岩石可钻性和钻速预测

岩石可钻性和钻速预测

李富

摘 要 对井剖面地层岩石可钻性的确定直接影响到钻头选型和钻速预测,然而,现有的研究岩石可钻性的

微可钻实验存在较多问题。现有的岩石微可钻性实验一般通过取心在室内常温常压下进行,脱离了地下高温高压

环境后的岩心不仅不能代表地层的可钻性,而且这样的可钻性数据离散、随机、有限、成本高。但若能建立基于岩

石物理参数的岩石可钻性预测模型,必将能缓解可钻性评价中存在的这些矛盾。尽管利用测井资料估算岩石可钻

性时,由于岩石结构的复杂性以及不适当的参数化工作使测井估算的可钻性也存在不少问题,但利用测井资料获

取岩石可钻性的方法能够提供逐点可钻性数值,既能反映出整个钻井剖面岩石可钻性变化的趋势,又能反映出不

同地层间的变化规律,而且成本低。鉴于此,推导了利用声波测井资料预测岩石可钻性的计算模型,并结合S 油田 实际资料开展了钻速预测方法研究。

主题词 岩石可钻性 声波测井 资料 钻头 钻井速度 预测 测井评价岩石可钻性模型推导

在对全国各类油气田的岩石可钻性进行了大量试验研究和测定工作的基础上, 原石油工业部于1987 年召开了全国岩石可钻性研究成果鉴定会,定出了岩石可钻性分级的标准(表1) 。根据岩石软、中、硬三大类,将岩石可钻性划分10 级,一定的岩石可钻性分级对应了一定的钻头型号。对这些数据进行处理后,作了相关分析。回归分析结果,度指数相关,即

Kd = 2. 347e- 0. 0017 x (1) 相关系数R = 0. 947 1 。

图1 岩石可钻性与岩石硬度关系曲线

由前人的实验测定结果已知,当地层不含天然气时,岩石的硬度( x) 随声波纵波速度(1/Δtc) 的增加而增加,即x = α/Δtc +γ ,将其代入(1) 式得:Kd = A eβ/Δtc (2) 钻采工艺与装备 ·6 1·

其中: A = 2. 347e- 0. 001 7γ ,β = - 0. 001 7α 。

由于岩石的纵波速度受岩石孔隙中流体性质影响,对地层是否含气尤其敏感,地层含气即使仅有5 % ,在纵波速度曲线上也会有明显变化,地层含气可能使硬地层在纵波速度(时差) 曲线上显示出弱地层的特征,而横波对地层中流体类型不敏感,通过对大量资料的统计,得到以下统计结果:化

学沉积岩地层:Δt s/Δtc = 2. 26 ] Δts = 2. 26Δtc 砂泥岩地层: Δts/Δtc = 1. 76 ] Δts = 1. 76Δtc 岩浆岩、变质岩类:Δts/Δtc = 1. 71 ] Δts = 1. 71Δtc

即Δt s = C ·Δtc

该统计结果表明,地层不含气时横波时差(速

度) 随纵波时差(速度) 成比例地变化,因此,岩石的 硬度也将随声波横波速度(1/Δt s) 的增加而增加。在 岩石硬度的研究中采用横波速度与岩石硬度相关其 相关性必然更好,即岩石硬度x = α/Δt s +γ ,将此 关系式代入(1) 得:

Kd = 2. 347e- 0. 001 7 (α/Δt s+γ) = 2. 347e- 0. 001 7α/Δt se- 0. 001 7γ

(3)

将(2) 、(3) 两式写成通式得:

Kd = ae b/Δt s (4)

或

Kd = ae b/Δtc (5)

其中,Δt s、Δtc 分别为地层的横波时差和纵波时差, 与其速度互为倒数。

地矿部钻井研究所在塔里木油田通过实验数据

相关分析所得到的Kd 的预测关系式与此相似,从而 也证明了岩石可钻性与声波时差密切相关, 以及这 一形式的典型性和代表性。其中a 、b 为系数。可见, 只要已知横波速度(时差) 或消除了天然气影响的纵 波速度(时差) 就可以建立随井深而连续变化的岩石 可钻性剖面,为钻头选型提供依据。

若有横波测井资料,可直接利用测井资料建立

可钻性剖面,若无横波资料,则应对含气层纵波速度 进行必要的天然气校正后使用。 岩石可钻性预测模型在 钻速预测中的应用

Bourgoyne 和Young 运用多元回归分析方法,建

立了一个多元钻速方程,该方程考虑了井深、岩层特 性、井底压差、钻压和转速以及水力参数等8 个主要 因素对机械钻速的综合影响,即 d H/ d t = e ( a1+ Σaj xj ) (6)

该微分方程可具体化为: V = e a1 + a2

(10 000 - H) w - wo 14 - wo a5 N 70

a6 Qρm ηde a8

e a3Δpe - a7 h (7)

令ak = a1 + a2 (10 000 - H) 将上式简化为: V = e ak w - wo 14 - wo a5 N 70

aN Qρm ηde a8

e a3Δpe- a7 h (8)

考察该钻速方程,当采用近平衡钻井,且不计钻 头齿磨损时, a3Δp ≈ 0 , a7 h ≈ 0 ,上式简化为: V = K w - wo 14 - wo a5 N 70

aN Qρm ηde a8 (9)

上述式中各参数为: a5 为钻压指数, 反映钻压对钻速的影响; w 为钻压; wo 为临界钻压; a6 为转速指数,反映转速对钻速的影响,与岩层的软硬程度有关; N 为转速; a8 为水力指数, 反映水力参数对钻速

的影响; Q 为泵速;ρm 为泥浆密度; de 为喷嘴等效直径;η为喷射粘度。其中, K = e ak 。考察ak = a1 + a2 (10 000 - H) , 其中, a2 ·

(10 000 - H) 反映了井深对机械钻速的影响, 并随井深增加而下降; a1 反映了岩石硬度对机械钻速的影响, 并随岩石硬度增加而减小。由于正常情况下,地层的压实程度随埋藏深度增加而增加, 因此, 通常情况下,同一岩石随着埋藏深度的增加, a2 (10 000 -H) 和a1 都将减小。可见,该钻速方程中的系数( K)主要与井深、岩层硬度等岩石本身性质有关,该值的大小,可以反映实际钻井条件下破碎岩石的难易程度。与实验室微型钻头钻孔实验所得到的岩石可钻性值( Kd) 相比,钻速方程中这样得到的系数( K) 可称为实钻条件下的岩石可钻性( K) 。K 越大,破碎岩石越容易, 反之, 破碎岩石则难。由实验室微可钻性实验已知, Kd 越大,破碎岩石越难, Kd 越小,破碎岩石越容易, 因此, 可以认为, 实钻条件下的岩石可钻性( K) 与实验室微可钻性( Kd) 之间存在某种联系,二者可以相互转换。经过推导得到其转换关系为: K = α1β1 - Kd (10)

其中,α1 、β1 为方程系数。

将Kd 表达式代入上式, 可得到K 与声波时差 之间存在如下关系,即

钻采工艺与装备 天 然 气 工 业 1999 年9 月 ·6 2· K = α1β1 - ae

b/Δts (11) 或K = α1β1 - ae

b/Δtc (12)

由此,可以利用式(11) 或(12) 逐点计算实钻岩 石可钻性值。

综合国内外现有资料,钻压指数,转速指数,水

力指数的大致变化范围归纳如下: a5 = 0. 6 ～ 1. 4 ; a6 = 1. 0 ～ 0. 4 ; a8 = 0. 6 ～ 0. 2 。

资料来源区S 油田的地层变化范围大致是极软—中硬,对所收集到的几口井资料处理后得到该地区这几个参数的变化范围为: a5 = 0. 8 ～ 1. 2 ; a6 =

0. 8 ～ 0. 5 ; a8 = 0. 6 ～ 0. 25 。

将钻井录井数据代入式(4) 不仅可以计算得到

的对应的K ,而且可以同时获得对应的参数a5 、a6 、 a8 。将K 与a5 、a6 、a8 进行相关统计分析, 由相关分 析得到的函数形式为: a5 = 0. 414 2 K + 0. 2 ; a6 = 0. 543 6 K - 0. 473 8 ; a8 = - 0. 365 1 K + 1. 1 。对应

的相关系数分别为: R1 = 0. 594 0 , R2 = 0. 920 8 ,R3 = - 0. 60 8 ,钻压指数与K 相关性最差。此外,对来自另一地区的几口井的处理结果也得到了类似的结论,因此,可以认为,该钻速方程中的钻压指数、转速指数、水力指数与系数K(或实钻岩石可钻性) 之间存在较好的相关关系, 当然不同地区统计式的形式或统计式中的系数会有所不同。在一个地区建立了测井估算岩石钻性及钻速方程中各系数a5 、a6 、a8 与可钻性的关系式后,有助于钻头的选型和评价,钻速的预测和确定设计井的最优化钻井措施。结 论

(1) 测井资料与岩心分析可钻性相结合可以建 立岩石可钻性预测模型,进而可以获得逐点的岩石 可钻性值及逐层的岩石可钻性剖面,为新井钻头选 型提供依据,为钻速预测奠定基础。

(2) 岩心分析可钻性与测井的横波速度(或时

差) 、地层不含天然气时的纵波速度(或时差) 呈指数 函数关系。

(3) 实钻岩石可钻性与岩心分析可钻性可以相 互转换。

(4) 钻速方程中的钻压指数、转速指数、水力指 数与系数K (实钻岩石可钻性) 之间存在较好的相 关关系,因此,建立实钻岩石可钻性预测方程后,可 以利用该钻速方程逐点计算机械钻速。