基于地質力學的可鉆性分析方法研究
——以塔里木盆地庫車山前地區為例

王益民，張輝，陳勝，范坤宇，王志民

中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院（新疆庫爾勒841000）

基于地質力學的可鉆性分析方法研究
——以塔里木盆地庫車山前地區為例

王益民，張輝，陳勝，范坤宇，王志民

中國石油塔里木油田分公司勘探開發研究院（新疆庫爾勒841000）

塔里木盆地庫車山前區域目前鉆探以超深井為主，巖性較為復雜，鉆井速度較慢、周期較長、成本較高。鉆頭參數的合理優化，地層可鉆性的深入研究是提高鉆速、優化鉆井效率的重要環節。從地質力學的角度，在泥漿密度、三壓力剖面、巖石物理研究成果的基礎上，建立鉆頭參數與地層有限抗壓強度的對應關系，進而形成適合庫車山前的可鉆性分析方法。得出如下結論：①現有的依靠實驗研究法、測井資料法和數理統計法中單一的地層可鉆性分析方法不能全面地確定地層的可鉆性，因此必須綜合應用多種資料，對地層的可鉆性進行研究；②庫車山前白堊系高研磨性地層通常是低鉆速且可鉆性差，低研磨性地層鉆頭磨損較小，可鉆性較好，當鉆頭磨損率達到一定程度則需要考慮替換鉆頭，同時應兼顧現場實際情況和經濟效益等因素，合理選取鉆頭；③基于地質力學，以鉆頭選型為導向，結合有限抗壓強度和地層研磨性，實現地層可鉆性的綜合分析，同時利用前期地層的可鉆性研究成果來指導相同區塊預鉆井的鉆頭選型與更替，從而提高鉆井速度，減少鉆井周期，該方法在鉆井工程中具有很高的利用價值。

地層有限抗壓強度；可鉆性；地質力學；鉆頭優選；鉆井速度

在鉆井施工中，鉆進不同的地層會表現出鉆進難易程度的明顯差異，有效破碎巖石的關鍵是對巖石的可鉆性進行深入研究。可鉆性是鉆井過程中的一項基本數據，具有重要的應用價值，是鉆井生產中地質分層、鉆進方法選取、鉆頭選型、鉆速預測和實行額定管理的主要依據。目前，國內外可鉆性研究方法主要分為可鉆性的實驗研究法、測井資料法和數理統計法等，而在實際分析中，每種方法都有其局限性，影響可鉆性的因素很多，不僅與地質力學、巖石機械特性有關，還與鉆頭本身參數密切相關，地層強度、硬度、研磨性、鉆頭削齒大小、齒數、刀翼數等參數的不同可鉆性的結果也不同。此外，反復的計算技術也不適合實際應用，尤其是在庫車山前。根據研究表明，庫車山前4個構造區帶新近系吉迪克組至白堊系縱向地層可鉆性變化趨勢由小到大依次為：玉東-英買力-羊塔克、秋里塔克、克依構造、庫西地區。庫西地區從古近系到白堊系，地層可鉆性較上部地層變小，與其他3個構造區帶地層可鉆性變化趨勢相異，而其他3個構造區帶平均地層可鉆性隨井深增加而有所增加，再者該區塊構造復雜，巖性復雜給鉆井帶來很大困難［1-3］。

基于地質力學、聲學及鉆井條件下巖石力學特性變化等對鉆頭進行優選，分析地層可鉆性，這種方法是可鉆性研究的理想方法之一。

表1 巖石硬度分類

1 可鉆性參數優化方法

地層可鉆性指數DBI衡量地層的可鉆程度，可鉆性指數越大，地層硬度越大、巖石強度隨之增大。地層的研磨性主要反映巖石對鉆頭的磨損能力，在鉆速模擬的過程中，鉆頭磨損率及地層有限抗壓強度是關鍵參數［4-5］。首先，通過鉆速模擬模型將鉆壓、鉆頭轉速、有限抗壓強度、鉆頭尺寸及鉆頭磨損率結合起來，模擬與實際鉆速相吻合的最佳方案；其次，根據實際鉆頭參數（切齒密度、刀翼數、切齒齒徑）與評價巖石機械特性（有限抗壓強度、可鉆性等）建立關系。從而找出最靠近實際鉆速的模型，根據巖石機械特性與鉆頭參數建立的關系，結合鉆頭磨損率、地層研磨性輔助選擇鉆頭，配合相關數據，優化鉆頭剖面形狀，優選出適合該區塊的鉆頭，從而達到對地層可鉆性表征和研究的目的。

2 可鉆性分析方法

2.1 地層有限抗壓強度

當井眼形成后，井壁暴露部分為泥漿而非地層，鉆頭下方的地層不再承受上覆層的壓力，巖石抗壓強度不再是無限抗壓強度UCS，而是受孔隙壓力和地層滲透性影響的一個巖石抗壓強度，定義為有限抗壓強度CCS，泥漿密度的高低對地層有限抗壓強度CCS有一定影響。有兩種方法可用來評價地層有限抗壓強度CCS：一種是Skempton法；另一種是實驗法。根據實驗結果，有限抗壓強度與單軸抗壓強度存在如下關系：

式（1）中：CCS為有限抗壓強度，MPa；UCS為巖石單軸抗壓強度，MPa；Pe為泥漿壓力和孔隙壓力之差，MPa；a、b在滲透性地層經驗值為：a=0.013 3、 b=0.577，在非滲透性地層經驗值為：a=0.004 3、b=0.782，鉆井過程中鉆頭使用類型對巖石的有限抗壓強度有非常高的依賴性，地層的有限抗壓強度評價是鉆頭選型的基礎，也是對地層可鉆性分析的一項重要的參數。

為評價地層的有限抗壓強度，引入2種模型，采用實驗法的ACCS-經驗模型和Skempton法的CCS-康普頓模型。圖1為塔里木盆地庫車山前克深區塊X井的白堊系地層有限抗壓強度模擬實例圖，右邊第一道（強度對比）為兩種評價有限抗壓強度的模型，ACCS-經驗模型評價方法主要與地層單軸抗壓強度UCS（右邊第二道）和壓差（Pe，泥漿壓力與孔隙壓力之差）有關；CCS-康普頓模型評價方法只受孔隙壓力及地層滲透性影響。2種結果前者比后者數值偏小，優選過程中，結合巖樣實驗抗壓強度，選出評價有限抗壓強度合適的模型。

圖1 X井有限抗壓強度優化實例

2.2 地層可鉆性

傳統可鉆性分級方法有：壓入硬度法和微鉆頭鉆進法。目前，以壓入硬度法為參照，對巖石的可鉆性級別進行劃分，該方法是采用巖石力學性質來劃分巖石的可鉆性級別，據壓入硬度值把巖石分為6類、12級，如表1所示。其中，強度與硬度之間存在如下近似關系（式（2）），即巖石硬度（P）約為強度的7倍以上，試驗結果一般在7～20倍之間。

圖2為庫車山前克深區塊X井的白堊系地層可鉆性系數評價模型，圖2中右邊第一道是由壓入硬度法劃分的12個級別的可鉆性指數Drillability（簡稱DBI）。根據可鉆性指數DBI與抗壓強度之間的關系說明壓入硬度（抗壓強度）法比較適合以測井為基礎的可鉆性關系建立。

圖2 X井可鉆性系數評價模型實例

2.3 地層巖石的研磨性

地層巖石的研磨性反映巖石對鉆頭的磨損能力，用切削具切削巖石時，它必然與巖石發生摩擦，在摩擦過程中，巖石磨損切削具的能力稱為巖石的研磨性或磨蝕性。研磨性與巖石的礦物（或碎屑）硬度、硬礦物（或碎屑）的含量、表面粗糙程度、巖石結構強度等因素有關［6］。通常用巖石研磨系數來衡量地層巖石的研磨性，同時可以用摩擦磨損法確定研磨性系數，用式（3）表達：

式中：a為研磨性系數；N為接觸壓力，N；S為接觸面積，mm2；P為摩擦面上的接觸載荷（壓力），N；V為單位摩擦行程的磨損量，cm3/m。

滑動摩擦力計算公式：F=N·U（U為動摩擦系數，僅與材料本身有關，摩擦系數相應于研磨系數）巖石按研磨性分類。常見巖石的單軸抗壓強度、壓入硬度分布，如表2所示。

研磨性系數可大致分為：①較低研磨性系數：鹽巖、石膏、泥巖、板巖等（個位×10-6）；②低研磨性系數：碳酸巖、砂質泥巖等（十位×10-6）；③中研磨性系數：泥質砂巖、砂巖等（百位×10-6）；④高研磨性系數：砂礫巖、礫巖、石英砂巖等（千位×10-6）；⑤更高研磨性系數：花崗巖、角礫巖等（花崗巖2次結果有區別）。

表2 常見巖石強度、壓入硬度分布

圖3為研磨性系數評價模擬實例圖，在塔里木盆地目前可鉆性研究中，碎屑巖地層研磨性按3個級別劃分（圖3a），每個級別泥巖都加權參與；碳酸鹽巖地層按2個級別劃分（圖3b），每個級別泥巖都加權參與。地層的研磨系數是鉆頭優選不可或缺的一項參數。

圖3 研磨性系數評價模型實例

2.4 鉆頭參數優化

鉆頭自身參數與鉆頭的優選密切相關，是在前期地質力學及巖石機械特性基礎上的重要部分。通過建立鉆頭參數與地層強度的關系優選更合適的鉆頭。通過建立關系圖像如圖4所示，可擬合出函數關系式：

1）切齒數（密度）：切齒數（Nc）與抗壓強度（CCS）存在對數關系：

采用2點刻度即可獲得a、b系數。

2）刀翼數：刀翼數（BLAD）與切齒數存在近似關系：

3）切齒齒徑：切齒齒徑（CUTS）與可鉆性（DBI）及強度存在關聯特征：

建立切齒數、刀翼數、切齒齒徑與地層抗壓強度及可鉆性之間的關系，通過實例對其進行模擬，對鉆頭參數進行評價，從而實現其優選。

圖4 鉆頭參數與巖石機械特性關系

2.5 鉆速擬合驗證

鉆速擬合部分采用2種鉆速模型，一種是考慮磨損的ROPq模型，另一種是未考慮磨損的ROPp模型。模擬過程中使用預測或實際鉆頭及鉆井參數，進行ROP評價，調整模型參數、擬合實鉆結果，從而優選出與實鉆情況接近的模型。圖5為X井白堊系地層的2種模型擬合情況，在模型參數可靠的情況下，模擬ROPq的效果與實際比較接近。

在圖5右邊第一道中為實鉆鉆速與2種模擬鉆速對比情況：

第一種考慮鉆頭磨損的鉆速模擬為紅色實線，它是由Warren推導出牙輪鉆頭的鉆井過程模型，后來由Hareland進行改進。該模型把鉆速（ROP）、鉆壓、轉速、巖石強度和鉆頭尺寸等關聯起來。基本公式為：

圖5 X井實鉆鉆速與模擬鉆速擬合對比

第二種模型未考慮鉆頭磨損的鉆速模擬為藍色虛線，同樣是結合鉆速、鉆壓、轉速、巖石強度和鉆頭關聯起來。基本公式為：

Wf為磨損函數，無量綱；AB為巖石強度巖性系數，無量綱；DB為鉆頭直徑，in；a、r為鉆頭系數，無量綱；p為每轉的牙輪切割深度，ft；μ為泥漿塑性黏度，mPa·s；RPM為轉速；WOB為鉆壓；ROP為機械鉆速；G為鉆頭牙齒磨損變量。

對比結果中，模型ROPq模擬出的紅色線更接近實際鉆速，即第一種模擬（Hareland模型）更接近實際鉆速（圖中黑色虛線）。

2.6 鉆頭優選

在前部分各種方法、模型參數可靠的情況下，提取鉆井“視抗壓強度”及進行鉆頭磨損擬合，建立模型。抗壓強度可以驗證前期評價結果，鉆頭磨損、地層研磨性以及地層的可鉆性可以輔助鉆頭選擇。因此，結合以上參數模型對其進行綜合分析。

圖6為X井鉆頭綜合優選模型，右邊兩道分別為強度對比道和鉆頭磨損道。在強度對比道中，藍色的線代表鉆井模型中實際的地層有限抗壓強度，從對比的結果來看，實驗法的ACCS-經驗模型更接近實際的地層有限抗壓強度。在鉆頭磨損道中藍色的線代表研磨性系數，灰綠色的部分無量綱的磨損函數（Wf），磨損函數的值越大研磨性系數越大，說明地層對鉆頭的磨損越嚴重。通過與鉆速對比道中實際鉆速與模擬鉆速對比可以得出：高磨損地層往往是鉆速低；同樣，鉆速高的地層鉆頭磨損較小。當鉆頭磨損率達到一定程度則需要考慮替換鉆頭，從而對鉆頭進行優選。

在圖6中，藍色線代表該井的可鉆性指數，結合鉆速對比道和鉆頭磨損道可以看出，該區塊白堊系低鉆速高磨損的地層，可鉆性指數較高，說明地層的可鉆性較差；而高鉆速低磨損的地層可鉆性指數相對較低，即地層的可鉆性較好。

圖6 X井鉆頭優選成圖

攝影/施兆國

3 結論

1）現有的依靠實驗研究法、測井資料法和數理統計法中單一的地層可鉆性分析方法不能全面地確定地層的可鉆性，因此，必須綜合應用多種資料，對地層的可鉆性進行研究。

2）庫車山前白堊系高磨損地層通常是低鉆速且可鉆性差，高鉆速地層鉆頭磨損較小，可鉆性較好，當鉆頭磨損率達到一定程度則需要考慮替換鉆頭，同時，應兼顧現場實際情況和經濟效益等因素，合理選取鉆頭。

3）基于地質力學，以鉆頭選型為導向，結合有限抗壓強度和地層研磨性，實現地層可鉆性的綜合分析，同時，利用前期地層的可鉆性研究成果來指導相同區塊預鉆井的鉆頭選型與更替，從而提高鉆井速度，減少鉆井周期，該方法在鉆井工程中具有很高的利用價值。

［1］張厚美，薛佑剛.巖石可鉆性表示方法探討［J］.鉆采工藝，1999，22（1）：10-13.

［2］鄧理，李黔，高自立.巖石可鉆性評價方法研究新進展［J］.鉆采工藝，2007，30（6）：27-29.

［3］熊繼有，蒲克勇，周健.庫車坳陷山前構造超深井巖石可鉆性研究［J］.天然氣工業，2009，29（11）：59-61.

［4］鮑挺，鄭明明，張思淵.巖石可鉆性研究方法與發展前景［J］.安徽建筑，2010（4）：73-74.

［5］王禎元，于鋼，孔亮.淺談鉆井過程中鉆遇巖石研磨性［J］.中國石油和化工標準與質量，2012，32（7）：150.

［6］邢紀國.巖石研磨性試驗研究［J］.西部探礦工程，2003，15（3）：25-26.

At present，ultra-deep wells are mainly drilled in Kuche piedmont region of Tarim Basin.The complex lithology in this area causes low drilling speed，long drilling cycle and high drilling cost.The reasonable optimization of bit parameters and the further re?search of formation drillability is an important link to improve the drilling speed and optimize the drilling efficiency.The relationship be?tween the parameters of bit and the limited compressive strength of the strata was established from the view point of geological mechan?ics on the basis of the research results of mud density，three-pressure profile and rock physics，and a formation drillability analysis meth?od for Kuche piedmont region is formed.The following conclusions are drawn：（1）the existing drillability research methods of the single stratum based experiment，logging data and mathematical statistics can not fully determine the drillability of formation，and therefore，the study of the formation drillability must integrate a variety of data.（2）Cretaceous high abrasive stratum in the study area usually has low drilling speed and poor drillability，and low abrasive stratum has little bit wear and good drillability.When the drill bit is worn to a certain extent，it is required to be replaced，and the replacing bit should take into account the actual situation of the bit and economic benefit.（3）the analysis of formation drillability should comprehensively consider the limited compressive strength and drillability of for?mation based on the selection of bit type.At the same time，the research results of the formation drillability can be used for guiding the selection type and the replacement of the bit used in the same area to improve the drilling speed and reduce the drilling cycle.This meth?od has high utilization value in drilling engineering.

limited compressive strength of formation；drillability；geological mechanics；bit selection；drilling speed

尉立崗

2016-06-30

王益民（1989-），男，碩士，現主要從事地質力學研究。