平頂山市區(qū)北部平頂山砂巖可鉆性研究

韓棟材，陳 顯，趙鐵峰

（河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，河南鄭州450016）

巖石可鉆性是指在一定鉆井技術(shù)條件下，巖石抵抗工具破碎的能力，它反映了鉆頭在鉆井過(guò)程中破碎巖石的難易程度，國(guó)內(nèi)外對(duì)巖石可鉆性進(jìn)行分級(jí)時(shí)，都是把越難鉆進(jìn)的巖石列入越高的級(jí)別，也就是說(shuō)，級(jí)別越高，巖石的可鉆性越差，巖石可鉆性級(jí)別的大小與鉆進(jìn)速度的大小是相反的。對(duì)于地層巖石可鉆性，國(guó)內(nèi)外投入大量試驗(yàn)，取得了豐富的研究成果，求得的方法有室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法、聲波時(shí)差法、室外實(shí)鉆法、測(cè)井資料預(yù)測(cè)法等。國(guó)內(nèi)對(duì)二疊系石千峰組平頂山砂巖的可鉆性研究較少。本文以平頂山市北部平頂山砂巖為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)平頂山北部地區(qū)已完鉆的229個(gè)煤孔鉆井資料進(jìn)行收集整理，特別對(duì)石千峰組平頂山砂巖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆資料、物探測(cè)井資料及室內(nèi)巖樣試驗(yàn)，利用通用鉆速方程求出地層巖石可鉆性級(jí)值，用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法得出平頂山砂巖地層的巖石可鉆性規(guī)律并且對(duì)其進(jìn)行分析研究，從而建立本地區(qū)的可鉆性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)平頂山北部地區(qū)地?zé)峋@井參數(shù)優(yōu)選、鉆頭選擇及鉆井設(shè)計(jì)提供參考，從而為現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員指導(dǎo)鉆井施工提供依據(jù)，對(duì)類(lèi)似地區(qū)鉆進(jìn)平頂山砂巖具有一定的指導(dǎo)作用。

1 研究區(qū)地層

平頂山砂巖是指晚二疊世石千峰組內(nèi)的巖石地層，豫西地區(qū)廣泛分布，是一套板狀交錯(cuò)層理十分發(fā)育并以粗碎屑長(zhǎng)石砂巖和長(zhǎng)石石英砂巖為主的地層，沉積環(huán)境屬于臨近濱海的陸緣近海湖沉積。平頂山砂巖為灰白色、淺紅色、厚—巨厚層狀中、粗粒長(zhǎng)石石英砂巖，下部含礫，具大型板狀交錯(cuò)層理，硅質(zhì)膠結(jié)，質(zhì)地堅(jiān)硬，為煤系上覆地層的良好標(biāo)志層，平均厚度110m。通過(guò)區(qū)域收集的229個(gè)煤孔柱狀資料統(tǒng)計(jì)分析，該區(qū)域平頂山砂巖埋深0~879.53m，厚度為25~135.6m，平均厚度為110m。該套地層區(qū)內(nèi)普通分布，僅在鳳凰嶺逆斷層附近缺失。

研究區(qū)平頂山砂巖巖層以砂巖為主，砂巖的百分比在75%以上，其中石英含量92%~98%，平均96.5%，長(zhǎng)石含量3%~6%，巖屑含量2%~5%；碎屑顆粒主要粒徑0.25~0.50mm，一般為中—粗粒砂狀結(jié)構(gòu)，分選性中等，磨圓度次圓，硅質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育、含水量較大，總體質(zhì)地堅(jiān)硬、致密，普氏硬度系數(shù)9~13，屬堅(jiān)硬致密研磨性弱的巖層。

2 地層巖石可鉆性

2.1 地層巖石可鉆性級(jí)值的確定

相關(guān)性概念：相關(guān)性分析是指對(duì)兩個(gè)或多個(gè)具備相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而衡量?jī)蓚€(gè)變量因素的相關(guān)密切程度。相關(guān)性的元素之間需要存在一定的聯(lián)系或者概率才可以進(jìn)行相關(guān)性分析。相關(guān)性不等于因果性，也不是簡(jiǎn)單的個(gè)性化。因此，研究巖石聲波差與巖石力學(xué)特征相關(guān)性的深入程度影響著最終鉆頭的工作效率。

國(guó)內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，巖石力學(xué)特征與巖石聲波時(shí)差有著密切的關(guān)系，巖石聲波反映所鉆遇地層的巖石強(qiáng)度、硬度和彈性，而巖石的可鉆性主要由巖石力學(xué)參數(shù)決定。根據(jù)前人的研究結(jié)果[1-2]，巖石抗壓強(qiáng)度、硬度和巖石彈性強(qiáng)度有隨聲波減小而增大的關(guān)系。

影響巖石聲波時(shí)差的地質(zhì)因素有巖性、地層巖石孔隙度、巖石膠結(jié)性質(zhì)、地層巖石埋藏深度4種，這些因素與巖石可鉆性有密切的關(guān)系。其基本規(guī)律是：巖石孔隙度高、膠結(jié)致密、埋藏深度大者聲波時(shí)差高，反之聲波時(shí)差低。

大量的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)證明，在同一地層時(shí)段不同巖性巖石的聲波差值不同，與巖石巖性、巖石孔隙度、巖石膠結(jié)程度密切相關(guān)，其可鉆性也不同（見(jiàn)表1）。

表1 相同地層不同巖性的聲波時(shí)差與巖石可鉆性統(tǒng)計(jì)表

由此可見(jiàn)，同一地層時(shí)段（平頂山砂巖）巖性巖石可鉆性級(jí)值隨聲波時(shí)差增大而降低。

2.2 聲波時(shí)差與巖層可鉆性

以平頂山北部近三十年的煤孔實(shí)鉆資料和聲波時(shí)差測(cè)井資料為基礎(chǔ)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析巖石孔隙度和聲波時(shí)差之間的關(guān)系，得出巖石孔隙度與聲波時(shí)差具有線性相關(guān)（見(jiàn)圖1），從而確定巖石孔隙度與巖石聲波時(shí)差的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算相關(guān)系數(shù)為0.92。

圖1 聲波時(shí)差與孔隙度關(guān)系圖

本文以平頂山北部近三十年的229個(gè)煤孔實(shí)鉆資料為基礎(chǔ)，根據(jù)散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖2）中數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，選用了冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)等6種曲線擬合聲波時(shí)差Δt和巖石可鉆性級(jí)值Kd之間的關(guān)系，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中最小二乘法原理，以相關(guān)系數(shù)r的值作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，建立巖石可鉆性級(jí)值與聲波時(shí)差的關(guān)系模型。通過(guò)分析比較，認(rèn)為對(duì)數(shù)函數(shù)模型的相關(guān)性最好，故選定對(duì)數(shù)函數(shù)模型作為確定巖石可鉆性的經(jīng)驗(yàn)公式，其相關(guān)系數(shù)0.79。

圖2 聲波時(shí)差與可鉆性關(guān)系圖

式中：Δt——聲波時(shí)差，μs/m；

Kd——可鉆性級(jí)值，無(wú)量綱。

由此可見(jiàn)，聲波時(shí)差越小,巖石越致密,巖石膠結(jié)程度越高，越難破碎,其可鉆性級(jí)值越高。聲波時(shí)差高，地層孔隙度也高，相應(yīng)地，其可鉆性降低。

根據(jù)建立的巖石可鉆性經(jīng)驗(yàn)公式，與該區(qū)平頂山砂巖的實(shí)鉆資料對(duì)比分析，該段地層鉆進(jìn)進(jìn)尺效率極低、鉆頭磨損嚴(yán)重，與平頂山砂巖堅(jiān)硬致密、可鉆性級(jí)值高相符。

3 鉆頭選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)煤孔鉆井資料，在鉆進(jìn)平頂山砂巖地段，多采用金鋼石鉆進(jìn)或鋼粒鉆進(jìn)，金鋼石鉆頭鉆進(jìn)成本高，鋼砂鉆進(jìn)進(jìn)尺緩慢、工期長(zhǎng)，均達(dá)不到經(jīng)濟(jì)效果。

平頂山北部地?zé)峋⒃O(shè)計(jì)井深2800m，設(shè)計(jì)三開(kāi)。由于井身結(jié)構(gòu)復(fù)雜且大尺寸井眼井段較長(zhǎng)，在鉆進(jìn)過(guò)程中將面臨堅(jiān)硬致密研磨性弱的平頂山砂巖、該段含水量較大，該層可鉆性差，機(jī)械鉆速慢，鉆進(jìn)成本高。為解決高效鉆進(jìn)的問(wèn)題，對(duì)鉆頭選型要求較高。根據(jù)地層巖石可鉆性級(jí)值初步推薦使用與地層匹配且適用性強(qiáng)的IADC編碼為637系列牙輪鉆頭，鉆頭選型方案見(jiàn)表2。寬齒鉆頭主要適應(yīng)在硬塑的致密砂巖、泥巖地層中使用，選用高鉆壓低轉(zhuǎn)速的鉆井參數(shù)，正常鉆壓0.5~1.1kN/mm,轉(zhuǎn)速60~130r/min。

表2 鉆頭選型方案表

4 應(yīng)用效果

該地?zé)峋c2020年8月份完井，設(shè)計(jì)井深2800m，實(shí)鉆井深2248m，其中平頂山砂巖段共鉆進(jìn)98m，通過(guò)與已有類(lèi)似鉆孔比較，在鉆進(jìn)效率、鉆頭損耗方面有顯著提升。選型前后比較見(jiàn)表3。

表3 選型前后鉆頭消耗對(duì)照表

5 結(jié)論及建議

（1）利用巖石聲波時(shí)差與巖石可鉆性之間的關(guān)系，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立平頂山北部平頂山砂巖地層巖石可鉆性級(jí)值計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，確定了巖石可鉆性規(guī)律，地層可鉆性級(jí)值8~10，屬硬—極硬地層。

（2）根據(jù)研究區(qū)平頂山砂巖的特性，優(yōu)選HJ637G型牙輪鉆頭，備選HJ737G型牙輪鉆頭。

（3）建議開(kāi)展高效鉆具與鉆頭的匹配性研究，提高平頂山砂巖的鉆井效率。

（4）研究其它物探技術(shù)資料與巖石物理性能的相關(guān)性，也應(yīng)成為地層可鉆性研究的一個(gè)拓展思路。

（5）收集地區(qū)鉆孔資料，特別是鉆頭耗材的詳細(xì)資料，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行可鉆性研究，指導(dǎo)地區(qū)鉆頭選型，對(duì)材料消耗、節(jié)能減排有著重要意義。