南海西部海域難鉆地層特征及破碎機制研究

鄧金根，朱海燕，謝玉洪，趙靖影，蔚寶華，譚 強，張曉東

（1.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；2.中海石油(中國)有限公司湛江分公司鉆井部，廣東 湛江 524057；3.南方石油勘探開發有限責任公司，廣州 510240）

1 引 言

南海西部地區北部灣盆地和珠江口盆地部分油田的下第三系地層（厚度600～1200 m）地層巖性為致密的細砂巖，硅質膠結，致密泥頁巖，含礫石夾層。2006－2009年，30口井單只鉆頭平均機械鉆速僅為3～4 m/h，單只鉆頭平均進尺為150 m左右，其中進尺小于50 m的占30%。機械鉆速偏低、鉆頭磨損太快、頻繁起下鉆造成作業進度滯后是以上兩個地區探井鉆探遇到的最大困境之一。對此現場采取了調整鉆井參數，更換鉆具組合，選擇新型鉆頭等手段，但效果并不明顯。分析深層次原因，主要是由于對所要鉆遇的地層巖性把握不準，對地層巖石特性認知不夠，對深層（2500～5000 m）致密砂礫巖、硬泥巖的鉆頭選型不當。因此，為了降低鉆井成本，增加鉆井時效，必須摸清該海域難鉆地層的巖性特征、分布規律及破巖機制。本文針對南海西部地區難鉆地層，開展模擬井下壓力條件下的難鉆地層破壞強度、硬度、塑性系數、可鉆性和研磨性的室內試驗研究；利用測井資料和室內試驗數據建立難鉆地層的抗鉆特性參數預測模型，并繪制其巖石力學參數剖面和三維可鉆性剖面；完成難鉆地層的破巖機制研究，以弄清難鉆地層的難鉆特征，為鉆頭的合理選擇、鉆井參數和方式的優化提供理論指導。

2 難鉆地層的巖性

采用 X 射線衍射儀[1]，在管壓 40 kV，管流100 mA 時以2.6°～45°范圍進行掃描，分析執行標準SY/T 6210－1996[2]。北部灣盆地10口井的礦物組分測定發現：①整體上看，地層含石英 26.8%～48.7%，含黏土礦物35.6%～54%，地層硅質膠結，石英含量較少；②L-1段局部地層菱鐵礦含量高，其中Z-1段1-7含菱鐵礦高達39.8%，Z-1段1-2含菱鐵礦 13.8%，且微含黃鐵礦；③L-2段含有少量菱鐵礦；④L-3段以石英和黏土礦物為主。珠江口盆地10口井的礦物組分測定發現：①整體上看，地層含石英 31.2%～62.5%，含黏土礦物 18.3%～38.6%，石英含量較高；②Z-1段、Z-2段菱鐵礦含量高。

表1 各盆地地層平均巖性Table1 Average lithology of each basin

統計30口井的錄井資料，確定北部灣盆地和珠江口盆地的巖性分布（見表1）。北部灣盆地以泥巖為主，軟硬夾層顯著，含砂礫巖非均質夾層，含少量菱鐵礦。將地層巖性與鉆井參數進行對比，發現難鉆地層為致密泥巖、頁巖。L-2段以泥巖為主，夾砂巖和褐灰色泥頁巖，偶含礫，但含有菱鐵礦。L-3段含11%的砂礫巖，泥巖與中細顆粒砂巖互層，地層均質性較L-2段強。珠江口盆地以砂巖為主，砂礫巖分布廣泛，地層非均質性較強。Z-2段和Z-3段巖性為砂泥巖不等厚互層，含有2～7 mm的礫石顆粒6%以上，巖性變化頻繁，致密壓實。E組以泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、含礫中砂巖和含礫粗砂巖不等厚互層。

3 難鉆地層的巖石力學性質試驗

3.1 地層強度、硬度和塑性系數試驗

北部灣盆地2188～3303 m井段（L組）取巖芯31塊，珠江口盆地3341～3986 m井段（Z組）取巖芯23塊，分別加工成直徑25、38 mm，長徑比為1.8～2.0的巖樣，部分加工巖樣如圖1所示。試驗設備采用 TAW-1000深水孔隙壓力伺服試驗系統[3]進行三軸試驗，試驗結果見表2。圖 2給出了在不同圍壓下泥巖的應力-應變曲線。

由表1及圖2可知，L組整體上屬于軟至中硬地層，L組褐灰色泥巖在圍壓下具有一定的塑性，且隨圍壓增加，其破壞強度、屈服應力及塑性都有增強（見圖 2）。Z組砂巖地層屬于中高強度，但在圍壓下強度增加很快。L組細砂巖強度高、塑性小，呈硬脆性；致密泥巖強度比砂巖強度略低。相同圍壓下，Z組砂巖破壞強度高于L組。

采用靜壓入法和YDSY-1巖石硬度儀測定巖芯硬度并求取其塑性系數，結果與強度試驗一致（見表3）。北部灣盆地L組巖石具有一定的塑性，其中L-2段褐灰色粉砂質泥巖的塑性較高，塑性系數高達4.5。

3.2 巖芯微鉆頭可鉆性試驗

圖1 北部灣盆地部分φ25 mm巖樣Fig.1 Some φ25 mm cores of the Northern Gulf Basin

表2 三軸強度試驗結果Table2 Results of strength experiments

圖2 Z-12-2井褐灰色泥巖應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of Z-12-2 well grey mudstone

表3 巖芯硬度及塑性系數Table3 Hardness and plasticity coefficient

圖3 室內微可鉆性試驗方形試樣Fig.3 Quadrate rock sample for drillability experiments

表4 巖石可鉆性測試結果Table4 Results of drillability experiments

室內微可鉆性試驗如圖3所示，巖石可鉆性測試結果見表4。φ38 mm巖芯由于直徑太小而無法固定，因此，將巖芯用隔水材料包裹，用水泥固結成100 mm×100 mm的方形試樣，再磨平水泥-巖芯樣兩端（見圖3）。根據行業標準SY/T 5426－2000[4]，對巖芯可鉆性進行測定（見表4）。在相同試驗條件下，砂巖平均可鉆性級值在5.7左右，而泥巖平均可鉆性級值達到6.7左右，砂巖可鉆性比泥巖好。北部灣盆地巖石可鉆性比珠江口盆地巖石可鉆性差；流二段巖石可鉆性中等偏硬，流三段軟到中等；珠江口盆地整體偏軟，可鉆性較好。

3.3 研磨性試驗

用改裝的巖石可鉆性儀設計了基于PDC鉆頭鉆進過程特點的巖石研磨性試驗裝置。試驗采用PDC微鉆頭作為切削工具。為了保證微鉆頭始終破碎新鮮巖面并使PDC片處于正常的研磨狀態，采用清水冷卻鉆頭和沖洗巖屑[5]。將改裝的可鉆性儀最高軸壓從900 N提高至1200 N，最高轉速從55 r/min提高至300 r/min，并對儀器箱體做防水處理，改裝簡單易行，試驗裝置通用性好。每次試驗時間為30 min，試驗結束后測量巖石破碎坑體積，用精度為0.01 mg的天平測量PDC微鉆頭復合片的磨損失重量（見表5）。北部灣盆地流L組中細砂巖的研磨性高于泥巖。珠江口盆地Z組中砂巖研磨性高，含礫砂巖研磨性較高，泥質粉砂巖研磨性最高。

表5 巖石研磨性試驗結果Table5 Results of abrasive property experiments

4 難鉆地層抗鉆特性剖面的建立

4.1 巖石力學特性參數預測模型

試驗只能測得地層特定取芯位置的巖石力學特性，要弄清整個地層的巖石力學特性，必須通過測井資料建立地層巖石力學性質的預測模型，并用巖石力學試驗數據標定預測模型中的系數（見表 6）[6－9]。各預測模型中的參數為：Vcl為砂巖的泥質含量；Ed為砂巖的動態楊氏模量（MPa）；ΔT為聲波時差；ρ為密度；G為剪切模量；K為體積模量；DT為縱波聲波時差；H為硬度；φ為內摩擦角； A1、 A2、b0、b1、b2、b3、B1、D1、F1為經驗系數。

表6 巖石力學特性參數預測模型及其精度Table6 Prediction model and prediction accuracy of rock mechanical parameters

4.2 地層抗鉆特性剖面的建立

采用巖石力學特性參數預測模型，建立了 30口井難鉆地層抗鉆特性剖面，以弄清各區域難鉆地層的抗鉆特性。以Z-12-2井的抗鉆特性曲線為例，對其地層抗鉆特性進行分析（見圖4）。Z-12-2井W-3段、L-1段和L-2段巖石單軸抗壓強度平均分別為81.4、69.65、75.87 MPa，最高為262.2 MPa，巖石單軸抗壓強度中等偏高。砂巖段的巖石單軸抗壓強度大于泥巖段。L-1段上部中硬，下部較軟，整體屬于中研磨性地層，高研磨性夾層比較多。L-2段中等偏硬，其中泥巖可鉆性級值平均值為7.3，砂巖可鉆性級值平均值為6.4，泥巖更難鉆，整體屬于中低研磨性地層，偶有高研磨性夾層。砂巖段硬度略高于泥巖，地層巖石軟硬交錯較為嚴重。

總結 30口井發現，北部灣盆地 Z-1段 1-2、Z-1段1-7油田L-1段研磨性和抗壓強度較高，抗壓強度平均為80～120 MPa，中等偏硬，存在高于150 MPa的硬夾層；L-2段平均抗壓強度為 70～90 MPa，中等偏軟；L-3段地層巖性非均質性、研磨性較L-2段強，地層抗壓強度平均80～120 MPa，中等偏硬，部分井段抗壓強度高于150 MPa。

珠江口盆地地層抗壓強度為50～120 MPa，中等略偏硬；可鉆性級值4～7；塑性系數為2左右；研磨性2～8，研磨性較高；Z-2段含少量菱鐵礦；砂巖、砂礫巖硬脆性，研磨性較高，可鉆性好，但鉆頭易發生先期損壞嚴重。在砂巖中鉆速較快，在致密褐灰色泥巖中鉆速變慢，因此，鉆頭的新舊程度對鉆速影響較大。

4.3 三維可鉆性剖面的建立

根據北部灣盆地和珠江口盆地各典型井的地理方位坐標，地層分層信息和各層段的可鉆性資料，繪制北部灣盆地和珠江口盆地的三維可鉆性剖面（見圖5）。圖中藍色表示可鉆性好，紅色表示可鉆性差。L-1段因含菱鐵礦和黃鐵礦含量較高，且含有 2～7 mm砂礫，致使地層研磨性和抗壓強度較高，可鉆性較差，在圖中呈紅色。L-2段、L-3段因其主要以致密性泥巖為主，地層可鉆性較差。Z-1段可鉆性較好，Z-2段因含礫石6%而可鉆性差，Z-3段因含10%礫石可鉆性較差。地層埋藏深度越深，可鉆性越差。

圖4 Z-12-2井抗鉆特性曲線Fig.4 The sections of rock mechanical parameters of the Z-12-2 well

圖5 南海西部海域三維可鉆性剖面Fig.5 Three dimensional drillability profiles

5 難鉆地層的破巖機制研究

本文對難鉆地層的破巖機制進行了試驗研究[10－12]，研究鉆頭的鉆壓和轉速對破巖效率的影響，并探討了PDC鉆頭在復雜地層中的破碎規律，為合理的鉆井方式和鉆井參數的選擇提供依據。從30口井已用鉆頭的統計發現，PDC鉆頭的進尺、鉆速、每米鉆井成本均優于牙輪鉆頭，因此，本文主要研究PDC鉆頭的破巖情況。PDC鉆頭破巖試驗采用可鉆性儀器、PDC微鉆頭。

5.1 鉆進參數對PDC鉆頭破巖效率的影響

鉆壓對巖石的破碎敏感程度較高，鉆壓的增加使鉆頭破巖效果顯著增大（見圖6）。在硬脆性的細砂巖段提高鉆壓，機械鉆速較明顯；在呈塑性的泥巖段提高鉆壓，機械鉆速提高較慢；在泥質粉砂巖內提高鉆壓，效果最差。PDC鉆頭鉆壓應該保持在一個合理的范圍內，過大或過小對鉆速都不利。鉆壓過小，牙齒不能吃入巖石，破巖效率低。鉆壓過大，在鉆進軟巖過程中，鉆頭吃入深度大大增加或整體壓入巖石，會因扭矩增大而憋死鉆頭，造成鉆具斷裂事故；同樣，在鉆進硬或極硬巖石過程中，鉆頭易產生嚴重的縱向憋跳，造成PDC鉆頭牙齒的先期損壞。

轉速的增加會提高 PDC鉆頭破巖效率（見圖7）。轉速對砂巖的破碎敏感程度比鉆壓低，增加轉速會加快PDC鉆頭的磨損；轉速對塑性泥巖的破碎敏感程度比鉆壓高，提高轉速可顯著提高破巖效率，而增加鉆壓，牙齒在泥巖內易發生滑動，不易吃入，鉆速增加并不明顯；轉速對泥質粉砂巖的破碎敏感程度低于鉆壓。

圖6 鉆壓和機械鉆速關系曲線Fig.6 WOB - ROP curves of the PDC bit

圖7 機械鉆速和轉速關系曲線Fig.7 RPM - ROP curves of the PDC bit

5.2 PDC鉆頭在礫石和夾層地層中的破巖機制

從軟地層進入硬地層時，冠頂上切削齒鉆壓、扭矩不斷增加，容易被壓碎或崩斷，引起鉆頭早期損壞。重新鉆入軟地層時，冠頂切削齒鉆壓、扭矩減小，其他部位切削齒鉆壓、扭矩增加，部分齒發生壓碎、崩斷等損壞。同時硬地層中的高鉆壓若不能及時降下來，切削齒在軟地層中易過大切入，而扭矩過大，導致掰斷。因此，在軟硬及砂礫巖夾層中鉆進，不易采用較高鉆壓和轉速。地層中分布有不同粒度、形狀的礫石，最容易受到損壞的部位是鉆頭冠部和側翼，容易發生齒的崩損甚至刀翼折斷，層間的巖性變化越大對鉆頭損壞也越大[13]。南海西部海域難鉆地層的礫石直徑為2～7 mm，易對切削齒產生較大的沖擊和磨損，這與PDC鉆頭現場使用情況一致。

6 結 論

（1）通過巖性分析、巖石力學試驗和PDC鉆頭破巖機制試驗，得到了北部灣盆地和珠江口盆地的巖性分布、巖石力學特性及破碎機制。

（2）北部灣盆地以泥巖為主，夾砂巖；地層可鉆性、強度中等，地層研磨性中低至中等，偶有高研磨性夾層，提高鉆頭的攻擊性和提高轉速是提速的關鍵，建議北部灣盆地采用較高的轉速和較小的鉆壓鉆進，即可采用高轉速的動力鉆具復合鉆進方式。

（3）珠江口盆地含礫石較多，地層非均質性強，地層研磨性較強，較高轉速將會加速鉆頭的早期破壞，該盆地不適合采用動力鉆具提速方式，只能通過提高鉆頭復合片的耐磨性和攻擊性，采用較高的鉆壓和合理地頂驅轉速來提高鉆速。

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