川西雙魚石構造須家河組巖石抗鉆特性研究

劉彬， 姚建林， 楊斌

(四川川慶石油鉆采科技有限公司， 廣漢 618300)

2014年，四川盆地西北部雙魚石構造ST1井在棲霞組鉆遇厚層孔隙型白云巖儲層，測試獲高產工業氣流87.6×104m3/d，拉開川西北部地區雙魚石構造棲霞組氣藏的勘探序幕[1]。截至目前，雙魚石構造地區已陸續實施探井12口，單井測試產氣量介于3.25×104～87.61×104m3/d，累計提交棲霞組天然氣預測及控制儲量超過1 000×108m3/d，具有巨大的勘探開發潛力。然而，雙魚石構造須家河組地層鉆頭破巖難、磨損快，機械鉆速低，單只鉆頭進尺短[2-3]，已成為雙魚石構造鉆井提速的關鍵瓶頸，嚴重制約了區塊棲霞組天然氣的勘探開發進程。

近年來，中國學者針對須家河組地層抗鉆性強的問題展開了研究。萬夫磊等[4]指出雙魚石區塊須家河組研磨性極強的砂巖、石英砂巖互層，容易產生井下振動導致聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭切削齒嚴重磨損，大大降低了鉆頭的使用壽命。毛帥等[5]指出川西坳陷須家河組地層巖性致密，巖石硬度和抗壓強度高，導致機械鉆速低，鉆井成本高，采用欠平衡鉆井可減少液柱壓力，實現鉆井提速。李澤等[6]指出川西坳陷超高埋深須家河組地層具有高圍壓和石英含量高的特征，導致巖石強度高，鉆頭破巖效率差，巖石可鉆性差。趙潤琦[7]指出須家河組中下部石英含量高達75%以上，地層研磨性強且裂縫發育，導致鉆井提速困難，制約普光氣田區塊開發。

目前，須家河組地層抗鉆機理的研究多集中在巖石宏觀力學強度方面，關于巖石細微觀特征對地層抗鉆特性和鉆頭失效的作用機制認識尚不明確。因此，現選取須家河組須一段露頭巖樣，開展地層巖石可鉆性、研磨性實驗，并結合巖石基礎物性、力學特性與現場測井解釋數據，分析影響須家河組致密砂巖巖石抗鉆特性的主控因素，明確地層可鉆性變化規律。進一步結合現場出井鉆頭失效特征分析，揭示須家河組致密砂巖地層抗鉆機理，為后續鉆頭優化設計提供重要支撐。

1 鉆頭使用情況分析

雙魚石構造須家河組地層石英、礫石、燧石、黃鐵礦等強研磨性礦物含量高，是導致機械鉆速極低的重要原因。同時，構造區塊內須家河組地層抗鉆特性也存在顯著差異性。以須一段(X1段)為例，橫向上北部須家河組地層機械鉆速更低，其機械鉆速和單只鉆頭進尺分別僅為中部區域的37%和8%左右(圖1)；縱向上須家河組厚度為1 000～1 300 m，以構造北部須一段為例(厚度約200 m)，由于其以石英砂巖為主，硅質含量高，機械鉆速和單只鉆頭進尺分別僅為上部層段的22%和6%左右。

經過多次的鉆頭優選和現場試驗總結，雙魚石構造區域須四-須二段地層的平均單只鉆頭平均進尺已達350 m，機械鉆速2.9 m/h。近期在ST18試驗成功的改進型孕鑲鉆頭，機械鉆速3.02 m/h，單只鉆頭進尺437 m，指標已接近模板要求。中部區域須一段硅質含量相對構造北部較低，經過多次改進，國產復合鉆頭單只鉆頭進尺可達150 m，機械鉆速1.5 m/h。然而，北部區域須一段石英含量高達80%以上，試驗過多種型號的復合鉆頭、非平面齒PDC鉆頭、牙輪鉆頭和孕鑲鉆頭(圖2)，效果均不理想，平均機械鉆速仍不到是1.0 m/h，是當前提速瓶頸，也是本文的分析重點。

圖1 雙魚石構造須家河組鉆井情況統計Fig.1 Statistics on drilling conditions of Xujiahe Formation in Shuangyushi structure

圖2 雙魚石構造北部X1段鉆井情況Fig.2 Drilling situation in X1 section of the northern part of Shuangyushi structure

2 可鉆性、研磨性實驗

實驗巖心選取雙魚石構造所在區域廣元市楊家巖須家河組露頭，該露頭巖層厚度較大，主要為中砂巖和中-細砂巖，且石英含量高，與井下須一段地層在礦物組成和力學特征上均十分接近。野外露頭鉆取直徑為50 mm，長度為55～60 mm的實驗巖心，用于研磨性、可鉆性實驗。須一段露頭實驗巖心編號分別為T3X1Y1～ T3X1Y4，須二段露頭實驗巖心編號分別為T3X2Y1～ T3X2Y7。

巖石可鉆性實驗按石油天然氣行業標準可鉆性測定及分級方法(SY/T5426—2000)執行。圖3為部分巖心可鉆性、研磨性實驗照片，可鉆性實驗測試所用刀片為標準PDC復合片，測試過程兩片PDC復合片夾在微型鉆頭之上[圖3(a)]，組裝后鉆頭外徑為32 mm，后傾角20°，傾角15°；測試過程確保靜載鉆壓為(500±10) N，主軸旋轉速度為(55±1) r/min。開鉆后鉆深達1 mm時開始計時，再鉆深3 mm，記錄鉆進時間，巖石可鉆性級值計算公式為

Kd=log2t

(1)

式(1)中：Kd為巖石可鉆性級值，無因次；t為鉆進時間平均值，s。根據巖石可鉆性分級標準對照表，可鉆性級值由低到高分為10個級別，抗鉆特性也由低到高分逐漸增強。

破巖工具與巖石間的摩擦對刀片的磨損稱為研磨性磨損，摩擦使巖石磨損破巖工具的能力稱為巖石的研磨性。研究巖石的研磨性規律，對合理設計破巖工具、提高破巖效率、降低鉆進成本具有重要意義。本次實驗采用標準材料研磨法，其試驗的基本原理是：用圓柱形鋼桿在巖石表面上相互摩擦時的重量磨損作為巖石相對研磨性指標[8-9]。巖石研磨性測試過程施加在鋼桿[圖3(d)]的軸壓為300 N，鋼桿的轉速為500 r/min，采用水冷卻。測試鋼桿為A3退火鋼標準試樣，硬度為HRB70～75，外徑為(12±0.05) mm，內徑為(8±0.05) mm，長度為80 mm；測試過程每根鋼件桿的兩端分別研磨5 min，每塊試件測試3根鋼桿并取平均研磨量作為實驗結果。目前巖石研磨性同樣分為10級，由低到高，研磨性逐漸增強。

3 結果分析

3.1 實驗結果

實驗結果顯示，須家河組砂巖的可鉆性級值普遍較高，平均值為8.45。須二段巖樣可鉆性級值為3.91～10，個別巖樣可鉆性級值為3.91～6.05，主要為含泥質砂巖；須一段巖樣可鉆性級值均為10級，表明該層段巖石抗鉆性值普遍極強，與礦場實鉆反應的該層段機械鉆速普遍極低相吻合。

研磨性測試結果顯示，標準桿件的磨損量為1.99～79.4 mg，平均值為16.26 mg，在相同鉆壓和轉速條件下，絕對研磨量屬于較高等級，與文獻[10-11]的結果基本接近，表明即使在實驗室條件下須家河組巖石也具有較強的研磨性。進一步對比發現(圖4)，測試巖樣的可鉆性級值與研磨程度基本相反，即可鉆性級值較高的巖樣，研磨性反而相對較低。分析認為：一方面是室內實驗條件無法完全模擬井下鉆頭-巖石破碎顆粒間的研磨過程，測試的研磨性級值可能比實際偏低。同時，結合圖3測試照片也發現，可鉆性級值高巖樣的研磨痕跡反而相對較淺，也從側面表明巖石抗牙齒侵入能力較強。可鉆性與研磨性測試結果整體具有一致性，均反映了須家河組巖石極強的抗鉆特性。

圖3 部分巖心可鉆性、研磨性實驗照片Fig.3 Experimental photos of rock drillability and abrasivity

圖4 巖心可鉆性與研磨性實驗數據Fig.4 Experimental data of rock drillability and abrasivity

巖石可鉆性是一個綜合性指標，受眾多因素的影響[12]，包括巖石礦物組成、孔滲特征、力學性質和鉆頭破巖方式等。正確認識須家河組難鉆地層抗鉆機理是進行鉆頭優化選型，提高鉆頭破巖效率的關鍵。

3.2 巖石礦物與膠結特征對可鉆性的影響

選取須一段露頭巖石進行礦物組分分析，實驗樣品編號分別為X1-1～X1-6。實驗結果(圖5)顯示，雙魚石構造須一段砂巖平均石英含量為82.9%，部分層段甚至高達90%以上，黏土礦物平均含量僅為7.17%，并含有少量的黃鐵礦。薄片分析進一步顯示須一段巖石整體以石英顆粒為骨架，顆粒之間存在鈣質膠結與泥質膠結。同時，鏡下薄片(圖6)顯示巖屑顆粒排列緊密，存在石英次生加大，壓實成巖作用程度高，部分層段巖樣含燧石、黃鐵礦等硬度極高的碎屑顆粒，輔以強度相對較高的鈣質膠結，相助提升了巖石整體強度和抗鉆性。即使是強度相對較低的泥質膠結，由于巖石表面容易破壞，裸露出堅硬的石英和黃鐵礦等顆粒后，也會對鉆頭產生極強的研磨性[13]，這也部分解釋了圖4中可鉆性級值較低的巖樣往往具有相對較高研磨性的原因。總體認為，須家河組巖石的組分和成巖膠結特征均為其極強的抗鉆特性提供了礦物和細觀結構基礎。

圖5 須家河組須一段砂巖礦物組成Fig.5 Mineral composition of the first member of Xujiahe Formation sandstone

圖6 須家河組砂巖鑄體薄片照片Fig.6 Photo of the xujiahe Formation sandstone casting thin sections

3.3 孔滲參數對可鉆性的影響

露頭巖樣孔滲參數實驗結果顯示(表1)，須家河組砂巖孔隙度為0.05%～6.27%，滲透率為0.001 8～0.252×10-3μm2。其中，須二段巖石平均孔隙度為2.99%，平均滲透率為0.064 4×10-3μm2；須一段巖石平均孔滲更低，分別僅為0.87%和0.010 8×10-3μm2，為典型的致密砂巖。同時，巖樣的可鉆性級值與孔滲參數具有明顯的相關性，即孔隙度滲透率越低，巖樣可鉆性級值越高。具體來看，須二段巖樣中可鉆性級值較低的4塊巖樣，平均孔隙度高達5.03%，而相對較高的孔隙度往往表明巖石膠結不夠致密，膠結強度不足。

圖7基于礦場實測STX2井聲波測井和鉆時(機械鉆速的倒數)數據，繪制巖石孔滲、密度與鉆時曲線剖面。宏觀對比須一段與須二段曲線，上部須二段地層孔隙度、滲透率明顯高于下部須一段，巖石密度則呈相反趨勢。在巖性與礦物組成相近時說明相比須二段，須一段地層成巖膠結更為致密，相應的須一段的鉆時明顯更高，地層抗鉆性更強。對比須一段內，同樣可以發現，孔隙度、滲透率的低谷段，巖石密度較高，鉆時曲線處于高位。孔滲測井解釋剖面與前述實驗結果相一致，進一步證實孔滲特性對須家河組地層抗鉆特性的顯著影響。

表1 須家河組砂巖孔滲實驗測試數據Table 1 Test data of porosity and permeability of sandstone in Xujiahe Formation

圖7 須二段、須一段巖石物性測井解釋模型Fig.7 Logging interpretation model of lithological properties of X1 and X2

從具體的抗鉆機理來看，孔隙度、滲透率低意味著巖石膠結致密、強度高，因而抗鉆性強。在實際井下破巖過程，孔滲參數還能進一步影響水力輔助破巖效果。對于孔滲條件較好的地層，鉆井液由鉆頭水眼噴出后，能通過孔喉迅速進入井底巖石內部，通過水壓沖擊和井底巖石孔隙壓力的升高來輔助提升鉆頭破巖速率。而對于孔滲條件差的致密巖石，水力壓力難以傳遞到井底巖石內部巖心，導致鉆井液的壓實作用增強，不利于鉆頭利用水力能量輔助破巖，從而導致整體的機械鉆速降低[10]。

3.4 力學性質對可鉆性的影響

單軸抗壓強度和硬度測試顯示(圖8)，須家河組巖石強度抗壓強度高達93.6～268.7 MPa，平均值157.4 MPa，彈性模量和泊松比均值分別為32.4 GPa和0.214，壓入硬度值分布在0.508～2.881 GPa，巖樣呈現典型的中硬-硬、高強度力學特征。對比分析表明，巖石力學強度參數與可鉆性級值間具有明顯的正相關性，即巖石抗壓強度和硬度越高，可鉆性級值越高。該特征在須一段體現尤為明顯，3塊巖樣的抗壓強度均值分別為196.4 MPa和2.07 GPa，對應測試可鉆性級值均為10級。圖8(c)的測試曲線顯示巖樣發生破壞時應變極低，圖8(b)的巖樣硬度測試壓痕也間接表明其強度高，脆性特征明顯并產生脆性破壞裂紋，無明顯塑形變形特征，均表明須家河組巖石具有極強的抗侵入破壞能力。

圖8 須家河組地層巖石力學特征Fig.8 Rock mechanics characteristics of Xujiahe Formation

在具體破巖過程，巖石高抗壓強度會導致鉆頭的沖擊、壓碎破巖效率低，而巖石硬度越大，鉆頭牙齒吃入地層的能力越差，且硬脆性礦物顆粒對鉆頭產生的磨粒磨損作用越強[14-15]。進一步以STX2井實鉆數據為例，基于測井數據的巖石力學與鉆時曲線如圖9所示，相比須二段，須一段的巖石塑形系數更低，抗壓強度、硬度和研磨性更高，最終鉆時須一段明顯高于須二段，前者體現出更強的抗鉆特性。因此，巖石的低塑形、高抗壓強度和硬度是導致須家河組抗鉆性極強的主要原因，并在須家河底部須一段地層表現尤為明顯。

3.5 鉆頭失效與鉆屑特征

雙魚石構造須一段地層前期試驗了牙輪鉆頭、進口及國產的PDC鉆頭、復合鉆頭、孕鑲金剛石鉆頭，但單只鉆頭進尺和破巖效率均不太理想。以雙魚石構造北部STX3井為例，牙輪鉆頭在須一段的機械鉆速僅為0.74 m/h，進尺為21.57 m，復合鉆頭機械鉆速僅為0.46 m/h，進尺為8.07 m。出井鉆頭分析顯示[圖10(a)]，無論是牙輪鉆頭的硬質合金齒還是復合鉆頭的PDC齒，均受到嚴重的沖擊破壞。同時，井底巖石在鉆頭沖擊、壓碎/切削破巖過程中巖石表面顆粒不斷被碾碎[圖10(c)]，并產生高應力碾碎性的磨粒，大量以石英為主的硬質顆粒對鉆頭牙齒表面產生反復且集中的壓應力容易造成疲勞破壞，導致牙齒磨損失效，圖中出井鉆屑為高純度的石英顆粒，也驗證了上述分析。

對PDC齒的切削表面進行掃描電鏡(SEM)觀測也顯示，相比于自然斷面[圖10(e)]的平整，切削表面[圖10(f)]覆有一層數微米級別的破碎顆粒，且顆粒以石英、黃鐵礦和燧石等高強度高硬度礦物為主。這類小尺度顆粒不僅阻礙了鉆頭牙齒與井底巖石的接觸和切削效率，還能在微觀尺度上對牙齒造成磨損，形成類似“拋光”的效果[16-17]，從而導致牙齒吃入地層和切削困難并最終失效，宏觀上形成鉆頭在井底打滑和空轉的效果，降低鉆頭破巖效率。

圖9 須二段、須一段巖石力學特征測井解釋與鉆時對比剖面Fig.9 Log interpretation of rock mechanics characteristics and comparison of drilling time profiles of X1 and X2

圖10 須一段地層鉆頭磨損與鉆屑分析Fig.10 Drill bit wear and drill cuttings analysis

4 結論

(1)四川盆地雙魚石構造須家河組下部地層巖性致密，平均可鉆性級值達到8.45，底部須一段甚至普遍達到10級，具有極強的抗鉆特性，是區塊鉆井破巖提速瓶頸。

(2)須家河組下部地層石英含量高，孔隙度滲透率極低，膠結強度高，巖石抗壓強度和硬度高，不利于鉆頭沖擊/切削破巖和水力輔助破巖，是導致該層段機械鉆速極低的主要原因。

(3)須家河組下部地層宏觀上的高強度高硬度以及鉆屑顆粒在細觀和微觀尺度上的強研磨性，是導致鉆頭牙齒沖擊破壞和研磨失效的關鍵因素，也是后續鉆頭研發和選型的重點攻關方向。