庫車坳陷山前構(gòu)造超深井巖石可鉆性研究

摘 要

摘要：根據(jù)地層巖石可鉆性級值預(yù)測鉆井速度、制訂鉆井計劃是科學(xué)鉆井的一項重要內(nèi)容。精確地預(yù)測地層可鉆性是實現(xiàn)超深井優(yōu)質(zhì)高效鉆井的重要基礎(chǔ)之一，對提高鉆井速度、降低鉆井
摘要：根據(jù)地層巖石可鉆性級值預(yù)測鉆井速度、制訂鉆井計劃是科學(xué)鉆井的一項重要內(nèi)容。精確地預(yù)測地層可鉆性是實現(xiàn)超深井優(yōu)質(zhì)高效鉆井的重要基礎(chǔ)之一，對提高鉆井速度、降低鉆井成本具有十分重要的意義。應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法，依據(jù)庫車坳陷山前構(gòu)造已完鉆井的鉆井、錄井、測井資料，以及室內(nèi)微鉆頭可鉆性實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，建立了庫車坳陷山前構(gòu)造超深井橫向、縱向地層巖石可鉆性剖面，較精確地預(yù)測了地層可鉆性級值，滿足了現(xiàn)場鉆井工作的需要。并編制了設(shè)計計算軟件，現(xiàn)場應(yīng)用表明預(yù)測值與實測值誤差為5%～8%，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值，對于不同地區(qū)、不同構(gòu)造，應(yīng)對地層巖石可鉆性剖面進(jìn)行修正，以獲得最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：山前構(gòu)造超深井；錄井；測井；巖石可鉆性；鉆井成本
1 巖石可鉆性研究方法的應(yīng)用與評價
    近年來，相關(guān)人員從多方面對巖石可鉆性進(jìn)行了大量的研究工作，建立了多種巖石可鉆性預(yù)測研究模型及巖石可鉆性與巖石力學(xué)特性參數(shù)的函數(shù)關(guān)系模型。常規(guī)的研究方法可分為如下3類：
1.1 室內(nèi)巖心試驗
    傳統(tǒng)測定巖石可鉆性的方法是室內(nèi)巖心試驗，它以大量巖心試驗為基礎(chǔ)，需要在研究的地層范圍內(nèi)盡可能取全不同構(gòu)造、不同層位、不同井深、不同巖性、不同地質(zhì)時代的巖心，在巖石可鉆性測定儀上測定其抗壓強度、壓入硬度、彈性模量、聲波速度等與破碎巖石關(guān)系密切的指標(biāo)。國內(nèi)外做了大量實驗研究，并據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立了一系列巖石可鉆性預(yù)測模型。其中以Rollow A.G.在1962年提出的評價牙輪鉆頭巖石可鉆性微型鉆頭鉆進(jìn)法較完善[1]。
    室內(nèi)微鉆頭鉆進(jìn)法是對鉆井工程的一種模擬，然而由于微鉆頭在結(jié)構(gòu)和破巖方式上與全尺寸鉆頭有很大不同，而且實驗用巖心為完整巖塊、脫離了地下的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，不能代表整個巖體性質(zhì)。因此，用微鉆頭鉆進(jìn)巖石也只是一種有限的模擬、近似測定巖石可鉆性的方法[2]。在缺少巖心的地區(qū)，尤其是在井少、井距遠(yuǎn)的新探區(qū)，要收集大量的有代表性的巖心是不可能的[3～4]，而且采樣費用高，試驗周期長，不能實現(xiàn)快速實時地預(yù)測巖石可鉆性來滿足鉆井工程的需要。因此，室內(nèi)實驗方法受到一定的限制。
1.2 應(yīng)用測井資料
    隨著測井技術(shù)的發(fā)展，通過測井方法可以獲得巖石的聲波、密度、孔隙度等物理性質(zhì)，這些地層信息能夠反映巖石在地下的物理特性。國內(nèi)外研究表明，巖石可鉆性與測井參數(shù)之間存在一種必然的聯(lián)系，并建立了許多單測井參數(shù)、多測井參數(shù)的預(yù)測巖石可鉆性的數(shù)學(xué)模型[5]。隨著測井技術(shù)的發(fā)展和解釋水平的提高，通過測井資料預(yù)測地層可鉆性的方法得到廣泛應(yīng)用。測井資料有較好的連續(xù)性，便于建立地層巖石可鉆性連續(xù)剖面[6]，對優(yōu)選鉆頭、提高鉆井效率具有重要的現(xiàn)實意義。利用測井資料預(yù)測巖石可鉆性方法簡單易行，費用低，不需要大量巖心，且能建立連續(xù)的可鉆性剖面。然而測井資料屬于鉆后測量。也就是說，通過測井方法只能確定已鉆地層的可鉆性，不能對未鉆地層的巖石可鉆性做出實時預(yù)測[7]。
1.3 實鉆參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計法
    隨著研究的不斷深入，對巖石可鉆性的研究從常規(guī)的室內(nèi)實驗測定發(fā)展到利用測井資料、實鉆參數(shù)的數(shù)理統(tǒng)計。實鉆參數(shù)諸如鉆進(jìn)進(jìn)尺、鉆壓、鉆時、轉(zhuǎn)速、鉆頭水功率等反映了不同地層巖石和技術(shù)工藝等多種因素的綜合影響，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計方法可分析出各種不同的地層實鉆參數(shù)與巖石可鉆性的內(nèi)在的必然聯(lián)系，所得的巖石可鉆性指標(biāo)可以直接用于制定生產(chǎn)指標(biāo)。
    對巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石可鉆性研究，國內(nèi)外石油工作者采用實鉆參數(shù)，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計、模糊數(shù)學(xué)原理，依據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)和可鉆性指標(biāo)，建立了巖石可鉆性的數(shù)學(xué)模型，并以此模型進(jìn)行巖石可鉆性分級，在一定程度上滿足了鉆井工程的需要。但是，由于地層因素仍是影響巖石可鉆性的最主要的客觀因素，現(xiàn)場實鉆參數(shù)受很多因素的制約，用該方法表示巖石的可鉆性具有暫時性和局部性[2]。
2 橫向地層可鉆性剖面的建立
在庫車坳陷山前構(gòu)造深井鉆井中經(jīng)常要遇到井斜、井漏、井壁失穩(wěn)、卡鉆、蹩跳鉆、鉆具磨損等井下復(fù)雜事故問題，造成鉆井速度慢、周期長、成本高，嚴(yán)重制約著庫車地區(qū)油氣資源的勘探開發(fā)進(jìn)度。庫車坳陷山前構(gòu)造地層可鉆性差，研磨性高，鉆速低，給鉆井工程帶來了困難，目前，隨著勘探開發(fā)進(jìn)一步向山前地區(qū)發(fā)展，提高鉆井速度已成為急需解決的難題。因此，了解山前構(gòu)造地層橫向地層可鉆性變化規(guī)律，建立山前構(gòu)造橫向地層可鉆性剖面意義重大。庫車地區(qū)山前構(gòu)造鉆井目的層位大部分位于新近系吉迪克組至白堊系。為此筆者統(tǒng)計分析了山前構(gòu)造地層鉆前、鉆后資料，建立了庫車坳陷山前構(gòu)造吉迪克組至白堊系地層巖石可鉆性橫向地層巖石可鉆性剖面，為山前構(gòu)造鉆井決策提供理了論依據(jù)。
 
由圖1所示，庫車地區(qū)吉迪克組地層可鉆性級值隨埋藏深度增加而增加；從擬合數(shù)據(jù)來看，克依構(gòu)造地層可鉆性級值最大，秋里塔克次之，再其次是庫西地區(qū)，玉東-英買力-羊塔克(吉迪克組)地層可鉆性最小。從地層可鉆性變化趨勢來看，玉東-英買力-羊塔克地層可鉆性級值增加趨勢最大，其他3個構(gòu)造區(qū)帶相近?？艘罉?gòu)造與秋里培克構(gòu)造區(qū)帶回歸相關(guān)性很好，庫西地區(qū)與玉東-英買力-羊塔克區(qū)帶回歸相關(guān)性相對要差一些。從可鉆性級值分和來看，庫車地區(qū)吉迪克組地層可鉆性級值分布以5～7級為主，大部分屬于中硬地層范疇，地層可鉆性級值為3～5級與7～8級分布較少。
 
    由圖2所示，庫車地區(qū)古近系地層可鉆性級值回歸分析趨勢線交叉較為頻繁，變化規(guī)律較為復(fù)雜，但總的來說是隨埋藏深度增加而有所增加；隨井深的增加，秋里塔克地層可鉆性級值逐漸超過克依構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性級值，而玉東-英買力-羊塔克地層可鉆性級值與庫西地區(qū)地層可鉆性級值較為接近，但變化趨勢不同，玉東-英買力-羊塔克地層增加趨勢更為明顯。從可鉆性級值分布來看，庫車工區(qū)大部分地層可鉆性級值分布在4～7級。其中，玉東-英買力-羊塔克地層可鉆性級值主要分布在4～6級。數(shù)據(jù)回歸相關(guān)性都較好，超過75%。
 
    由圖3所示，庫車地區(qū)白堊系地層可鉆性級值克依構(gòu)造區(qū)帶與秋里塔克構(gòu)造區(qū)帶較大，主要分布在6～9級，屬于難鉆地層，而玉東-英買力-羊塔克地層可鉆性級值主要分布在5～8級；從回歸分析趨勢來看，克依構(gòu)造與秋里塔克構(gòu)造增加趨勢相近，玉東-英買力-羊塔克地層與庫西地區(qū)增加趨勢相近，但增加趨勢大于前兩者；從擬合數(shù)值來看，克依構(gòu)造地層可鉆性級值最大，秋里塔克次之，再次為庫西地區(qū)，玉東-英買力-羊塔克構(gòu)造區(qū)帶最小，只有在井深達(dá)到6000m左右，4個構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性級值才較為接近。
    總體來看，白堊系地層可鉆性級值隨埋深增加而逐步增大，又由于埋深相對較深，其地層巖石可鉆性較差。
3 縱向地層可鉆性剖面的建立
    筆者分構(gòu)造區(qū)塊總結(jié)出了整個庫車地區(qū)白堊系及其以上地層縱向地層可鉆性變化規(guī)律，并對其作了對比分析(見圖4)。以平均地層可鉆性對比來看，玉東-英買力-羊塔克地層可鉆性最小，秋里塔克次之，再次是克依構(gòu)造，庫西地區(qū)平均地層可鉆性最大。從變化趨勢來看，庫西地區(qū)地層可鉆性變化較為平緩，其他3個構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性相近。
 
    在古近系到白堊系，庫西地區(qū)地層可鉆性地層可鉆性較上部地層變小，與其他3個構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性變化趨勢相反，而其他3個構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性隨井深增加而有所增加。
    庫車地區(qū)4大構(gòu)造區(qū)帶地層可鉆性級值回歸相關(guān)系數(shù)都較高，達(dá)到0.68以上，數(shù)據(jù)回歸可靠性較大。
4 現(xiàn)場應(yīng)用驗證
    為驗證統(tǒng)計地層可鉆性剖面的精確性，把烏參1井與卻勒1井吉迪克組至白堊系統(tǒng)計地層可鉆性預(yù)測值與其室內(nèi)實驗微鉆頭可鉆性實測值進(jìn)行了對比(見表1)。由表1可知，室內(nèi)實驗測定可鉆性級值較預(yù)測值偏小，這是由于室內(nèi)微鉆頭鉆井法是對鉆井工程的一種模擬，它在結(jié)構(gòu)和破巖方式上與全尺寸鉆頭有很大不同，而且實驗用巖心為完整巖塊、脫離了地下的復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境，而實驗是在常溫常壓下測定巖心微鉆頭可鉆性。預(yù)測值與實測值誤差最大值在16%，一般誤差為5%～8%，在工程誤差可承受范圍之內(nèi)。由此可見，所建立的地層可鉆性剖面能夠較好地預(yù)測庫車坳陷山前構(gòu)造地層可鉆性分級。
表1 地層可鉆性剖面實測值與預(yù)測值對比驗證表
地層
烏參1井
卻勒1井
實測值
預(yù)測值
相對誤差
實測值
預(yù)測值
相對誤差
吉迪克組
4.79
5.23
0.084130019
4.32
4.55
0.0505495
古近系
5.77
5.35
-0.078504673
4.52
5.32
0.1503759
白堊系
4.09
4.87
0.160164271
5.79
6.19
0.0646204
5 結(jié)論
    1) 現(xiàn)有巖石可鉆性研究方法主要分為室內(nèi)實驗、應(yīng)用測井資料以及實鉆參數(shù)數(shù)理統(tǒng)計等3類。
    2) 建立了庫車坳陷山前構(gòu)造吉迪克組至白堊系橫向與縱向地層可鉆性剖面，實現(xiàn)了地層可鉆性鉆前預(yù)測。
    3) 驗證了所建立的統(tǒng)計橫向、縱向地層可鉆性剖面的精確性，達(dá)到了滿足指導(dǎo)現(xiàn)場鉆井工作的需要。
    4) 所編制的設(shè)計計算軟件，簡便實用、成本低廉，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。對于不同地區(qū)、不同構(gòu)造，應(yīng)對地層可鉆性剖面進(jìn)行修正。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳平.鉆井與完井工程[M].北京：石油工業(yè)出版社，2005.
[2] 李士斌，閆鐵，李瑋.地層巖石可鉆性的分形表示方法[J].石油學(xué)報，2006，27(1)：124-127.
[3] 何龍，朱澄清.川西地層可鉆性級值研究[J].鉆采工藝，2006，29(3)：98-99.
[4] 鄒德永，陳永紅.利用聲波時差資料確定巖石可鉆性的研究[J].石油鉆采工藝，1996，18(6)：27-30.
[5] 劉向君，宴建軍，羅平亞，等.利用測井資料評價巖石可鉆性研究[J].天然氣工業(yè)，2005，25(7)：69-71.
[6] 孫坤忠.提高鄂西渝東地區(qū)鉆井速度的有益探索[J].江漢石油科技，2004，14(3)：36-42.
[7] 薛亞東，高德利.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實鉆地層可鉆性預(yù)測[J].石油鉆采工藝，2001，23(1)：26-29.
 
(本文作者：熊繼有1 蒲克勇1 周健2 1.“油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程”國家重點實驗室 西南石油大學(xué)；2.中國石油塔里木油田公司勘探事業(yè)部)