南海深部溫壓地層巖石可鉆性評價及應用

紀慧， 朱亮*， 樓一珊， 吳永川， 楊鵬

(1.長江大學石油工程學院， 武漢 430100； 2. 油氣鉆采工程湖北省重點實驗室， 武漢 430100； 3. 中海油田服務股份有限公司， 廊坊 065201； 4. 中石化華東石油工程有限公司， 南京 210000)

巖石可鉆性是評價地層抗鉆特性、優選適合地層特性鉆頭的關鍵參數，是描述巖石破壞難度的綜合表征值[1-2]；巖石可鉆性大小及分布規律的準確認識對提高機械速和減少鉆井周期具有重要意義。近年來，南海深部地層在油氣勘探開發上不斷取得新的突破，珠江口盆地已成為南海區域重要的海上油氣生產區[3-5]，隨著鉆井深度的加大，機械鉆速從上部地層的40 m/h降至深部地層的5 m/h，降低了87.5%，嚴重影響海上油氣勘探開發總體效率的提升，為此，準確評價以巖石可鉆性級值為代表的地層特性對珠江口盆地提高機械鉆速，保障高效安全開發具有重要意義。

國內外學者研究發現，南海珠江口盆地深部地層是高溫、高應力環境[6]。目前國內外對可鉆性的研究通常是進行常溫常壓下可鉆性測試，石油天然氣行業標準推薦的可鉆性測試也是基于常溫常壓環境下的[7]，魏山棟等[8]通過圍壓下可鉆性實驗表明常壓下巖石的可鉆性級值與實際井底壓力下差異較大，但沒有考慮到溫度對巖石可鉆性的影響，高美奔等[9]指出考慮溫度和圍壓雙因素的巖石特征分析方法更為客觀合理，巖石在地下是處于一種周向應力且伴隨有高溫環境，依據常規條件下的可鉆性測試值，不能反映巖石在地下的真實狀態，不能準確評價地層巖石抗鉆特征，會導致鉆頭切削齒設計不適合地層真實特性，從而導致鉆頭破巖效率不高，無法有效指導南海區域地層的鉆頭優選?，F通過開展高溫高圍壓條件下的可鉆性實驗，建立考慮地層溫、壓因素的巖石可鉆性級值計算模型，準確評價可鉆性，并通過ABAQUS軟件建模，對溫壓條件下聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭切削齒后傾角進行優化分析，以期望對鉆頭精準化設計與優選提供數據支撐，提高機械鉆速降低勘探成本。

1 實驗設備及巖樣

1.1 高溫高圍壓可鉆性測定綜合實驗設備

實驗設備采用高溫高壓全自動可鉆性測定綜合實驗設備，見圖1。該設備主要由自動泵、巖石可鉆性測定儀、夾持器和計算機控制系統構成。夾持器是該設備的核心部件，用于提供溫壓環境，其結構示意圖見圖2。夾持器溫度范圍是0～200 ℃，巖心圍壓范圍是0～100 MPa，夾持器所需的巖樣規格是圓柱形試樣Φ100 mm×80 mm。

圖1 高溫高圍壓可鉆性測定綜合實驗設備Fig.1 Comprehensive experimental equipment for high temperature and high pressure drillability measurement

圖2 高溫高圍壓夾持器結構示意圖Fig.2 Structural diagram of high temperature and high pressure gripper

1.2 實驗巖樣

實驗樣品取自南海珠江口盆地主要目的層珠江組的巖心11塊，深度為2 320～2 381 m，根據地溫梯度及壓力梯度計算可知該深度地層溫度為100 ℃，圍壓為25 MPa，實驗樣品加工成直徑100 mm、高80 mm的圓柱形，樣品兩端面是水平平面，沒有可見的裂縫。

2 溫壓條件下巖石可鉆性實驗及剖面建立

2.1 考慮溫壓條件的巖石可鉆性測試

實驗測試采用全自動可鉆性測定儀器，開展高溫高圍壓巖石可鉆性測試實驗，根據實驗結果分析溫度、圍壓單因素以及溫壓耦合條件對巖石可鉆性的影響規律。實驗操作流程是：加裝巖芯、自動泵操作、加熱操作、鉆進操作。打開計算機中可鉆性測定程序，進入實驗參數設置界面，選擇鉆頭類型、設置鉆壓、溫度和圍壓，選擇開始實驗，待實驗結束后，進入數據處理界面，記錄包括溫度、圍壓、可鉆性級值等實驗數據。

對11塊巖心共進行21組實驗，實驗方案及實驗結果如表1所示。溫壓單因素與溫壓耦合條件對可鉆性級值影響規律，如圖3所示。

結合表1和圖3(a)可知，在溫度單因素作用下，當溫度在20～180 ℃時，可鉆性級值在4.25左右，隨溫度變化影響較小，大于180 ℃時，可鉆性級值隨溫度增加有減小的趨勢，究其原因是存在一個使巖石發生熱裂紋的臨界溫度，砂巖的臨界溫度在180 ℃左右[10-11]；當溫度低于該臨界溫度時，巖石不會因溫度變化而發生破壞，未出現熱裂紋，高于該溫度時，出現熱裂紋，彈性模量明顯下降，巖石強度降低，可鉆性級值減小，但溫度升高后，巖石將發生從脆性破壞向塑性破壞過渡，破碎前要經歷較大塑性變形，因此可鉆性會降低。由圖3(b)可知，在圍壓單因素作用下，隨著圍壓增大，可鉆性級值增大，可鉆性級值與圍壓呈正相關；由圖3(c)可知，在溫壓耦合條件下，巖石的可鉆性級值隨圍壓變化更明顯，當溫度高于180℃時，可鉆性級值與圍壓單因素相比差異較大。因此當溫度低于臨界溫度時可以不考慮溫壓耦合條件，當溫度高于臨界溫度時，考慮溫壓環境的可鉆性級值是更合理且更準確的。

圖3 溫壓單因素與溫壓耦合條件對可鉆性級值影響規律圖Fig.3 Influence of temperature and pressure single factor and temperature and pressure coupling condition on drillability level

表1 南海珠江組溫壓條件下巖石可鉆性實驗結果Table 1 Experimental results of rock drillability under temperature and pressure in Zhujiang Formation, South China Sea

2.2 圍壓下巖石可鉆性模型及剖面建立

以往很多研究僅從理論上描述了溫度和圍壓對巖石可鉆性的影響，而對溫度和圍壓條件下巖石可鉆性級值的定量計算相對較少。巖石可鉆性級值和巖石力學參數都跟測井資料有很強的相關性[12]，上述實驗結果表明可鉆性級值與圍壓呈正相關，高于臨界溫度180℃后，與溫度呈負相關，可以建立基于測井資料和溫壓下的巖石可鉆性級值模型和剖面。

李士斌等[13]通過大量砂泥巖實驗，把抗壓強度、彈性模量、泊松比、硬度等巖石力學參數通過多元回歸分析得到了常壓下可鉆性級值模型為

Kd=f(σc,E,μ,py)=3.912+0.011 3σc-

0.018 46E-0.579μ+0.026 6py

(1)

式(1)中：f()為函數關系；σc為巖石抗壓強度，MPa；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比；py為巖石硬度，MPa。

可鉆性與溫度和圍壓不是簡單的一元關系，不能直接擬合得到，可以通過彈性模量、泊松比、硬度與溫度和圍壓的進行回歸間接得到式(2)～式(4)，溫度對彈性模量影響較大，對抗壓強度、泊松比和硬度影響較小[14]，溫度與彈性模量的關系如式(5)所示[15]，抗壓強度經驗公式如式(6)所示。

Ec=f(Pc)=293.29Pc+14 490

(2)

μ=f(Pc)=0.002 9Pc+0.120 9

(3)

py=f(Pc)=py0+kPc

(4)

Et=21.262-14.210T/1 000

(5)

(6)

式中：Et為溫度下的彈性模量，MPa；Pc為圍壓值，MPa；T為溫度，℃；py0為常壓下巖石硬度，MPa，通過對常壓下巖石硬度與聲波時差進行擬合得到；UCS為巖石的單軸抗壓強度，MPa；A為經驗系數；μd為動態泊松比；Vsh為泥質含量；ρ為地層密度，g/cm3；Vp為縱波速度，km/s。

將溫壓下巖石力學參數式(2)～式(5)以及用測井資料表示的抗壓強度式(6)代入常壓下巖石可鉆性級值公式[式(1)]，可以得到考慮圍壓時的巖石可鉆性級值模型為

Kdw=f(Pc)=-263.643-5.415 7Pc+

0.78Vsh)+44.400 7e-0.003Δt+0.026 6kPc

(7)

考慮溫度時的巖石可鉆性級值模型為

Kdt=f(T)=3.52+0.011A(1-2μd)×

0.262T/1 000-0.579μ+0.027py

(8)

式中：Kdw為圍壓下的可鉆性級值；Kdt為溫度下的可鉆性級值；Δt為縱波聲波時差，μs/ft；k為常數。得到的模型不僅包括聲波時差、地層密度、縱波速度等測井數據還包括圍壓和溫度，能更加充分準確地表示出巖石可鉆性級值，適用地層更廣，鉆遇溫壓地層時能以此作為參考。

根據得到的式(7)和式(8)可以計算南海珠江口盆地在圍壓和溫度條件下的可鉆性級值，對繪圖軟件進行二次開發后畫出剖面圖見圖4。由圖4可以看出，實測值與溫壓模型較為吻合，在圍壓條件下，整個井段的可鉆性級值都有所增加，到珠江組下段可鉆性級值由3～4增加到5～6，增加了1～2級，由于鉆井深度的加大，地層溫度逐漸升高，可鉆性級值到深部地層隨溫度升高逐漸減小，可見溫壓環境都會對可鉆性有影響，因此在高溫高圍壓地層鉆井作業、優選鉆頭等工程實踐時考慮溫壓因素很有必要。

圖4 有無溫壓條件下巖石可鉆性級值對比剖面圖Fig.4 Profile comparison of rock drillability level with and without confining pressure

3 溫壓條件下后傾角優化仿真及應用

3.1 有限元模型的建立

切削齒后傾角是PDC鉆頭設計的重要參數，對鉆頭破巖有顯著影響。基于溫壓下對可鉆性級值大小的認識，為提高鉆頭對地層特性的適用性。通過ABAQUS軟件進行PDC鉆頭后傾角優化仿真，分析了溫壓條件下不同PDC鉆頭后傾角破巖效率的高低，為優化鉆頭切削齒參數提供指導和依據。為了更加真實地模擬室內可鉆性微鉆實驗全過程，使結果更為精確，應用PRO/E軟件建立了3個切削齒后傾角分別為20°、25°和30°的三維雙切削齒PDC微鉆頭模型，模型的側轉角為25°，復合片直徑為13.44 mm，該設計下的破巖效率較高，應用有限元軟件ABAQUS進行三維雙切削齒旋轉鉆進過程模擬，其中巖石模型為直徑200 mm、高80 mm的圓柱體，有限元模型主要材料(PDC層和砂巖)的力學參數如表2所示，其中砂巖的力學參數根據南海珠江組(溫度100 ℃，圍壓25 MPa)砂巖的力學參數得到，材料模型通過ABAQUS中的property模塊輸入。鉆頭和巖石的三維模型使用四面體和六面體單元(C3D10和C3D8T)進行離散共劃分為60多萬個網格，并對巖石網格進行細化，得到如圖5所示雙切削齒旋轉鉆進有限元網格模型。在實際鉆井時每個切削齒上承受的鉆壓一般為1 000 N，故設定鉆壓為2 000 N，巖樣下端固定，根據Shear damage準則判斷巖石是否被破壞，并設置損傷演化系數。

圖5 雙切削齒旋轉鉆進有限元網格模型Fig.5 Finite element mesh model of rotary drilling with double cutting teeth

表2 有限元模型主要材料的力學參數Table 2 Mechanical parameters of main materials in finite element model

3.2 模擬結果及分析

雙切削齒旋轉鉆進后的巖石應力云圖如圖6所示，可鉆性仿真過程中巖石破壞面與可鉆性實驗基本相同，可以反映切削齒對巖石的作用效果，模擬效果與實驗結果較吻合，其中圈出部分為切削齒與巖石接觸的應力集中區。

圖6 不同切削齒后傾角下巖石的應力云圖Fig.6 Stress nephogram of rock under different rake angles of cutting teeth

分析圖6可知，溫壓下后傾角為25°時切削齒與巖石接觸處產生的應力最為集中，巖石的最大應力值為1 009.5 MPa，比后傾角為20°和30°時巖石的最大應力值都要大，原因是對于恒定圍壓下，機械比能隨后傾角的增加而增加[16]，且切削齒為25°時能更容易使巖石單元達到其強度極限而失效剝落，能更快破碎巖石，因此圍壓下切削齒后傾角設計為25°時破巖效率最高，通過數值模擬后的結果分析了溫壓條件下不同PDC鉆頭后傾角破巖效率的高低，可以為優化鉆頭切削齒參數提供指導和依據。

3.3 現場應用

為了驗證優化后的PDC切削齒后傾角是否有效，查閱并分析南海珠江口盆地已鉆井PY1的井史資料，該井使用的切削齒后傾角為20°，對鄰井相同地層的PY2和PY3井應用給出的后傾角25°進行現場試驗，鉆進時保持其他參數不變，平均機械鉆速分別提高了31.71%、41.95%，結果如表3所示，試驗效果較好，達到了優化預期目標，考慮溫壓時的切削齒后傾角更加適合地層真實特性，能提高機械鉆速，具有較高使用價值。

表3 已鉆井與應用井實鉆數據對比Table 3 Comparison of actual drilling data between drilled and applied wells

4 結論

(1)南海珠江口區域珠江組室內溫壓條件可鉆性實驗表明，在溫度單因素作用下，溫度在20～180 ℃，可鉆性級值隨溫度變化影響較小巖石未發生破壞未出現熱裂紋，當地溫高于180 ℃時，可鉆性級值隨溫度增加有減小的趨勢；在圍壓單因素作用下巖石可鉆性級值與圍壓呈正相關；在溫壓耦合作用下，當溫度高于臨界溫度時考慮溫壓環境的可鉆性級值是更合理更準確的。

(2)建立了考慮溫度和圍壓的可鉆性級值計算模型及剖面，適用地層更廣，實測值與溫壓模型較為吻合，在圍壓條件下，整個井段的可鉆性級值都有所增加，到珠江組下段可鉆性級值為5～6，增加了1～2級，深部地層巖石可鉆性級值隨溫度的升高而減小，在高溫高圍壓地層鉆井作業、優選鉆頭等工程實踐時考慮溫壓因素是有必要的。

(3)應用有限元軟件ABAQUS進行溫壓條件下后傾角優化仿真，模擬結果分析得知溫壓條件下后傾角設計為25°時破巖效率最高，應用給出的后傾角參數進行現場試驗，應用井與已鉆井相比機械鉆速分別提高了31.71%、41.95%，可以為優化鉆頭切削齒參數提供指導和依據。