李忠慧 方滿宗 楊愷 樓一珊 游云武 耿瑞杰

1. 長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院 · 油氣鉆井技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室防漏堵漏技術(shù)研究室；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司；3. 中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程技術(shù)研究院；4.江漢石油工程公司鉆井一公司

巖石抗鉆特性是鉆頭選型和鉆井工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通常需要用大量的參數(shù)來表征。傳統(tǒng)的巖石抗鉆特性評(píng)價(jià)方法主要是繪制地層力學(xué)參數(shù)隨深度變化的剖面圖［1-5］。這種方法僅表示一種或幾種參數(shù)的變化情況。此外，還有一些新的理論和方法得到應(yīng)用，如分形理論［6-8］、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［9-10］、非線性支持向量機(jī)理論［11-12］等，但這些方法應(yīng)用過程比較復(fù)雜。因此，提高測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)在實(shí)際鉆井過程中的實(shí)用性，建立一種綜合多種地層參數(shù)來表征巖石抗鉆特性的方法具有實(shí)際意義。

抗鉆特性的分析評(píng)價(jià)離不開巖石力學(xué)中的各個(gè)重要因素（硬度、可鉆性、研磨性、抗壓強(qiáng)度等），這些因素對(duì)鉆頭選型會(huì)產(chǎn)生重大的影響。本文為了兼顧鉆頭的攻擊性和耐磨性，采用模糊數(shù)學(xué)的方法，分析了鉆頭切削齒結(jié)構(gòu)和冠部形狀對(duì)地層的作用，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了單點(diǎn)巖心的單軸抗壓強(qiáng)度、泊松比、地層密度和縱波波速，用測(cè)井資料和巖心強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了測(cè)井資料預(yù)測(cè)巖石抗鉆特性參數(shù)計(jì)算模型，利用回歸分析法，將鉆頭可鉆性級(jí)值、巖石的硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和研磨性聯(lián)系起來，繪制并應(yīng)用五參數(shù)雷達(dá)圖對(duì)X油田漁洋組層段進(jìn)行鉆頭選型。

1 巖石力學(xué)多參數(shù)關(guān)系

1.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

為建立巖石抗鉆特性參數(shù)間的關(guān)系，對(duì)取自X油田的地層巖心進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，包括巖石力學(xué)及地層可鉆性、硬度、研磨性實(shí)驗(yàn)，部分結(jié)果見表1。

表1 X油田巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental result of rock mechanical parameters of X Oil field

1.2 基于測(cè)井解釋的巖石力學(xué)參數(shù)模型

聲波時(shí)差是對(duì)地層巖石中孔隙度、密度、巖性等的綜合反映，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果與巖石的聲波時(shí)差進(jìn)行擬合回歸分析［13-16］，得到巖石可鉆性級(jí)值、硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角和研磨性與聲波時(shí)差之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果見圖1～圖3。

（1）PDC鉆頭可鉆性級(jí)值計(jì)算模型：

圖1 聲波時(shí)差與PDC鉆頭巖石可鉆性級(jí)值關(guān)系Fig. 1 Relationship between interval transit time and rock drillability grade of PDC bit

（2）巖石硬度計(jì)算模型：

圖2 聲波時(shí)差與巖石硬度關(guān)系Fig. 2 Relationship between interval transit time and rock hardness

（3）單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算模型：

圖3 聲波時(shí)差與內(nèi)摩擦角關(guān)系Fig. 3 Relationship between interval transit time and internal friction angle

（4）內(nèi)摩擦角計(jì)算模型：

（5）地層研磨性級(jí)值計(jì)算模型：

式中，Kd為巖石可鉆性級(jí)值；Δt為聲波時(shí)差，μs/ft；Py為巖石硬度值，MPa；σc為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；μd為動(dòng)態(tài)泊松比；Vci為泥質(zhì)含量；ρ為地層密度，g/cm3；vp為縱波速度，km/s；φ為巖石內(nèi)摩擦角，°；Kc為巖石研磨性級(jí)值。

2 巖石力學(xué)多參數(shù)相關(guān)性圖譜

巖石的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及孔隙特征均對(duì)巖石抗鉆特性參數(shù)有影響。研究表明，巖石力學(xué)的多種參數(shù)之間存在一定的相關(guān)性，如內(nèi)摩擦角與巖石硬度之間具有一定的相關(guān)性；內(nèi)摩擦角和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度又共同決定了鉆頭的切削齒大小；內(nèi)摩擦角與研磨性也具有一定的關(guān)系，這種關(guān)系是建立在與聲波時(shí)差相關(guān)的基礎(chǔ)上得到的。根據(jù)不同聲波時(shí)差與地層巖石硬度、內(nèi)摩擦角、單軸抗壓強(qiáng)度、研磨性及巖石可鉆性級(jí)值之間的關(guān)系，應(yīng)用歸一化處理方法，建立五維空間坐標(biāo)圖［17］，即五參數(shù)影響下的地層抗鉆特性雷達(dá)圖，結(jié)果見圖4。

圖4 地層抗鉆特性參數(shù)雷達(dá)圖Fig. 4 Radar map of drilling resistance parameter

為了建立地層特性與PDC鉆頭IADC編碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要從地層多個(gè)巖石力學(xué)參數(shù)中找出對(duì)PDC鉆頭各位字碼選擇起主導(dǎo)作用的影響因素。PDC鉆頭的IADC編碼主要由4位字碼組成，第1位字母表示鉆頭的本體結(jié)構(gòu)，后3位為數(shù)字字碼，受不同地層因素影響。第2位字碼表示地層的軟硬程度；第3位字碼表示切削齒結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩擦角和抗壓強(qiáng)度影響切削齒大小選擇；第4位字碼表示鉆頭的冠部形狀，冠部形狀選型主要受到地層巖石的研磨性影響。

參考巖石可鉆性測(cè)定及分級(jí)方法［18-19］的標(biāo)準(zhǔn)，利用硬度確定IADC編碼第2位字碼，綜合考慮每種情況下切削齒齒高對(duì)應(yīng)的IADC編碼，可以確定內(nèi)摩擦角和抗壓強(qiáng)度與IADC編碼第3位字碼的對(duì)應(yīng)，將地層研磨性分為由低、中、高、極高4個(gè)級(jí)別，得到了巖石內(nèi)摩擦角、地層研磨性分級(jí)與IADC編碼第4位字碼對(duì)應(yīng)，建立5個(gè)參數(shù)影響下的PDC鉆頭IADC編碼選表如表2所示，將這些對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)繪制到雷達(dá)圖中，如圖4中彩色線條所示。

表2 PDC鉆頭IADC編碼選擇表Table 2 Selection list of IADC code of PDC bit

3 鉆頭選型結(jié)果及應(yīng)用效果分析

雷達(dá)圖的使用方法如下：根據(jù)巖石抗鉆特性參數(shù)計(jì)算模型，計(jì)算出巖石硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、可鉆性級(jí)值、研磨性級(jí)值，內(nèi)摩擦角等五參數(shù)，在巖石抗鉆特性參數(shù)雷達(dá)圖上標(biāo)出這5個(gè)參數(shù)的點(diǎn)，若落在某一區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)占優(yōu)，則采用這一區(qū)域所對(duì)應(yīng)的PDC鉆頭IADC編碼。圖中，每2層輪廓線包圍的部分可對(duì)應(yīng)選出適合該地層的PDC鉆頭IADC編碼，為PDC鉆頭優(yōu)選提供可靠依據(jù)。

選擇X油田SH6-P18井漁洋組（3 545～3 936 m）層段，通過測(cè)井資料及實(shí)驗(yàn)資料得到地層參數(shù)數(shù)據(jù)，記錄間隔為1 m。將得到的巖石硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、PDC鉆頭研磨性級(jí)值、研磨性等級(jí)、巖石內(nèi)摩擦角等數(shù)據(jù)繪入雷達(dá)圖中，得到了YY組層段地層抗鉆特性參數(shù)散點(diǎn)圖，見圖5。從圖中可以直觀看出大量頻數(shù)的點(diǎn)落在IADC編碼為644的范圍內(nèi)，其次為543、554范圍；因此，推薦YY組層段選用IADC編碼為543、644范圍內(nèi)的PDC鉆頭。具體選型結(jié)果見表3，可以看出，應(yīng)用巖石抗鉆特性參數(shù)雷達(dá)圖選出的鉆頭，實(shí)際鉆井過程中進(jìn)尺、機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間均有大幅度提高，與前期鉆頭相比，平均進(jìn)尺提高188%，平均機(jī)械鉆速提高7%，平均純鉆時(shí)間提高160%，說明應(yīng)用該方法進(jìn)行鉆頭優(yōu)選能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，主要原因是該方法兼顧了鉆頭的攻擊性和耐磨性。

4 結(jié)論

表3 X油田 YY組層段（3 545～3 936 m）雷達(dá)圖進(jìn)行鉆頭選型結(jié)果Table 3 Bit type selection for YY Formation (3 545～3 936 m)of X Oil field based on radar map

（1）綜合考慮巖石物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及孔隙特征對(duì)巖石抗鉆特性參數(shù)的影響，以巖石硬度、單軸抗壓強(qiáng)度、PDC鉆頭研磨性級(jí)值、研磨性等級(jí)、巖石內(nèi)摩擦角為表征，建立了五參數(shù)雷達(dá)圖進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，該方法兼顧了鉆頭的攻擊性和耐磨性，能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

（2）巖石抗鉆特性參數(shù)雷達(dá)圖中，每2層輪廓線包圍的部分可對(duì)應(yīng)選出適合該地層的PDC鉆頭IADC編碼，為PDC鉆頭優(yōu)選提供可靠依據(jù)。

（3）巖石抗鉆特性參數(shù)雷達(dá)圖提供了一種地層抗鉆特性描述和鉆頭優(yōu)選的新方法，這種方法具有綜合性和直觀性。但要對(duì)地層進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，還要把泥質(zhì)含量、巖性等一些特征參數(shù)作為補(bǔ)充來提高準(zhǔn)確性。