彭超 鄧津輝 譚忠健 秦艷艷 袁亞東 姚強

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術分公司；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司；3.中海油服油田技術事業(yè)部塘沽作業(yè)公司

渤中34-9油田位于渤海南部海域，其構造位于黃河口凹陷中洼南斜坡帶。油田新近系、古近系多層系含油，復式成藏。但該區(qū)域地質條件復雜，沙河街組和東營組存在多期火山運動，主要含油目的層段內(nèi)部和上部均有火成巖發(fā)育。橫向上，火成巖分布范圍廣且變化大；縱向上，火成巖主要分布于東營組東一段、東二上段和東二下段，分布層段多、厚度大。已鉆井資料揭示，研究區(qū)火成巖地層主要以玄武巖、凝灰?guī)r、凝灰質砂/泥巖為主，該地層平均機械鉆速低、鉆頭磨損程度大等特點，對鉆井作業(yè)時效產(chǎn)生嚴重影響。為充分了解研究區(qū)火成巖地層巖石抗鉆特性，提高整體作業(yè)時效，基于渤中34-9油田已鉆井測井資料及巖石力學數(shù)據(jù)，創(chuàng)建了火成巖地層抗鉆特性參數(shù)與測井聲波時差之間的預測模型，建立了研究區(qū)火成巖地層抗鉆特性剖面并對其進行了分析評價，為油田火成巖地層鉆頭優(yōu)選［1］、鉆具組合優(yōu)選提供重要依據(jù)。

1 理論基礎

巖石在施加一定載荷的作用下可視為彈性體，依據(jù)彈性波動理論，巖石波速與地層巖石力學參數(shù)之間存在以下關系［2］。

式中，Ed為彈性模量，MPa； μd為泊松比；vp、vs分別為縱波速度、橫波速度，m/s；ρ為地層巖石密度，kg/m3。

縱、橫波速與縱、橫波時差的轉換關系為

通過式(1)和式(2)可知，聲波波速與巖石彈性模量、泊松比及密度呈特定的函數(shù)關系，而彈性模量、泊松比、密度是描述巖石彈性形變、巖石可鉆性的主要參數(shù)。研究顯示［2-8］，巖石的可鉆性、抗壓強度、抗剪強度與聲波時差存在某種特定的關系，因此，通過聲波波速與聲波時差之間的轉換，并確定火成巖地層聲波時差與地層抗鉆特性參數(shù)之間的關系，便可對油田火成巖地層抗鉆特性進行評價。

2 巖石力學參數(shù)的求取

2.1 巖石可鉆性

根據(jù)已鉆井資料，選取現(xiàn)場鉆遇火成巖地層的平均鉆時，并利用可鉆性級值公式［2］對火成巖可鉆性級值進行計算。

式中，kd為巖石可鉆性級值；T為平均鉆時，min/m。

2.2 巖石抗壓強度

基于測井資料，利用抗壓強度公式［2］計算油田火成巖地層巖石抗壓強度。

式中，σc為巖石抗壓強度，MPa；Vsh為泥質含量，%。

2.3 巖石抗剪強度

通過測井資料，運用抗剪強度公式［2］對火成巖抗剪強度進行計算。

式中，Ss為 巖石抗剪強度，MPa；a為巖石體積壓縮系數(shù)，MPa?1；K為巖石體積模量，MPa。

綜合上述油田火成巖地層巖石抗鉆特性參數(shù)計算方法，并結合測井資料中獲取的火成巖對應深度的聲波時差數(shù)據(jù)，最終實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 火成巖地層部分巖石抗鉆特性參數(shù)實驗數(shù)據(jù)Table 1 Experimental results of part of anti-drilling parameters of the igneous rock interval

3 預測模型建立

根據(jù)聲波時差與巖石可鉆性、抗壓強度、抗剪強度等抗鉆特性參數(shù)的相關性，利用數(shù)理統(tǒng)計學方法，以聲波時差為自變量，其他抗鉆特性參數(shù)為因變量，對油田火成巖地層巖石可鉆性級值、抗壓強度、抗剪強度等抗鉆特性參數(shù)進行數(shù)學回歸分析，以相關系數(shù)R作為判斷標準，建立油田火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預測模型［9-13］。

3.1 巖石可鉆性預測模型

油田火成巖地層巖石可鉆性級值與測井縱波時差的相關性最好，且兩者呈指數(shù)函數(shù)關系，其擬合曲線如圖1所示。

圖1 火成巖地層縱波時差與可鉆性級值關系Fig.1 P-wave interval transit time vs.rock drillability for the igneous rock

火成巖地層巖石可鉆性級值與聲波時差的關系模型為

設置顯著性水平α=0.05，根據(jù)相關檢驗系數(shù)表臨界值R0.05=0.63，R≥R0.05，證明回歸方程是高度顯著的。

3.2 巖石抗壓強度預測模型

油田火成巖地層巖石抗壓強度與測井縱波時差的相關性最好，且兩者呈指數(shù)函數(shù)關系，其擬合曲線如圖2所示。

圖2 火成巖地層縱波時差與巖石抗壓強度關系Fig.2 P-wave interval transit time vs.rock compressive strength for the igneous rock

火成巖地層巖石抗壓強度與聲波時差的關系模型為

設置顯著性水平α=0.05，根據(jù)相關檢驗系數(shù)表臨界值R0.05=0.63，R≥R0.05，說明回歸方程是高度顯著的。

3.3 巖石抗剪強度預測模型

研究表明［14］，測井資料中的橫波時差可以較好地反映地層巖石的剪切形變特性，而巖石的抗剪強度則是反映巖石抵抗剪切破壞的能力，因此通過確定測井橫波時差與抗剪強度的相關關系，便可建立預測模型對火成巖地層抗剪強度進行評價。

油田火成巖地層巖石抗剪強度與測井橫波時差呈指數(shù)函數(shù)關系，其擬合曲線如圖3所示。

圖3 火成巖地層橫波時差與巖石抗剪強度關系Fig.3 S-wave interval transit time vs.rock shear strength for the igneous rock

得出的火成巖地層巖石抗剪強度與橫波時差的關系模型為

設置顯著性水平α=0.05，查詢相關檢驗系數(shù)表臨界值R0.05=0.63，R≥R0.05，因此回歸方程是高度顯著的。

3.4 抗鉆特性預測模型的驗證

為檢驗上述油田火成巖地層抗鉆特性預測模型的準確性，在已鉆井資料基礎上，選取部分火成巖實測抗鉆特性參數(shù)和預測模型數(shù)據(jù)進行對比驗證，結果如表2所示。

由表2對比結果可看出，火成巖地層巖石可鉆性級值、抗壓強度、抗剪強度的預測精度高達90%左右，證明創(chuàng)建的抗鉆特性預測模型準確性較高，滿足工程應用需要。

表2 渤中34-9油田火成巖地層抗鉆特性預測模型對比驗證結果Table 2 Validation of the anti-drilling property prediction model of the igneous rock in the Bozhong 34-9 oilfield

4 火成巖地層抗鉆特性評價及應用

結合已鉆井資料和測井資料，通過建立的地層抗鉆特性預測模型，對渤中34-9油田B井東營組火成巖地層巖石的可鉆性、抗壓強度、抗剪強度等進行了數(shù)學分析，并建立了火成巖地層抗鉆特性剖面(圖4)，根據(jù)剖面分析可知，巖性組合特征主要為凝灰質泥巖與玄武質泥巖、凝灰質細砂巖、凝灰?guī)r、玄武巖及沉凝灰?guī)r不等厚互層?；鸪蓭r地層可鉆性級值介于6.12~9.48之間。玄武巖抗壓強度90.62~113.00 MPa，抗剪強度 29.71~ 46.13 MPa；玄武質泥巖抗壓強度 60.04~89.68 MPa，抗剪強度 22.46~32.34 MPa；凝灰質泥巖抗壓強度 32.86~38.49 MPa，抗剪強度13.82~19.80 MPa；凝灰質細砂巖抗壓強度36.78~54.42 MPa，抗剪強度 11.10~19.27 MPa；沉凝灰?guī)r抗壓強度29.32~40.74 MPa，抗剪強度11.53~15.04 MPa?？傮w而言，東營組火成巖地層屬于中-硬~硬地層，具有巖石抗壓強度高、抗剪切能力強、地層可鉆性差的特點。

綜合上述火成巖地層抗鉆特性分析，建議使用對火成巖攻擊性較強的5刀翼?19 mm齒PDC鉆頭，該鉆頭的特點為巖石剪切載荷由“點”向“面”分解，可有效提高鉆頭切削速度、抗疲勞損傷及抗沖擊能力，增加鉆頭在硬夾層中的壽命，有助于提高機械鉆速。同時現(xiàn)場作業(yè)可搭配復合型扭力沖擊器進行鉆進，通過犁切和扭沖高頻沖擊的方式，有效提高破巖效率。

5刀翼PDC鉆頭+復合型扭力沖擊器的鉆具組合在數(shù)十口井中成功應用，火成巖地層機械鉆速較之前平均提高20%左右，單只鉆頭進尺超2 800 m，現(xiàn)場鉆井提速顯著。

5 結論

(1)研究區(qū)火成巖地層巖石力學參數(shù)與聲波數(shù)據(jù)具有很好的響應關系，由此可回歸建立巖石抗鉆特性參數(shù)預測模型，對比實測數(shù)據(jù)與預測模型數(shù)據(jù)，預測精度可達90%，滿足研究區(qū)工程作業(yè)需求。

(2)實鉆結果表明，根據(jù)研究區(qū)火成巖地層抗鉆特性預測結果優(yōu)選鉆具組合，可有效提高火成巖地層鉆井作業(yè)效率，能夠為油田實現(xiàn)優(yōu)快鉆井提供有力技術支持。

(3)渤海地區(qū)火成巖地層巖性復雜多樣，3種預測模型僅在研究區(qū)具有較好的適用效果，隨著渤海油田勘探開發(fā)的深入，以古潛山為主要目的層的深部、超深部地層火成巖分布較廣，下步將對火成巖地層抗鉆特性預測模型進行迭代升級，加強預測模型的適用性。