巖屑掉塊深度歸位方法研究及其在CT 1井的應用

段勝強 段宏臻 黃 振 王 軍 付 新 李會光

（①中國石油集團測井有限公司青海分公司；②中國石油天然氣股份有限公司青海油田公司勘探開發研究院）

0 引言

隨著各油田區塊勘探程度的加深，深井、超深井的開發逐漸成為主流，大斜度井、水平井、平臺井等復雜井型逐漸成為主要的勘探方式[1]，巖屑返出難度增大、巖屑掉塊數量增加，給起下鉆帶來困難甚至導致卡鉆。目前，鉆井工藝多使用“螺桿+PDC”鉆進，導致返出地表的巖屑顆粒越來越碎，現場施工人員一般通過巖屑掉塊的顏色、形狀以及顆粒大小和數量，憑借經驗判斷巖屑掉塊歸屬問題，由于不同人員現場經驗不同，導致判別結果差別大，影響到鉆井施工安全和施工方案制定的時效性。

在鉆錄井施工現場出現的巖屑掉塊，其粒徑比正常巖屑大幾倍甚至幾十倍，基本等同于井壁或者地層取心，地質工程師可根據巖屑掉塊信息觀察，識別地層信息、井壁的穩定性以及地層巖性信息，為現場制定鉆井施工措施提供依據[2-4]。然而由于井底返出巖屑掉塊也預示著井下存在井壁失穩情況，如不加以重視，隨著井深增加、掉塊量增多和地層應力釋放程度增強，返出的巖屑掉塊會越來越多，加上井底存在未返出的巖屑掉塊，勢必會造成遇阻、卡鉆風險。本文利用合理的巖屑掉塊深度歸位方法，對巖屑掉塊進行正確歸位，解決巖屑掉塊的來源、歸屬問題，為完善鉆井施工方案、保障鉆井順利施工、縮短施工工期提供了數據支撐。

1 巖屑掉塊深度歸位方法

鉆井施工過程中，井底不可避免返出巖屑掉塊，在地質工程一體化理念的指引下[5]，通過巖性對比歸位法、起下鉆遇阻遲到時間法、元素數據曼哈頓距離法、鄰井對比法和定量熒光圖譜對比法5 種方法對巖屑掉塊進行正確歸位來還原地層剖面，優化鉆井施工方案，進而規避由于井壁失穩、坍塌導致的惡性工程復雜事故。

1.1 巖性對比歸位法

從井底返出的正常巖屑或巖屑掉塊是井下地層信息的直接反映。正常巖屑按照深度的增加可以逐漸復原地層剖面；巖屑掉塊則是指從裸眼井段內上返至井口的巖屑，是評價井壁穩定性的指標。如果未能及時制止巖屑掉塊的產生，隨著其數量增多，將引起卡鉆或者井壁失穩坍塌，造成前期鉆進成果功虧一簣[5]。

地質工程師按照巖屑返出的深度數據，復原地層剖面，當無井深標記的巖屑掉塊隨著鉆井液上返至井口時，根據巖屑掉塊的顏色、形狀、顆粒大小以及巖性可以初步判定巖屑掉塊的位置，如果將巖屑掉塊的巖性與上述地層進行對比分析，則能夠更確切地判斷掉塊在裸眼井段的位置，進而避免在此位置進行劃眼或者循環等工序。

圖1所示巖屑掉塊是在劃眼期間返出的，因此掉塊的歸位深度小于鉆頭所在的位置，掉塊巖性與歸位地層深度的巖性一致才能確認該掉塊的位置。圖示掉塊巖性為棕褐色泥巖、泥質粉砂巖，參考這些掉塊顏色去上述地層尋找類似巖性，并初步歸位于對應井深。

圖1 掉塊巖性歸位井段（2 500～2 520 m）

從復原地層巖性剖面來看，裸眼井段主要為棕褐色砂泥巖，其中存在少量灰色砂泥巖，而掉塊巖性主要以棕褐色泥質粉砂巖為主，縱觀復原地層巖性剖面，在井段2 500～2 520 m 巖性以泥質粉砂巖、粉砂巖為主，巖性粒徑較粗，砂巖連續厚度大于上下井段，并且砂巖地層又夾少量泥巖，故推斷此掉塊歸位于井段2500～2520 m。

圖2掉塊為鉆頭位置2366 m附近劃眼時返出，從掉塊巖性上看，基本屬于棕褐色、灰色砂泥巖，而棕褐色和灰色代表兩種不同的沉積環境，在互層沉積時或多或少存在一定的不整合接觸，再次鉆進至此類地層勢必會造成不同程度的應力釋放，導致出現掉塊。在上述裸眼地層巖性剖面中，井段2 250～2 330 m 基本是以棕褐色、灰色砂泥巖互層為主，預示著在該井段由于氧化還原環境的變化，導致地層巖性呈棕褐色、灰色互層，而巖屑掉塊也基本屬于棕褐色、灰色巖性，所以掉塊歸位于2 250～2 330 m，應避免在該井段進行劃眼、循環等工序。

圖2 掉塊巖性歸位井段（2250～2330 m）

1.2 起下鉆遇阻遲到時間法

在起下鉆過程中，遇到懸重噸位變化較小的遇阻或遇卡點時，采用上下活動鉆具往往返出較少量的巖屑掉塊；但是在遇到懸重噸位變化較大的遇阻或者遇卡點時，需多次上下活動鉆具才能通過，再次開泵循環時往往會出現較多量的、顆粒較大的巖屑掉塊。在實際劃眼過程中，劃眼的鉆頭多次在同一個位置上下活動鉆具，開泵循環后掉塊也在一個遲到時間后隨之返出，此時錄取的掉塊基本歸屬于劃眼位置。

圖3 左圖為下鉆至井深2 374 m 遇阻開泵劃眼錄井曲線，劃眼持續時間為170 min，結合井內鉆具組合、泵沖排量計算該井深遲到時間為98 min，按照遇阻井段以及遲到時間，在開泵后約98 min錄取的巖屑掉塊即是遇阻點（2374 m）附近井壁脫落下來的掉塊。圖3右圖巖屑掉塊是在井段2371～2380 m錄取的，經核實與巖性剖面推斷出來的該剖面的巖性相一致，因此根據遲到時間來歸位巖屑掉塊層位的方法可行。

圖3 掉塊巖性歸位劃眼井段（2371～2380 m）

1.3 元素數據曼哈頓距離法

地殼中巖石所含元素的數量和種類是固定的，但不同巖石中元素的比例卻不盡相同，利用元素分析儀對掉塊巖屑中元素的種類和數量進行分析，結合各個元素的占比就能較好地擬合出該巖屑的種類，甚至確定出該巖屑的名稱。在實際施工過程中，這種方法可以用來確認巖屑顆粒較小、巖屑較為罕見以及特殊的標志層，進而指導現場施工。

利用巖屑元素種類的多樣性，結合數學算法，對整個裸眼井段的巖屑和巖屑掉塊進行元素分析，形成元素數據庫，利用元素數據庫分析結果對巖屑掉塊與整個裸眼井段進行比對，能夠更準確地判定巖屑掉塊的位置。

曼哈頓距離是表征巖屑掉塊元素分析值與裸眼井段元素數據庫中相同元素之間距離的絕對值，掉塊元素值與裸眼井段元素數據庫中相同元素的距離值的絕對值累加之和即為曼哈頓距離，當曼哈頓距離最小時，判定裸眼井段與巖屑掉塊層位距離最為相近。其公式如下[1]：

式中：dkj為第k個掉塊元素值與第j個全井樣品元素值之間的曼哈頓距離，m。

當dkj最小時，第k個掉塊元素值與第j個全井樣品元素值最為相近，此時可將第k個掉塊歸位于第j個全井樣品的解釋結果，表明裸眼井段與巖屑掉塊層位一致。

在實際鉆進過程中，出現巖屑掉塊時往往持續幾米甚至十幾米。CT 1井在實際鉆進至井深3898 m時鉆時高于上下井段，懸重變化較大，有遇阻現象，在此處井深經過一個巖屑遲到時間錄取3塊返出的巖屑掉塊進行元素分析，將分析結果與裸眼井段元素數據進行比對，結果如表1 所示。由于計算出的曼哈頓距離值較小，不便于比較，先求取曼哈頓距離之和平方根再進行比較，取3 塊巖屑掉塊曼哈頓距離之和平方根最小者對應的深度為掉塊歸位深度，計算出歸位深度與實際鉆進過程中遇阻井段基本吻合。

表1 CT 1井掉塊根據元素數據利用曼哈頓距離法計算歸位深度

1.4 鄰井對比法

在構造相對較穩定的區域，地層應力的集中或釋放也位于某個固定的區域，正鉆井和已鉆井會在同樣的構造位置出現類似的巖屑掉塊，施工現場可以利用此方法提前預判可能出現井壁失穩的井段。鉆進過程中，由于工程復雜引起原井眼不能繼續施工，現場采取側鉆鉆進，側鉆鉆進至相同層位時所出現的地質現象與原井眼基本一致，不管是施工原因還是地層應力釋放原因，原井眼和側鉆井眼鉆進時基本都會出現掉塊。但在側鉆時采取一定的措施保護井壁，側鉆井段掉塊也會隨之減少。

實際施工過程中，原井眼出現掉塊的層位或者井深，在側鉆時同樣也會出現掉塊（圖4），側鉆施工中吸取原井眼的經驗教訓，采取一定的措施穩定井壁，可減少側鉆鉆進過程中出現的掉塊數量；不同的施工狀態會影響巖屑掉塊返出數量，從原井眼、側井眼復原地層剖面來看可以推斷出可能出現巖屑掉塊的位置，及時采取一定的措施避免發生卡鉆等工程復雜事故。

圖4 原井眼和側鉆井眼同層位掉塊

1.5 定量熒光圖譜對比法

隨著定量熒光分析技術的迭代更新，定量熒光分析技術已經成為綜合錄井不可或缺的一項技術手段。該技術以巖屑為分析對象，對已知深度和未知深度的巖屑掉塊均可分析其屬性。鉆進過程中的掉塊比劃眼作業中出現的掉塊更容易歸位，并且歸位深度與正常返出巖屑的深度較接近。在已經明確已鉆井段巖屑定量熒光圖譜特征的情況下，對未知深度的巖屑掉塊進行定量熒光分析后得出圖譜，將其圖譜與整個裸眼井段的定量熒光圖譜進行對比（圖5），根據圖譜的外觀形狀、顏色深淺、激發波長和發射波長大小、熒光強度、含油濃度、熒光級別、油性指數等特征進行綜合分析對比，篩選出與巖屑掉塊定量熒光圖譜一致的正常巖性圖譜，進而進行掉塊深度歸位，即可確定巖屑掉塊的歸屬位置。

2 巖屑掉塊歸位深度確定原則

在鉆井施工過程中，可采用多種技術手段進行綜合分析得出巖屑掉塊歸位深度，并可以相互驗證，使巖屑掉塊歸位深度更準確，更接近其在井內的實際位置。

本文介紹的5 種掉塊深度歸位方法，在實際使用中根據表2 的匹配原則來確定巖屑掉塊的歸位深度。

表2 巖屑掉塊深度判定法匹配原則

當5 種計算方法歸位深度為同一深度時，則巖屑掉塊判定為該深度值；當出現3 種及3 種以上計算方法判定巖屑掉塊深度為同一深度時，則認定巖屑掉塊深度與之匹配；當出現至少2 種及2 種以上計算方法判定出的巖屑深度不一致時，則認定該分析數據超出正常巖屑分析井段，巖屑掉塊不予判定深度。

3 應用效果

3.1 巖屑掉塊歸位應用

CT 1 井是部署在柴達木盆地咸東地區咸東一號構造上的一口重點探井，鉆進過程中出現嚴重的巖屑掉塊，由于井壁失穩，嚴重影響施工周期，錄井技術人員根據文中介紹的5種屑掉塊深度歸位方法綜合分析巖屑掉塊信息，將巖屑掉塊進行逐一歸位，滿足3種方法結果相同，按照判定原則對巖屑掉塊進行歸位深度判定（圖6）?，F場劃眼出現的巖屑掉塊歸位深度基本位于2 360 m 和2 430 m 附近，并且巖屑掉塊巖性為棕紅色泥巖、砂質泥巖，在2 624 m 出現灰色穩定地層后，及時向建設方建議中完。由于為建設方決策中完井深和縮短處理復雜時間提供了較好的數據支撐，使鉆井施工周期較原來縮短33%。

圖6 CT 1井巖屑掉塊歸位深度判定

3.2 巖屑掉塊歸位深度與電測數據相互印證

根據上述方法將鉆井施工中巖屑掉塊歸位至相應的井深后，向鉆井隊、電測隊提示相應的風險預告，為施工過程中規避巖屑掉塊井段，或在巖屑掉塊井段采取合理的措施消除隱患。電測之后的井徑數據可以反過來驗證電測之前提示巖屑掉塊歸位井段的正確性。電測之前提示電測小隊，錄井過程中在井深2440 m 出現掉塊，存在井徑擴大情況。實際電測結果表明，CT 1 井與鄰近的C 8 井在同等構造埋深處均表現出相應的井徑擴大特征，通過錄井與電測數據之間相互印證后（圖7），數據有效可靠，值得推廣。

圖7 巖屑掉塊歸位深度與井徑數據驗證

4 結論與展望

（1）合理利用巖屑掉塊信息，發揮其優勢，摒棄其劣勢，可更好地彌補復原地質剖面、鉆井工程施工方案方面的欠缺。在地質工程一體化理念的指引下，錄井技術在復原地質剖面、監測鉆井工程復雜、降低施工作業風險、輔助縮短施工周期上發揮著不可替代的作用。

（2）錄井采集數據較多，可以利用大數據或者數學計算公式綜合分析元素數據，做到精確計算，精準應用，借助地質工程師收集、匯總、分析區域鄰井資料的能力更好地發揮錄井技術優勢。

（3）井壁穩定性一直是鉆井施工的一項難點，施工前往往難以預測具體井壁失穩井段，而施工中多以經驗為主導，綜合利用本文提出的巖性對比法等5 種方法能較好地評價巖屑掉塊的屬性，對其進行深度歸位，采取一定的措施保護井壁穩定。

（4）該方法在CT 1 井施工現場成功判別巖屑掉塊歸位井段，輔助現場施工。后續隨著井數的增加，有助于研究柴達木盆地咸東地區咸東一號構造井壁失穩的分布規律，為地質工程一體化提供技術支撐。