基于三維連井剖面的地層抗鉆特性參數評價
——以珠江口盆地陸豐區塊為例

李曉，張居貴，吳永川，朱亮

1.中海油田服務股份有限公司鉆井事業部，河北 廊坊 062201

2.長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100

3.油氣鉆井技術國家工程實驗室防漏堵漏研究室(長江大學) ，湖北 武漢 430100

4.油氣鉆采工程湖北省重點實驗室(長江大學)， 湖北 武漢 430100

在油氣鉆井中，由于鉆頭不適合地層特性而導致鉆頭破巖效率不高、機械鉆速低的問題時常存在，選擇適合地層抗鉆特性的鉆頭對于提高機械鉆速就顯得越來越重要。位于珠江口盆地東北部的陸豐區塊是近幾年珠江口盆地重點勘探的區域之一[1～3]。但由于在前期的鉆探過程中，對其地層巖石抗鉆特性參數分布了解不夠，導致在進行鉆頭優選時具有一定的盲目性和經驗性，特別是陸豐區塊古近系恩平組及其以下地層，機械鉆速低，給該區塊的鉆井綜合效率的提升帶來了很大制約。因此，在弄清該區塊的地層巖石抗鉆特性分布規律的基礎上，有針對性地進行鉆頭選型，對于提高該區塊的機械鉆速和鉆速效率是很有價值和實際指導意義的。

通過實驗測試來獲取地層巖石的抗鉆特性參數，是分析評價地層特性的必要途徑[4，5]。一般地，在進行地層巖石的抗鉆特性參數實驗測試后，對地層抗鉆特性進行分析評價的方法有3類：第一類是利用測井資料，通過單因素或多因素敏感性分析，建立地層巖石抗鉆特性參數的計算模型，由此可以建立單井的地層巖石抗鉆特性參數剖面來分析各地層的抗鉆特性參數分布規律[6-12]；第二類是利用地震資料，通過反演技術建立三維剖面對地層巖石抗鉆特性參數的分布規律進行評價[13,14]；第三類是利用神經網絡、灰色理論等人工智能技術，對地層巖石抗鉆特性參數的分布規律進行計算分析[15-18]。從適用性來看，第一類和第三類方法適合進行單井特性參數分布規律的分析，但是由于地質構造原因，地層屬性在井間區域分布上具有差異性，僅僅用單井的地層抗鉆特性數據，直接通過數學插值方法來分析井間地層巖石抗鉆特性參數的橫向分布規律是不合適的[19]；第二類方法雖然可以實現井間較大尺度的橫向分布規律分析，但需要的基礎數據較多，方法也較為復雜，而且受限于地震資料的分辨率，計算精度也得不到較好的保證。

針對目前在評價分析地層巖石抗鉆特性方面所采用方法的不足，筆者在開展地層抗鉆特性實驗的基礎上，考慮到聲波對地層巖石屬性響應性好的特性，利用Petrel軟件，建立了井間地層的聲波數據體模型，從而獲得了地層抗鉆特性參數三維連井剖面。該方法既彌補了直接利用單井抗鉆特性參數剖面數據進行插值的不足，同時方法較為簡單，避免了通過單井的抗鉆特性參數剖面來分析某個區域的巖石抗鉆特性參數的片面性，可以在一定程度上降低地層抗鉆特性參數分布規律評價的誤差，使得所優選設計出來的鉆頭和鉆具能更好地適應地層條件，進一步提高鉆井提速方案應用實效。

1 地層抗鉆特性參數測試及其計算模型的建立

巖石可鉆性和硬度是反映地層抗鉆特性的重要參數[6-8]。按照SY/T 5426—2016《石油天然氣鉆井工程巖石可鉆性測定與分級》行業標準以及巖石壓入硬度測試方法[4,19,20]，利用圖1所示的巖石可鉆性測試儀和圖2所示的巖石壓入硬度測試儀，對來自陸豐區塊珠海組的地層巖樣開展了地層巖石的抗鉆特性參數的測試。測試數據如表1所示。

圖1 全自動巖石可鉆性測試儀Fig.1 Automatic rock drillability tester圖2 巖石壓入硬度測試儀Fig.2 Rock hardness tester

表1 陸豐區塊珠海組地層巖石可鉆性及硬度測試結果

國內外研究表明[8-12]，測井曲線可以較好地體現巖石的物理特性，其中，聲波時差反映地層的拉伸和壓縮變形特性及強度特性，地層的巖石可鉆性反映巖石抵抗鉆頭沖擊與剪切破壞的能力。巖石的聲波時差能夠反映地層的巖石可鉆性和硬度大小，故聲波時差必然與巖石可鉆性級值和硬度之間存在某種內在的聯系，因此，筆者利用實測可鉆性級值和硬度數據與聲波時差數據擬合，建立可鉆性級值和硬度的計算模型。擬合曲線如圖3、圖4所示，建立的巖石可鉆性級值計算模型如式(1)所示：

Kd=35.191e-0.033Δt

(1)

式中：Kd為巖石可鉆性級值，1；Δt為聲波時差，μs/ft。

巖石硬度計算模型如式(2)所示：

py=1669.2e-0.233Δt

(2)

式中：py為巖石硬度，MPa。

計算模型的相關系數R2分別為0.8127和0.9076，說明擬合的計算模型具有較好的相關性。

圖3 聲波時差與巖石可鉆性級值關系回歸曲線 Fig.3 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock hardness圖4 聲波時差與巖石硬度關系回歸曲線Fig.4 Regression curve of the relationship between acoustic time difference and rock drillability grade

2 地層抗鉆特性參數三維連井剖面的建立

通常，在建立巖石可鉆性級值和硬度等巖石抗鉆特征參數的計算模型后，利用測井數據進行計算即可建立單井的巖石可鉆性級值和硬度剖面圖，從而進行地層的抗鉆特性的評價與分析。但是隨著地層的復雜性越來越強，上下層間以及相鄰井間的巖石抗鉆特征參數的差異也會變大。僅僅通過單井的巖石抗鉆特征參數剖面圖來分析井間地層抗鉆特性參數的三維空間變化規律，不僅無法準確地反映該區塊的地層狀態，而且井間橫向對比性差，也不能預測未鉆區域地層抗鉆特性參數的分布規律[21]。因此，建立抗鉆特性參數三維空間數據體模型，是研究抗鉆特性參數空間分布規律的關鍵，可以解決單井巖石抗鉆特性參數空間橫向對比性差、精準度低等問題。下面，筆者利用Petrel軟件，實現了地層抗鉆特性參數的三維連井剖面的建立。

2.1 數據準備

數據準備在建模過程中是一項基礎而又非常重要的部分，精準的數據對于地質建模非常重要。建立研究區塊模型需要準備井的井口坐標、井眼軌跡、測井數據和地層分層數據。井口坐標包括井名、井口東坐標、井口北坐標；井眼軌跡包括井深、井斜角、方位角；測井數據的準備要根據地層抗鉆特性參數的計算模型來進行，由于所建立的巖石可鉆性級值和硬度的計算模型是利用聲波時差測井數據建立的，因此在準備測井數據時只需要準備井深和聲波時差數據即可；地層分層數據則包括層深度、井類型、地層名字和井名。

2.2 三維連井剖面的建立

三維連井剖面的建立步驟可分為以下幾步：

1)將準備好的井口坐標、井眼軌跡等數據依次導入Petrel軟件，在生成井眼軌跡后，加載測井數據和地層分層數據，可在所構建的三維空間區域內生成井間分層數據體模型，如圖5所示。

圖5 井間分層數據體模型Fig.5 Interwell layered data volume model

2)將測井資料的聲波時差數據導入所構建的三維空間分層數據體模型中，并進行網格化處理，生成井間聲波時差數據的三維數據體模型，如圖6所示。

圖6 聲波時差數據三維模型Fig.6 Three-dimensional model of acoustic time difference data

3)在Petrel軟件的公式編輯器中輸入通過測試所建立的地層巖石可鉆性級值和硬度的計算模型，經過計算可得到巖石可鉆性級值和硬度的三維連井剖面模型，如圖7和圖8所示。

圖7 可鉆性級值三維連井剖面Fig.7 Three-dimensional well profile of drillability grade

圖8 硬度三維連井剖面Fig.8 Three-dimensional well profile of hardness

3 難鉆地層抗鉆特性評價及其工程意義

3.1 地層抗鉆特性評價

實鉆表明，位于珠江口盆地東北的陸豐區塊的珠江組和珠海組及其以下地層是該區塊的難鉆地層，平均機械鉆速低至3.0m/h。為有針對性地優選適合該區塊難鉆地層特性的鉆頭，將圖7和圖8所建立的可鉆性級值三維連井剖面和硬度三維連井剖面進行分層切片分析，珠江組和珠海組的可鉆性級值三維連井剖面和硬度三維連井剖面分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同層位井的可鉆性級值三維連井剖面Fig.9 Three-dimensional well profile of drillability grade in different horizons

圖10 不同層位井的硬度三維連井剖面Fig.10 Three-dimensional well profile of hardness in different horizons

從珠江組、珠海組的可鉆性級值三維連井剖面和硬度三維連井剖面所示的分布規律可以看出，在W1、W2、W3井所在的區域，其可鉆性級值和硬度在縱向和橫向上均存在較為明顯的變化特征。在該區域深度縱向上，不同的顏色對應不同的可鉆性級值和硬度大小，可以看出可鉆性級值和硬度大小在井深縱向方向上變化明顯，地層夾層較多。在該區域寬度橫向上，不同的區域也呈現不同的顏色分布，在珠江組地層，橫向分布較為均勻，可鉆性級值在1～3之間，硬度在850～950MPa，總體上為可鉆性較好的中軟地層，但在西北和東南區域的珠江組地層的可鉆性級值和硬度均有增大的趨勢；在珠海組地層，總體上呈中間高四周低的分布形態，中間區域的可鉆性級值達到5以上，硬度達到900～1000MPa，橫向分布差異性較大，屬于可鉆性較差的中硬地層。

3.2 方法驗證及工程意義

為驗證方法的可靠性，選擇W6井、W7井珠江組的巖心進行可鉆性和硬度測試，將測試值與圖9、圖10所示的珠江組可鉆性級值連井剖面圖和硬度連井剖面圖中提取相應井位上對應深度處的模擬計算數據進行比較驗證。從圖11所示的各井位置圖可以看出，W6井的位置位于研究區域的中間位置，W7井靠近研究區域的邊緣，這樣更能說明在連井剖面不同位置的計算精度。

圖11 各井位置圖Fig.11 Well location maps

按照前述行業標準的測試方法，測試得到了如表2所示W6井、W7井的巖石可鉆性級值和硬度。從表2可以看出，W6、W7井的可鉆性級值和硬度實測值與模擬計算的值誤差不超過7%。

表2 巖石可鉆性級值和硬度驗證結果與誤差分析

現場資料分析表明，該區域隨著井深的增加，珠江組和珠海組地層的機械鉆速較上部地層來說，呈下降的趨勢。為進一步提高該區域珠江組和珠海組地層的機械鉆速，根據前述對珠江組和珠海組的地層巖石可鉆性級值和硬度的評價，同時考慮到珠江組和珠海組地層以泥巖為主，部分層段含砂巖和灰巖夾層，且鈣質含量較多，在實際使用時還應注意鉆頭在夾層中鉆進發生震動的不利影響。因此，珠江組和珠海組推薦使用的PDC鉆頭應具有如下結構和功能特征：刀翼數5～6個；切削齒直徑16～19mm；具有較好的抗震、保徑性能。

據此，在W6井和W7井的現場鉆井中，實際使用的鉆頭為BEST公司的TM1653SS鉆頭，該鉆頭為5個螺旋型刀翼、16mm切削齒的鉆頭，具有較好的保徑能力，較為符合珠江組和珠海組的地層巖石特性。實鉆機械鉆速達到了14.28m/h，較W1井～W5井珠江組和珠海組地層的機械鉆速提高了31.54%，提速效果明顯。

4 結論與認識

1)相對于單井剖面來說，通過建立可鉆性級值和硬度三維連井剖面，可以從更宏觀的角度反映出豐富的區域井間和層間地層的細節特征信息，也有利于獲知和評價未知地層的抗鉆特性參數分布規律。

2)從陸豐區塊的三維連井剖面可以看出，該區塊的地層抗鉆特性參數在縱向和橫向上均存在一定的變化，地層差異性較強，珠江組地層總體上屬于可鉆性較好的中軟地層，但在西北和東南區域的珠江組地層的可鉆性級值和硬度均有增大的趨勢；珠海組地層總體上屬于可鉆性較差的中硬地層，橫向分布差異性較大。

3)通過實用井地層巖石的測試和現場鉆進效果比對，運用該方法得到的地層巖石可鉆性級值和硬度等巖石抗鉆特性參數的連井剖面具有較高的精度，據此所優選出的鉆頭具有良好的工作性能。

4)從所建立的三維連井剖面中可以看出，同一層位在不同方位上的可鉆性級值和硬度特性也是有差異的，說明地層的抗鉆特性具有各向異性特征，在不同的井斜角和方位角下，地層的抗鉆特性是不同的，如果沿著地層巖石最容易破碎的方向鉆進，那么機械鉆速將獲得提高，故存在一個“最容易鉆進的方向”。因此，應用地層抗鉆特性參數的三維連井剖面，在設計井位和在設計井眼軌道時，兼顧考慮地層巖石在抗鉆特性在不同方位上的差異，以最易鉆進方向為設計目標進行優化，可以進一步提高鉆井綜合效益。