彭超 鄧津輝 譚忠健 秦艷艷 袁亞東 姚強(qiáng)

1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)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(shù)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(gòu)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(fù)式成藏。但該區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，沙河街組和東營組存在多期火山運(yùn)動(dòng)，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(zhì)砂/泥巖為主，該地層平均機(jī)械鉆速低、鉆頭磨損程度大等特點(diǎn)，對(duì)鉆井作業(yè)時(shí)效產(chǎn)生嚴(yán)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(shí)效，基于渤中34-9油田已鉆井測井資料及巖石力學(xué)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(shí)差之間的預(yù)測模型，建立了研究區(qū)火成巖地層抗鉆特性剖面并對(duì)其進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，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(chǔ)

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(dòng)理論，巖石波速與地層巖石力學(xué)參數(shù)之間存在以下關(guān)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(shí)差的轉(zhuǎn)換關(guān)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(guān)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(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與聲波時(shí)差存在某種特定的關(guān)系，因此，通過聲波波速與聲波時(shí)差之間的轉(zhuǎn)換，并確定火成巖地層聲波時(shí)差與地層抗鉆特性參數(shù)之間的關(guān)系，便可對(duì)油田火成巖地層抗鉆特性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2 巖石力學(xué)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(shí)，并利用可鉆性級(jí)值公式［2］對(duì)火成巖可鉆性級(jí)值進(jìn)行計(jì)算。

式中，kd為巖石可鉆性級(jí)值；T為平均鉆時(shí)，min/m。

2.2 巖石抗壓強(qiáng)度

基于測井資料，利用抗壓強(qiáng)度公式［2］計(jì)算油田火成巖地層巖石抗壓強(qiáng)度。

式中，σc為巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；Vsh為泥質(zhì)含量，%。

2.3 巖石抗剪強(qiáng)度

通過測井資料，運(yùn)用抗剪強(qiáng)度公式［2］對(duì)火成巖抗剪強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

式中，Ss為 巖石抗剪強(qiáng)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(jì)算方法，并結(jié)合測井資料中獲取的火成巖對(duì)應(yīng)深度的聲波時(shí)差數(shù)據(jù)，最終實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental results of part of anti-drilling parameters of the igneous rock interval

3 預(yù)測模型建立

根據(jù)聲波時(shí)差與巖石可鉆性、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等抗鉆特性參數(shù)的相關(guān)性，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，以聲波時(shí)差為自變量，其他抗鉆特性參數(shù)為因變量，對(duì)油田火成巖地層巖石可鉆性級(jí)值、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等抗鉆特性參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，以相關(guān)系數(shù)R作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，建立油田火成巖地層抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型［9-13］。

3.1 巖石可鉆性預(yù)測模型

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

圖1 火成巖地層縱波時(shí)差與可鉆性級(jí)值關(guān)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(jí)值與聲波時(shí)差的關(guān)系模型為

設(shè)置顯著性水平α=0.05，根據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)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(qiáng)度預(yù)測模型

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

圖2 火成巖地層縱波時(shí)差與巖石抗壓強(qiáng)度關(guān)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(qiáng)度與聲波時(shí)差的關(guān)系模型為

設(shè)置顯著性水平α=0.05，根據(jù)相關(guān)檢驗(yàn)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(qiáng)度預(yù)測模型

研究表明［14］，測井資料中的橫波時(shí)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(qiáng)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(shí)差與抗剪強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，便可建立預(yù)測模型對(duì)火成巖地層抗剪強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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

圖3 火成巖地層橫波時(shí)差與巖石抗剪強(qiáng)度關(guān)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(qiáng)度與橫波時(shí)差的關(guān)系模型為

設(shè)置顯著性水平α=0.05，查詢相關(guān)檢驗(yàn)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(yù)測模型的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)上述油田火成巖地層抗鉆特性預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，在已鉆井資料基礎(chǔ)上，選取部分火成巖實(shí)測抗鉆特性參數(shù)和預(yù)測模型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，結(jié)果如表2所示。

由表2對(duì)比結(jié)果可看出，火成巖地層巖石可鉆性級(jí)值、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的預(yù)測精度高達(dá)90%左右，證明創(chuàng)建的抗鉆特性預(yù)測模型準(zhǔn)確性較高，滿足工程應(yīng)用需要。

表2 渤中34-9油田火成巖地層抗鉆特性預(yù)測模型對(duì)比驗(yàn)證結(jié)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(píng)價(jià)及應(yīng)用

結(jié)合已鉆井資料和測井資料，通過建立的地層抗鉆特性預(yù)測模型，對(duì)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(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等進(jìn)行了數(shù)學(xué)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(zhì)泥巖與玄武質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)細(xì)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(jí)值介于6.12~9.48之間。玄武巖抗壓強(qiáng)度90.62~113.00 MPa，抗剪強(qiáng)度 29.71~ 46.13 MPa；玄武質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度 60.04~89.68 MPa，抗剪強(qiáng)度 22.46~32.34 MPa；凝灰質(zhì)泥巖抗壓強(qiáng)度 32.86~38.49 MPa，抗剪強(qiáng)度13.82~19.80 MPa；凝灰質(zhì)細(xì)砂巖抗壓強(qiáng)度36.78~54.42 MPa，抗剪強(qiáng)度 11.10~19.27 MPa；沉凝灰?guī)r抗壓強(qiáng)度29.32~40.74 MPa，抗剪強(qiáng)度11.53~15.04 MPa。總體而言，東營組火成巖地層屬于中-硬~硬地層，具有巖石抗壓強(qiáng)度高、抗剪切能力強(qiáng)、地層可鉆性差的特點(diǎn)。

綜合上述火成巖地層抗鉆特性分析，建議使用對(duì)火成巖攻擊性較強(qiáng)的5刀翼?19 mm齒PDC鉆頭，該鉆頭的特點(diǎn)為巖石剪切載荷由“點(diǎn)”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(jī)械鉆速。同時(shí)現(xiàn)場作業(yè)可搭配復(fù)合型扭力沖擊器進(jìn)行鉆進(jìn)，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(fù)合型扭力沖擊器的鉆具組合在數(shù)十口井中成功應(yīng)用，火成巖地層機(jī)械鉆速較之前平均提高20%左右，單只鉆頭進(jìn)尺超2 800 m，現(xiàn)場鉆井提速顯著。

5 結(jié)論

(1)研究區(qū)火成巖地層巖石力學(xué)參數(shù)與聲波數(shù)據(jù)具有很好的響應(yīng)關(guān)系，由此可回歸建立巖石抗鉆特性參數(shù)預(yù)測模型，對(duì)比實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測模型數(shù)據(jù)，預(yù)測精度可達(dá)90%，滿足研究區(qū)工程作業(yè)需求。

(2)實(shí)鉆結(jié)果表明，根據(jù)研究區(qū)火成巖地層抗鉆特性預(yù)測結(jié)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?yàn)橛吞飳?shí)現(xiàn)優(yōu)快鉆井提供有力技術(shù)支持。

(3)渤海地區(qū)火成巖地層巖性復(fù)雜多樣，3種預(yù)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(duì)火成巖地層抗鉆特性預(yù)測模型進(jìn)行迭代升級(jí)，加強(qiáng)預(yù)測模型的適用性。