泉子街地區地層可鉆性分析及鉆頭選型

熊虎林， 徐龍生

(1.新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊，新疆 烏魯木齊 830009； 2.核工業二三〇研究所，湖南 長沙 410007)

0 引言

2016—2017年，新疆地礦局第九地質大隊承擔了新疆吉木薩爾縣泉子街區塊頁巖氣戰略選區調查任務，該項目為新疆維吾爾自治區地質勘查基金項目。項目施工以二疊系蘆草溝組上段烴源巖為主要目的層，采用油氣勘探線剖面測量、油氣二維地震、鉆探施工和錄井、測井技術，調查區內頁巖氣烴源巖有機質豐度、類型、成熟度、厚度分布、埋深、構造、儲層物性及含氣性等特征，獲取氣層評價參數；探索區內頁巖氣分布與富集條件，綜合確定泉子街區塊內先導試驗區范圍。在先導試驗區內進行參數井施工，獲取頁巖氣產能評價資料。

1 鉆井施工情況

1.1 區塊內鉆井情況

區塊內施工了準頁4井，該井為參數井，設計井深3300.00 m，?215.9 mm口徑完鉆井深3439.50 m；全井取心20回次，取心段總長117.81 m，巖心總長110.56 m，平均采取率93.8%。施工周期209 d，鉆機月速度493.63 m/臺月，機械鉆速697.10 m/臺月。目的層烴源巖氣測反應良好，通過測井資料優選壓裂層段，現該井已進入壓裂施工階段。

1.2 鉆遇地層情況

區內地層主要包括第四系全新統，新近系上新統昌吉河群(N2ch)，三疊系中—晚三疊統小泉溝群(T2-3xq)、早三疊統燒房溝組(T1s)、韭菜園組(T1j)，二疊系梧桐溝組(P3w)、泉子街組(P3q)、蘆草溝組(P2l)。以蘆草溝組黑色炭質泥頁巖夾油頁巖為主要目的層，完鉆層位為蘆草溝組下段。準頁4井實際揭露地層情況見表1。

表1 準頁4井實際揭露地層情況

2 可鉆性分析及評價

巖石可鉆性是指巖石抵抗鉆進破碎的能力，主要包括兩方面的內容，即巖石本身強度和破碎難度，另一方面就是巖石在一定的鉆井工藝技術和鉆井工具條件下，被破碎的難易程度。通過巖樣測試、實鉆數據結合測井地層聲波時差數據綜合分析巖石可鉆性并提出鉆頭選型、井身結構優化建議。

大量研究表明，巖石的縱波時差、密度和泥質含量是影響巖石彈性和強度的重要因素。聲波時差可得出聲波在地層中的傳播速度，從而間接反應地層巖石硬度、彈性模量、泊松比等力學性質。

2.1 聲波時差與可鉆性級值相關關系模型建立

國內石油鉆井研究者通過微鉆試驗、巖石力學測試、實鉆數據收集等方法，表明牙輪鉆頭鉆進時地層可鉆性與聲波時差的相關關系，對數函數相關性最大。其表達式雖各有差別，但總體變化趨于一致。一般的，巖石密度高，聲波時差值越低，地層可鉆性級值越高[1]。

按《巖石可鉆性測定及分級方法》(SY/T 5426-2000)規定，可通過微鉆試驗確定巖樣可鉆性級值。即使用特制微牙輪鉆頭，以一定的鉆壓(890 N±20 N)和轉速(55 r/min±1 r/min)在巖樣上鉆3個深度為2.4 mm的孔，取3個孔鉆進時間的平均值為巖樣的鉆時(td)，對td取以2為底的對數值作為該巖樣的可鉆性級值Kd，計算公式為Kd=log2t。

取目的層段巖樣在全自動可鉆性測試儀上進行了牙輪鉆頭微鉆試驗，獲取了巖樣牙輪鉆頭可鉆性級值；并通過TAW2000微機控制巖石三軸試驗機完成了巖樣硬度測試。表2為巖樣可鉆性級值及硬度試驗數據，并根據測井資料對應列出了相應取樣深度的巖石聲波時差。

表2 準頁4井巖樣牙輪鉆頭可鉆性試驗數據

利用表2中巖樣的8個可鉆性試驗數據，對應聲波時差數據，結合該地區實鉆資料，以聲波時差數據為橫坐標，可鉆性級值為縱坐標，選用對數函數模型來擬合巖石可鉆性和聲波時差間的關系。

圖1為所測試巖樣牙輪鉆頭可鉆性級值試驗數據對應深度處聲波時差數據所獲得的相關關系曲線[2-3]。

參考前人對準噶爾盆地地層可鉆性研究資料，孫連環等以聲波時差和巖石密度表征地層可鉆性[4]。通過回歸分析建立牙輪鉆頭可鉆性級值與聲波時差值之間的關系如下：

Kd=-6.13ln(Ac)+38.45

式中：Kd——地層牙輪鉆頭可鉆性級值；Ac——聲波時差，μs/m。

應用F檢驗法對上式進行回歸顯著性檢驗，初步判斷，回歸效果顯著。

圖1 所測地層牙輪鉆頭可鉆性級值與聲波時差的關系

2.2 可鉆性級值對應地層鉆時分析

準頁4井第四系以礫石層為主，礫徑0.5～10 cm，昌吉河群上部礫巖較多，砂礫巖與泥巖互層為其主要特征。鉆井過程中出于井斜控制需要，采用小鉆壓吊打。鉆時較高，在此不作討論。

根據可鉆性評價模型，對照準頁4井1000 m以深聲波時差測井資料及巖石密度資料。做出聲波時差與可鉆性級值對應圖見圖2。

圖2 準頁4井聲波時差與可鉆性級值對應圖

分析圖2，小泉溝群地層平均可鉆性級值5.94，變化較大；牙輪鉆頭平均鉆速2.63 m/h。結合巖屑錄井資料，小泉溝群(1000～1474.15 m)礫巖、砂巖與泥巖、炭質泥巖互層，夾薄煤，故地層可鉆性級值表現在圖上起伏明顯。

燒房溝組-韭菜園組(1474.15～2133.99 m)，平均可鉆性級值6.05，平均機械鉆速2.58 m/h，地層以砂巖、砂礫巖、泥巖互層，砂巖硅質含量高。

梧桐溝組-泉子街組(2133.99～2753.24 m)，牙輪鉆頭平均鉆速2.14 m/h，可鉆性級值6.43。

鉆井自2753.24 m進入蘆草溝組目的層，間斷取心，全面鉆進全部使用牙輪鉆頭，取心使用PDC鉆頭。牙輪鉆頭可鉆性級值6.48，平均機械鉆速1.52 m/h。據測井資料，去鈾伽馬相對減小，中子和密度分開度減小，釷鉀分開度相對減小，表明泥質含量相對降低。對應深度段硅質含量相對增加，平均為53.7%[5]。按《巖石可鉆性測定及分級方法》(SY/T 5426-2000)，屬中硬-硬地層。

3 巖樣力學測試數據分析

準頁4井全井僅在目的層段間斷取心，故力學試驗巖樣全部取自目的層段(2753.24～3439.50 m)。累計取力學巖樣10個，圍壓取值0及30 MPa條件下，試驗數據如表3所示。

從表3巖心巖石力學試驗結果來看，蘆草溝組巖樣泊松比參照圍壓為0時數據在0.104～0.315之間，平均值為0.178。單軸抗壓強度較高。

分析巖樣抗壓強度，圍壓為0時，可視作單軸抗壓強度，但也僅能作為巖石抗壓強度下限。圍壓為30 MPa時，抗壓強度63.71～236.75 MPa，平均值為137.90 MPa。受圍壓影響，巖石的三軸抗壓強度明顯大于單軸抗壓強度，比值范圍1.4～5.3。且巖樣致密程度很高，表現出很高的單軸抗壓強度。

綜合分析10組巖樣抗壓強度，彈性模量為4.94～32.31 GPa，脆性特征不明顯。從硬度分析，測試8組樣品中，硬度714.2～1814.2 MPa，平均為1113.07 MPa。

4 結合鉆頭使用綜合分析地層可鉆性

表4列出了具備較高鉆速的鉆頭的使用情況，全井牙輪、PDC鉆頭交互使用。

準頁4井第四系和新近系昌吉河群使用牙輪、鉆頭鉆進，卵礫石層礫徑大，采用輕壓吊打，控制井斜，鉆時很高。以下匯總典型層位鉆頭使用情況及可鉆性級值分析。

表3 準頁4井巖樣力學試驗數據

表4 準頁4井鉆頭使用情況

4.1 韭菜園組(T1j)

前期采用HG517牙輪鉆頭鉆進，機械鉆速僅1.05 m/h。換貝克休斯PDC(BKSH1955LT)鉆頭，該鉆頭采用平滑切削技術控制切削深度，減輕鉆頭振動；肋骨式切削齒設計，提升切削齒強度。鉆速提升明顯，達到2.68 m/h。該層位平均可鉆性級值6.15。

4.2 梧桐溝組(P3w)

使用DB117及GS605型PDC鉆頭，采用轉盤+高速螺桿驅動，均出現掉、崩、碎齒等問題，造成鉆頭的先期損壞。主要原因為布齒設計存在一些不合理的地方，布齒設計的不足使得某些部位的切削齒受力較大容易產生先期損壞。應使用自銳性強、抗沖擊性能好的切削齒，并優化鉆頭結構形式，提高鉆頭的工作穩定性。該層位平均可鉆性級值6.37。

4.3 泉子街組(P3q)

井段夾層多，巖性復雜，鉆遇軟硬交錯層段6層，可鉆性級值4.00～6.90，不均質現象明顯，推薦選用具有減震結構的PDC鉆頭以提高鉆頭穿越夾層的能力。

4.4 蘆草溝組(P2l)

蘆草溝組為鉆井目的層，全面鉆進使用LST617GL及T517G型牙輪鉆頭。該層位可鉆性級值平均6.46，最高達7.45。兩類鉆頭從齒形設計到布齒數量均不能滿足地層鉆進要求。

牙輪鉆頭可鉆性試樣均取自該層位，通過聲波時差曲線建立的可鉆性級值剖面與實測可鉆性級值對比，8個試驗巖樣平均可鉆性級值5.91，處理后目的層位平均可鉆性級值6.41，相對偏差7.8%。

5 結論

(1)通過建立可鉆性級值求取模型，結合實鉆資料，獲取了泉子街地區昌吉河群至蘆草溝上段地層可鉆性剖面。牙輪鉆頭可鉆性測定巖樣均取自蘆草溝組，存在樣本選取層位單一及數量不足等問題。

(2)泉子街地區昌吉河群至蘆草溝上段地層可鉆性級值平均為6.03，最大值為7.45。可鉆性級值剖面與實鉆情況基本吻合。

(3)蘆草溝組上段為頁巖氣成藏段，也是鉆井目的層位，泥質含量高，巖石平均密度2.73g/cm3。推薦使用HJ537G寬齒三牙輪鉆頭。該鉆頭采用寬頂勺形齒為主切削齒，提高了牙輪的井底破碎體積和鉆頭井底覆蓋率；大偏移值設計，提高了牙齒在井底的剪切滑移距離，增強了鉆頭破碎巖石的體積。