆地的火成巖也都有巖石硬度大、鉆速慢等對(duì)工程和地質(zhì)不利的影響因素[1-4]，因此需要開(kāi)展針對(duì)惠州凹陷古潛山火成巖地層可鉆性評(píng)價(jià)方法研究，并開(kāi)展針對(duì)性鉆頭選型工作。

1 可鉆性研究現(xiàn)狀

1927年美國(guó)采礦工程學(xué)會(huì)哥倫比亞大學(xué)會(huì)議上，美國(guó)學(xué)者Tillson首次提出“可鉆性”的概念，用以表示巖石在破碎方面的難易程度。縱觀國(guó)內(nèi)外近30年來(lái)的巖石可鉆性研究情況，石油、采礦等行業(yè)普遍采用室內(nèi)實(shí)測(cè)法確定地層巖石的可鉆性級(jí)值，主要包括壓入硬度法、微型鉆頭試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬鉆進(jìn)測(cè)定、巖屑硬度法等方法[5-11]。從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外廣大的科研工作者開(kāi)始了利用測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)評(píng)價(jià)巖性的研究，取得了很大的突破，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了應(yīng)用[12-16]。

目前主要通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試和錄測(cè)井地質(zhì)資料兩種方法研究地層可鉆性，其中室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試方法可以分為壓入硬度法、微鉆頭鉆進(jìn)法和實(shí)鉆測(cè)定法?；阡洔y(cè)井地質(zhì)資料研究方法主要有聲波時(shí)差-可鉆性級(jí)值經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法和巖石礦物成分與可鉆性關(guān)系研究法。聲波時(shí)差-可鉆性級(jí)值經(jīng)驗(yàn)關(guān)系法主要是根據(jù)彈性波理論，巖石的聲波時(shí)差取決于巖石的彈性模量、泊松比、巖石的密度等參數(shù)，其參數(shù)值的大小反映了巖石的強(qiáng)度、彈性及硬度，而地層巖石的可鉆性與這些參數(shù)之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系。這種方法容易根據(jù)測(cè)井資料建立全井段的巖石可鉆性剖面，因此得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外應(yīng)用成果表明，可鉆性級(jí)值隨著聲波時(shí)差的增大而降低，聲波時(shí)差越小，巖石可鉆性級(jí)值越高，其巖石就越難破碎，在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式利用聲波時(shí)差直接求取巖石的可鉆性級(jí)值。另一種是巖石礦物成分與可鉆性關(guān)系研究，地層巖石礦物成分是鉆井破巖工具的設(shè)計(jì)和選擇、鉆井液體系和性能設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。砂巖的可鉆性級(jí)值隨黏土含量的增加而降低，隨石英含量的增加而增大。礫巖的可鉆性級(jí)值隨黏土和石英含量的增加均下降。斜長(zhǎng)石的含量對(duì)可鉆性級(jí)值影響較小，隨著斜長(zhǎng)石含量的增加，可鉆性級(jí)值略有增大的趨勢(shì)。因此，巖石的礦物成分及其含量是影響機(jī)械鉆速的重要因素。

2 惠州凹陷古潛山火成巖儲(chǔ)層可鉆性研究

2.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)為珠江口盆地珠一坳陷帶的惠州凹陷，主要以鉆入潛山地層的6口井為研究對(duì)象。研究區(qū)塊位于惠西南成熟油區(qū)，是發(fā)育在惠州26洼南部邊界斷層二臺(tái)階上，由兩條北西西向斷層共同控制的斷塊，主要勘探目的層為前古近系火成巖地層，鉆遇巖性主要為閃長(zhǎng)巖，次為火山角礫巖、輝綠巖與安山巖，基底發(fā)育花崗巖。鉆井過(guò)程均遇到機(jī)械鉆速慢、鉆頭磨損快、進(jìn)尺少、頻繁起下鉆更換鉆頭等問(wèn)題，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)效率，極大增加鉆井成本，增加儲(chǔ)層浸泡時(shí)間，嚴(yán)重影響測(cè)試產(chǎn)能。

2.2 古潛山儲(chǔ)層巖性與可鉆性之間的關(guān)系研究

研究區(qū)塊內(nèi)所收集的6口井均鉆遇潛山地層，總體上看巖性復(fù)雜多樣，綜合錄井、薄片鑒定及測(cè)井資料認(rèn)為本區(qū)潛山地層巖性主要為：火山角礫巖、蝕變閃長(zhǎng)巖、安山巖、花崗巖及輝綠巖。為了便于更直觀地反應(yīng)不同巖性的測(cè)井響應(yīng)特征差異，本文嘗試了大量交會(huì)圖版對(duì)巖性進(jìn)行識(shí)別，最終選擇2種有代表性的交會(huì)圖版，分別是中子-密度及伽馬-聲波交會(huì)圖版，均能較好地將蝕變閃長(zhǎng)巖、安山巖、輝綠巖及花崗巖區(qū)分開(kāi)來(lái)。從圖版中不難看出，相較其他巖性，花崗巖以低中子低密度為特征，安山巖整體密度較閃長(zhǎng)巖低，閃長(zhǎng)巖則較前兩種巖性密度都高，輝綠巖則以低伽馬高聲波時(shí)差為特征，花崗巖表現(xiàn)為強(qiáng)放射性，閃長(zhǎng)巖放射性則介于二者之間（圖1）。

基于以上對(duì)不同巖性測(cè)井響應(yīng)的認(rèn)識(shí)及總結(jié)，可以看出不同巖性之間存在較明顯的差異，通過(guò)對(duì)研究區(qū)6口井全井段不同巖性的平均鉆速進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，鉆速最高的是安山巖，平均鉆速為14.2 m/h；次為火山角礫巖，為8.7 m/h；輝綠巖及花崗巖平均鉆速相近，在7 m/h左右；閃長(zhǎng)巖平均鉆速最低，為4.9 m/h（圖2）。

2.3 古潛山儲(chǔ)層力學(xué)特性與可鉆性之間的關(guān)系研究

為了便于更直觀地反應(yīng)不同巖性的巖石力學(xué)特性差異，本文進(jìn)行了大量力學(xué)參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖分析。圖3為不同井的力學(xué)參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖，圖4為不同巖性的力學(xué)參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖。

圖1 研究區(qū)古潛山地層巖性識(shí)別圖版 （中子-密度/伽馬-聲波）Fig. 1 Lithologic identification plate of buried hills layer in the study area (neutron-density/gamma-acoustic wave)

圖2 研究區(qū)不同巖性平均鉆速對(duì)比Fig. 2 Comparison of average ROP of different lithology in the study area

從以上交會(huì)圖可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： （1）巖石力學(xué)參數(shù)分析結(jié)果表明，泊松比與鉆速相關(guān)性較差；脆性指數(shù)與鉆速成負(fù)相關(guān)，楊氏模量、體積模量、內(nèi)聚力、抗壓強(qiáng)度與鉆速成正相關(guān)；（2）由交會(huì)圖分析得知，優(yōu)選與鉆速最相關(guān)的參數(shù)為抗壓強(qiáng)度和脆性；（3）研究區(qū)塊潛山不同巖性的巖石強(qiáng)度關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＞花崗巖＞輝綠巖＞安山巖；（4）研究區(qū)潛山不同巖性的脆性關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖。

2.4 古潛山儲(chǔ)層物性參數(shù)與可鉆性之間的關(guān)系研究

圖3 研究區(qū)力學(xué)參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 3 Cross plot of mechanical parameters and ROP in the study area

大量可鉆性實(shí)驗(yàn)表明，儲(chǔ)層物性與可鉆性有明顯關(guān)系，在砂泥巖地層，巖石可鉆性極值隨孔隙度的增大而減小。然而，潛山地層的可鉆性實(shí)驗(yàn)較少，因此還不能確定潛山地層物性與可鉆性之間的關(guān)系。為此，本文開(kāi)展了研究區(qū)6口井原生孔隙度、次生孔隙度、裂縫密度等參數(shù)與可鉆性之間的關(guān)系研究，其中原生孔隙度由常規(guī)測(cè)井資料計(jì)算得到，次生孔隙度由電成像孔隙度譜計(jì)算得到，裂縫密度由電成像資料計(jì)算得到。

圖4 研究區(qū)不同巖性的力學(xué)參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 4 Cross plot of mechanical parameters and ROP of different lithology in the study area

為了便于更直觀的反應(yīng)不同巖性的物性參數(shù)差異，本文嘗試了大量物性參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖進(jìn)行分析。圖5為不同井的物性參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖，圖6為不同巖性的物性參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖。

圖5 研究區(qū)各井的物性數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 5 Cross plot of physical property number and ROP of each well in the study area

以上交會(huì)圖可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）儲(chǔ)層分析結(jié)果表明，聲波徑向速度剖面能夠反映部分次生孔隙的變化；（2）次生孔隙度、裂縫密度與鉆速未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律；（3） 通常而言，物性對(duì)可鉆性有較大影響，砂泥巖地層鉆速與孔隙度呈正相關(guān)性，但由于研究區(qū)火成巖儲(chǔ)層整體物性較差，孔隙度均較小，因此未成為可鉆性的主控因素。綜上，研究區(qū)儲(chǔ)層物性參數(shù)與鉆速未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。

2.5 古潛山儲(chǔ)層工程參數(shù)與可鉆性之間的關(guān)系研究

巖石的可鉆性是指巖石抵抗鉆進(jìn)破碎的能力，本身主要包括兩方面內(nèi)容，一方面即巖石本身強(qiáng)度和破碎難度，另一方面就是巖石在一定的鉆井工藝技術(shù)和鉆井工具條件下被破碎的難易程度，因此地層可鉆性評(píng)價(jià)不能脫離鉆井工藝和鉆井參數(shù)，尤其與鉆井過(guò)程中的水力參數(shù)密切相關(guān)。

圖6 研究區(qū)不同巖性的物性參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 6 Cross plot of physical parameters and ROP of different lithology in the study area

本文嘗試了工程參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖進(jìn)行分析，圖7為不同井的工程參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖，圖8為不同巖性的工程參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖。得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）工程參數(shù)分析結(jié)果表明，進(jìn)入古潛山地層后，鉆壓、扭矩、排量、轉(zhuǎn)速減小，鉆井液密度降低；（2）鉆壓、泵壓與鉆速有弱相關(guān)性；（3）其他工程參數(shù)未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)一存在的規(guī)律。

2.6 鉆頭效率對(duì)比及鉆頭優(yōu)選

圖7 研究區(qū)各井的工程參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 7 Cross plot of engineering parameters and ROP of wells in the study area

鉆頭效率對(duì)比可以分為技術(shù)對(duì)比和經(jīng)濟(jì)對(duì)比。不同巖性的巖石強(qiáng)度、脆性、可鉆性級(jí)值存在較大差異，研究區(qū)塊古潛山不同巖性的巖石強(qiáng)度關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＞花崗巖＞輝綠巖＞安山巖；研究區(qū)塊古潛山不同巖性的脆性關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖；研究區(qū)塊古潛山不同巖性的可鉆性級(jí)值關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖；排除了其他工程參數(shù)對(duì)機(jī)械鉆速的影響后，研究區(qū)塊古潛山不同巖性的鉆速關(guān)系為：閃長(zhǎng)巖＜花崗巖＜輝綠巖＜安山巖。因此，可以將巖性作為優(yōu)選鉆頭類(lèi)型的重要依據(jù)?；谝陨系慕y(tǒng)計(jì)，本文分巖性對(duì)不同鉆頭的鉆速及可鉆性級(jí)值進(jìn)行了相關(guān)性對(duì)比，以此來(lái)區(qū)分不同型號(hào)鉆頭的鉆進(jìn)效率（圖9）。

圖8 研究區(qū)不同巖性的工程參數(shù)與鉆速的交會(huì)圖Fig. 8 Cross plot of engineering parameters and ROP of different lithology in the study area

經(jīng)過(guò)研究區(qū)各種鉆頭性能對(duì)比分析，可以看出不同巖性中各鉆頭性能的差異。綜合來(lái)看，排除了不同可鉆性地層對(duì)機(jī)械鉆速的影響后，在技術(shù)性方面6刀翼16 mm齒的鉆頭表現(xiàn)最佳。

而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，對(duì)于鉆頭的優(yōu)選不能僅僅只考慮其鉆速的快慢或耐用程度，還需要對(duì)進(jìn)尺、鉆進(jìn)時(shí)間、平臺(tái)租金等各種影響因素進(jìn)行綜合考慮，這就是鉆頭的經(jīng)濟(jì)性分析。在參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5841—2011鉆井技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及計(jì)算方法的同時(shí)，針對(duì)南海地區(qū)實(shí)際作業(yè)情況對(duì)平均每米的進(jìn)尺成本評(píng)價(jià)公式進(jìn)行了改進(jìn)，采用統(tǒng)計(jì)期內(nèi)統(tǒng)計(jì)項(xiàng)成本之和除以鉆井進(jìn)尺之和來(lái)對(duì)不同鉆頭的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，公式如下：

圖9 研究區(qū)各種巖性使用不同鉆頭鉆時(shí)-可鉆性級(jí)值相關(guān)圖Fig. 9 Correlation diagram between drilling time and drillability level value of different bits for various lithology in the study area

式中：Ci為綜合費(fèi)用，元；Pbit為鉆頭單價(jià)，元；Tdrill為純鉆進(jìn)時(shí)間，h；A為歸一化系數(shù)，本文取10；Nd為進(jìn)尺倒數(shù)歸一化因子，無(wú)量綱；Tout為起鉆時(shí)間，h；Prig為平臺(tái)費(fèi)用，元/h；Cm為統(tǒng)計(jì)項(xiàng)每米平均費(fèi)用，元/m；F為鉆頭進(jìn)尺厚度，m。

由上述公式可看出，若要評(píng)價(jià)同一型號(hào)鉆頭在研究區(qū)塊的綜合表現(xiàn)，需要將不同鉆頭進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)以求取平均單位進(jìn)尺作業(yè)成本，而考慮到起下鉆時(shí)間的影響，研究區(qū)更換鉆頭起下鉆時(shí)間約為24 h，將進(jìn)尺的倒數(shù)進(jìn)行歸一化后作為其權(quán)重，即進(jìn)尺（鉆頭壽命）越長(zhǎng)，權(quán)重越低，起下鉆產(chǎn)生的費(fèi)用在總費(fèi)用中占比越低；最后再結(jié)合總進(jìn)尺得到統(tǒng)計(jì)項(xiàng)每米進(jìn)尺的平均費(fèi)用（圖10）。經(jīng)過(guò)計(jì)算對(duì)比，6刀翼16 mm齒的鉆頭在作業(yè)經(jīng)濟(jì)性上有著較大優(yōu)勢(shì)。

圖10 研究區(qū)不同型號(hào)鉆頭每米進(jìn)尺成本對(duì)比Fig. 10 Comparison of drilling cost per meter of different types of bits in the study area

3 結(jié)論

（1）通過(guò)分析地層可鉆性與巖性、巖石力學(xué)參數(shù)、儲(chǔ)層參數(shù)等的關(guān)系，認(rèn)為地層可鉆性與巖性、巖石力學(xué)參數(shù)關(guān)系較大，和儲(chǔ)層物性關(guān)系較小。

（2）通過(guò)分析鉆速與鉆井參數(shù)的關(guān)系，認(rèn)為鉆速與鉆壓的關(guān)系相對(duì)其它參數(shù)較為明顯。

（3）不同巖性下的鉆頭效率分析結(jié)果表明，技術(shù)性方面和經(jīng)濟(jì)性方面都是6刀翼16 mm齒的鉆頭表現(xiàn)最佳，此結(jié)論可以指導(dǎo)惠州凹陷后期開(kāi)發(fā)井的提速鉆探。